Tecnología fotónica para la caracterización físico-química de flujos multifase

Abstract

The main topic of this Final Grade Work is the evaluation, analysis and development of photonic technologies for the detection and physical-chemical characterization of particles that are present in multi-phase air-water flows. These techniques find application in hydroelectric power plants since a complete characterization of the multi-phase flow enables a more efficient management of the resources. Furthermore, the optical techniques proposed in this work for the detection and identification of chemical compounds have biomedical applications. In this study, different photonic techniques are proposed for the characterization of multi-phase flows combining optical laser illumination with proper digital signal processing. On one hand, it is possible to calculate the velocity of bubbles illuminating the multi-phase flow with an optical laser and the algorithms developed by means of movement estimation techniques. In addition, optical laser propagation enables the detection of particles of air in water or other components present in the flow by calculation of the critical angle inside a prism. We are able to detect and identify different chemical compounds present in the flow through the estimation of the critical angle, which depends on the refractive index of each chemical compound. In this document, an overview of the state-of-the-art of different techniques currently available for multi-phase flow characterization is reported including both optoelectronic and acoustic techniques. Following this study, the photonic principles employed in each of the optical techniques proposed in this work are described in detail, including the associated digital signal algorithms developed for data processing and the experimental results obtained in each case. Finally, the conclusions reached in this work, the associated publications and the lines of research opened are summarized.

Este Trabajo Final de Grado tiene como objetivo principal la investigación, análisis y desarrollo de una tecnología fotónica para la detección y caracterización físico-química de partículas en suspensión en flujos multifase agua-aire. Esta tecnología tiene aplicación en instalaciones de generación eléctrica hidráulica, ya que una completa caracterización del flujo multifase permite una mejor gestión de sus estructuras de desagüe. Además, la caracterización de compuestos químicos propuesta en este trabajo también tiene aplicaciones biomédicas. En este trabajo se proponen diferentes técnicas fotónicas para la caracterización de flujos multifase utilizando un láser óptico como componente principal y algoritmos de procesado digital asociados. La iluminación y detección láser permite identificar y caracterizar burbujas presentes en el flujo. Con los algoritmos de procesado digital desarrollados en este trabajo es posible determinar la velocidad de burbujas mediante estimación de movimiento. Además, en este trabajo se propone un sensor fotónico capaz de detectar la presencia de aire en el agua u otros disolventes en un medio mediante el cálculo del ángulo límite de la propagación de un haz láser dentro de un prisma. Este sensor es capaz de detectar e identificar la muestra ya que la determinación del ángulo crítico depende del índice de refracción de cada compuesto químico. En esta memoria, además, se incluye el estudio del estado del arte de diferentes técnicas de caracterización de flujos incluyendo técnicas optoelectrónicas y acústicas. Se describen los principios fotónicos sobre los que se basa cada una de las técnicas propuestas junto con los resultados experimentales más relevantes obtenidos para cada caso. Finalmente, la memoria resume las conclusiones alcanzadas con este trabajo, las publicaciones asociadas y las líneas abiertas para la investigación futura.