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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD ZACATENCO SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN
UNIDAD ZACATENCO
SISTEMA FOTOACÚSTICO PARA LA
CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES
TESIS
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE
MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERÍA DE SISTEMAS
PRESENTA
ING. MARCO ANTONIO CARRASCO PACHECO
DIRECTORES DE TESIS
DR. FLAVIO ARTURO DOMINGUEZ PACHECO
DR. ALFREDO CRUZ OREA
MÉXICO D.F. JULIO DEL 2015
SISTEMA FOTOACÚSTICO PARA LA CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES
SISTEMA FOTOACÚSTICO PARA LA CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES
SISTEMA FOTOACÚSTICO PARA LA CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES
Dedicatoria y Agradecimientos
A mi mama y a mi papa.
Por traerme a este mundo y brindarme cariño, amor y apoyo incondicional a cada
momento y en cada etapa de la vida.
A mis hermanos.
Por su respaldo, confianza, consejos e inspiración; cada uno con su manera particular de
demostrarlo y siempre estando cuando los he necesitado.
A mis directores de tesis.
Dr. Flavio Arturo Domínguez Pacheco. Por las ideas, la confianza y el apoyo
incondicional que me brindo desde que tuve la oportunidad de conocerlo.
Dr. Alfredo Cruz Orea. Por el apoyo las facilidades y atención que me brindo en la
implementación y desarrollo de mi trabajo.
A la Dra. Claudia Hernández Aguilar. Coordinadora del programa de Posgrado en
Ingeniería de sistemas y miembro de mí jurado, por toda la atención, seguimiento, e
impulso que me proporciono para poder crecer profesional y espiritualmente.
A los miembros del jurado. Dra. Claudia Lizbeth Martínez González, Dr. Luis Manuel
Hernández simón, Dr. Jaime Reynaldo santos reyes; por su atención y acertadas
observaciones que permitieron enriquecer y fortalecer el presente trabajo.
A mis profesores del programa de maestría en ingeniería de sistemas. Por transmitirme
el conocimiento y las experiencias a lo largo de mi formación.
A mis amigos del posgrado. Especialmente a; Anaid, Mario, Alberto, Raúl, Paul
(Tecolotes Team). Que me permitieron formar parte de sus vidas, compartiendo consejos,
experiencias y momentos inolvidables; igualmente a Benjamín por su apoyo y amistad.
Al Instituto Politécnico Nacional. Que ha sido la institución que me ha dado la formación
profesional que me ha traído hasta esta instancia.
A la ESIME Zacatenco. Que desde la formación de licenciatura y ahora de posgrado ha
sido como mi segundo hogar.
Al CINVESTAV Zacatenco. Por las facilidades en el uso de los laboratorios.
Al CONACyT. Por el apoyo de la beca proporcionada.
Finalmente, agradezco a la vida y a todas las personas que de alguna u otra manera han
contribuido en mí y haber obtenido todo lo que tengo ahora. Gracias.
SISTEMA FOTOACÚSTICO PARA LA CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página i
ÍNDICE ÍNDICE ................................................................................................................................................ i
RESUMEN ......................................................................................................................................... iv
ABSTRACT ........................................................................................................................................ v
GLOSARIO ........................................................................................................................................ vi
LISTA DE FIGURAS ...................................................................................................................... viii
LISTA DE ACRÓNIMOS .................................................................................................................. x
INTRODUCCIÓN .............................................................................................................................. 1
Presentación del proyecto de tesis ................................................................................................... 1
Presentación del documento de tesis ............................................................................................... 2
1. FUNDAMENTOS Y CONTEXTO DE LA INVESTIGACIÓN ................................................ 3
1.1. Contexto de la investigación ............................................................................................... 4
1.1.1 Contexto físico ............................................................................................................ 4
1.1.2 Contexto temporal ....................................................................................................... 5
1.1.2.1 La Espectroscopia ................................................................................................... 7
1.1.2.2 Efecto fotoacústico ................................................................................................ 10
1.1.2.3 Diodo Emisor de Luz ............................................................................................ 11
1.1.3 Contexto cultural ....................................................................................................... 15
1.2 Fundamento de la investigación ........................................................................................ 15
1.3 Justificación ....................................................................................................................... 17
1.4 Objetivos ........................................................................................................................... 23
1.4.1 Objetivo general ........................................................................................................ 23
1.4.2 Objetivos particulares ................................................................................................ 23
1.5 Hipótesis ............................................................................................................................ 23
1.6 Tabla de congruencias ....................................................................................................... 23
2. MARCO TEÓRICO Y METODOLÓGICO ............................................................................. 25
2.1 Pensamiento sistémico ...................................................................................................... 26
2.1.1 Enfoque de sistemas .................................................................................................. 27
2.1.2 Metodología .............................................................................................................. 27
2.1.3 Ingeniería de sistemas ............................................................................................... 28
2.2 Física ................................................................................................................................. 29
2.2.1 Electromagnetismo .................................................................................................... 30
SISTEMA FOTOACÚSTICO PARA LA CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página ii
2.2.2 Interacción de la radiación electromagnética con la materia ..................................... 32
2.2.3 Termodinámica .......................................................................................................... 33
2.3 Fotoacústica ....................................................................................................................... 34
2.3.1 Fundamento de la Fotoacústica. ................................................................................ 35
2.4 Ciencias aplicadas ............................................................................................................. 36
2.5 Marco metodológico ......................................................................................................... 40
2.5.1 Metodología para el desarrollo del prototipo propuesto ............................................ 40
2.5.1.1 Fase I investigación del mundo real ...................................................................... 42
2.5.1.2 Fase II investigación sujeto-investigador .............................................................. 42
2.5.1.3 Fase III investigación experimental ..................................................................... 43
2.5.1.4 Fase IV Evaluación ............................................................................................... 45
3. APLICACIÓN DE LA METODOLOGÍA................................................................................ 46
3.1 Investigación del mundo real ............................................................................................ 47
3.1.1 Conocimiento de la problemática .............................................................................. 47
3.1.2 Problemática-Focalización. ....................................................................................... 47
3.1.3 Selección del objeto de estudio ................................................................................. 48
3.1.3.1 Conocimiento de las partes del objeto de estudio ................................................. 48
3.1.3.2 Selección de las áreas para el aporte ..................................................................... 50
3.2 Fase II investigación Sujeto-investigador ......................................................................... 51
3.2.1 Análisis FODA personal ........................................................................................... 51
3.3 Fase III Investigación experimental .................................................................................. 52
3.3.1 Montaje experimental 1 ............................................................................................. 53
3.3.1.1 Etapa I análisis: ..................................................................................................... 53
3.3.1.2 Etapa II Diseño ...................................................................................................... 54
3.3.1.3 Etapa III Implementación ...................................................................................... 55
3.3.1.4 Etapa IV Pruebas y resultados ............................................................................... 56
3.3.2 Montaje experimental 2 ............................................................................................. 57
3.3.2.1 Etapa I Análisis ..................................................................................................... 58
3.3.2.2 Etapa II Diseño ...................................................................................................... 60
3.3.2.3 Etapa III Implementación ...................................................................................... 60
3.3.2.4 Etapa IV Pruebas y resultados ............................................................................... 62
3.3.3 Montaje Experimental 3 ............................................................................................ 64
3.3.3.1 Etapa I. Análisis ................................................................................................... 64
SISTEMA FOTOACÚSTICO PARA LA CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página iii
3.3.3.2 Etapa II Diseño ...................................................................................................... 65
3.3.3.3 Etapa III Implementación ...................................................................................... 66
3.3.3.4 Etapa IV Pruebas y resultados .............................................................................. 68
3.3.4 Montaje experimental 4 ............................................................................................. 68
3.3.4.1 Etapa I Análisis ..................................................................................................... 69
3.3.4.2 Etapa II Diseño ...................................................................................................... 70
3.3.4.3 Etapa II Implementación ....................................................................................... 71
3.3.4.4 Etapa IV Pruebas y resultados ............................................................................... 72
3.3.5 Montaje experimental 5 Prototipo funcional ............................................................. 74
3.3.5.1 Etapa I análisis ...................................................................................................... 74
3.3.5.2 Etapa II diseño ...................................................................................................... 75
3.3.5.3 Etapa III Implementación ...................................................................................... 78
3.3.5.4 Etapa IV Pruebas y resultados ............................................................................... 80
4. DISCUSIÓN, CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS ................................................. 84
4.1 Discusión ........................................................................................................................... 85
4.2 Conclusiones ..................................................................................................................... 85
4.3 Aportes .............................................................................................................................. 88
4.4 Trabajos futuros................................................................................................................. 88
5. REFERENCIAS ........................................................................................................................ 89
6. ANEXOS ................................................................................................................................... 93
6.1 ANEXO A. PRINCIPIOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR..................................... 93
6.2 ANEXO B. MODELO TRIDIMENSIONAL DE LA CELDA ...................................... 100
6.3 ANEXO C. DIAGRAMAS ESQUEMÁTICOS DE LOS CIRCUITOS EMPLEADOS
102
6.4 ANEXO D. COMPARATIVA DE PRECIOS ............................................................... 104
6.5 ANEXO E. INTERFAS DEL PROGRAMA DESARROLLADO EN MATLAB ......... 105
6.6 ANEXO F. CODIGO DEL PROGRAMA DESARROLLADO EN MATLAB............. 106
6.7 ANEXO G. PROGRAMA DESARROLLADO PARA EL MICROCONTROLADOR 117
6.8 ANEXO H. HOJAS TÉCNICAS .................................................................................... 120
SISTEMA FOTOACÚSTICO PARA LA CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página iv
RESUMEN
La tecnología es un importante medio por el cual existe desarrollo económico cultural y
social con importante relevancia para los países del mundo. En México existen diferentes
formas de poder contribuir a esta tarea, para lo cual en este trabajo de tesis titulado
―Sistema fotoacústico para la caracterización de materiales‖, se pretende contribuir en esta
tarea en uno de los sectores que aqueja al país, desarrollando un prototipo basado en la
teoría del efecto fotoacústico, a partir de cuatro fases principales, donde primeramente se
expone la problemática a solucionar, en la segunda fase se integran los factores que son
necesarios para la implementación de la propuesta de solución, la tercera fase comprende
la aplicación de los conocimientos, las técnicas y la experiencia para la elaboración
sistemática de la propuesta de solución; para la última fase se tienen en cuenta los
resultados obtenidos a partir de la propuesta de solución realizando una evaluación para
presentar conclusiones recomendaciones y trabajos futuros. Los resultados obtenidos fueron
la construcción de un prototipo a partir del uso de materiales reciclados y comerciales con
la aplicación de la tectología LED para la desarrollar una técnica fotoacústica, llevando
acabo la captura de la amplitud de las señales FA provenientes de materiales líquidos
corrosivos con el uso de programación en el software MATLAB. A partir de los datos de la
señal FA se obtuvieron diferentes gráficos donde se aprecian diferencias entre los
materiales de acuerdo a la longitud de onda del LED que los excito, así como también el
comportamiento que tuvieron las muestras con respecto a la frecuencia de modulación que
incidió sobre ellas.
SISTEMA FOTOACÚSTICO PARA LA CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página v
ABSTRACT
Technology is an important means by which there is cultural and social economic
development with significant importance for the countries of the world, in Mexico there are
different ways to contribute to the task for which it is intended this thesis entitled ―Sistema
fotoacústico para la caracterización de materiales ". To contribute to this task in one of the
sectors that afflicts the country; a prototype based on the theory of photoacoustic effect
from four main stages, where first the problem is exposed to resolve, the second phase of
the factors that are necessary for the implementation of the proposed solution, in the third
phase are integrated It develops It comprising applying technical knowledge and experience
for the systematic development of the proposed solution; for the last phase the results
obtained from the proposed solution conducting an assessment to present conclusions and
future work recommendations are taken into account. The results were building a prototype
from the use of recycled and commercial materials with the application of LED technology
for developing a photoacoustic technique, carrying just capture the amplitude of the FA
signals from the corrosive liquid materials using MATLAB software programming. From
the data of different graphics signal FA where differences are appreciated between the
materials according to the wavelength of the LED were obtained excited, as well as the
behavior that the samples were compared to the modulation frequency He had an impact on
them.
SISTEMA FOTOACÚSTICO PARA LA CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página vi
GLOSARIO
Adaptación: La habilidad de un sistema para mantener su estructura y su función
particulares cuando se enfrenta a cambios en el medio.
Análisis: (Método analítico). Método de investigación reduccionista por el cual se
desintegra un sistema complejo en sus componentes y se estudia por separado.
Aprendizaje: Proceso de adquisición de nuevos hábitos y comportamiento mediante la
experiencia.
Aptitud: Cualidad inherente den facilidad que el sujeto posee y conque puede ejecutar sus
labores y atender sus responsabilidades. Potencial emocional, mental y físico del individuo
para llevar acabo un tipo específico de trabajo.
Automatización: Mecanización mediante un sistema de control en que las variaciones del
producto final se comunican a l proceso y este de ajusta por si solo a aquellas.
Cibernética: Ciencia de la comunicación y control de la información tanto en máquinas
como en seres humanos.
Ciencia: Conocimiento sistemático del mundo físico, conocimiento sistematizado,
conocimiento adquirido por medio del estudio sistemático.
Datos: Representación de hechos para que el hombre o las maquinas puedan procesarlos
con facilidad.
Diseño: Es un proceso creativo que cuestiona los supuestos en los cuales se han
estructurado las formas antiguas.
Elemento: Son los componentes de cada sistema, y pueden ser a su vez sistemas por
derecho
Espectroscopia: Es el estudio de la interacción entre la radiación electromagnética y la
materia.
SISTEMA FOTOACÚSTICO PARA LA CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página vii
Experimento: Es un procedimiento mediante el cual se trata de comprobar (confirmar o
verificar) una o varias hipótesis, relacionadas con un determinado fenómeno, mediante la
manipulación de la o las variables que presumiblemente son sus causas
Hipótesis: Suposición susceptible de ser probada.
Integral: Completo, donde entra la composición del todo y es cuando se requiere considerar
todas las partes internas que lo componen y las externas que tienen influencia sobre el
sistema.
Problema: Situación en la cual las variables de salen de los términos planeados,
Programa: Conjunto ordenado de acciones interrelacionadas, generalmente más complejas
que un procedimiento dirigido hacia un objetivo que se persigue solamente una vez
Portátil: Aquel objeto movible y fácil de transportar.
Retroalimentación: Característica de regulación por la cual se recicla una porción de la
salida, generalmente la diferencia entre resultados real y deseado a la entrada, a fin de
mantener al sistema entre los umbrales de equilibrio.
Robusto: Que permanece con las mismas características frente a incertidumbres, en el
diseño implica un producto que sobrepase las expectativas del cliente en sus características
más importantes y ahorrar dinero en las que al cliente no le interesan.
Sistemas: Es un conjunto organizado de cosas o partes interactuante e interdependientes,
que se relacionan formando un todo unitario y complejo y que tienen un objetivo.
Software: Conjunto de programas, documentos, procedimientos y rutinas asociadas con la
operación de un sistema de cómputo, que permiten que el hardware realice sus actividades.
Subsistema: Es una subdivisión del sistema.
Tecnología: Conjunto de teorías y de técnicas que permiten el aprovechamiento práctico del
conocimiento científico.
Variables: Que cambia, varía o puede sufrir modificaciones.
SISTEMA FOTOACÚSTICO PARA LA CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página viii
LISTA DE FIGURAS
Figura Nombre Página
1.1 Contexto físico de la investigación 4
1.2 Contexto histórico de la observación de nuestro mundo 7
1.3 Líneas de Fraunhofer 9
1.4 Espectrofono de Bell 10
1.5 Dispositivos de luz artificial comerciales 12
1.6 Como funciona un LED 14
1.7 Información detallada sobre cómo funciona la tecnología
LED
14
1.8 Esquema de algunos fenómenos fototérmicos 16
1.9 Comparativa de solicitudes de patente por nacionalidad 19
1.10 Patentes otorgadas a titulares mexicanos por área
tecnológica
20
2.1 Representación de una onda electromagnética polarizada
plana
27
2.2 Espectro electromagnético 29
2.3 Modelo de Rosencwaig- Gersho 31
2.4 Ejemplo de sistema analógico-digital 38
2.5 Metodología para la realización de la investigación 41
2.6 Proceso evolutivo del prototipo 43
2.7 Diagrama de flujo de las cuatro etapas para los montajes
experimentales
44
3.1 Instrumentación convencional de espectroscopia
fotoacústica
49
3.2 FODA sujeto investigador 51
3.3 Instrumentación típica de EFA 52
3.4 Diagrama del diseño del montaje experimental 1 55
3.5 Implementación del montaje experimental 1 56
3.6 Resultados del montaje experimental 1 57
3.7 Diagrama del diseño del montaje experimental 2 60
3.8 Implementación del montaje experimental 2 en hardware 61
3.9 Implementación del montaje experimental 2 en software 62
3.10 Señales de audio obtenidas sin muestra de tinta 63
3.11 Señales de audio obtenidas con muestra de tinta 63
3.12 Diagrama del diseño del montaje experimental 3 66
3.13 Implementación del montaje experimental 3 67
3.14 Respuesta de la celda a la excitación con luz laser 68
3.15 Diagrama del diseño del montaje experimental 4 71
3.16 Implementación del montaje experimental 4 72
3.17 Respuesta de señal FA a los cuatro diferentes LED
mediante instrumentación convencional
74
3.18 Diseño general del sistema para la generación y captura
de señal
76
3.19 Diseño general de hardware para la generación y captura 77
SISTEMA FOTOACÚSTICO PARA LA CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página ix
de señal
3.20 Diseño del esquema general del prototipo en forma física 77
3.21 Montaje final para el prototipo 78
3.22 Comparativa de señales: aceite-alcohol y aire con LED
rojo
80
3.23 Comparativa de señales: aceite-alcohol y aire con LED
amarillo
81
3.24 Comparativa de señales: aceite-alcohol y aire con LED
verde
81
3.25 Comparativa de señales: aceite-alcohol y aire con LED
azul
82
3.26 Comparativa de señales: aceite-alcohol y aire a diferentes
longitudes de onda
82
SISTEMA FOTOACÚSTICO PARA LA CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página x
LISTA DE ACRÓNIMOS
ALI: Amplificador Lock-In.
EFA: Espectroscopia Fotoacústica.
FA: Fotoacústica.
FT: Fototérmica.
IDE: Integrated Development Environment (Ambiente Integrado de Desarrollo).
IR: Infrarrojo.
PC: Computadora Personal (Personal Computer).
PIB: Producto Interno Bruto
LED: Light Emitting Diode (Diodo Emisor de Luz).
IMPI: Instituto Mexicano dela Propiedad Industrial.
SISTEMA FOTOACÚSTICO PARA LA CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 1
INTRODUCCIÓN
Presentación del proyecto de tesis
Los requerimientos y necesidades del ser humano en cuanto al conocimiento del
medioambiente desde las diferentes ciencias requieren de avances en tecnología e
investigación que coadyuven en la obtención de información. Al tener el conocimiento de
lo que nos rodea como son las propiedades físicas de los materiales, podemos mejorar las
condiciones humanas y mejorar la calidad de vida; para lograr esto se requiere de
herramientas e instrumentos que proporcionen características del objeto de estudio, que
sean accesibles en cuanto a portabilidad y costos; es por ello que surge la necesidad de
realizar instrumentos, de acuerdo al contexto de nuestro país. Así que en este trabajo se
propone una instrumentación alternativa empleando como fundamento la técnica de
espectroscopia fotoacústica para la obtención de información en este caso parámetros
térmicos de los materiales.
SISTEMA FOTOACÚSTICO PARA LA CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 2
Presentación del documento de tesis
Para cumplir los objetivos específicos así como el objetivo general establecido, se ha
estructurado el documento por medio de cuatro capítulos, así como las referencias
bibliográficas y anexos.
En el capítulo uno se establecen los fundamentos y contexto de la investigación, para ello
se analizaron el contexto físico mediante las instituciones que apoyaron en la realización de
este trabajo, así como el contexto histórico y cultural; logrando dar una visión de la historia
de la medición de las propiedades de la materia, además del estudio de la luz y la
interacción con la materia, enseguida se presenta la justificación en la cual se basa este
trabajo, así como el planteamiento de los objetivos particulares y específicos.
En el capítulo dos se desarrollan el marco metodológico y el marco teórico, en el marco
metodológico se planteó mediante la visión sistémica transdiciplinaria, de igual manera el
marco teórico se estudiaron diversos conceptos y temas de diferentes áreas de las ciencias,
junto con las herramientas que permitieron la implementación tangible del sistema
propuesto.
En el capítulo tres se realiza la aplicación de la metodología para la realización de los
objetivos, desarrollándose las propuestas e implementaciones del prototipo, lo que conlleva
en una evolución en el nivel de aprendizaje a través del desarrollo continuo de la
metodología para obtener resultados y así responder las preguntas de investigación.
En el capítulo cuatro se muestran los resultados obtenidos, las discusiones generales y las
posibles mejoras o trabajos futuras a desarrollar.
Al igual se incluyen las referencias bibliográficas consultadas y los anexos que incluyen
datos relevantes, programación, hojas técnicas de los materiales y equipos que se utilizaron
y en general datos empleados y obtenidos en este trabajo.
Capítulo 1. Fundamentos y contexto de la investigación
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 3
1.FUNDAMENTOS Y CONTEXTO DE
LA INVESTIGACIÓN
Capítulo 1. Fundamentos y contexto de la investigación
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 4
1.1. Contexto de la investigación
La investigación se ha realizado debido a los requerimientos de desarrollo de tecnología y
su utilización en la investigación en diversas áreas de la ciencia en México, de forma
particular lo que se propuso es la instrumentación alternativa para la caracterización de
materiales, para que esté al alcance de sectores en investigación que así lo requieran.
1.1.1 Contexto físico
La investigacion propuesta requiere de distintos lugares de trabajo, mediante la visión
sistémica se ha tenido a consideración los espacios que han permitido a partir de
herramientas, equipos e instrumentación desarrollar esta tesis; particularmente el lugar en
cual se realizó el presente trabajo de investigación, fue en la ciudad de México,
específicamente en el posgrado en ingeniería de Sistemas de la SEPI-ESIME Unidad
Zacatenco en conjunto con el Departamento de Física en el Laboratorio de Técnicas
Fototérmicas del Cinvestav Unidad Zacatenco.
Figura 1.1 Contexto físico de la investigación (Elaboración propia, 2014).
Capítulo 1. Fundamentos y contexto de la investigación
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 5
En este laboratorio se realizaron diversos experimentos y adaptaciones de la
instrumentación propuesta además de probar módulos de la instrumentación desarrollados
en el presente trabajo. La visión y la focalización del contexto se aprecia en la Figura 1.1.
1.1.2 Contexto temporal
La necesidad del hombre de conocer su entorno ha sido primordial desde tiempos remotos;
sea de manera sensorial o a través de dispositivos o aparatos de medición, ya que esta es
una necesidad vital para el hombre, para su crecimiento y supervivencia.
De tal manera que al poder medir lo que percibimos mediante las propiedades del propio
objeto de estudio, y expresarlo por medio de cuantificación numérica, se conoce algo sobre
él, de manera más profunda y particular. Sin embargo cuando no se puede expresar
numéricamente, es decir, no podemos medir el objeto de estudio, el conocimiento que se
puede adquirir es insatisfactorio y pobre (Pérez Sánchez, 2012).
En las civilizaciones antiguas y antes de la estandarización de un sistema de medidas como
el actual Sistema Métrico Decimal; para desarrollar las actividades propias de la vida
cotidiana, los seres humanos para contabilizar e intercambiar productos se apoyaban en los
recursos físicos propios como lo es el empleo del propio cuerpo de esta manera ocuparon el
pie sobre la tierra en la medición de áreas de cultivo, además se utilizó el codo para medir
piezas de tela o diversos objetos más que se pudieran colocar a la altura de los brazos como
una forma de medir áreas o espacios de mayor tamaño se empleó el paso, y para medir
objetos más pequeños u objetos delicados se hizo la medición por medio del dedo o la
palma de la mano (Veira, 2002).
Para poder expresar de manera conceptual lo que el hombre percibía, desarrolló el número,
primeramente empezó a hacer cuantificaciones mediante el conteo de lo que encontraba y
veía a su alrededor conllevando al concepto de medida realizando las primeras mediciones
pero de manera precaria; tal que todas estas unidades de medida, variaban de individuo en
Capítulo 1. Fundamentos y contexto de la investigación
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 6
individuo y de un lugar a otro resultando en malas interpretaciones y repetitividad, lo que
comenzó a crear dificultades a la hora de establecer las primeras relaciones de intercambio
comercial entre diferentes personas y comunidades. No obstante, y a partir de estos
primeros conceptos, se condujo al origen de la Matemática, y la Metrología o ciencia de la
medición.
De manera general es necesario medir para realizar intercambios comerciales, expandir los
conocimientos científicos y tecnológicos, y dar el cumplimiento de especificaciones de
productos o servicios. Para poder dar certeza con un buen criterio en la toma de las mejores
decisiones es necesario contar con estas tres facetas, como por ejemplo, en lo cotidiano, la
factura doméstica del agua o de la electricidad se realiza partiendo de las medidas
efectuadas sobre los consumos respectivos; o correspondiendo al ámbito de la
investigación, el éxito o fracaso de un experimento está sostenido a través de las
mediciones correctas de las magnitudes involucradas para corroborar una teoría física
(Pérez Sánchez, 2012).
Las ciencias, como la física o la química se caracterizan por la necesidad de medir
características de los objetos de estudio, para así poder determinar sus propiedades y
componentes. Las caracterizaciones de los objetos de estudios y en general de la naturaleza,
se realizan de distintas maneras como lo es la observación, o la comparación visual, sin
embargo la evolución de la tecnología ha permitido el incremento de las posibilidades de la
misma, desarrollando e investigando mediante técnicas e instrumentos capaces de
otorgarnos las características de los objetos de estudio en la totalidad o en sus partes.
Estos instrumentos son los equipos tecnológicos con el papel de determinar la magnitud de
uno o varios atributos, y así poder visualizar, generar o convertir en otra diferente. Ya que
estos instrumentos deben proporcionarnos las características que componen el objeto de
nuestro estudio bajo los parámetros que puede encontrar el instrumento.
De manera general la evolución de la observación de nuestro entorno se puede apreciar en
la Figura 1.2.
Capítulo 1. Fundamentos y contexto de la investigación
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 7
Figura 1.2 Contexto histórico de la observación de nuestro entorno (Elaboración propia,
2015).
Además existen una diversidad de equipos e instrumentos que nos otorgan datos e
información acerca de materiales u objetos de estudio, dentro de los cuales se encuentra los
espectroscopios.
Un espectroscopio (también llamado espectrómetro o espectrógrafo) es un instrumento
óptico destinado a separar las diferentes componentes de un espectro óptico, que se usa
para medir las propiedades de la luz sobre una porción específica del espectro
electromagnético. Su utilidad es realizar análisis espectroscópicos para identificar
materiales
1.1.2.1 La Espectroscopia
Dentro de los pioneros en el estudio de la luz y los fenómenos que la involucran se
encuentra Isaac Newton quien en 1664, a partir de los trabajos previos en óptica y luz
realizados por los físicos ingleses Robert Boyle y Robert Hooke, planteó la investigación de
la refracción de la luz por medio de un prisma de cristal, y mediante el desarrollo e
implementación de una serie de experimentos dio paso a que Newton descubriera el
fenómeno del color a través de medidas, y modelos matemáticos; el encontró que la luz
blanca está constituida por la mezcla de rayos de colores infinitamente variados (que se
Capítulo 1. Fundamentos y contexto de la investigación
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 8
manifiesta en el arco iris), donde cada rayo de luz es definible por él ángulo a través del
cual se refracta al entrar o salir de un medio transparente determinado, sosteniendo que la
luz consistía en corrientes de partículas diminutas (Institute Isaac Newton, 2015).
Otro contribuyente importante al estudio de la luz fue William Wollaston quien en 1802
desarrolló el refractómetro, que fue un instrumento para la determinación del índice de
refracción. El dispositivo ayudó a Wollaston a verificar las leyes de la doble refracción,
además descubrió que el espectro del sol no es un gradiente continuo, sino que es
interrumpido por una serie de líneas oscuras. Para ello colocó una lente que transformaría la
luz del sol en un haz de rayos paralelos que atravesaban un prisma y se dispersaban.
Observó mediante un telescopio de la luz emergente unas rayas oscuras en el espectro solar
que interpretó como los límites de los distintos colores; este fue el primer espectroscopio.
(W. & University, 2003).
Siguiendo con la misma tendencia en investigar la descomposición de la luz en 1813, Von
Fraunhofer logró lo que se podría considerar su mayor logro, él redescubrió
independientemente líneas oscuras de William Hyde Wollaston en el espectro solar, que
ahora se conoce como líneas de Fraunhofer. Describió un gran número de los más o menos
500 líneas que podía ver con instrumentos de diseño propio, etiquetando las más destacadas
con letras, una forma de nomenclatura. Las líneas de Fraunhofer suelen eventualmente
utilizarse para revelar la composición química de la atmósfera del sol.
Von Fraunhofer también es conocido por la construcción de la primera red de difracción,
mediante el uso de un diamante construyó una rejilla de difracción con surcos espaciados
de 0.003 milímetros, indagando en la teoría matemática de la onda de luz y desarrollando
este aparato para medir las longitudes de onda de colores específicos y las líneas oscuras en
el espectro solar, que utilizaría para desarrollar las leyes de la difracción (Fraunhofer-
Gesellschaft, 2004)
Capítulo 1. Fundamentos y contexto de la investigación
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 9
Figura 1.3 Lineas de Fraunhofer (Fraunhofer, 1814)
Durante años posteriores, químicos, físicos y astrónomos estuvieron tratando de dar una
interpretación a la generación de estas líneas, sin embargo fue hasta alrededor de 1859,
cuando intervinieron Gustav Kirchhoff y Robert Bunsen, un par de químicos interesados en
un medio seguro para identificar los elementos químicos. Siguiendo el consejo de
Kirchhoff, Bunsen observó esas llamas a través de un instrumento a base de lentes y el
prisma de Newton y los resultados lo condujeron muy pronto al reconocimiento que las
líneas brillantes emitidas por vapores metálicos incandescentes son independientes de la
temperatura, así como de los elementos con los cuales esos metales están combinados
ofreciendo características constantes y fijas de los elementos químicos aunque estén
presentes en cantidades mínimas, lo que les permitió inferir que cada elemento tiene una
homología de una huella digital de bandas en el espectro de luz. El estudio de las llamas
emitidas por varios cuerpos, ya sea en la llama, el arco voltaico o en la chispa eléctrica,
convenció a Bunsen de la seguridad de su método (Desiderio, 1961). Confirmado por el
descubrimiento del Rubidio y el Cesio, fue Kirchhoff quien sugirió que las llamas de color
similar posiblemente podrían diferenciarse para identificar las mismas líneas, mirando su
espectro de emisión a través de un prisma. Cuando las líneas oscuras en el espectro de
absorción de la luz en longitudes de onda corresponden, con las longitudes de onda de las
líneas agudas, brillantes característicos de los espectros de emisión de los mismos
materiales de ensayo (Chemical Heritage Foundation, s.f.).
Desde entonces, las técnicas del análisis de la luz y su relación con la materia se han
impulsado a niveles inigualables en épocas antiguas, formando parte fundamental del
desarrollo de la ciencia moderna, así pues, un estudio detallado de esta radiación es
fundamental para conocer los fenómenos que están interviniendo en su generación. Aunque
Capítulo 1. Fundamentos y contexto de la investigación
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 10
éstas no eran las únicas investigaciones que se estaban realizando en el campo de la
espectroscopia.
1.1.2.2 Efecto fotoacústico
Existe información que revela que se estaba trabajando en caracterizaciones y
observaciones de fenómenos físicos, como el caso de Alexander Graham Bell en 1880
(Marín, 2008), quien descubrió el fenómeno fotoacústico al estar trabajando en lo que
denominó fotófono el cual pretendía ser un medio de comunicación con más potencial que
el teléfono (Bell, 1880), pretendía transmitir la voz a grandes distancias utilizando la luz del
sol como portadora de la señal de audio.
Colocando selenio sobre un tubo de escucha, Bell descubrió que ese material emite sonido
cuando es iluminado por la luz modulada, donde este se obtenía al hacer pasar esta luz por
un disco rotatorio con agujeros. Bell incluso llego a descubrir mediante un instrumento
llamado espectrofono, donde la intensidad de sonido emitido depende de la longitud de
onda o color de la luz que hacía incidir, y que por ello este efecto se debía atribuir a un
proceso de absorción óptica, además demostrando que era producido por la radiación fuera
de la región visible del espectro.
Por ello este efecto se basa en la absorción óptica de una fuente luminosa modulada que
incide sobre un material, generando una señal acústica, al estar este material radiado en un
compartimiento herméticamente cerrado. Dado que se producen ondas de sonido debido al
calentamiento del material y que a su vez genera un calentamiento del gas que se encuentra
dentro del compartimiento o celda.
Figura 1.4 Espectrofono de Bell (Bell, 1880).
Capítulo 1. Fundamentos y contexto de la investigación
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 11
Debido a este descubrimiento se pudo hacer la caracterización de diferentes tipos de
materiales en diversos campos del conocimiento. Y aunque permaneció como una
curiosidad en la ciencia por muchas décadas, fue gracias en gran parte al desarrollo del
micrófono, y al desarrollo de nuevas fuentes lumínicas de mayor potencia, además de la
creación de modernos sistemas de detección, amplificación y procesamiento de datos, que
comenzó verdaderamente a impulsarse las primeras aplicaciones en la práctica.
La aplicabilidad de la espectroscopia fotoacústica (EFA) fue inicialmente limitada. Ya que
el sol era la luz más común como fuente y el oído humano era el único detector disponible
para las mediciones de la señal FA, ningún análisis cuantitativo confiable era posible. Era a
partir de las aplicaciones del efecto FA descrito en la literatura aproximadamente entre los
años 1930 y 1940 que, Viengerov fue capaz de medir las concentraciones de CO2 a ~ 0,2%
en volumen en N2, usando una fuente de luz IR y un micrófono electrostático como
detector, presentando así la primera aplicación de la espectroscopia y su uso de manera
cualitativa. Fue hasta 1976 que Rosencwaig y Gersho propusieron la teoría y el fundamento
de la EFA en muestras sólidas. En ese momento que el número de publicaciones sobre la
EFA aumentaron de unos pocos por año a cientos en años recientes, discutiendo una gran
variedad de aplicaciones y modalidades para aplicaciones sea en líquidos y gases en fase
sólida (Haisch, 2011). Detonando a lo largo del siglo XX y el nuevo milenio junto con otras
técnicas el desarrollado la espectroscopia y el análisis de la materia y en general la
posibilidad de cada vez más satisfacer la necesidad de conocer lo que nos rodea.
No obstante el avance en la tecnología de iluminación también tuvo gran crecimiento
generando cada vez más fuentes artificiales de luz que se podían emplear para desarrollar
esta técnica, a partir de materiales semiconductores.
1.1.2.3 Diodo Emisor de Luz
La historia previa antes de la fabricación del Diodo Emisor de Luz (LED), surge de la
revolución en la iluminación desde otras tecnologías, partiendo de la elaboración de la
lámpara incandescente en 1879 por Thomas Alva Edison quien desarrolló el primer bulbo
estable incandescente que no se quemaba.
Capítulo 1. Fundamentos y contexto de la investigación
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 12
Otro avance importante fue en 1936, con la primera lámpara fluorescente que
proporcionaba una mayor eficiencia energética. Ésta se basa en la lámpara de descarga de
gas desarrollada en 1808, el principio se basa en que cuando se hace pasar corriente
eléctrica por un gas se produce luz, principalmente en el rango ultravioleta, sin embargo
con el descubrimiento de los fósforos al año de 1924 se pudo convertir la luz ultravioleta
generada por una lámpara de vapor de mercurio en luz visible.
A pesar que las primeras lámparas fluorescentes tenían inconvenientes técnicos y de costo,
fueron cada vez más aceptas, y desplazando hoy en día a la lámpara incandescente en
muchas aplicaciones (Hernández Moreno, 2012). Además existen otras tecnologías como
las lámpara alógenas; en la Figura 1.5 se ven algunas fuentes de luz artificial comerciales
que se utilizan actualmente.
Figura 1.5 Dispositivos emisores de luz artificial comerciales.
Los diodos emisores de luz ―LED‖, son un componente clave de hoy en la tecnología. El
LED es un vínculo vital entre la electrónica y la fotónica: estos semiconductores se
emplean en diversas aplicaciones de la industria y el hogar.
A partir de la demostración del primer láser de rubí. Fue en 1962 cuando cuatro grupos de
investigación en los E.U. reportaron simultáneamente el funcionamiento del láser de
semiconductor basado en LED, a base de cristales de arseniuro de galio. Los involucrados
fueron Robert Hall y Nick Holonyak de dos diferentes laboratorios de General Electric,
Marshall Nathan de IBM y Robert Rediker, del MIT, y sus co-autores. Estos nombres
pertenecen justamente en lo más alto correspondiente a la optoelectrónica de
semiconductores.
Sin embargo fue Oleg Vladimirovich Losev. Quien no habiendo recibiendo ninguna
educación formal, pero durante el lapso de su carrera de investigación hizo una serie de los
Capítulo 1. Fundamentos y contexto de la investigación
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 13
principales descubrimientos en estado sólido la electrónica, incluyendo el primer
amplificador de estado sólido. A mediados de la década de 1920 Losev observó la luz que
provenía de la emisión de óxido de zinc y carburo de silicio de diodos rectificadores de
cristal usados en los receptores de radio cuando la corriente era pasado por ellas,
publicando en 1927 el paper de emisión de luz de diodos de carburo de silicio (Zhenludev,
2007).
Esencialmente se constituyó el descubrimiento de lo que hoy conocemos como el LED. En
su primer artículo sobre el LED, Losev estableció el umbral actual para la emisión de luz
desde el punto de contacto entre un alambre de metal y un cristal de carburo de silicio. Esto
debio haber sido el comienzo de la fotónica y la revolución de las telecomunicaciones.
Utilizó la teoría cuántica de Einstein, para explicar la acción del LED llamado el proceso
de emisión, el "efecto fotoeléctrico inverso‖. Además, propuso una fórmula relativa a la
caída de tensión en el diodo de contacto, La carga del electrón, e y la frecuencia de emisión
de la luz a través de la constante de Planck ―h‖, es decir ν = eV / h. Losev fue el primero en
comprender el potencial del LED para telecomunicaciones. Sin embargo La historia del
LED no estaría completa sin mencionar a Henry J. Ronda, uno de los ayudantes de Marconi
en Inglaterra y más tarde Jefe de Investigación de Marconi. Quien fue el descubridor del
fenómeno de electroluminiscencia. En cualquier caso, estos dos científicos, Losev y Ronda,
son los pioneros en la optoelectrónica de estado sólido.
De manera general el LED consiste en un dispositivo de material semiconductor dopado
con impurezas para crear una unión pn. De forma semejante a otros diodos, la corriente
fluye desde el lado p, o ánodo, al lado n, o cátodo, pero no en la dirección inversa. Los
portadores de carga electrones y agujeros dan flujo en la unión de los electrodos con
diferentes voltajes. Cuando un electrón se encuentra con un agujero, éste pasa a un nivel de
energía más bajo y libera energía en forma de un fotón.
La longitud de onda de la luz emitida, y por tanto su color, depende de la energía de banda
prohibida de los materiales que forman la unión pn. En los diodos de silicio o de germanio,
los electrones y los huecos se recombinan por una transición no radiactiva, que no produce
emisión óptica, porque estos son los materiales de banda prohibida indirecta. Mientras que
Capítulo 1. Fundamentos y contexto de la investigación
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 14
los materiales utilizados para el LED tienen una banda prohibida directa con las energías
correspondientes a luz infrarroja, visible o ultravioleta.
Figura 1.6 Como funciona un LED (Wait, s.f.)
El espectro de emisión de un LED depende de la brecha de energía prohibida del material
semiconductor del cual está hecho. De esta manera, al cambiar la composición del
semiconductor se puede obtener emisión de luz desde el ultravioleta hasta el infrarrojo, por
lo que casi todos los LEDs que emiten luz azul y verde están hechos con compuestos de
nitruro de aluminio-galio-indio (AlInGaN), y casi todos los LEDs que emiten luz roja usan
compuestos de fosfuro de aluminio-galio-indio (AlInGaP) (Hernández Moreno, 2012).
Figura 1.7 Información detallada sobre cómo funciona la tecnología LED (Axoled
iluminación industrial, s.f.).
Toda esta tecnología desarrollada en la generación de fuentes de radiación tiene potencial
para poder ser utilizada en la generación de equipos y herramientas innovadoras que es lo
que pretende este trabajo.
Capítulo 1. Fundamentos y contexto de la investigación
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 15
1.1.3 Contexto cultural
La inmensa complejidad que involucra una sociedad del ser humano, conlleva a que se
generen desiguales en diversos ámbitos sociales políticos, económicos, tecnológicos, donde
estas desigualdades manifiestan vulnerabilidad, riesgos y abusos o falta de oportunidades.
En México existe una diversidad cultural gigantesca debida tanto por la parte climatológica,
económica, y geográfica, conllevando a identificar las necesidades más primordiales, pero
éstas dependen no solo de una persona si no que se ve involucrada una sinergia, en la cual
no nos podemos aislar íntegramente y no ver u observar un conjunto de necesidades y
requerimientos.
1.2 Fundamento de la investigación
El principio del efecto fotoacústico se basa en el calentamiento producido en una muestra
debido a la absorción de un flujo energético que le incide, además, a procesos de relajación
y desexcitación no radiactivos posteriores, que pueden distribuirse a lo largo de su volumen
o confinarse a su superficie. Mediante sensores o dispositivos de medición se pueden
obtener las características térmicas, acústicas o la combinación de ambas, debido a las
variaciones en temperatura generadas y a la generación de variaciones de presión dentro de
las muestras.
De forma general el calor, que es depositado en la muestra, se debe a la absorción de
radiación óptica; asociando por ello los conceptos de fotoacústica y fototérmica. Para esta
técnica, los factores que influyen en el calentamiento de la muestra dependen del
coeficiente de absorción óptico y de la luz incidente sobre ella, además de la eficacia de la
trasformación de la luz en calor y su difusión a lo largo de la muestra.
Es por consiguiente esperar que la señal FA detectada deba ser relacionada a la interacción
de estos tres factores.
La técnica FA puede usarse para conseguir información acerca de los procesos no térmicos
desexcitados dada la dependencia de la señal FA resultante con el coeficiente de absorción
óptico para la radiación incidente, permitiendo el estudio espectroscópico considerando
para esto la dependencia de la conversión de luz en calor; no obstante la dependencia de la
señal FA se relaciona en cómo el calor se difunde por la muestra, permitiendo conocer
parámetros como la conductividad térmica y difusividad térmica, que es parte de la
caracterización térmica del material; además de la conductividad térmica imaginaria del
Capítulo 1. Fundamentos y contexto de la investigación
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 16
material. Esta última característica viene del hecho de que la generación de ondas térmicas
debido a la absorción de un pulso enérgico incidente, puede verse reflejada y esparcirse si
se topan con ruidos, defectos, que afectan la señal recibida (Gárcia, 2004). Algunos
fenómenos descritos anteriormente se pueden ver en la Figura 1.8.
La teoría más aceptada en la actualidad para explicar el efecto FA fue anunciada en 1976
por Allan Rosencwaig y Allen Gersho, los cuales propusieron el fundamento teórico de
todas las otras obras en la espectroscopia PA en muestras sólidas, formulando la teoría
Rosencwaig-Gersho (Rosencwaig & Gersho, 1976).
Figura 1.8 Esquema de algunos fenómenos Fototérmicos (Elaboración propia con base en
Domínguez, 2015)
Capítulo 1. Fundamentos y contexto de la investigación
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 17
1.3 Justificación
La tecnología y el desarrollo científico han influido en cambios de los estilos de vida y en
el descubrimiento de nuevas formas de poder percibir nuestro mundo. Ya el transcurso del
tiempo ha demostrado que este crecimiento está estrechamente ligado a ámbitos
económicos, culturales, sociales y políticos, en el lugar donde se desarrollan (Mokyr,
1990).
En el ámbito internacional, a partir de estudios realizados por el Fondo Sectorial de
Innovación Secretaría de Economía-CONACYT (FINNOVA) se encontró una relevancia
significativa respecto al crecimiento económico y el impacto que tiene la innovación sobre
él en los países más desarrollados, debido a que la innovación explica entre dos terceras y
tres cuartas partes de las tasas de crecimiento percibidas en el PIB entre 1995 y 2006; por
consiguiente, un país con una fortaleza superior en el ámbito de la innovación, tendrá
mayor capacidad para incrementar su productividad, no solamente por el efecto directo que
genera cualquier innovación, sino por que podrá afrontar las incertidumbres generadas por
el actual entorno de competencia global (SE, 2012).
El desarrollo científico, tecnológico y la innovación son pilares fundamentales para el
progreso económico y social sostenible (DOF, 2013), de manera particular según el
Programa Nacional de Innovación, se le considera precisamente a la innovación como
prioridad nacional, ya que esta puede incrementar la competitividad de la economía y así
poder lograr las tasas de crecimiento y la generación de empleos de calidad necesarios, y
debido a que los recursos disponibles son escasos, se requiere una focalización de esfuerzos
en las áreas de mayor impacto nacional.
El intercambio comercial y la globalización de la industria, ha permitido la difusión de las
nuevos avances en la ciencia y tecnologías alrededor de los diversos países en todo el
mundo; de ello los países tecnológicamente más reconocidos por su avance superior en
estos ámbitos son los EUA, pases de la unión europea, Japón, China, esta última creciendo
enormemente (UNESCO, 2010), por lo que son las referencias en todos los ámbitos de los
nuevos avances científicos y tecnológicos en distintas aéreas del índole humano como la
medicina, los alimentos, el entretenimiento y la salud, que son solo algunas de las ramas
que han avanzado en los últimos tiempos.
Capítulo 1. Fundamentos y contexto de la investigación
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 18
A pesar de las crisis económicas, financieras y sociales que atraviesan los países en vías de
desarrollo y otros países ya consolidados, es de primordial importancia continuar con estos
cambios, en su mayoría positivos e incrementar la calidad de vida de todos.
El conocimiento que es aplicable o el trabajo intelectual, es el factor principal de desarrollo
de un país y de la producción de su economía, ya que el trabajo que las personas puedan
agregar a la economía mundial por medio de los conocimientos y habilidades propias da la
capacidad de competitividad que pueden ofrecer; la forma de alcanzar el desarrollo y el
poder económico en el siglo XXI no es mediante la explotación de materias primas y el
trabajo manual de las personas sino a través de la aplicación de los recursos intelectuales en
concordancia con los avances científicos y tecnológicos de cada nación (Rincón, 2012).
Sin embargo, países científica y tecnológicamente menos desarrollados como México
padecen rezagos que han ido disminuyendo con los intercambios de conocimientos, estos
no han sido suficientes viéndose reflejado en carencias en salud, alimentación y educación
de la población, en general.
A pesar de que la inversión en ciencia y tecnología en México es superior a países de
Latinoamérica con un estimado al 2010 de 4289.07 millones de dólares corresponde a
actividades científicas y tecnológicas, y 4917.3 MDD corresponde a investigación y
desarrollo experimental (RICYT, 2013), esto no ha sido suficiente para abatir estos rezagos
que dando denotado por la cantidad de patentes solicitadas y otorgadas en México, a
extranjeros y mexicanos.
Las estadísticas arrojan una recesión en cuanto a avance e innovación tecnológica en
comparación con otros países de la región, de acuerdo a datos de IMPI, la Figura 1.9
indica las solicitudes de patente por nacionalidad presentadas ante el Instituto Mexicano
de la Propiedad Industrial del año 1993 a diciembre de 2014.
Capítulo 1. Fundamentos y contexto de la investigación
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 19
Figura 1.9 Comparativa de solicitudes de patente por nacionalidad / principales países en
México (IMPI, 2015).
Observando la gráfica se denota que en comparación con países denominados potencias
como Japón, EUA, Alemania y Suiza, estamos por debajo de sus solicitudes en nuestro
propio país.
Al igual que la distribución en cuanto a patentes otorgadas a titulares mexicanos mostrada
en la Figura 1.10, en los rubros del área tecnológica se refiere, existe una tendencia hacia
las industrias extractivas y el ámbito industrial.
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013
México Alemania Estados unidos Francia Italia
Japón Reino Unido España Suiza Otros Paises
Capítulo 1. Fundamentos y contexto de la investigación
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 20
Figura 1.10 Patentes otorgadas a titulares mexicanos por área tecnológica 1993/enero-
diciembre/ 2014 (IMPI, 2015).
Teniendo en cuenta que desde el punto de vista competitivo, no se produce lo suficiente o
muy poco: denotando en las industrias automotrices, de comunicaciones y el petróleo se
han ido incrementando debido a que son las industrias más destacadas de la economía del
país.
Aunado a que, además, no existe una cultura científica en nuestro país, dado que la opinión
que tienen las personas en torno a temas de índole común en de suma importancia, la
posición de ciencia y tecnología depende en mucho de la posición que le den para
impulsarla y desarrollarla.
La ciencia en México se enfrenta a la dependencia de colaboraciones, surgiendo
inevitablemente a una disparidad, conduciendo a la investigación hacia la parte
predominante, no obstante y debido a ello debemos conducir aún más nuestro camino en
investigaciones al contexto nacional.
De los datos antes presentados se entiende la necesidad de aumentar la inversión en ciencia
y tecnología ya que al convivir cotidianamente con el conocimiento científico y
tecnológico, la sociedad lo desarrolla y lo aplica, teniendo ventajas competitivas sobre las
demás.
Artículos de uso y consumo
26%
Tecnicas industrilaes
diversas 21%
Química y metalurgia
20% Textil y papel 1%
Construcciones fijas 10%
Mecánica-iluminación calefacción-armamento Voladuras
9%
fisica 8%
Electricidad 5%
Capítulo 1. Fundamentos y contexto de la investigación
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 21
Por lo anteriormente mencionado necesitamos investigación y desarrollo mediante medios
adecuados para ello, dado que la actividad científica requiere equipos de los cuales se
puedan generar y obtener cierta información de su medio, esa instrumentación se debe
generar y no solo comprar o importarla ya que en México se tiene la capacidad de
desarrollar esa instrumentación con los conocimientos y herramientas que se disponen a la
mano y no estar sujeto en indefinidas ocasiones al avance de otras naciones.
¿Por qué un equipo de Espectroscopia fotoacústica?
Primeramente la medición proporciona una manera de controlar la forma en que se
dimensionen las partes de algo.
1. Ofrece el medio para controlar el dimensionado de las partes
2. Es una manera de describir a algún objeto.
El resultado de medir es conocido como medida. Al realizar una medición, se debe tener
cuidado para no alterar el sistema que se observa; de todas formas, hay que considerar que
siempre las medidas se realizan con algún tipo de error, ya sea por las imperfecciones del
instrumental, las limitaciones del medidor o los errores experimentales.
Diferentes industrias como la química de los alimentos y de la medicina entre muchas más,
así como en el ámbito académico de investigación local o en entidades donde la
marginación es todos sentidos es amplia, requieren de la instrumentación necesaria para
poder determinar las propiedades de los materiales con que se están trabajando, aunque en
el mercado existen sistemas capaces de otorgarnos y satisfacer estas necesidades,
primeramente estos sistemas no son accesibles tanto en costo como en todo lo que se
requiere para su implementación, además de que como se mencionó antes, el rezago
tecnológico es amplio y necesitamos explotar las posibilidades con los requerimientos bajo
el contexto particular y focalizado de manera nacional y con las herramientas que se tengan
en el mercado.
La Espectroscopia fotoacústica es usada en distintos campos de la ciencia, ha
revolucionado el campo de la biológica, ambiental y agrícola, en general de la ciencia de
materiales. Es una técnica muy simple, sensible y no destructiva que permite la
Capítulo 1. Fundamentos y contexto de la investigación
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 22
determinación de las propiedades ópticas de las muestras a analizar, ya sea en medicina
(Lomelí et al, 2012), en el análisis de gases (Barreiro et al, 2008), en materiales
semiconductores (Gutiérrez & Giraldo, 2010), inclusive esta técnica tiene la bondad del
análisis de material biológico- agrícola (Rico et al, 2013); cada una de las aplicaciones
mencionadas y demás aplicaciones existentes no mencionadas, utilizan como fuente de
radiación diferentes fuentes de luz, como la luz infrarroja, la luz visible y la luz
ultravioleta, dependiendo del objeto de estudio, además de que el objeto de estudio
reacciona y tiene una respuesta diferente de acuerdo a la longitud de onda de la fuente de
excitación, en lo general se debe de tomar en cuenta las características de la celda en la cual
se depositará el marial a analizar, como es su volumen y temperatura.
Desde la década de los 70, la tecnología LED ha ido tomando una fuerte aceptación dentro
de las fuentes de luz, accesibles de bajo consumo y de alto factor de conversión de energía
en luz, por lo que se emplearon como fuente de excitación, siendo ya utilizada como fuente
en la espectroscopia tal es el caso en la determinación de propiedades ópticas (Kássio,
2012) .
Por lo anterior se propuso en este trabajo la aplicación de la técnica fotoacústica, a través de
una fuente de radiación por medio de LED de diferentes longitudes de onda en un arreglo
que permita la conexión de una computadora personal o una laptop, primeramente para la
captura de señales acústicas y por lo tanto, para obtener respuesta del objeto de estudio.
Capítulo 1. Fundamentos y contexto de la investigación
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 23
1.4 Objetivos
1.4.1 Objetivo general
Desarrollar un sistema de medición fotoacústico portátil para caracterizar líquidos.
1.4.2 Objetivos particulares
Analizar y diagnosticar el problema
Revisar el estado del arte
Implementar una metodología para el desarrollo del prototipo
Seleccionar las mejores alternativas viables para la implementación del prototipo
Desarrollar una propuesta tecnológica
Implementar el prototipo
Comprobar y evaluar el funcionamiento del prototipo
1.5 Hipótesis
Se puede desarrollar un sistema fotoacústico portable, con materiales de uso comercial
convencional, que podrá proporcionar señal fotoacústica proveniente de materiales
líquidos, con accesibilidad en su implementación en comparación con los sistemas de
medición convencionales.
1.6 Tabla de congruencias
Tabla 1.1 Tabla de congruencia (Elaboración propia, 2013)
Problema de Investigación
Justificación
El desarrollo científico y tecnológico en México tiene correlación con el crecimiento de la economía y su
progreso; por ello es de importancia construir y desarrollar tecnología propia y adecuada bajo los
requerimientos actuales de México, necesidades en cuanto a investigación de nuevos métodos , el desarrollo de
tecnologías para el campo y la industria alimentaria, en la ecología, en fin en diversas áreas pero para realizar
esa investigación se requieren de los equipos y la instrumentación necesaria para ello , por lo cual se tiene que
proponer, mejorar y desarrollar esta tecnología. Es decir, si aportamos en los factores que intervienen en el
Capítulo 1. Fundamentos y contexto de la investigación
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 24
crecimiento y desarrollo económico, como es la ciencia y creamos las herramientas tecnológicas propias para
ello, podemos contribuir para que de manera paulatina se enfrenten los retos que afronta el país en los
ámbitos del medioambiente, los combustibles, alimentos, etc.
Objetivo General
Desarrollar un sistema de medición fotoacústico portátil para caracterizar líquidos.
Objetivo particular 1
Analizar y diagnosticar el problema
Objetivo particular 2
Revisar el estado del arte
Objetivo particular 3
Implementar una metodología para el desarrollo del prototipo
Objetivo particular 4
Seleccionar las mejores alternativas para la
implementación del prototipo
Objetivo particular 5
Implementar el prototipo
Objetivo particular 6
Comprobar y evaluar el funcionamiento del prototipo
Hipótesis
Se puede desarrollar un sistema fotoacústico portable, con materiales de uso comercial convencional, que podrá
proporcionar señal fotoacústica proveniente de materiales líquidos; con accesibilidad en su implementación en
comparación con los sistemas de medición convencionales.
Características de la Investigación
El trabajo de investigación se desarrolla bajo la perspectiva sistémica transdisciplinaria siguiendo tres etapas:
investigación de campo, investigación documental e investigación experimental, sin olvidar al sujeto investigador en
cada una de las etapas.
Capítulo 2. Marco teórico y metodológico
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 25
2. MARCO TEÓRICO Y
METODOLÓGICO
Capítulo 2. Marco teórico y metodológico
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 26
Debido a que el desarrollo del sistema de instrumentación propuesto se plantea a partir de
un enfoque sistémico transdiciplinario, ello conlleva a la utilización de distintas ramas de
la ciencia, por lo tanto se deben tomar en cuenta los marcos teóricos de estas distintas
disciplinas, como son la ciencia de sistemas, la física, las matemáticas, la electrónica, la
informática, y la computación. Y así poder tener un marco de lo que se pretende
demostrar, describiendo alguno de sus conceptos relevantes para el desarrollo de esta tesis.
2.1 Pensamiento sistémico
Los métodos antiguos por los cuales se han enfrentados las diversas problemáticas no han
sido suficientes, por ello es necesario enfrentarlos con un enfoque distinto y que posibilite
la resolución de problemas que afectan a nuestro sistema.
La posibilidad que nos permite la adopción del denominado enfoque, la cual es una forma
de pensamiento, una filosofía práctica y una metodología de cambio.
El enfoque de sistemas puede ser posiblemente ―la única forma en la que podemos volver
a unir las piezas de nuestro mundo fragmentado: la única manera en que podemos crear
coherencia del caos‖ (Gigch, 2001).
El pensamiento sistémico aparece de manera más consolidada a partir de los
cuestionamientos del biologo Ludwing Von Bertalanffy biólogo, quien debatió la
aplicación del método científico debido a la visión causal y mecanicista que no permitía la
solides para la explicación de los grandes problemas que se dan en los seres vivos.
Esta indagación lo llevó a plantear el paradigma de pensamiento global para poder
entender mejor el medioambiente que nos rodea, de esta manera surgiendo formalmente el
paradigma de sistemas; donde un sistema es una reunión o conjunto de elementos
relacionados, cuyos elementos pueden ser conceptos u objetos o sujetos o la combinación
de los anteriores, es decir un sistema es un agregado de entidades, en la mayor parte de los
casos podemos pensar en sistemas más grandes o superiores, o sistemas que componen o
forman parte de otro llamados subsistemas. (Gigch, 2001)
Capítulo 2. Marco teórico y metodológico
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 27
2.1.1 Enfoque de sistemas
El enfoque de sistemas tiene diversos aspectos y puede describirse como:
Una metodología de diseño
Un marco de trabajo conceptual común
Una nueva clase de método científico
Una teoría de organizaciones
Dirección por sistemas
Un método relacionado a la ingeniería de sistemas, investigación de operaciones,
eficiencia de costos, etc.
Teoría general de sistemas aplicada
2.1.2 Metodología
Como se mencionó, el enfoque de sistemas es una metodología de diseño, esta cuestiona la
naturaleza del sistema y su función en un sistema mayor o menor, busca lograr la eficacia
del sistema total en lugar de mejorar la eficacia de los subsistemas.
Existen dos tipos de metodologías:
La metodología de sistemas suaves, donde los problemas suaves son difíciles de definir,
estos tienen componentes social y político; basándose en problemas del mundo real donde
los fines que se sabe son deseables, no se pueden tomar como dados, basándose en la
postura fenomenológica. Es si es un enfoque que de manera sistemática intente establecer y
estructurar un debate en torno a las acciones para mejorar la situación. (Checkland &
Scholes, 1990)
La metodología de sistemas duros, donde los problemas duros se destacan por el hecho de
que están bien definidos. Se asume que existe una solución definida y que se pueden definir
requisitos y especificaciones a ser cumplidas. Es decir, la metodología basada en sistemas,
o conocida como ingeniería de sistemas, en ésta entonces se genera un sistema para
alcanzar el objetivo deseado. (Checkland & Scholes, 1990)
Capítulo 2. Marco teórico y metodológico
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 28
2.1.3 Ingeniería de sistemas
La Ingeniería de Sistemas es la ciencia de estudiar sistemas complejos en su totalidad para
asegurar que los subsistemas componentes que integran el sistema puedan diseñase
ensamblarse y operarse de tal manera que logren los objetivos globales del sistema de la
manera más eficiente.
La ingeniería de sistemas tiene una de sus raíces provenientes de la ingeniería industrial, no
obstante, ésta enfatiza la ejecución del sistema como un todo, con la característica de poder
contemplar por medio de una metodología, la solución de problemas holomorfos en áreas
como la administración hasta la tecnología, enfatizando características comunes que
puedan relacionarlos, lo que generara la autopoiesis de éste.
De manera general la ingeniería de sistemas está enfocada en el uso óptimo de todos los
recursos empleados, siendo los más importantes los hombres, el dinero, las máquinas y los
materiales.
Para la solución y confrontación de los problemas, las líneas generales que emplearía un
ingeniero de sistemas serían las siguientes, de acuerdo a la metodología de Jenkins (1972).
1. Análisis de sistemas. El Ingeniero de Sistemas inicia con un análisis en el sentido
común de lo que está sucediendo y porque está sucediendo, de tal manera que el sistema y
sus objetivos puedan ser definidos.
2. Diseño de sistemas. En primer lugar, el futuro entorno del sistema tiene que ser
pronosticado. A continuación, se desarrolla un modelo cuantitativo que pueda ser utilizado
para simular o explorar formas distintas de operarlo, creando alternativas de solución
sistema, por último se realiza la elección del sistema o sistemas que son, en cierto sentido el
"mejor", optimizando así el sistema.
3. Implementación. Los resultados del estudio del sistema deben ser presentados y
aprobados para su ejecución. El sistema optimizado entonces tiene que ser construido, ya
sea en hardware y / o software; el proyecto requerirá una cuidadosa planificación en esta
etapa para asegurar que los beneficios del enfoque de sistema se realizan. Después de la
Capítulo 2. Marco teórico y metodológico
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 29
construcción, será necesitará la comprobación del sistema para evaluar la fiabilidad de
rendimiento.
4. Operación. En este punto el sistema se necesita ser entregado a los que tienen que operar
el sistema. Aquí es donde se necesita gran cuidado en la operatividad del sistema, ya que
tendrá que ser evaluado, "sintonizado‖, y si llega a ser distinto a aquel a lo que fue
planteado se re-optimice, para operar en un ambiente que pueden llegar a ser diferente del
que fue diseñado.
Principalmente en este trabajo para cada fase se desarrollaron las siguientes etapas de: en el
análisis de sistemas se hace la identificación y formalización del problema, la definición del
problema recopilando los datos e información necesaria; dentro del diseño del sistema se
realiza la modelación y simulación del sistema controlando la operación del mismo; en la
implantación del sistema se recurre a la construcción e instalación del sistema; finalmente
en la operación, se realiza la ejecución inicial y mejoramiento de la operación del sistema
diseñado.
2.2 Física
La física es la ciencia encargada de describir los fenómenos que ocurren en la naturaleza y
cubre distintas áreas de aplicación y estudio, aunque existen dos visiones de acuerdo a las
formas de estudio que son la física clásica (basada en el modelo mecanicista de Newton) y
la física moderna (sustentada en la teoría cuántica y teoría de la relatividad), las dos tratan
de describir los fenómenos de acuerdo a concepciones adecuadas para ello.
Para el estudio de los fenómenos de la naturaleza hay que denotar que existen distintos
tipos de interacciones entre la materia y energía según la naturaleza de la materia o el tipo
de energía usado, como por ejemplo la energía eléctrica, cinética, magnética y
electromagnética la cual es parte del objeto de estudio de su interacción con la materia para
el desarrollo del tema de tesis.
En el estudio de las interacciones materia-energía, existe una diversidad de métodos según
la naturaleza de la excitación a medir en los objetos de estudio. Ya que el tipo de
espectrometría depende de la cantidad física a medir; normalmente la cantidad que se mide
Capítulo 2. Marco teórico y metodológico
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 30
es una intensidad de energía absorbida o producida. Y se pueden distinguir estos tipos de
espectrometría según la naturaleza de la excitación:
Electromagnética. Interacciones de la materia con radiación electromagnética como
la luz
De electrones. Interacciones con haces de electrones.
De masa. Interacción de especies cargadas con campos magnéticos y/o eléctricos,
dando lugar a un espectro de masas.
Acústica. Frecuencia de sonido.
Dieléctrica. Frecuencia de un campo eléctrico externo.
Mecánica. Frecuencia de un estrés mecánico externo.
Además se pueden distinguir según el proceso de medición. La mayoría de los métodos
espectroscópicos se diferencian en atómicos o moleculares según si se aplican a átomos o
moléculas. Junto con esta diferencia, se pueden distinguir los siguientes tipos de
espectrometría según la naturaleza de su interacción:
De absorción. Usa el rango de los espectros electromagnéticos en los cuales una
sustancia absorbe.
De emisión. Usa el rango de espectros electromagnéticos en los cuales una
sustancia irradia (emite). La sustancia primero debe absorber la energía. Esta
energía puede ser de una variedad de fuentes, que determina el nombre de la
emisión subsiguiente, como la luminiscencia.
De dispersión. Mide la cantidad de luz que una sustancia dispersa en ciertas
longitudes de onda, ángulos de incidencia y ángulos de polarización. El proceso de
dispersión es mucho más rápido que el proceso de absorción/emisión.
2.2.1 Electromagnetismo
El electromagnetismo es la rama de la Física que estudia y unifica los fenómenos eléctricos
y magnéticos en una sola teoría, cuyas bases fueron sentadas por Michael Faraday y
descritas por primera vez de modo completo por James Clerk Maxwell. La teoría consiste
en cuatro ecuaciones diferenciales vectoriales que relacionan el campo eléctrico, el campo
magnético y sus respectivas fuentes materiales las cuales se le reconocen como ecuaciones
Capítulo 2. Marco teórico y metodológico
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 31
de Maxwell. Los conceptos relacionados a la teoría electromagnética abarcan la corriente
eléctrica, la polarización eléctrica y la polarización magnética.
La energía electromagnética es una entidad física que se estudia bajo dos perspectivas. La
concepción ondulatoria que permite explicar ciertos fenómenos como los fenómenos
ópticos de difracción e interferencia, enmarcando a la radiación como un campo eléctrico y
un campo magnético oscilando en planos perpendiculares entre si ver Figura 2.1, el
fenómeno ondulatorio refleja una doble periodicidad tanto en el espacio como en el
tiempo, donde la periodicidad espacial es la que determina la longitud de la onda, que es la
distancia entre dos puntos consecutivos de igual amplitud en el campo eléctrico como en el
campo magnético. Además de que el intervalo de tiempo entre dos puntos consecutivos de
la misma amplitud donde tanto el campo magnético como el campo eléctrico alcanzan el
mismo valor es llamado periodo . De aquí se define la frecuencia de radiación como la
relación
. (Resnick et al, 1999).
Figura 2.1 Representación de una onda electromagnética polarizada plana (investigación y
ciencia, 2009).
La concepción como partícula permite explicar ciertos acontecimientos experimentales
como el efecto fotoeléctrico y la absorción de radiación por las moléculas consistiendo en
tratar a la radiación como un haz de partículas denominados cuantos de radiación o fotones
que se desplazan en la dirección del haz a la velocidad de la luz, en casos cuando la
radiación electromagnética actúa como partícula y esta interactúa con la materia para
transmitir una cantidad de energía esta energía viene descrita por la ecuación:
Capítulo 2. Marco teórico y metodológico
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 32
Donde es la constante de Planck, es la velocidad de la luz y es la longitud de onda, se
tiene que el espectro electromagnético se extiende desde la radiación de menor longitud de
onda, como los rayos gamma y los rayos X, pasando por la radiación ultravioleta, la luz
visible y la radiación infrarroja, hasta las ondas electromagnéticas de mayor longitud de
onda, como son las ondas de radio, Figura 2.2. La luz visible es una muy pequeña porción
de este espectro y comprende a las ondas electromagnéticas que están en el rango de
longitudes de onda entre 400 y 700 (Resnick et al, 1999; Tippens, 2011).
Figura 2.2 Espectro electromagnético como función de la frecuencia y la longitud de onda
(Revista UNAM, 2009)
2.2.2 Interacción de la radiación electromagnética con la materia
Los entes físicos se encuentran constituidos por sistemas del tipo atómico-moleculares, el
contenido de energía de estos sistemas se considera primordialmente como una suma de
varios aportes energéticos constituidos por la energía translacional, la energía vibracional
asociada a las vibraciones de los átomos entorno a su posiciones de equilibrio en las
moléculas, energía rotacional asociada a las rotaciones de la molécula entorno a ciertos ejes
además de la energía electrónica asociada a los electrones contenidos en la molécula. En
base a la mecánica cuántica las energías antes mencionadas a excepción de la trasnacional
solo pueden adoptar ciertos valores discretos.
Capítulo 2. Marco teórico y metodológico
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 33
2.2.3 Termodinámica
La termodinámica es un subconjunto de la física, la cual se encarga del estudio de los
efectos producidos por los cambios de temperatura, volumen, presión en un nivel
macroscópico de la materia. A partir de la transformación de la energía térmica en energía
mecánica y del proceso inverso, de la conversión de trabajo en calor (Tippens, 2011).
Se apoya fundamentalmente en las leyes de la termodinámica, las cuales postulan que la
energía puede ser intercambiada en forma de calor o trabajo.
La primera ley de la termodinámica establece el principio de conservación de la energía
denota que: en cualquier proceso termodinámico, el calor neto absorbido por un sistema es
igual a la suma del trabajo neto que éste realiza y el cambio de su energía interna (Tippens,
2011).
La segunda ley de la termodinámica establece la dirección en la que deben de llevarse a
cabo los procesos termodinámicos; es imposible construir una máquina que, funcionando
de manera continua, no produzca otro efecto que la extracción de calor de una fuente y la
realización de una cantidad equivalente de trabajo. Dando como resultado que el flujo de
calor siempre es unidireccional de la fuente de mayor temperatura hacia los de menor
temperatura, y así lograr un equilibrio térmico (Tippens, 2011).
La tercera ley de la termodinámica puede describirse atreves de estos dos postulados:
Teorema de Nerst: Una reacción química entre fases puras cristalinas que ocurre en el cero
absoluto no produce ningún cambio de entropía. Enunciado de Nerst-Simon: El cambio de
entropía que resulta de cualquier transformación isoterma reversible de un sistema tiende a
cero según la temperatura se aproxima a cero. La entropía de todas las substancias puras
perfectamente cristalinas es 0 a 0 grados Kelvin (Tippens, 2011).
Capítulo 2. Marco teórico y metodológico
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 34
2.3 Fotoacústica
Dentro de las áreas de investigación en la física aplicada se encuentra la fotoacústica (FA)
dentro de los denominados fenómenos fototérmicos (FT). Estos términos implican la
generación de ondas acústicas u otros efectos de carácter termo elásticos por cualquier tipo
de flujo energético incidente que esta entre la radiación electromagnética por rayos X, hasta
la radiación con electrones, protones, ultrasonido, etc. Los fundamentos del efecto FA se
descubrió por Alexander Graham Bell en 1880 y décadas después hubo un resurgimiento en
1938 por parte de M.L. Veingerov quien fue el primero en reutilizar el uso de efecto
fotoacustico para el análisis de gases sin embargo no obtuvo los resultados deseados
debido a las posibilidades y limitantes con que se contaban en esa época en cuanto a
instrumentación (Haisch, 2011; García, 2004).
En décadas más recientes el modelo desarrollado para describir el efecto fotoacústico se
debe a los trabajos de Kreuzer y Rosencwaig en los inicios de los años setenta. Hoy día, la
fotoacústica se ha extendido para abarcar muchas otras disciplinas, no exclusivamente
acústicas, o técnicas de detección térmicas, se han aplicado con éxito a varios problemas en
la física, química, biología, medicina e ingeniería (Delgado et al, 2012). En muchos de los
trabajos relacionados a la caracterización mediante espectroscopia térmica y óptica de
materiales, la espectroscopia fotoacústica (EFA) ha mostrado la gran adaptabilidad y de alta
definición como una técnica fácil que produce los resultados satisfactorios aplicada en los
sólidos, líquidos, geles, polvos, además de materiales biológicos. Además de su
versatilidad en los sistemas de detección con el grado variante de sensibilidad, así como su
capacidad para el análisis de profundidad del perfil, la técnica fotoacústica y fototérmica se
combinan para convertirse en un importante método de comprobación de propiedades
térmicas no destructivo (Bageshwar et al, 2010).
Capítulo 2. Marco teórico y metodológico
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 35
2.3.1 Fundamento de la Fotoacústica.
El efecto FA es la base de la técnica que lleva su nombre formando parte de un conjunto de
técnicas experimentales conocidas como fototérmicas. En ellas se hace incidir energía
luminosa de forma periódica o de manera pulsada, sobre la muestra a investigar ya sea en
estado sólido, líquido o gaseoso, siendo parte de esta absorbida y parcialmente
transformada en calor. De ello la temperatura de la muestra varía conforme a la
periodicidad que lo hace la radiación incidente, así provocando cambios en los parámetros
del material y/o del medio en el que se encuentra inmerso y dependientes de ella. La
detección de estas variaciones es la base de los diferentes esquemas experimentales. En
particular, en la Técnica FA, la muestra del material a investigar es colocada en un medio
cerrado o celda que contiene aire u otro gas; como resultado de la absorción de radiación
modulada, el material se calienta, transmitiéndose el calor a una capa de gas adyacente a la
superficie iluminada de la muestra. Esta capa de gas de igual forma se calienta
periódicamente, expandiéndose y contrayéndose, actuando como una especie de pistón
sobre el resto del gas contenido en la celda. Se genera así una onda acústica, o de presión,
que puede ser detectada con un micrófono colocado también dentro de la celda (Marín,
2008).
La teoría más aceptada en la actualidad para explicar el efecto FA fue enunciada por A.
Rosencwaig Figura 2.3, en el análisis de producción de la presión acústica, se considera una
celda cilíndrica simple, y se asume que las dimensiones de la celda son pequeñas en
comparación con la longitud de onda acústica, de igual manera la muestra se asume que
está en un soporte y esta puesta de bajo de la muestra de materia que se analiza, y el resto
de la celda se encuentra llena de aire o gas; la muestra es iluminada con una luz
monocromática, modulada para producir esencialmente una intensidad de modulación
sinodal (Rosencwaig, 1975).
Capítulo 2. Marco teórico y metodológico
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 36
Figura 2.3. Modelo de Rosencwaig–Gersho (Elaboración propia, 2014).
Considerando que el modelo de Rosencwaig–Gersho, que es un modelo unidimensional en
el cual se considera la luz adsorbida por la muestra es total o parcialmente convertida en
calor mediante procesos de des-excitación no radiactivos. Describiendo la generación de
una señal acústica posterior a la absorción de la luz en una muestra sólida, los principios de
la transferencia de calor la difusión de calor de la muestra y los procesos que dé él se
desprende se aprecian en el ANEXO A.
2.4 Ciencias aplicadas
El propósito de la ciencia aplicada es el de tratar de resolver problemas específicos o
conjuntos de problemas, o de crear productos.
Informática
La profesión de la informática son las personas e instituciones que han sido creadas para
atender las preocupaciones de la gente en el procesamiento de la información y
coordinación a través de los sistemas de comunicación de todo el mundo. Contiene diversas
especialidades como ciencias de la computación, ingeniería informática, ingeniería de
software, sistemas de información, las aplicaciones específicas del dominio, de los sistemas
informáticos. La disciplina de la informática es el cuerpo de conocimientos y prácticas
utilizadas por los profesionales de la informática en su trabajo.
Capítulo 2. Marco teórico y metodológico
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 37
La informática tiene una fuerte herencia en ingeniería eléctrica, porque muchos métodos
algorítmicos fueron diseñados originalmente para resolver problemas de ingeniería. Los
ejemplos incluyen circuitos electrónicos, telecomunicaciones, gráficos de ingeniería, diseño
de ingeniería, sistemas de ingeniería, fabricación y manufactura. Por el contrario, las
computadoras tienen convertido en indispensable en muchas disciplinas de la ingeniería.
Por estas razones, es que la informática podría decirse que es una ciencia de ingeniería.
Electrónica
La electrónica es la ciencia que estudia a los electrones y su comportamiento; de manera
general se clasifica en electrónica analógica y electrónica digital.
Los circuitos electrónicos se dividen de igual manera, según la naturaleza de los valores
que toman las señales o magnitudes que intervienen en el sistema, en dos categorías:
analógicos y digitales.
La electrónica analógica emplea magnitudes con valores continuos en el tiempo, mientras
que la electrónica digital maneja magnitudes con valores discretos en el tiempo. Una señal
analógica es aquella cuya magnitud, en cada instante de tiempo, puede tomar cualquiera de
los infinitos valores dentro del rango donde esté definida, pudiendo cambiar de valor en
cantidades arbitrariamente pequeñas. De manera general las magnitudes que se pueden
medir cuantitativamente en la naturaleza se presentan en forma analógica. Como ejemplo
de magnitudes analógicas son: presión, humedad, temperatura, tensión eléctrica, etc.
Las señales digitales son aquellas cuya magnitud, en cada instante de tiempo, sólo pueden
tomar un valor de entre un conjunto finito de q valores discretos. En el paso de un valor a
otro se produce una discontinuidad al no existir valores intermedios. Si q = 2 la magnitud
presenta dos estados bien diferenciados: cerrado o abierto, alto y bajo, nivel de tensión alto
o bajo, valor numérico 1 o 0, etc. A las señales digitales con dos estados se las denominan
binarias, y constituyen la base de la electrónica digital.
La combinación de la electrónica analógica con la digital da como resultado los sistemas
analógico-digitales, que son aquellos en el que intervienen tanto señales analógicas como
señales digitales; es decir, está compuesto de subsistemas analógicos y subsistemas
Capítulo 2. Marco teórico y metodológico
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 38
digitales. Un ejemplo de este tipo de sistemas analógico-digital es el reproductor de CD, el
esquema que lo comprende está en la Figura 2.4.
Figura 2.4 Ejemplo de sistema analógico-digital (Alegre et al, 2006).
Adquisición de datos
La adquisición de datos (DAQ) es el proceso de medir por medio de una PC algún
fenómeno eléctrico o físico como voltaje, corriente, temperatura, presión o sonido. Un
sistema DAQ consta de sensores, hardware de medición DAQ y una PC con software
programable. Los sistemas DAQ basados en PC aprovechan la potencia del procesamiento,
la productividad, la visualización y las habilidades de conectividad de las PC estándares en
la industria proporcionando una solución de medidas potente, flexible y rentable (National
Instruments, 2015).
Dentro de los componentes esenciales está el sensor, ya que la medida de un fenómeno
físico, como la temperatura de una habitación, la intensidad de una fuente de luz o la fuerza
aplicada a un objeto, comienza con este dispositivo. Un sensor, también llamado un
transductor, convierte un fenómeno físico en una señal eléctrica que puede medirse.
Dependiendo del tipo de sensor, su salida eléctrica puede ser un voltaje, corriente,
resistencia u otro atributo eléctrico que varía con el tiempo. Algunos sensores pueden
requerir componentes adicionales y circuitos para producir correctamente una señal que
puede ser leída con precisión de los cuales algunos tipos más utilizados se aprecian en la
Tabla 2.1.
Capítulo 2. Marco teórico y metodológico
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 39
Tabla 2.1 Sensores más utilizados (National Instruments, 2015).
Sensor Fenómeno
Termopar, RTD, Termistor Temperatura
Fotosensor Luz
Micrófono Sonido
Galga Extensiométrica, Transductor
Piezoeléctrico Fuerza y Presión
Potenciómetro, LVDT, Codificador Óptico Posición y Desplazamiento
Acelerómetro Aceleración
Electrodo pH pH
Para obtener datos digitales con los cuales trabaja la computadora a partir de señales
analógicas, la señal debe ser muestreada: Esto significa tomar los valores instantáneos de la
señal en un momento determinado. Para una señal continua, las muestras se toman a
intervalos regulares, generalmente con un periodo de muestreo fijo entre medidas. Para
recoger información útil, la frecuencia con la que se toman las medidas; se basa en el
teorema de Nyquist que indica que la frecuencia de muestreo mínima que ser tiene que
utilizar debe ser mayor que 2 veces la frecuencia máxima. Si se utiliza esa frecuencia de
muestreo, se podrá reproducir posteriormente la señal a partir de las muestras tomadas y
obtener la información requerida.
Amplificador Lock-in
Los amplificadores lock-in se utilizan para medir y detectar señales de corriente alterna
muy pequeñas realizándose mediciones exactas aun cuando en apariencia las señales a
medir estén ―ocultas‖ por el ruido. Esto es posible debido a que utilizan una señal de
referencia y una técnica conocida como detección sensible a la fase. Las señales de ruido y
las de otras frecuencias que no sean la de referencia de referencia se rechazan y no afectan
la medida, permitiendo así que el instrumento tenga una enorme sensibilidad.
Para medir con amplificador lock-in se necesita contar con una frecuencia de referencia. En
una medición típica se utiliza un oscilador o generador de funciones para excitar el sistema
estudiado con una frecuencia de referencia fija, posteriormente el amplificador lock-in
detecta la respuesta a esa frecuencia de referencia. Comúnmente se utiliza una señal con
Capítulo 2. Marco teórico y metodológico
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 40
forma de onda cuadrada para la frecuencia de referencia ω (2πf). Esta debe conformar la
salida sincronizada de un generador de funciones o una salida del propio amplificador; el
lock-in amplifica la señal y luego la multiplica por su referencia interna usando un detector
sensible a la fase o multiplicador. La salida del PSD es queda como el producto de dos
ondas seno (PerKinElmer Instruments, 2000).
Microcontrolador
El microcontrolador es un circuito integrado programable que contiene todos los
componentes de una computadora, empleándose para controlar el funcionamiento de una
tarea determinada, e incorporándose de manera regular al dispositivo o sistema al cual
gobierna. Siendo un dispositivo dedicado sus conexiones pueden soportar la conexión con
otros dispositivos como sensores y actuadores. Este dispositivo es un sistema cerrado
conteniendo todas las partes de una computadora en su interior y solo salen los periféricos
que gobiernan o se comunican con otros dispositivos, contando mínimamente por lo regular
con un procesador, memoria no volátil para contener la programación, memoria de lectura
y escritura para guardar datos, líneas de entrada y salida para la comunicación, y recursos
auxiliares como convertidores analógico digital y digital analógico, comparadores y
temporizadores (Usategui et al, 2003).
2.5 Marco metodológico
Las diferentes formas de obtención del conocimiento y los recursos disponibles en la
actualidad permiten involucran soluciones a los problemas cada vez más integrales
abarcando la mayor extensión con los posibles vínculos que tiene el objeto de estudio con
el sistema o los sistemas al cual pertenece.
2.5.1 Metodología para el desarrollo del prototipo propuesto
Para la realización del presente trabajo ser consideró una visión integral para así poder
realizar el prototipo de espectroscopia fotoacústica; debido a que los requerimientos
actuales no solo requieren de una solución teórica y/o técnica si no una solución que nos
permita lograr el mayor impacto en la resolución de la problemática como un sistema,
para ello se utilizó la siguiente metodología para el proceso de desarrollo del prototipo.
Capítulo 2. Marco teórico y metodológico
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 41
La Figura 2.5 permite ver el proceso por el cual se ha abordado la problemática partiendo
de una visión de los diferentes contextos que se involucran; se parte de la descomposición
del problema general, llevando a una focalización para posteriormente irse adentrando
cada vez más en el qué se puede aportar mediante las habilidades y el conocimiento
adquirido; empleado para todo ello el proceso de experimentación el medio por el cual se
pueden obtener las aportaciones (cumplir con los objetivos específicos y general) para de
nuevo diversificarse y expandirse nuevamente a la visión de los alcances y de las
aportaciones realizadas en el mundo real.
Figura 2.5 Metodología para la realización de la investigación (Notas de clase, 2014)
1. Investigación del mundo real: permite conocer la problemática que involucra
nuestro objeto de estudio, qué alternativas o qué trabajos similares se han propuesto,
asumir e identificar el conjunto de variables que lo caracterizan, si se ha podido
resolver de manera parcial o en forma alternativa mediante otras propuestas, a quién
o a quiénes les puede interesar la propuesta que se ha planteado.
2. Investigación sujeto-investigación: se realiza la evaluación personal a partir del auto
conocimiento a uno mismo, permitirnos la apertura hacia el conocimiento nuevo,
la comunicación con los actores que se involucran o que tienen experiencia en los
campos que de trabajo respectivos, logrando un proceso de crecimiento tanto de la
Capítulo 2. Marco teórico y metodológico
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 42
visón y alcance de nuestros aportes como poder permitirnos la apertura hacia la
actitud y el rigor que nos permite el crecimiento personal.
3. Investigación experimental: se plantea un proceso de retroalimentación continuo
alimentando con el conocimiento y aprendizaje obtenido de la experiencia y los
procesos precedentes; realizando una interconexión entre cada experimentación
hasta llegar a la refutación de las hipótesis en cada experimentación.
4. Investigación de impactos en el mundo real: Se evalúa el trabajo realizado, en el
mundo real mediante la comparación de resultados y la prueba de quienes pudieran
emplear la propuesta de prototipo realizada.
La descomposición de cada fase y sus principales puntos son los siguientes
2.5.1.1 Fase I investigación del mundo real
Conocimiento de la problemática
Reducción de la problemática mediante la focalización del área donde podemos
atacar el problema
Selección del objeto de estudio
Conocimiento de las partes del objeto de estudio
Selección de las áreas en donde se pueden hacer mejoras o aportes mediante las los
conocimientos teórico- práctico, propios y de los actores que viven la problemática.
Investigación de los aportes actuales y métodos que se han utilizado para la solución
del problema
2.5.1.2 Fase II investigación sujeto-investigador
Apertura a la visión sistémica
Análisis FODA personal
Mejora del individuo mediante al autoconocimiento
Capítulo 2. Marco teórico y metodológico
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 43
2.5.1.3 Fase III investigación experimental
Para poder cumplir con el objetivo general se realiza el desglose en diferentes montajes
experimentales y trabajos por medio de implementaciones particulares, partiendo desde la
idea básica del funcionamiento del prototipo hasta su implementación y construcción
integral la cual se ve reflejada en la Figura 2.6.
Cada módulo del prototipo y su evolución constituye la realización de montajes
experimentales (experimentaciones e implementaciones en software y hardware) que nos
permitan construir el prototipo de manera integral; para ello cada montaje experimental
tiene una pregunta de investigación en base a una hipótesis que nos permite evolucionar en
el cumplimiento de los objetivos particulares, todo en un ciclo de evolución continua y
retroalimentada tanto del conocimiento como del software y hardware desarrollado.
Figura 2.6 Proceso evolutivo del prototipo (Elaboración propia, 2015)
Para cada montaje experimental se tiene la siguiente metodología para su desarrollo,
basados en la metodología de Jenkins (1972) para la ingeniería de sistemas, se divide en
cuatro etapas: análisis, diseño, implementación, pruebas y resultados las cuales se pueden
ver en el diagrama de flujo de la Figura 2.7.
Capítulo 2. Marco teórico y metodológico
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 44
Figura 2.7 Diagrama de flujo de las cuatro etapas para los montajes experimentales
(Elaboración propia adaptada de la metodología de Jenkins, 1972).
2.5.1.3.1 Etapa I Análisis
Aquí se definen los dispositivos, herramientas, procedimientos, posibilidades técnicas ya
sea de software y/o hardware por medio del cual se pueda efectuar el montaje y poder
realizar la experimentación, identificando las características, las especificaciones de usos y
las necesidades generales para cubrir el objetivo.
Para definir la implementación se efectúa un proceso de depuración de la información
obtenida con anterioridad para evitar incongruencias, incompatibilidades o duplicidad. Una
vez realizado esto, se definen los materiales y métodos específicos que se necesitan para la
propuesta de solución de la pregunta de investigación, empleando diagramas de flujo
esquemas o demás herramientas para el entendimiento grafico de las soluciones propuestas.
2.5.1.3.2 Etapa II Diseño
Puede existir diseño solamente de software o hardware o la combinación de ambos en cada
montaje experimental
En el caso de hardware de describe cada bloque con los componentes físicos reales que se
eligieron con anterioridad; respecto al software, se describe la herramienta computacional
Análisis
Diseño
Implementación Pruebas y
resultados
Capítulo 2. Marco teórico y metodológico
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 45
que se eligió como medio se desarrolló para el diseño. Para el caso de la combinación del
hardware y software se describe la homogenización de ambas (la intercomunicación).
2.5.1.3.3 Etapa III Implementación
Se realiza la construcción física del módulo o módulos de hardware y la implementación
de software en la IDE de diseño, realizando ajustes y pruebas pertinentes para su
funcionamiento.
2.5.1.3.4 Etapa IV Pruebas y resultados
Se realizan las pruebas pertinentes en un entorno real describiendo y capturando los
resultados obtenidos para cada módulo.
Prototipo final
Para la construcción del prototipo final, la materialización del objetivo general, se han de
integrar los diferentes módulos, y debido a que cada implementación de los montajes
experimentales ha aportado conocimiento y experiencia, en la integración final se realizan
los ajuntes finales para que permitan cumplir con las características definidas en el modelo
general del prototipo y así poder tener el producto terminado, no obstante este queda
abierto a la evolución y mejora continua permitiendo conseguir la innovación en el mismo.
2.5.1.4 Fase IV Evaluación
Se realiza la evaluación en el mundo real, efectuando comparaciones y evaluaciones por
parte de los actores que viven la problemática, se realiza propuestas de las posibles
implementaciones. Se permite recibir las discusiones acerca del prototipo y las posibles
mejoras a realizar.
En este capítulo, se presentaron los aspectos del marco teórico y metodológico, que
permiten integrar los principales conceptos utilizados en este trabajo de tesis además de
una revisión detallada de la metodología que se utilizó para la realización tanto de la fase
experimental como del prototipo en general.
Capítulo 3. Aplicación de la metodología
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 46
3. APLICACIÓN DE LA
METODOLOGÍA
Capítulo 3. Aplicación de la metodología
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 47
El presente capítulo aborda el desarrollo de las fases de la aplicación de la metodología,
primeramente hay que identificar las necesidades existentes de la vida real bajo una visión
general de estos puntos se parte hacia una focalización del problema para poder aportar
todas la habilidades características y fortalezas disponibles en uno mismo y poder plantear
la solución al problema el cual pretendemos resolver, así mismo se hace la realización de la
actividad de trabajo experimental y las respectivas evaluaciones de los montajes
experimentales propuestos.
3.1 Investigación del mundo real
3.1.1 Conocimiento de la problemática
A la humanidad le aquejan distintas problemáticas de distinta índole, ya sea social,
económico, político, o tecnológico. Estos problemas son de carácter multifactorial, es decir
la resolución de estos requiere de la participación de múltiples disciplinas, donde se tome
en cuenta el impacto y la aportación de todas ellas. En México, uno de los principales
problemas es de carácter de desarrollo tecnológico y avance científico. Como se señala en
el capítulo del contexto de la investigación, se aprecia mediante las estadísticas que la
producción de patentes de índole tecnológica de los últimos años no es competitiva
respecto a las naciones que si lo tienen, ya que esto se ve reflejado en otros aspectos como
el desarrollo social y económico.
El conocimiento de las propiedades de nuestro entorno nos permite poder utilizar los
recursos del medio ambiente con un mejor aprovechamiento, potencializar los recursos que
ya existen o descubrir nuevas propiedades y usos que se pueden aprovechar.
3.1.2 Problemática-Focalización.
Respectivamente dentro de las áreas de menor desarrollo de tecnología en México está la
fabricación de instrumentación electrónica; donde la aplicación en la investigación se ve
limitada como en el área de la física, debido a que los equipos utilizados son de
accesibilidad limitada, tanto en costo como en movilidad y esto no permite el desarrollo de
manera fluida, y no permite ser un medio de conocimiento tanto del área de investigación
así como del conjunto de relaciones que conlleva un objeto de investigación.
Capítulo 3. Aplicación de la metodología
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 48
3.1.3 Selección del objeto de estudio
Dentro de la variedad de instrumentos de medición que permiten obtener propiedades de
los materiales se encuentran los llamados espectroscopios como se mencionó en el capítulo
fundamentos y contexto de la investigación, existen diferentes tipos de ellos, sin embargo
para la realización del presente trabajo se tomó como marco principal la utilización de la
técnica fotoacústica para la implementación de la misma, ya que por todas las
características que cuenta resulta viable para la implementación en la construcción de un
prototipo.
3.1.3.1 Conocimiento de las partes del objeto de estudio
En la instrumentación convencional utilizada en los laboratorios de investigación como es
el caso del CINVESTAV, existen configuraciones distintas dependiendo del objetivo de
estudio. En general, un equipo de espectroscopia fotoacústica está constituido por una
fuente de radiación, ya sea monocromática, como lo es un láser o fuentes de espectro
continuo, como lo son las lámparas de Xenón, un modulador electromecánico (chopper)
que permite variar la intensidad de la fuente de manera oscilatoria, una celda que es
finalmente el contenedor que va a permitir que no se disperse o pierda la señal fotoacustica
proveniente de la muestra, un amplificador lock-in que permite obtener la señal que genera
el transductor (micrófono) y poderla enviar a un equipo de cómputo para su captura,
procesamiento y visualización. Cada uno de estos elementos se encuentra en la Figura 3.1.
Cada uno de ellos se encuentra interconectado con los demás dispositivos en un medio de
retroalimentación y control, por medio de la combinación de hardware y software.
Capítulo 3. Aplicación de la metodología
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 49
Figura 3.1 Instrumentación convencional de Espectroscopia Fotoacústica (Elaboración
propia, 2015)
Existen algunos aportes o soluciones que se han llevado a cabo para la solución del
problema descrito, dentro de los cuales se encuentra un sistema de medición fotoacústico
portable desarrollado para sólidos (Mihailo, 2009), el cual consiste en la utilización de la
PC como medio de procesamiento para la señal de audio, donde el aparato para el
acoplamiento de amplificación es usado tanto para la amplificación de la señal de entrada
como para la amplificación de la señal de salida de la PC en la cual tiene la tarea de
generador y captador de las señales a utilizar. En él se plantea el uso de un diodo laser o la
implementación de LED pero de baja intensidad y el uso del dispositivo solamente para
sólidos.
Capítulo 3. Aplicación de la metodología
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 50
3.1.3.2 Selección de las áreas para el aporte
Las tecnologías más modernas y actuales en el contexto de las fuentes luminosas son los
LED con un gran potencial debido a sus altas eficiencias bajo consumo y precios
competitivos, podrían emplearse como sustitución o alternativa a las fuentes naturalmente
usadas como la lámpara de Xenón o las fuentes laser, ya que estas son grandes costosas en
comparación con estos dispositivos pequeños y accesibles. Además estos pueden ser
modulados de manera digital por medio de un modulador digital como lo sería un micro
controlador que de igual manera existen en el mercado dispositivos de este tipo a bajo costo
y con posibilidades de intercomunicación como la PC, otro componente esencial y
precisamente el de alto costo en comparación con los componentes complementarios en es
amplificador lock –in que podría sustituirse con software y hardware alternativo y de uso
comercial , finalmente las celdas en las cuales de deposita las muestras son relativamente
pequeñas en comparación con materiales de estudio en estado natural, por lo que se
pretende que podría incrementarse el volumen y tener la posibilidad de su utilización en
muestras en estado líquido, ya que este tipo de muestras difícilmente la pueden utilizar en
este tipo de técnica y más aún cuando se pretende utilizar algún tipo de líquido inflamable
como combustibles.
Para ello los requerimientos y características del prototipo que se pretenden satisfacer son:
• Portátil
• Facilidad de uso
• Robusto
• Accesible
• Vida útil
• Factibilidad
• Costo- beneficio
Capítulo 3. Aplicación de la metodología
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 51
3.2 Fase II investigación Sujeto-investigador
Apertura a la visión sistémica
Según Nicolescu Basarab, la transdisciplinariedad puede hacer importantes contribuciones
al advenimiento de un nuevo tipo de educación que se refiere a la totalidad abierta del ser
humano y no solo a uno de sus componentes, que da énfasis a cuatro pilares aprender a
conocer, aprender a hacer, aprender a vivir juntos y aprender a ser
3.2.1 Análisis FODA personal
El autoconocimiento es importante para destacar en qué puede aportar a la investigación,
con que herramientas se cuentan (conocimiento de la ciencias, de la tecnología, del
entorno), qué actitudes y aptitudes se tienen, cuáles se pueden desarrollar y cuales se
pueden mejorar o nivelar.
Figura 3.2 FODA sujeto investigador (Elaboración propia, 2015)
Una vez hecho este análisis se puede distinguir cómo se podría mejorar como individuo,
mediante precisamente tomar y fortalecer lo que nos hace fuerte y nivelar o a contrarrestar
las debilidades, por medio del progreso continuo y apertura al conocimiento buscando una
Capítulo 3. Aplicación de la metodología
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 52
perspectiva sistémica, y poder así contribuir a resolver el problema planteado tanto de
manera técnica como de manera humana.
3.3 Fase III Investigación experimental
Partiendo del objetivo que se planteó, realizar un sistema móvil para la caracterización de
materiales, en base al principio de una técnica de análisis como lo es la técnica de
espectroscopia fotoacústica, esto conlleva consigo que la instrumentación actual no
satisface estos requerimientos, ya sea en accesibilidad así como en los costos y
dimensiones.
Típicamente la instrumentación utilizada para el desarrollo de la técnica fotoacústica es la
siguiente:
Figura 3.3 Instrumentación típica utilizada de EFA (Elaboración propia, 2013).
Como primer planteamiento es comprobar si efectivamente los LED de potencia pueden
utilizarse como fuente de radiación en la implementación de la técnica Fotoacústica, para
ello se realizó el montaje experimental siguiente.
Capítulo 3. Aplicación de la metodología
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 53
3.3.1 Montaje experimental 1
Pregunta de investigación
¿Es posible utilizar la luz que emite los LED de potencia como fuente de radiación para la
EFA?
Objetivo: implementar LED de potencia de diferentes rangos de longitud de onda con
materiales y equipo de uso convencional.
Hipótesis: la luz proveniente de diodos LED de potencia provoca cambios térmicos en un
material de prueba.
3.3.1.1 Etapa I análisis:
La implementación del uso de LED de potencia, requiere primero de su adquisición.
Existen un variedad de dispositivos LED de potencia en el mercado mexicano, para lo cual
los LED con las mayores potencias que se pudo encontrar de manera comercial en colores
distintos (longitudes de onda distinta) fueron los de 1, 3 y 5 watts de disipación sin
embargo, con la posibilidad de poder contar con tres diferentes dispositivos LED en tres
rangos de longitud de onda respectivamente, de la mayor potencia (mayor intensidad
luminosa y con ello mayor potencia de radiación que conlleva a una señal FA posiblemente
mayor) se optó por los de 5W. Se destaca que se está por encima de las potencia de láser
que están en el orden de miliwatts.
Estos tipos de LED cuentan con un ángulo de dispersión de la luz de aproximadamente
120°, por ello se requirió focalizar el haz de luz proveniente por medio de un complemento
de que son los lentes focalizadores, de igual manera existen diferentes modelos como lo son
de 60-120, 40, 30,10 y 5°, entre otros; es por ello que se eligió el lente que permitiera la
mayor focalización en este caso de manera comercial, se adquirieron lentes con una
focalización de 5°. Como en este primer montaje se pretendió saber si efectivamente la luz
generada por LED generaba alguna señal por medio de un micrófono de electreto (por su
bajo precio y prestaciones técnica se utiliza de manera general en la instrumentación
empleada en la técnica fotoacústica tanto para la captura de la señal acústica como para la
generación por medio de una computadora se optó por la utilización de software gratuito
llamado Audacity por su fácil uso y adquisición al igual que para la parte de captura y
muestra en pantalla de la señal se utilizó el software Soundcard osciloscope versión 1.41,
Capítulo 3. Aplicación de la metodología
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 54
por su facilidad de utilización además de que permite visualizar como si fuera un
osciloscopio real la entrada de la señal del micrófono de la computadora, en este caso para
apreciar la respuesta en el tiempo. Para poder emplear de la manera más práctica y sencilla
se planteó la utilización de papel de aluminio pintado como muestra a irradiar, debido a que
adsorbe el calor por ser un cuerpo negro, debido a la potencia que manejan estos
dispositivos. Se planteó utilizar un amplificador de audio para poder incrementar la
corriente y voltaje de salida de la computadora y así poder alcanzar los parámetros de
alimentación de los LED.
Materiales:
Diodo emisor de luz de alta potencia GT-P3B3440560 de 5W, encapsulado epoxico transparente de
5mm, emite luz azul a 460-470 nm.
Diodo emisor de luz de alta potencia GT-P03G64405240 de 5W, encapsulado epóxico transparente
de 5mm, emite luz verde a 520-530 nm.
Diodo emisor de luz de alta potencia GT-P03R14405120 de 5W, encapsulado epoxico transparente
de 5mm, emite luz roja 620-630 nm.
Lentes Ópticos para LED de potencia BK-DB034 a 5°
Amplificador de audio de 50 W de potencia
Software Audacity revisión al marzo 2014
Software Soundcard osciloscope 1.41
Disipadores de aluminio
Papel de aluminio
Micro-Micrófono de electreto de 6mm de diámetro con una apertura de 1mm de diámetro y
resistencia de 750 Ω
Batería 12 v 1.2A
Materiales diversos(cables, resistencias, protoboard, conectores)
3.3.1.2 Etapa II Diseño
El montaje experimental de los diferentes componentes requiere del acoplamiento e
interconexión que se ve en el diagrama de la Figura 3.4. Donde cada uno de los
componentes se tiene que adaptar de tal manera que permita la realización de toma y
captura de señal y dar respuesta a la pregunta de investigación y comprobar la hipótesis
planteada.
Capítulo 3. Aplicación de la metodología
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 55
Figura 3.4 Diagrama de diseño del montaje experimental 1 (Elaboración propia, 2015)
3.3.1.3 Etapa III Implementación
Los LED al ser de las potencias utilizadas se les acopló disipadores de calor para que no se
sobrecalentaran y degradaran sus propiedades, al papel de aluminio se recortó de forma que
quedara justo del mismo diámetro de la apertura del micrófono, se le añadió pegamento de
contacto, en una mínima cantidad para que no se escapara el sonido y sellara el papel de
aluminio con el mismo micrófono se colocaron en forma frontal dos lentes pegados uno
con el otro, para que la luz generada se focalizara sobre la muestra de papel de aluminio,
para la alimentación de los LED se utilizaron resistencias para el control de corriente por
las cuales se alimentan los LED, se instalaron y ejecutaron los programas para la salida y
captura de audio, de los cuales se probaron su funcionamiento y capacidades que pudieran
servir en la obtención de la señal de audio; la implementación e integración de los
componentes y dispositivos se describe en la Figura 3.5.
Capítulo 3. Aplicación de la metodología
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 56
Figura 3.5 Implementación del montaje experimental 1 (Elaboración propia, 2015)
3.3.1.4 Etapa IV Pruebas y resultados
Para poder probar si efectivamente la luz proveniente de los LED de potencia para este
montaje experimental, por medio del software Audacity se generaron señales de audio a
una frecuencia de 17 Hz que es donde se reporta que el micrófono de tipo electreto tiene
una respuesta pico; esta señal salió por la salida de altavoces de la PC y posteriormente fue
amplificada mediante el amplificador de potencia conectado de manera independiente a
cada LED. De igual manera el micrófono de electreto, que funciona como una cámara
fotoacústica cerrada fue conectada a la entrada de micrófono de la PC en donde la señal
resultante es observada en función del tiempo y la amplitud por medio del el software
Soundcard ocisloscope. Este procedimiento se implementó para los tres colores dando
como resultado la captura de señal de audio, donde a pesar de tener el ruido ambiente y no
estar totalmente controlados los parámetros eléctricos, se muestra que existió una respuesta
distinta para cada color (longitud de onda), donde el LED de color azul mostró una mayor
Capítulo 3. Aplicación de la metodología
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 57
amplitud en función del tiempo, al igual que cuando no se suministraba la radiación no se
tenía respuesta coherente con alguna función continua sino simplemente ruido.
Las señales en función del tiempo a los 17 Hz que fue modulada la fuente, en este caso con
una forma sinodal, se aprecian en las capturas de pantalla mostradas en la Figura 3.6.
Figura 3.6 Resultado de la aplicación del montaje experimental 1 (Elaboración propia,
2015)
Con esto se determina que la luz LED de potencia efectivamente provocan el calentamiento
de manera superficial en la muestra de forma modulada que responde al principio de la
técnica fotoacústica expresada como señal de audio.
3.3.2 Montaje experimental 2
Con los resultados obtenidos con el montaje anterior de la experimentación se tiene en
cuenta que la luz proveniente de los LED de potencia puede ser utilizable en la aplicación
de la técnica de espectroscopia fotoacústica, debido a que refleja una respuesta en la señal
del micrófono, ahora bien, siguiendo en el proceso evolutivo hacia el prototipo final, parte
del planteamiento principal del prototipo final es la aplicación en la utilización en líquidos,
Capítulo 3. Aplicación de la metodología
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 58
en un volumen considerablemente mayor a los actuales para emplear muestras mayores.
Además, por ejemplo celdas utilizadas en EFA en el Departamento de Física del
CINVESTAV son de alrededor de 7 mm de profundidad por 3.5 mm de diámetro o hasta 15
mm de profundidad por 8 mm de diámetro por lo que se plantea lo siguiente:
Pregunta de investigación: ¿con que materiales de uso comercial se podrá implementar una
celda?
Objetivo: Desarrollar una celda fotoacústica a partir de materiales alternativo (pieza
mecánica de automóvil) reciclados y convencionales.
Hipótesis: Se puede detectar señal fotoacústica empleando material alternativo para la
construcción de una celda; así como capturar la señal mediante PC.
3.3.2.1 Etapa I Análisis
Lo que se buscó en este momento fueron materiales que pudieran servir para incorporar la
estructura de una celda, que permitiera poder incorporar algún tipo de depósito o
contenedor para la muestra liquida y así obtener algún tipo de comportamiento o señal.
Se buscaron materiales con formas similares a las especificaciones de una celda, para ello
de manera comercial se pudo encontrar un dispositivo prefabricado en forma de celda en
base a un dispositivo automovilístico, en este caso lo que fue parte de un sistema de
frenado, en particular la pieza de cilindro de frenado, que cumplió con las características de
forma general para su utilización como una posible implementación de celda; de igual
manera y como se planteó desde la concepción del prototipo final, se tenía en cuenta la
utilización de un solo programa de software para la generación y captura de la señal. En el
caso de software existen diferentes alternativas de herramientas de procesamiento de
información y adquisición de datos, con lenguajes de alto nivel, y plataformas de software
como Labview, Mathematica, Maple, Visual Basic, aunque se eligió MATLAB por ser un
software con un lenguaje de alto nivel y un entorno interactivo para el cálculo numérico, la
visualización y la programación a través de su IDE. Además de la experiencia previa con
ese software.
Capítulo 3. Aplicación de la metodología
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 59
Se planteó la necesidad de igual manera de otra fuente de alimentación para la alimentación
de los LED, debido a que en el montaje anterior, el montaje 1, el amplificador de audio no
cumplía con las características eléctricas y de respuesta que pudiera dar efectividad al
prototipo final, de esta manera se planteó la utilización de tecnología alternativa para ello se
planteó la implementación de un microcontrolador que permitiera controlar de manera
digital los procesos, y la intercomunicación con la PC que es necesaria para la transferencia
de órdenes y tareas, de igual forma existen diversas plataformas de software/ hardware. Se
eligió Arduino porque es una plataforma que resulta rápida de programar en lenguaje C y es
un conjunto prefabricado para su utilización directa en proyectos de electrónica.
Después de una evaluación de características técnicas, los materiales a emplear para este
montaje experimental fueron los siguientes:
Diodo emisor de luz de alta potencia GT-P3B3440560 de 5W, encapsulado epoxico transparente de
5mm, emite luz azul a 460-470 nm.
Diodo emisor de luz de alta potencia GT-P03G64405240 de 5W, encapsulado epoxico transparente
de 5mm, emite luz verde a 520-530 nm.
Diodo emisor de luz de alta potencia GT-P03R14405120 de 5W, encapsulado epoxico transparente
de 5mm, emite luz roja 620-630 nm.
Diodo emisor de luz de alta potencia GT-P03Y24405120 de 5W, encapsulado epoxico transparente
de 5mm, emite luz amarilla 585-595 nm.
Lente Óptico para LED de potencia BK-DB034 a 5°
Software Arduino
Software Matlab R2013a
Disipadores de aluminio
Microcontrolador Arduino Leonardo
Micro-Micrófono de electreto de 9 mm de diámetro con una apertura de 3 mm de diámetro y
resistencia de 1150 Ω
Fuente de alimentación 9V- 1.5A
Materiales diversos (cables, resistencias, protoboard, transistores TIP 41, conectores, etc.)
Tubos de ensaye marca KIMAX de 17 mm x 150 mm
Cilindro de freno no. de parte 30591-SA7A
Capítulo 3. Aplicación de la metodología
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 60
3.3.2.2 Etapa II Diseño
Para poder implementar la interconexión entre software y hardware primeramente se creó
un programa para capturar la señal de audio proveniente del micrófono adaptado al
componente mecánico que fungió como celda FA, de igual manera se creó un programa
para el microcontrolador para comunicarse con el programa realizado en MATLAB. A su
vez se realizó un depósito para la muestra liquida, éste se creó a base del
acondicionamiento de un tubo de ensayo esto permitió ser utilizado dentro de la celda FA.
El diseño general de este montaje experimental se ve en la Figura 3.7.
Figura 3.7 Diagrama de diseño del montaje experimental 2 (Elaboración propia, 2015)
3.3.2.3 Etapa III Implementación
Para poder utilizar los LED de potencia se utilizó un acoplamiento electrónico con
transistores TIP 41C como controladores de potencia en conjunto con resistencias
controladoras de corriente acopladas a una salida del microcontrolador que se programó
para que generara una señal de salida de 1 a 100 Hz que se activa cuando el programa de
MATLAB inicia. El programa captura la señal de audio que detecta el micrófono acoplado
a la celda, esta celda para poder utilizar muestras liquidas se hizo el corte de un tubo de
ensayo en la celda para que se adaptara a las medidas internas del cilindro, mismo que fue
Capítulo 3. Aplicación de la metodología
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 61
sellado por medio de una tapa hecha de aluminio y goma que es parte del componente
original del funcionamiento del cilindro de freno utilizado. Todo el montaje de la celda se
colocó sobre un soporte metálico para que permaneciera de manera vertical la muestra
liquida y no se derramara, en relación a la incorporación de los LED hacia la celda, se hizo
mediante un lente óptico de 5°, que fue recortado para que estuviera en la parte superior
del cilindro y de esta manera pudiera radiar de manera directa sobre la muestra. Este lente
fue pegado con pegamento de contacto para evitar fugas, lo que hace que los LED sean
intercambiados y ajustados al lente. Para cada prueba que se produjo el montaje por paso se
muestra en la Figura 3.8.
Figura 3.8 Implementación del montaje experimental 2 en hardware (Elaboración propia,
2015)
Para comprobar la respuesta a la luz LED en cada fuente se realizó la siguiente conexión,
primero se montó el respectivo LED a excitar, se procedió a ejecutar el programa de la
Capítulo 3. Aplicación de la metodología
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 62
captura de audio donde previamente este mismo programa activa al microcontrolador que
genera un corrimiento de frecuencias de 1 a 100 Hz. Por otra parte el deposito fue llenado
con 1 mililitro de tinta negra indeleble ya que se requería comprobar si efectivamente en
este tipo de celda, con la implementación empleada, existía algún tipo de señal de audio
que proviniera de la radiación a la muestra, en especial tinta negra porque los cuerpos
negros absorben más la luz, esto puede permitir una mayor estimulación y por lo tanto
mayor intensidad en la generación de señal FA. El montaje para la toma de señal a través
del software se muestra en la Figura 3.9.
Figura 3.9 Implementación del montaje experimental 2 en software (Elaboración propia,
2015)
El procedimiento de intercambio del LED y captura de la señal de audio se realizó para los
cuatro dispositivos LED.
3.3.2.4 Etapa IV Pruebas y resultados
Una vez implementado el montaje, se realizó la captura y comparación de las señales de
audio generadas en función de la amplitud en micro volts, contra el tiempo, para ser
comparadas, en este caso solo se tomó en cuenta la forma de la señal de salida en función
del número de muestra (se puede interpretar como una función logarítmica),
respectivamente, en la parte central de la gráfica se representan las frecuencias
Capítulo 3. Aplicación de la metodología
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 63
correspondientes y cercanas entre 15-20 Hz. Los resultados se muestran en la Figura 3.10,
donde se tomó las señales de respuesta con el depósito vacío y la Figura 3.11 con la
muestra líquida de tinta.
Figura 3.10 Señales de audio obtenidas sin tinta (Elaboración propia, 2015)
Figura 3.11 Señales de audio obtenidas con tinta (Elaboración propia, 2015)
Lo que se observa es que cuando el depósito de la muestra está vacío, existe señal,
atribuyéndose a la reflexión de la luz dentro de la celda y a la propia interacción de la
estructura de la celda, sin embargo, al aplicar el mismo procedimiento de captura de la
señal para los cuatro diodos emisores de luz, se tiene que la respuesta está más definida que
cuando no se tenía muestra. Existe un incremento en el valor de las señales obtenidas donde
Capítulo 3. Aplicación de la metodología
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 64
en particular la señal correspondiente a la interacción de la luz azul con la muestra es en la
que se tiene mayor valor.
Es decir, que se obtiene una señal proveniente de la muestra a partir de las fuentes de luz
LED en un rango de modulación de entre 1- 100 Hz, para los cuatro rangos de longitud de
onda propuestos.
3.3.3 Montaje Experimental 3
A partir de los resultados anteriores del montaje experimental se obtuvo que existe por lo
menos una pequeña señal que pertenece a la radiación de la luz LED, hacia la muestra
líquida, sin embargo el material y la configuración no resulta completamente satisfactorio
en cuanto a su uso, ya que es un material poroso y con posibilidades de generar
perturbaciones a la señal. Aunado a esto se requiere usarlo de manera específica en el
prototipo final y se plantean mejoras en cuanto a su diseño, para ello se plantea lo
siguiente.
Pregunta de investigación: ¿Se puede construir una nueva celda en base a la anterior con
nuevas características y materiales?
Objetivo: Analizar, diseñar y construir una celda fotoacústica y comprobar su respuesta
con instrumentación convencional
Hipótesis: La incorporación de mejoras en material de fabricación y componentes de la
celda pueden ofrecer una mejor alternativa para la adquisición de datos
3.3.3.1 Etapa I. Análisis
Los materiales con los que se fabrican normalmente las celdas son el latón y el aluminio, se
optó por el aluminio por su facilidad de adquisición en cuanto a disponibilidad y precio.
Para el diseño de la nueva celda se parte del modelo de celda previamente utilizado las
dimensiones internas con las mismas proporciones, para que la nueva celda tenga previsto
un comportamiento similar, para ello se requirió un software de diseño, por lo que se optó
por la plataforma Autodesk Inventor, por la practicidad en su implementación, para obtener
el nuevo modelo. De igual forma hasta los montajes anteriores no hubo una respuesta clara
en cuanto a la señal contra la longitud de onda y la frecuencia de modulación, por lo que se
Capítulo 3. Aplicación de la metodología
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 65
optó primeramente por utilizar la instrumentación de captura convencional, es decir, el
amplificador lock-in y la interfaz con la computadora utilizadas. Para ello, teniendo en
cuenta el apoyo del Laboratorio de Técnicas Fototérmicas del CINVESTAV, con una
fuente de luz láser, un amplificador lock- in y el programa de control para la utilización de
dichos dispositivos a través de una PC de escritorio. De igual manera se contó con el
Laboratorio de Equipos Pesados de la ESIME Zacatenco para la maquinación de la pieza
principal de la celda. Enseguida se enlistan los materiales y equipos que se utilizaron.
Software Autodesk Inventor 2015
Amplificador Lock-in SR 850
Modulador Chopper
Espejos diversos
Programa de interfaz desarrollado en Labview
Micro-Micrófono de electreto
Torno paralelo.
Taladros
Materiales diversos (cables, conectores, tornillos, etc.)
Herramientas diversas (taladros de banco, Dremel, brocas, herramientas de corte, machuelos, pinzas,
etc.)
Computadora personal
3.3.3.2 Etapa II Diseño
La fabricación de la celda y su implementación conlleva la maquinación de la pieza, por lo
que se tiene primeramente el desarrollo del modelo virtual, para su posterior maquinación
física. Una vez construida esta parte se complementa con los soportes y piezas necesarias
para el depósito de la muestra que fue ajustada respecto a la implementación del montaje
anterior. La forma en que se planteó la construcción y desarrollo del nuevo montaje se
describe de manera gráfica en la Figura 3.12.
Capítulo 3. Aplicación de la metodología
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 66
Figura 3.12 Diagrama de diseño de montaje experimental 3 (Elaboración propia, 2015)
3.3.3.3 Etapa III Implementación
Se desarrolló un modelo en CAD por medio del software Autodesk Inventor de la celda
fotoacústica ver Anexo B , para su posterior maquinación, esto en una barra sólida de
aluminio comercial, a través de un torno proporcionado por el Laboratorio de Equipos
Pesados de la ESIME; se efectuó el proceso de maquinado de la parte interna de la celda, la
tapa posterior que es la base y parte de la celda se maquinó mediante taladro de banco y con
herramientas de uso manual, el recorte y ajuste del depósito para la muestra se realizó con
herramienta comercial convencional. Una vez fabricadas las piezas, se integró de tal forma
que se incorporó una base metálica redonda como soporte aislada mediante espuma de
poliuretano, se le integró la parte de la celda principal a la parte inferior que soporta a la
muestra mediante dos tornillos que sirven como guía y dos tornillos más que permiten unir
los dos componentes principales para que permanezca hermético en la parte inferior de la
celda completa con un sello de goma; para la adaptación de la celda a la instrumentación
del laboratorio primero se incorporó la muestra que por uso convencional al momento de
Capítulo 3. Aplicación de la metodología
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 67
calibrar se utiliza es grafito, que de igual forma se utilizó en la implementación y de
terminación de la señal FA para este montaje. Se implementó el láser focalizándolo a la
muestra de grafito depositada en el contenedor en el cual, por la parte superior de la celda,
se puso un vidrio de cuarzo que permite el paso de la luz láser, sellado mediante grasa de
vació para generar un sellado hermético total. Se dejó ejecutar el programa proporcionado,
para la interconexión se utilizó un preamplificador adicional al amplificador lock-in para
aumentar la señal proveniente del micrófono. El proceso de desarrollo y la implantación
de la nueva celda se puede observar en la Figura 3.14.
Figura 3.13 Implementación del montaje experimental 3 (Elaboración propia, 2015)
Capítulo 3. Aplicación de la metodología
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 68
3.3.3.4 Etapa IV Pruebas y resultados
La ejecución del programa para el control de la instrumentación del montaje del laboratorio
se configuró para que el amplificador lock-in permitiera controlar el láser, y poderlo
modulándolo en un rango de frecuencias de 1 a 80 Hz. De tal manera que se capture la
señal proveniente del micrófono a partir de la excitación de la muestra, requiriendo un
preamplificador adicional para poder capturar la señal, se obtuvo una respuesta apreciable a
través de la gráfica de señal en mili volts contra frecuencia que se muestra en la Figura
3.14, Se aprecia que esta nueva implementación de celda y el nuevo material utilizado
junto con el tamaño volumétrico mucho mayor que las celdas convencionales permite
obtener respuesta al laser y el grafito, por lo que se puede aprovechar para poder incorporar
otro tipo de muestras.
Figura 3.14 Respuesta de la muestra a la excitación con luz láser (Foto tomada, 2015)
3.3.4 Montaje experimental 4
A partir de la implementación del montaje experimental anterior y teniendo en cuenta que
la celda construida con las mejoras permitió obtener señal, se procedió a implementar el
uso de LED de potencia como fuente de excitación para la muestra, entonces se planteó lo
siguiente:
Capítulo 3. Aplicación de la metodología
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 69
Pregunta de investigación: ¿La nueva celda implementada, mediante la instrumentación
convencional dará algún tipo de señal eléctrica, empleando para la captura instrumentación
de laboratorio a través de la radiación con luz LED?
Objetivo: Mejorar el sellado y la estructura de la celda, acoplar las señales del controlador
de potencia de los LED para su adaptación a la instrumentación convencional; obtener la
respuesta de audio.
Hipótesis: Una vez acoplada la fuente de control junto con el amplificador lock-in, debe de
haber respuestas de señal a los diferentes rangos de longitudes de onda de los LED.
3.3.4.1 Etapa I Análisis
Con base en los montajes experimentales anteriores, (la celda del montaje fabricada a partir
del nuevo material a base de aluminio con toda su estructura de implementación permite
obtener señal de audio a través del micrófono), se adaptaron los componentes de la fuente
de luz proveniente de los LED utilizados con anterioridad. Para ello se plantearon mejoras a
los controladores de potencia de los LED, que en el caso de los montajes experimentales 1
y 2 no son eficientes en cuanto disipación de potencia ni estabilidad de salida de potencia ni
respecto al calentamiento de los componentes, es por ello que para esta nueva
implementación se requirió el uso de dispositivos capaces de controlar de manera más
eficiente la potencia que se le entrega a los LED. Para eso se propone el uso de dispositivos
de control de potencia mediante transistores MOSFET los cuales contaron con
características eléctricas suficientes para satisfacer los requerimientos de control, al igual
que su adaptación para poderla utilizar y ser controlarla por el amplificador lock-in y
obtener la señal de acuerdo a la instrumentación convencional de captura de la señal. En
tanto que la fuente de radiación es la propuesta mediante fuentes de luz LED, por lo cual se
consideraron los siguientes elementos dispositivos y materiales para su implementación y
montaje:
Capítulo 3. Aplicación de la metodología
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 70
Diodo emisor de luz de alta potencia GT-P3B3440560 de 5W, encapsulado epoxico transparente de
5mm, emite luz azul a 460-470 nm.
Diodo emisor de luz de alta potencia GT-P03G64405240 de 5W, encapsulado epoxico transparente
de 5mm, emite luz verde a 520-530 nm.
Diodo emisor de luz de alta potencia GT-P03R14405120 de 5W, encapsulado epoxico transparente
de 5mm, emite luz roja a 620-630 nm.
Diodo, emisor de luz de alta potencia GT-P03Y24405120 de 5W, encapsulado epoxico transparente
de 5mm emite luz amarilla a 585-595 nm.
Disipadores de aluminio
Lente Óptico para LED de potencia BK-LED 2015Y a 10°
Materiales diversos (cables, resistencias, protoboard, transistores MOSFET, conectores, fuente de
alimentación, etc)
Celda de aluminio del montaje experimental 3 (en conjunto con su depósito, micrófono soporte y
demás componentes para su uso)
Amplificador Lock-in SR 850
Modulador Chopper
Programa de interfaz desarrollado en Labview
Computadora personal
3.3.4.2 Etapa II Diseño
La integración de los componentes que se implementaron de manera independiente en los
montajes experimentales anteriores, es decir la nueva celda y la implementación de los
LED de potencia, se propuso volver a fijar el uso de controladores de potencia nuevos que
se pudieran adaptar mediante conexión de manera directa, a la instrumentación
convencional siendo el conjunto de equipos: amplificador lock-in al igual que el programa
de control para la modulación y captura de la señal de excitación y la señal de respuesta de
la muestra que de igual forma se propone el uso de grafito como muestra a excitar. El
montaje e integración propuesta de acuerdo a la implementación mejorada, se puede
observar en la Figura 3.15. Se pretendió usar conexión de tipo logia de TTL ya que el ALI
contaba con una conexión de este tipo para interfaces externas.
Capítulo 3. Aplicación de la metodología
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 71
Figura 3.15 Diagrama de diseño del montaje experimental 4 (Elaboración propia, 2015)
3.3.4.3 Etapa II Implementación
Primeramente se desarrollaron los circuitos controladores de potencia en placas fenólicas
pre-perforadas, cada LED estaba controlado de manera independiente con un arreglo de
transistores que controlaron la potencia; se incorporó un nuevo soporte, ya que el
anteriormente utilizado, desprendía residuos de la espuma aislante, se implementó una
estructura completamente echa de aluminio, la conexión de los controladores se conectó a
la referencia TTL del ALI esta permitió sincronizar el dispositivo con entrada TTL, la
conexiones se hicieron de manera independiente entre cada LED debido a que el ALI solo
cuenta con una salida de referencia de este tipo, se hizo la ejecución del programa de
control y captura de la señal a través del amplificador, lock-in previamente pasando la señal
por un preamplificador, el programa proporcionado por el laboratorio se configuro y se
establecieron los parámetros de ejecución, para que se generara una señal de referencia con
frecuencia de 1 a 80 Hz en pasos de 5 Hz, para cada LED y se guardaron en un archivo
―.dat‖, por lo que se tuvo que montar y desmontar cada uno de los cuatro LED; dejando la
muestra y la celda sin alteraciones. El proceso se observa en la Figura 3.16.
Capítulo 3. Aplicación de la metodología
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 72
Figura 3.16 Implementación del montaje experimental 4 (Elaboración propia, 2015)
3.3.4.4 Etapa IV Pruebas y resultados
De la implementación y montaje, se tuvieron que hacer modificaciones al momento para
poder adaptar los dispositivos, el ALI y la etapa de potencia, la cual generaba fallas, sin
embargo en los momentos que trabajaba de manera correcta y realizando el corrimiento en
frecuencia para los cuatro LED, se consiguió obtener las siguientes respuestas donde de
acuerdo al tipo de LED (es decir al rango de longitud de onda la muestra que era
igualmente que en el montaje anterior, polvo de grafito) mostró un comportamiento
esperado, ya que, teniendo en cuenta que se está utilizando para la captura de la señal los
equipos de laboratorio, en comparación, cuando se utilizó solamente la respuesta de audio
en función del tiempo a través de la computadora del montaje experimental 2, ahora se tuvo
una reducción de los agentes externos como el ruido ambiente, que pudieran modificar la
interpretación de la señal. La Figura 3.17 muestra la comparativa de la respuesta de los
Capítulo 3. Aplicación de la metodología
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 73
cuatros LED, correspondiendo nuevamente, la mayor amplitud estuvo en el rango de luz
Azul y la menor nuevamente correspondió en el rango de luz amarilla, igualmente, además
de que las fases de respuesta en que se capturo la señal eran estables, por lo que se entiende
que se tiene que existía un sellado que impidió la salida de aire y por lo tanto perdida de
señales; se puede decir que corresponde al comportamiento esperado: que a pesar de que la
celda propuesta tiene características técnicas limitadas fueron suficientes como para poder
ser utilizada en la obtención de la señal FA de una muestra sólida en este caso de prueba
fue mediante el empleo de polvo de grafito.
Figura 3.17 Respuesta de señal FA a los cuatro diferentes LED mediante instrumentación
convencional (Elaboración propia, 2015).
0
5
10
15
20
25
5 15 20 30 40 50 60 70 80
Señ
al (
Mili
vo
lt)
Frecuencia (Hz)
LED Verde
LED Rojo
LED Amarillo
LED Azul
Capítulo 3. Aplicación de la metodología
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 74
3.3.5 Montaje experimental 5 Prototipo funcional
Pregunta de investigación
¿Es posible substituir los componentes convencionales de la instrumentación utilizada en
EFA como es el caso del Amplificador Lock-in y automatizar todo el proceso de toma de
señales?
Objetivo: implementar los componentes utilizados en el montaje experimental 4, celda y
LED´s de potencia, y realizar un prototipo automatizado completo para la obtención de
señal FA.
Hipótesis: es posible emular el proceso de amplificación del ALI mediante software e
implementar un prototipo completo para la captura de señales FA con materiales y equipo
de uso comercial.
3.3.5.1 Etapa I análisis
Lo que se quería sustituir era la función que generada por el ALI, así que se necesitaba un
equipo que pudiera desarrollar la tarea que desempeña el amplificador, pero que este pueda
ser implementado de manera tal que permitiera utilizarse en diversos medios y de manera
portátil, es por ello que se recurrió nuevamente al software MATLAB, el cual tiene la
versatilidad de poder utilizarse para el procesamiento de señales. Para lo cual se propone el
desarrollo de un software con interfaz gráfica capaz de otorgar características semejantes a
la implementación del software instrumental de laboratorio en conjunto con el ALI. Se
propuso por otra parte la implementación de manera automática del proceso de muestreo de
los diferentes LED a diferentes corrimientos de frecuencia; para ello se propuso la
implementación de diversos componentes mecánicos eléctricos y electrónicos que pudieran
ejecutar dichas tareas. Para lo cual existen una diversidad componentes entre los que se
encuentran los servomotores, que son capaces de tener presión en sus movimientos además
de que son dependiendo de las características mecánicas accesibles económicamente
dependiendo del modelo, esto permite el uso de un sistema que controle dichos procesos.
Se recurrió al uso de la plataforma Arduino para la generación de las señales moduladas
que se proporcionaron a los LED en conjunto con el control del proceso de automatización
del intercambio de las fuentes luminosas LED. Todo se planteó para construir un mismo
Capítulo 3. Aplicación de la metodología
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 75
componente para cumplir con el objetivo general de este trabajo. Los materiales y
herramientas utilizados se enlistan a continuación:
PC y Laptop
Microcontrolador Arduino Leonardo
Software Matlab R2013a
Software Arduino
Celda ( montaje experimental 4)
LED de potencia, Rojo, Amarillo, Verde, Azul (montaje experimental 4)
Materiales y herramientas diversos (Aluminio, tornillos, taladros, cortadoras, etc.)
Etapa de control de potencia (montaje experimental 4)
Gabinete de PC
Dispositivos reciclados de componentes electrónicos (CD - ROM)
2 servomotores Futaba S3003
Fuente de alimentación 12v 2A
Componentes diversos (cables, resistencias, conectores, etc.)
3.3.5.2 Etapa II diseño
La idea general de utilizar el software fue permitir la emulación del funcionamiento del
ALI para esto se planteó primeramente la simulación del funcionamiento de la generación
de la señal, añadiéndole diversas fuentes de ruido, funciones aleatorias, que permitieran ver
el comportamiento, del proceso de obtención de la señal respecto a la referencia del
muestreo de la señal. Una vez obtenido esto se procedió a la implementación junto con el
hardware en donde se integraron los diferentes componentes tanto el microcontrolador, que
es el encargado del control de la salida modulada y el control automático del proceso
mecánico, y el software desarrollado para la captura de la señal. La construcción física fue
acoplada de tal manera que por medio de materiales comerciales y de reciclaje fuera capaz
de generar el prototipo, adaptando de madera dinámica cada componente en un proceso de
retroalimentación continuo hasta llegar a satisfacer los requerimientos generales con base
en los montajes experimentales anteriores para lograr un sistema automático. Por ello es
que se desarrolló el siguiente diseño final para la implementación del software que se
muestra en la Figura 3.18 y la implementación de hardware (Figura 3.19). Además, en la
Figura 3.20, se presenta el esquema de la estructura del prototipo junto con los
componentes internos y el modulo general de construcción.
Capítulo 3. Aplicación de la metodología
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 76
Figura 3.18 Diseño general de software para la generación y captura de señal (Elaboración
propia, 2015)
Capítulo 3. Aplicación de la metodología
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 77
Figura 3.19 Diseño general de hardware para la generación y captura de señal (Elaboración
propia, 2015)
Figura 3.20 Diseño del esquema general del prototipo en forma física (Elaboración propia,
2015)
Capítulo 3. Aplicación de la metodología
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 78
3.3.5.3 Etapa III Implementación
A partir de la experiencia y conocimiento previo provisto mediante los montajes
experimentales, se integraron los dispositivos utilizados: la celda de aluminio, los LED de
potencia, los controladores de potencia de alimentación y el soporte, cada uno de ellos fue
nuevamente ajustado para evitar posibles fallas o variaciones en la medición. Entonces se
hizo la integración del prototipo final, se ajustaron los componentes de control de potencia,
(ver circuito en Anexo), se generó un nuevo programa en la plataforma de Arduino que
permitiera la interacción y el control automático del proceso, con todas las instrucciones
generadas por el programa desarrollado en MATLAB. Los componentes del proceso de
intercambio automático de los LED se formaron a partir de la combinación de una
implementación electromecánica para el soporte en el eje vertical y otro control en el
soporte de un disco giratorio de plástico que contiene empotrados los LED de potencia. Las
partes principales del montaje del prototipo se observan en la Figura 3.21.
Capítulo 3. Aplicación de la metodología
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 79
Figura 3.21 Montaje final para el prototipo (Elaboración propia, 2015)
Capítulo 3. Aplicación de la metodología
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 80
3.3.5.4 Etapa IV Pruebas y resultados
Para evaluar el funcionamiento del prototipo final se optó por utilizar dos muestras
diferentes líquidas, una alcohol etílico de 96° y la otra, aceite quemado para automóviles
para que permitiera saber el comportamiento con muestras de líquidos trasparente y opaco
respectivamente, y permitir obtener las señales respectivas y compararlas, el depósito para
la muestra fue rellenado con 3 mililitros de cada muestra en corrimientos de frecuencia de 1
a 100 Hz para las cuatro rangos de longitud de onda. Se dejó ejecutar el programa, al igual
que se dejó ejecutar con el depósito con puro aire, se implementó el prototipo en dos
equipos de cómputo distinto, una laptop y una PC encontrando los siguientes resultados
que se observan de la Figura 3.22 a la Figura 3.25.
Las curvas que representan la señal del sistema en la Figura 3.22 muestran el
comportamiento de la muestra que no fue tan distinguible pero si apreciable, para la
radiación con LED rojo sin embargo la señal consigue un comportamiento con una mayor
amplitud en el caso del líquido negro (aceite), asociado a la posible mayor absorción y
excitación de la misma por ser un cuerpo que adsorbe más la luz.
Figura 3.22 Comparativa de señales: aceite-alcohol y aire con LED rojo (Elaboración
propia, 2015).
En el caso de la excitación de la muestra con la luz proveniente del LED amarillo se obtuvo
una menor señal de respuesta, de manera semejante a la del color rojo donde nuevamente la
muestra que genera mayor amplitud de señal es el aceite siendo poco menos del doble de la
señal con el otro liquido (alcohol).
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0 20 40 60 80 100 120
Am
plit
ud
(v)
Frecuencia (Hz)
rojo Aire
rojo alcohol
rojo aceite
Capítulo 3. Aplicación de la metodología
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 81
Figura 3.23 Comparativa de señales: aceite-alcohol y aire con LED amarillo (Elaboración
propia, 2015)
Lo mostrado en la Figura 3.24 muestra un comportamiento que de igual forma hay una clara
distincion entre los dos tipos de muestra, con un valor de amplitud superior al doble de la señal
por parte del aceite respecto al alcohol, de igual manera existe una amplitud de la señal superior
respecto a las fuente de luz LED roja y amarilla.
Figura 3.24 Comparativa de señales: aceite-alcohol y aire con LED verde (Elaboración
propia, 2015)
Finalmente para el caso de las señales de respuesta, respeto a la radiacion con la luz del
LED azul, existio una mucho mayor amplitud respecto a la de los otros colores (rojo,
amarillo, verde), respectivamente se obtuvo un pico muy separado por parte de la respuesta
del aceite, encontrando una disticion respecto al de aceite, y su señal.
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0 20 40 60 80 100 120
Am
plit
ud
(V
)
Frecuencia(Hz)
amarillo alcohol
amarillo aceite
amarillo aire
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0 20 40 60 80 100 120
Am
plit
ud
(V
)
Frecuencia (Hz)
verde aire
verde aceite
verde alcohol
Capítulo 3. Aplicación de la metodología
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 82
Figura 3.25 Comparativa de señales: aceite-alcohol y aire con LED azul (Elaboración
propia, 2015)
Figura 3.26 Comparativa de señales: aceite-alcohol y aire a diferentes longitudes de onda
(Elaboración propia, 2015)
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
0 20 40 60 80 100 120
Am
plit
ud
(V
)
Frecuencia (Hz)
azul aire
azul alcohol
azul aceite
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
0 20 40 60 80 100 120
rojo aire
amarillo aire
verde aire
azul aire
rojo alcohol
amarillo alcohol
verde alcohol
azul alcohol
rojo aceite
amarillo aceite
verde aceite
azul aceite
Capítulo 3. Aplicación de la metodología
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 83
De manera general a partir de los datos arrojados por medio del programa para los casos en
donde se sometió a la muestra a diferentes longitudes de onda se obtuvo que para la
muestra de aceite quemado, que se consideró un líquido opaco, presento la mayor
intensidad de la señal, confirmando que, para este caso absorbe mayor luz por consiguiente
existe mayor excitación y generación de sonido. El líquido trasparente alcohol
respectivamente, generó una absorción media respecto al aire y al aceite, entre la celda con
aire, también tenía una absorción débil percibida mediante una señal mucho menor respecto
a las muestras de aceite y alcohol. Comparando todas las señales generadas se aprecia que
la luz del LED azul en conjunto con la muestra de aceite quemado, generaron la mayor
intensidad de señal.
Capítulo 4. Discusión, conclusiones y trabajos futuros
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 84
4. DISCUSIÓN, CONCLUSIONES Y
TRABAJOS FUTUROS
Capítulo 4. Discusión, conclusiones y trabajos futuros
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 85
4.1 Discusión
Existen medios y herramientas por los que se pueden obtener las propiedades físicas de
materiales en el estudio de mejoras de productos como en la agricultura (Rico et al, 2012),
o en la investigación de nuevas alternativas para identificar componentes adulterantes o
que no corresponden con los requerimientos de ciertos productos (Delgado et al, 2012) para
el caso del uso de la espectroscopia fotoacústica, sin embargo los equipos utilizados
actualmente continúan siendo costosos, con nula movilidad y que se encuentran en centros
especializados, y aunque se han hecho alternativas para su implementación (Mihailo,
2009), a un existe un potencial de poder reducir estos factores limitantes desarrollando un
sistema que en algún momento sea capaz de poder substituir a totalidad los componentes
actualmente utilizados y con posibles nuevas aplicaciones en áreas diferentes a las que
hasta ahora están siendo utilizadas.
4.2 Conclusiones
Montaje experimental 1
Los resultados obtenidos a partir del primer montaje experimental muestran que los LED
de potencia empleados en la configuración del principio básico para poder detectar señal
fotoacústica, generan excitación en la muestra que, aunque débil, permitió determinar que
era posible su utilización en un montaje experimental para su aplicación.
Montaje experimental 2
Mediante la implementación de materiales reciclados y de uso comercial, fue posible
generar e implementar piezas y dispositivos que funcionen de manera similar a la
instrumentación empleada en laboratorios especializados. En el caso de este montaje
experimental, mediante una celda alternativa (material re-ciclado) fue posible obtener
sonido y audio; que corresponde a la obtención de la señal acústica de un líquido
permitiendo percibir dicho fenómeno resultando en señales de audio provenientes del
micrófono (tal que a pesar de tener perturbaciones por ruido y diversos factores adicionales,
se distinguió cuando la muestra absorbía luz y cuando no) de manera semejante a una
instrumentación convencional de FA. Esto permitió implementar este montaje en una
experimentación nueva.
Capítulo 4. Discusión, conclusiones y trabajos futuros
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 86
Montaje experimental 3
Se pudo construir con materiales comunes y de uso comercial, un nuevo dispositivo para el
caso de la fabricación de celda, con material de aluminio, basándose en un modelo previo
de celda a partir de la implementación experimental anterior, resultando un dispositivo con
mejores características de desempeño que el propio dispositivo de material reciclado, de
igual forma se determinó que a pesar de que el volumen para la celda empleada en esta
experimentación supera en volumen decenas de veces las celdas convencionales, se puede
obtener respuesta de las muestra excitadas y captar sus señales partir de la excitación con
láser.
Montaje experimental 4
Para cada tipo de LED en diferentes longitudes de onda, se obtuvo diferente amplitud de la
señal de audio correspondiendo para el rango azul la mayor intensidad de señal; la del
rango de luz amarilla fue la de menor intensidad a lo largo del corrimiento de 1 a 80 Hz. En
este caso, para la muestra de grafito, donde de acuerdo a otras implementaciones existe
mayor absorción en los rangos de luz azul, que corresponden con lo encontrado en este
montaje.
Montaje experimental 5
Mediante la implementación de materiales convencionales y el uso se diversas herramientas
como el software y hardware que se puedo adquirir de manera comercial, fue posible
emular de manera genérica y con limitaciones técnicas el comportamiento y resultados que
se obtienen en un laboratorio especializado en el caso de un equipo de Espectroscopia
Fotoacústica.
Conclusión general
Se puede desarrollar e implementar un sistema prototipo alternativo a partir del empleo de
dispositivos comerciales en conjunto con el desarrollo de software para ofrecer una
alternativa a la instrumentación de laboratorio empleada en la técnica de espectroscopia
fotoacustica, ya que mediante el prototipo es posible distinguir entre diferentes tipos de
materiales por medio de la repuesta que se despliega y observada por medio de las
Capítulo 4. Discusión, conclusiones y trabajos futuros
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 87
gráficas que arroja el programa, de acuerdo a la señal de respuesta; relacionándola con la
cantidad de absorción de la luz como propiedad que distingue a un material líquido.
Tabla 4.1.Tabla de congruencias de la investigación realizada (elaboración propia, 2105)
Objetivo General
Desarrollar un sistema de medición fotoacústico portátil para caracterizar líquidos.
Se desarrolló y construyo un sistema de medición bajo el principio fotoacústico, obteniendo
resultados que demuestran la posible utilidad de este dispositivo para caracterización de
materiales líquidos.
Objetivo particular 1
Analizar y diagnosticar el problema
En el capítulo 1 se estableció el contexto que permitió ubicar
la problemática en el mundo real para justificar el proyecto de
tesis y junto con la revisión de literatura referente a la
problemática en México.
Objetivo particular 2
Revisar el estado del arte.
Al hacer la revisión de literatura y obtener los
fundamentos de la EFA se encontró la evidencia de
algunos de los usos que se le podría dar al prototipo
propuesto.
Objetivo particular 3
Implementar una metodología para el desarrollo del prototipo.
Dentro del capítulo 2 se estableció la metodología del proceso
de desarrollo del trabajo bajo una perspectiva sistémica.
Objetivo particular 4
Seleccionar las mejores alternativas para la
implementación del prototipo.
Al realizar la aplicación de la metodología en el
capítulo 3 y realizar la implementación de cada
montaje experimental, en cada uno de ellos se pasó
por un proceso de mejora continua en métodos y
materiales.
Objetivo particular 5
Implementar el prototipo.
El montaje experimental final trajo como resultado desarrollar
con los materiales disponibles mediante las implantaciones
anteriores
Objetivo particular 6
Comprobar y evaluar el funcionamiento del
prototipo.
Se realizó una comparativa entre dos diferentes
líquidos resultando en comportamientos y diferencias
distintivas entre ellos bajo las mismas condiciones.
Capítulo 4. Discusión, conclusiones y trabajos futuros
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 88
Hipótesis
Se puede desarrollar un sistema fotoacústico portable, con materiales de uso comercial convencional, que podrá
proporcionar señal fotoacústica proveniente de materiales líquidos, con accesibilidad en su implementación en
comparación con los sistemas de medición convencionales.
Es posible implementar mediante materiales de uso comercial y de reciclaje un sistema de medición capaz de otorgar
diferencias en la señal FA en líquidos con diferentes propiedades.
4.3 Aportes
Demostrar que se pueden desarrollar instrumentación alternativa que pueda complementar
o inclusive a substituir a equipos utilizados actualmente, con ventajas significativas en
cuanto a:
Menor costo: De acuerdo a una comparativa entre precios ver Anexo D.
Portabilidad: Las dimensiones que ofrece el prototipo se acercan al promedio de una
computadora de escritorio, en comparación con toda una mesa de trabajo para implementar
una instrumentación convencional.
Fácil manejo: Una vez estableciendo los parámetros en la configuración del programa
desarrollado e introduciendo la muestra dentro del prototipo, se ejecuta un proceso
automático en el cual se obtienen las gráficas directas para su interpretación y posterior
manejo.
4.4 Trabajos futuros
Existe una variedad de posibilidades para el empleo y mejora del prototipo propuesto,
primeramente se podrían utilizar e implementar modelos matemáticos diversos para poder
obtener características específicas de los materiales, en este caso para líquidos como
gasolinas aceite, en donde es indispensable para la producción o calidad de los mismos,
además de hacer mejoras en cuanto el rendimiento, la flexibilidad y el desempeño del
mismo.
Referencias
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 89
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POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 92
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Anexos
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 93
6. ANEXOS
6.1 ANEXO A. PRINCIPIOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
Existen diferentes medios por los cuales se puede transferir el calor, uno de los cuales es la
conducción, descrita por la llamada ley de Fourier. La conducción térmica está determinada por la
ley de Fourier, que establece que el flujo de transferencia de calor por conducción en un medio
isótropo es proporcional y de sentido contrario al gradiente de temperatura en esa dirección. De
forma vectorial:
Dónde: = es el vector de flujo de calor (W m-2
).
= es una constante de proporcionalidad, llamada conductividad térmica (W m-1
K-1
).
= es el gradiente del campo de temperatura en el interior del material (K m-1
).
= temperatura (K)
Difusión del calor y conservación de la energía
Figura. Análisis de conservación de la energía en coordenadas cartesianas, (Elaboración propia,
2014)
El balance de la energía térmica en el elemento de volumen esta dado por las siguientes
expresiones
Anexos
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 94
(2.3.1) Donde
= flujo de energía que entra en
Son los flujos de energía que entra perpendicularmente a los planos x, y, z.
= flujo de energía generada en
= índice de flujo de energía que sale de
= índice de almacenamiento de energía en
Difusión del calor
La variación de la temperatura en un intervalo de tiempo determinado dentro de un volumen lo
expresa la ecuación de difusión de calor modelo de en base a la teoría de Rosencwaig, & Gersho
(1976) de la siguiente manera.
: Densidad
: Calor especifico
Sustituyendo la ecuación junto con sus equivalencias en se obtiene:
( )
El flujo de calor en el elemento de volumen evaluado mediante la ley de Fourier se tiene:
Además como
Anexos
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 95
Sustituyendo la ecuación anterior en ecuación se tiene
Que es
(
)
(
)
(
)
2.3.5
De la anterior ecuación se genera como caso general de flujo de energía lo siguiente
= Difusividad térmica
La difusividad indica que tan rápido de difunde el calor en el material
Generación y propagación de las ondas
Considerando un medio isotrópico, homogéneo y semi-infinito. Donde se tiene una fuente de calor
con una dependencia temporal de la forma
De aquí que sean
= flujo de la luz monocromática incidente
= frecuencia de modulación angular de la muestra
= tiempo
Si el haz de luz al incidir sobre la muestra se ocupa el plano y-z, por lo tanto x=0, cose tiene que la
distribución de temperatura en la muestra puede obtenerse al resolver solamente para una
dimensión.
Además de considerar que no existe fuente de generación interna y que es nula.
Anexos
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 96
=0
Se tiene
La energía térmica que se le aplica a la muestra es disipada por conducción dentro de la muestra,
representándose mediante la siguiente condición de frontera
Convirtiendo el coseno a su forma exponencial se tiene
Con x=0, t>0
Por lo que el calor se divide en dos componentes uno dependiente del tiempo y el otro no
y
La solución de la ecuación tiene la forma
Sustituyendo la solución en la ecuación desarrollándola de la siguiente forma
=0
Dejando el aspecto temporal a un lado, la solución general para la dependencia espacial de la
temperatura, se puede expresar de la siguiente manera
Donde
= son constantes arbitrarias
√
= coeficiente complejo de difusión térmica
Anexos
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 97
Cuando tiende a cero con signo positivo, no cumple con las condiciones de frontera pero sí.
Donde la expresión de para x=0 se tiene
De donde
Por lo tanto la solución completa es:
√
√
√
Dentro de la propagación de las ondas térmicas se tiene que consideración los siguientes puntos
1.- Si la onda térmica depende de una forma por lo tanto está dada por:
√
√
, que es la longitud de difusión térmica
Por lo que la ecuación queda de la forma
√
Donde
√ = efusividad
2.- La onda térmica decae en
3.- Las ondas térmicas son ampliamente dispersivas, por ello su fase y velocidad se encuentran
determinadas por
√
Anexos
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 98
Denotando que en altas frecuencias la onda se propaga rápidamente y por el contrario en bajas
frecuencias no.
4.- La variación de fase y la temperatura en un punto en x=0 se encuentra dada por:
5.-La impedancia de onda térmica está definida como el radio de temperatura de la densidad de
flujo de calor.
√
Generación de la señal acústica
Debido a que el modelo de Rosencwaig, & Gersho(1976), se establece bajo ciertas condiciones
de frontera para diferentes medios, esto se puede expresar mediante la siguiente solución general
La ecuación anterior indica la presencia de una señal acústica, la cual es producida por las
variaciones de temperatura dentro de la celda. Tomando en cuenta solo la parte real, se demuestra
que la variación de la temperatura actual el gas es:
Donde son la parte real e imaginaria respectivamente
El grado de temperatura de gas contenido en la frontera del mismo dado por:
∫
Sustituyendo la ecuación anterior en 2.3.18 se tiene el rango actual de temperatura del gas, debido a
la aproximación de
De donde
Anexos
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 99
El flujo de calor periódico en el gas, produce una expansión y compresión dentro del contenedor,
simulando un pistón acústico provocando variaciones de presión generando la señal acústica por lo
tanto esas variaciones pueden ser detectadas por un micrófono.
Este desplazamiento se puede calcular a través de la ley de los gases ideales
√
Se asume que el resto del gas no tiene intercambio de calor dado por:
= presión; = volumen del gas en la celda; = radio de difusión de calor
Donde son presión y volumen del ambiente
= incremento de volumen. Sustituyendo la ecuación anterior.
Donde
√
Tomando la parte real de se obtiene la variación actual
(
)
Quedando como lo siguiente
(
) Son parte real e imaginaria respectivamente
= magnitud y fase
√
Anexos
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 100
6.2 ANEXO B. MODELO TRIDIMENSIONAL DE LA CELDA
Modelo tridimensional de la parte estructural principal de la celda empleada, vista desde varias
caras con acotaciones en milímetros.
Anexos
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 101
Anexos
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 102
6.3 ANEXO C. DIAGRAMAS ESQUEMÁTICOS DE LOS
CIRCUITOS EMPLEADOS
Anexos
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 103
Anexos
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 104
6.4 ANEXO D. COMPARATIVA DE PRECIOS
Equipo usual Costo
aproximado en
Dólares
Prototipo Costo
aproximado en
Pesos
Oriel Fuente de alimentación 4689 LED s de potencia con disipador 500
Alojamiento para lámpara de
arco de 450-1000w de silicio
fundido
3080 Microcontrolador con
accesorios
500
Ignition universal 844 Manufactura de celda 1000
Lámpara de Xo de 1000 w libre
de ozono
806 Etapa de potencia(circuitos
tablillas, dispositivos diversos )
1000
Rueda de rejillas múltiples 648 Material diverso(motores
tornillos, herramienta)
2000
Adaptador de fibra óptica 77 Mano de obra 3000
Oriel alojamiento de
monocromador
1628
Rejilla de 130 a 1000 nm 301
Mca oriel interfaces 232 motor
de pasos
1530
Amplificador lock.in 8500
Total 23808 8000
Anexos
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 105
6.5 ANEXO E. INTERFAS DEL PROGRAMA DESARROLLADO EN
MATLAB
Anexos
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 106
6.6 ANEXO F. CODIGO DEL PROGRAMA DESARROLLADO EN
MATLAB Function varargout = Programa_Pro_T(varargin)
% PROGRAMA_PRO_T MATLAB code for Programa_Pro_T.fig
% PROGRAMA_PRO_T, by itself, creates a new PROGRAMA_PRO_T or raises the existing % singleton*.
%
% H = PROGRAMA_PRO_T returns the handle to a new PROGRAMA_PRO_T or the handle to % the existing singleton*.
%
% PROGRAMA_PRO_T('CALLBACK',hObject,eventData,handles,...) calls the local % function named CALLBACK in PROGRAMA_PRO_T.M with the given input arguments.
%
% PROGRAMA_PRO_T('Property','Value',...) creates a new PROGRAMA_PRO_T or raises the % existing singleton*. Starting from the left, property value pairs are
% applied to the GUI before Programa_Pro_T_OpeningFcn gets called. An
% unrecognized property name or invalid value makes property application % stop. All inputs are passed to Programa_Pro_T_OpeningFcn via varargin.
%
% *See GUI Options on GUIDE's Tools menu. Choose "GUI allows only one % instance to run (singleton)".
%
% See also: GUIDE, GUIDATA, GUIHANDLES
% Edit the above text to modify the response to help Programa_Pro_T
% Last Modified by GUIDE v2.5 12-May-2015 00:52:29
% Begin initialization code - DO NOT EDIT gui_Singleton = 1;
gui_State = struct('gui_Name', mfilename, ...
'gui_Singleton', gui_Singleton, ... 'gui_OpeningFcn', @Programa_Pro_T_OpeningFcn, ...
'gui_OutputFcn', @Programa_Pro_T_OutputFcn, ...
'gui_LayoutFcn', [] , ... 'gui_Callback', []);
if nargin && ischar(varargin1) gui_State.gui_Callback = str2func(varargin1);
end
if nargout
[varargout1:nargout] = gui_mainfcn(gui_State, varargin:);
else gui_mainfcn(gui_State, varargin:);
end
% End initialization code - DO NOT EDIT
% --- Executes just before Programa_Pro_T is made visible.
function Programa_Pro_T_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin) % This function has no output args, see OutputFcn.
% hObject handle to figure
% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA)
% varargin command line arguments to Programa_Pro_T (see VARARGIN)
% Choose default command line output for Programa_Pro_T
handles.output = hObject;
Fs=4000; Fpass = 100; % Passband Frequency
Fstop = 120; % Stopband Frequency
Dpass = 5.7564627261e-05; % Passband Ripple Dstop = 0.0001; % Stopband Attenuation
dens = 20; % Density Factor
% Calculate the order from the parameters using FIRPMORD.
[N, Fo, Ao, W] = firpmord([Fpass, Fstop]/(Fs/2), [1 0], [Dpass, Dstop]);
Anexos
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 107
% Calculate the coefficients using the FIRPM function.
Numb = firpm(N, Fo, Ao, W, dens);
handles.Numb=Numb;
% Update handles structure guidata(hObject, handles);
% UIWAIT makes Programa_Pro_T wait for user response (see UIRESUME) % uiwait(handles.figure1);
% --- Outputs from this function are returned to the command line. function varargout = Programa_Pro_T_OutputFcn(hObject, eventdata, handles)
% varargout cell array for returning output args (see VARARGOUT);
% hObject handle to figure % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)
% Get default command line output from handles structure
varargout1 = handles.output;
% --- Executes on button press in puntual.
function puntual_Callback(hObject, eventdata, handles)
% hObject handle to puntual (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)
set(handles.corrimiento,'Value',0); % Hint: get(hObject,'Value') returns toggle state of puntual
set(handles.subanalisis,'Enable','on')
% --- Executes on button press in corrimiento.
function corrimiento_Callback(hObject, eventdata, handles)
% hObject handle to corrimiento (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)
set(handles.puntual,'Value',0); set(handles.subanalisis,'Enable','off');
% Hint: get(hObject,'Value') returns toggle state of corrimiento
% --- Executes on button press in run.
function run_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to run (see GCBO)
% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)
Fs=4000;
T=1/Fs; longrec=5;
cla(handles.graf1)
cla(handles.graf2) tiempo0 = timer('TimerFcn', 'stat0=false;','StartDelay',9);
tiempo1 = timer('TimerFcn', 'stat=false;','StartDelay',3);
recobj=audiorecorder(Fs,16,1);
nodeleds=0;
vrojo=get(handles.rojo,'Value');
vamarillo=get(handles.amarillo,'Value');
vverde=get(handles.verde,'Value'); vazul=get(handles.azul,'Value');
if (vrojo + vamarillo + vverde + vazul)>= 1
set(hObject,'Enable','off');
set(handles.stop,'Enable','on'); set(handles.ejecutando,'Value',1);
end
fcorte=get(handles.frecuenciainicio,'String');
ffinal=get(handles.frecuenciatermino,'String');
Anexos
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 108
fc=fix(str2num(fcorte));
ff=fix(str2num(ffinal))+1;
%%evaluacion de led rojo if vrojo==1
nodeleds=1;
fprintf(handles.ps,num2str(1001));
stat0=true;
pause(1) fprintf(handles.ps,'r');
start(tiempo0);
while(stat0==true)
inn=fscanf(handles.ps,'%s');
if(strcmpi(inn,'ok2')) stat0=false;
disp('recibido rojo')
end pause(0.25)
end
Rcoco=zeros(0,ff-fc);
Rcoco2=fc:ff;
Rcoco3=zeros(0,ff-fc); Rcoco4=zeros(0,ff-fc);
%nxp=handles.graf1;
%nxp2=handles.graf2; for indice=1:(ff-fc)
stat=true;
fprintf(handles.ps,num2str(Rcoco2(indice))); start(tiempo1);
while(stat==true)
inn=fscanf(handles.ps,'%s');
if(strcmpi(inn,'ok1')) stat=false;
disp('recibido')
end pause(0.2)
end recordblocking(recobj,longrec);
myrecording=getaudiodata(recobj);
myrecording=myrecording(4001:end); myrecording=myrecording';
L=length(myrecording);
t=(0:L-1)*T; %%%aplicacion de filtro
xs=filter(handles.Numb,1,myrecording);
%%xs=myrecording; Sx=sin(2*pi*Rcoco2(indice)*t);
Sy=cos(2*pi*Rcoco2(indice)*t);%generacion de muetras en fase y cuadratura
%xs=x; y=xcorr(xs,Sx)/Fs; %correlacion de la señal de entrada con la señal de analisis
z=xs.*Sx; %multiplicacion de la señal por la conponente sen
w=xs.*Sy; %multiplicacion de la señal por la componete cos
z1=z(500:end);
w1=w(500:end);
p=median(sqrt(z1.^2+w1.^2)); %obtencion de el valor rms promedio set(handles.valorrmspromedio,'String',num2str(p));
Y=fft(y); %fft a la correlacion de la entrada con la señal se referencia
yfft=(4/(L/Fs))*(2*abs(Y(1:fix(end/2)))/(L*2)); %fft en fumcion de la frecuencia maximofft=max(yfft);
[pks,locs]=findpeaks(yfft,'MINPEAKHEIGHT',maximofft/2);
frecuenciaout=locs/(length(Y)/Fs); set(handles.valorpicocorrel,'String',num2str(maximofft));
set(handles.frecout,'String',strcat(num2str(fix(frecuenciaout)),' Hz'));
Rcoco(indice)=maximofft; Rcoco3(indice)=Rcoco2(indice);
Rcoco4(indice)=p;
Anexos
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 109
axes(handles.graf1);
hold all
plot(Rcoco3,Rcoco,'-m+','Color','red','LineWidth', 2.5,'MarkerEdgeColor','red','MarkerFaceColor','y','MarkerSize',5); title('Señal FA M1'),xlabel('Frecuencia (Hz)'),ylabel('Intensidad (u.a.)')
axes(handles.graf2);
hold all plot(Rcoco3,Rcoco4,'--m*','Color','red','LineWidth', 1.5,'MarkerEdgeColor','red','MarkerFaceColor','c','MarkerSize',5);
title('Señal FA M2'),xlabel('Frecuencia (Hz)'),ylabel('Intensidad (u.a.)')
pause(0.5) end
handles.Rcoco3=Rcoco3;
handles.Rcoco=Rcoco; handles.Rcoco4=Rcoco4;
pause(1)
end %%evaluacion de led amarillo
if vamarillo==1
nodeleds=1;
fprintf(handles.ps,num2str(1001));
stat0=true; pause(1)
fprintf(handles.ps,'a');
start(tiempo0); while(stat0==true)
inn=fscanf(handles.ps,'%s'); if(strcmpi(inn,'ok2'))
stat0=false;
disp('recibido amarillo') end
pause(0.25)
end Acoco=zeros(0,ff-fc);
Acoco2=fc:ff;
Acoco3=zeros(0,ff-fc); Acoco4=zeros(0,ff-fc);
for indice=1:(ff-fc)
stat=true; fprintf(handles.ps,num2str(Acoco2(indice)));
start(tiempo1); while(stat==true)
inn=fscanf(handles.ps,'%s'); if(strcmpi(inn,'ok1'))
stat=false;
disp('recibido') end
pause(0.1)
end recordblocking(recobj,longrec);
myrecording=getaudiodata(recobj);
myrecording=myrecording(4001:end); myrecording=myrecording';
L=length(myrecording);
t=(0:L-1)*T;
%%%aplicacion de filtro
xs=filter(handles.Numb,1,myrecording);
Sx=sin(2*pi*Acoco2(indice)*t); Sy=cos(2*pi*Acoco2(indice)*t);%generacion de muetras en fase y cuadratura
y=xcorr(xs,Sx)/Fs; %correlacion de la señal de entrada con la señal de analisis
z=xs.*Sx; %multiplicacion de la señal por la conponente sen w=xs.*Sy; %multiplicacion de la señal por la componete cos
z1=z(500:end);
w1=w(500:end); p=median(sqrt(z1.^2+w1.^2)); %obtencion de el valor rms promedio
set(handles.valorrmspromedio,'String',num2str(p));
Y=fft(y); %fft a la correlacion de la entrada con la señal se referencia yfft=(4/(L/Fs))*(2*abs(Y(1:fix(end/2)))/(L*2)); %fft en fumcion de la frecuencia
maximofft=max(yfft);
Anexos
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 110
[pks,locs]=findpeaks(yfft,'MINPEAKHEIGHT',maximofft/2);
frecuenciaout=locs/(length(Y)/Fs);
set(handles.valorpicocorrel,'String',num2str(maximofft)); set(handles.frecout,'String',strcat(num2str(fix(frecuenciaout)),' Hz'));
Acoco(indice)=maximofft;
Acoco3(indice)=Acoco2(indice); Acoco4(indice)=p;
axes(handles.graf1);
hold all plot(Acoco3,Acoco,'-m+','Color','yellow','LineWidth', 2.5,'MarkerEdgeColor','yellow','MarkerFaceColor','y','MarkerSize',5);
title('Señal FA M1'),xlabel('Frecuencia (Hz)'),ylabel('Intensidad (u.a.)')
axes(handles.graf2); hold all
plot(Acoco3,Acoco4,'--m*','Color','yellow','LineWidth', 1.5,'MarkerEdgeColor','yellow','MarkerFaceColor','c','MarkerSize',5);
title('Señal FA M2'),xlabel('Frecuencia (Hz)'),ylabel('Intensidad (u.a.)') pause(0.5)
end
handles.Acoco3=Acoco3; handles.Acoco=Acoco;
handles.Acoco4=Acoco4;
pause(1) end
%%%evaluacion LED verde
if vverde==1 nodeleds=1;
fprintf(handles.ps,num2str(1001));
stat0=true; pause(1)
fprintf(handles.ps,'v');
start(tiempo0); while(stat0==true)
inn=fscanf(handles.ps,'%s'); if(strcmpi(inn,'ok2'))
stat0=false;
disp('recibido verde') end
pause(0.25)
end Vcoco=zeros(0,ff-fc);
Vcoco2=fc:ff; Vcoco3=zeros(0,ff-fc);
Vcoco4=zeros(0,ff-fc);
for indice=1:(ff-fc) stat=true;
fprintf(handles.ps,num2str(Vcoco2(indice)));
start(tiempo1); while(stat==true)
inn=fscanf(handles.ps,'%s');
if(strcmpi(inn,'ok1')) stat=false;
disp('recibido')
end pause(0.1)
end
recordblocking(recobj,longrec);
myrecording=getaudiodata(recobj);
myrecording=myrecording(4001:end);
myrecording=myrecording'; L=length(myrecording);
t=(0:L-1)*T;
xs=filter(handles.Numb,1,myrecording); %%%aplicacion de filtro Sx=sin(2*pi*Vcoco2(indice)*t);
Sy=cos(2*pi*Vcoco2(indice)*t);%generacion de muetras en fase y cuadratura
y=xcorr(xs,Sx)/Fs; %correlacion de la señal de entrada con la señal de analisis z=xs.*Sx; %multiplicacion de la señal por la conponente sen
w=xs.*Sy; %multiplicacion de la señal por la componete cos
z1=z(500:end); w1=w(500:end);
p=median(sqrt(z1.^2+w1.^2)); %obtencion de el valor rms promedio
Anexos
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 111
set(handles.valorrmspromedio,'String',num2str(p));
Y=fft(y); %fft a la correlacion de la entrada con la señal se referencia yfft=(4/(L/Fs))*(2*abs(Y(1:fix(end/2)))/(L*2)); %fft en fumcion de la frecuencia
maximofft=max(yfft);
[pks,locs]=findpeaks(yfft,'MINPEAKHEIGHT',maximofft/2); frecuenciaout=locs/(length(Y)/Fs);
set(handles.valorpicocorrel,'String',num2str(maximofft));
set(handles.frecout,'String',strcat(num2str(fix(frecuenciaout)),' Hz')); Vcoco(indice)=maximofft;
Vcoco3(indice)=Vcoco2(indice);
Vcoco4(indice)=p; axes(handles.graf1);
hold all
plot(Vcoco3,Vcoco,'-m+','Color','green','LineWidth', 2.5,'MarkerEdgeColor','green','MarkerFaceColor','y','MarkerSize',5); title('Señal FA M1'),xlabel('Frecuencia (Hz)'),ylabel('Intensidad (u.a.)')
axes(handles.graf2);
hold all plot(Vcoco3,Vcoco4,'--m*','Color','green','LineWidth', 1.5,'MarkerEdgeColor','green','MarkerFaceColor','c','MarkerSize',5);
title('Señal FA M2'),xlabel('Frecuencia (Hz)'),ylabel('Intensidad (u.a.)')
pause(0.5) end
handles.Vcoco=Vcoco;
handles.Vcoco4=Vcoco4; handles.Vcoco3=Vcoco3;
pause(1)
end %%%evaluacion LED Azul%%
if vazul==1
nodeleds=1;
fprintf(handles.ps,num2str(1001));
stat0=true; pause(1)
fprintf(handles.ps,'z');
start(tiempo0); while(stat0==true)
inn=fscanf(handles.ps,'%s');
if(strcmpi(inn,'ok2')) stat0=false;
disp('recibido azul') end
pause(0.25)
end Zcoco=zeros(0,ff-fc);
Zcoco2=fc:ff;
Zcoco3=zeros(0,ff-fc); Zcoco4=zeros(0,ff-fc);
for indice=1:(ff-fc)
stat=true; fprintf(handles.ps,num2str(Zcoco2(indice)));
start(tiempo1);
while(stat==true) inn=fscanf(handles.ps,'%s');
if(strcmpi(inn,'ok1'))
stat=false;
disp('recibido')
end
pause(0.1) end
recordblocking(recobj,longrec);
myrecording=getaudiodata(recobj); myrecording=myrecording(4001:end);
myrecording=myrecording';
L=length(myrecording); t=(0:L-1)*T;
xs=filter(handles.Numb,1,myrecording); %aplicacion de filtro
Sx=sin(2*pi*Zcoco2(indice)*t); Sy=cos(2*pi*Zcoco2(indice)*t);%generacion de muestras en fase y cuadratura
y=xcorr(xs,Sx)/Fs; %correlacion de la señal de entrada con la señal de analisis
Anexos
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 112
z=xs.*Sx; %multiplicacion de la señal por la conponente sen
w=xs.*Sy; %multiplicacion de la señal por la componete cos
z1=z(500:end); w1=w(500:end);
p=median(sqrt(z1.^2+w1.^2)); %obtencion de el valor rms promedio
set(handles.valorrmspromedio,'String',num2str(p)); Y=fft(y); %fft a la correlacion de la entrada con la señal se referencia
yfft=(4/(L/Fs))*(2*abs(Y(1:fix(end/2)))/(L*2)); %fft en funcion de la frecuencia
maximofft=max(yfft); [pks,locs]=findpeaks(yfft,'MINPEAKHEIGHT',maximofft/2);
frecuenciaout=locs/(length(Y)/Fs);
set(handles.valorpicocorrel,'String',num2str(maximofft)); set(handles.frecout,'String',strcat(num2str(fix(frecuenciaout)),' Hz'));
Zcoco(indice)=maximofft;
Zcoco3(indice)=Zcoco2(indice); Zcoco4(indice)=p;
axes(handles.graf1);
hold all plot(Zcoco3,Zcoco,'-m+','Color','blue','LineWidth', 2.5,'MarkerEdgeColor','blue','MarkerFaceColor','y','MarkerSize',5);
title('Señal FA M1'),xlabel('Frecuencia (Hz)'),ylabel('Intensidad (u.a.)')
axes(handles.graf2); hold all
plot(Zcoco3,Zcoco4,'--m*','Color','blue','LineWidth', 1.5,'MarkerEdgeColor','blue','MarkerFaceColor','c','MarkerSize',5);
title('Señal FA M2'),xlabel('Frecuencia (Hz)'),ylabel('Intensidad (u.a.)') pause(0.5)
end
handles.Zcoco3=Zcoco3; handles.Zcoco=Zcoco;
handles.Zcoco4=Zcoco4;
pause(1) end
if nodeleds==0%%%%evaluacion NO LED %%%%
errordlg('no selecciono ningun LED','ERROR'); end %%discriminacion de # de leds
br=1:(ff-fc);
if vrojo== 0 Rcoco=zeros(size(br));
Rcoco3=Rcoco;
Rcoco4=Rcoco; handles. Rcoco3=Rcoco3;
handles.Rcoco=Rcoco; handles.Rcoco4=Rcoco4;
end
if vamarillo== 0 Acoco=zeros(size(br));
Acoco3=Acoco;
Acoco4=Acoco; handles.Acoco3=Acoco3;
handles.Acoco=Acoco;
handles.Acoco4=Acoco4; end
if vverde== 0
Vcoco=zeros(size(br)); Vcoco3=Vcoco;
Vcoco4=Vcoco;
handles.Vcoco=Vcoco;
handles.Vcoco4=Vcoco4;
handles.Vcoco3=Vcoco3;
end if vazul== 0
Zcoco=zeros(size(br));
Zcoco3=Zcoco; Zcoco4=Zcoco;
handles.Zcoco3=Zcoco3;
handles.Zcoco=Zcoco; handles.Zcoco4=Zcoco4;
end
set(hObject,'Enable','on'); set(handles.stop,'Enable','off');
set(handles.ejecutando,'Value',0);
Anexos
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 113
guidata(hObject,handles);
function frecuenciainicio_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to frecuenciainicio (see GCBO)
% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % Hints: get(hObject,'String') returns contents of frecuenciainicio as text
% str2double(get(hObject,'String')) returns contents of frecuenciainicio as a double
NewStrVal=get(hObject,'String'); NewVal=fix(str2num(NewStrVal));
if isempty(NewVal)||(NewVal<1)||(NewVal>100)
set(hObject,'String','1'); end
% --- Executes during object creation, after setting all properties.
function frecuenciainicio_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to frecuenciainicio (see GCBO)
% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles empty - handles not created until after all CreateFcns called % Hint: edit controls usually have a white background on Windows.
% See ISPC and COMPUTER.
if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')) set(hObject,'BackgroundColor','white');
end
function frecuenciatermino_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to frecuenciatermino (see GCBO)
% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % Hints: get(hObject,'String') returns contents of frecuenciatermino as text
% str2double(get(hObject,'String')) returns contents of frecuenciatermino as a double
NewStrVal=get(hObject,'String'); NewVal=fix(str2num(NewStrVal));
if isempty(NewVal)||(NewVal<1)||(NewVal>100)
set(hObject,'String','17'); end
% --- Executes during object creation, after setting all properties.
function frecuenciatermino_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to frecuenciatermino (see GCBO)
% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles empty - handles not created until after all CreateFcns called % Hint: edit controls usually have a white background on Windows.
% See ISPC and COMPUTER. if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'))
set(hObject,'BackgroundColor','white');
end function frecuenciapuntualset_Callback(hObject, eventdata, handles)
% hObject handle to frecuenciapuntualset (see GCBO)
% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA)
% Hints: get(hObject,'String') returns contents of frecuenciapuntualset as text
% str2double(get(hObject,'String')) returns contents of frecuenciapuntualset as a double NewStrVal=get(hObject,'String');
NewVal=fix(str2num(NewStrVal));
if isempty(NewVal)||(NewVal<1)||(NewVal>100) set(hObject,'String','17');
end
% --- Executes during object creation, after setting all properties.
function frecuenciapuntualset_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)
% hObject handle to frecuenciapuntualset (see GCBO)
% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles empty - handles not created until after all CreateFcns called
% Hint: edit controls usually have a white background on Windows.
% See ISPC and COMPUTER. if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'))
set(hObject,'BackgroundColor','white');
end % --- Executes on button press in amarillo.
function amarillo_Callback(hObject, eventdata, handles)
% hObject handle to amarillo (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)
Anexos
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 114
% Hint: get(hObject,'Value') returns toggle state of amarillo
% --- Executes on button press in rojo.
function rojo_Callback(hObject, eventdata, handles)
% hObject handle to rojo (see GCBO)
% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA)
% Hint: get(hObject,'Value') returns toggle state of rojo
% --- Executes on button press in verde. function verde_Callback(hObject, eventdata, handles)
% hObject handle to verde (see GCBO)
% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA)
% Hint: get(hObject,'Value') returns toggle state of verde
% --- Executes on button press in azul. function azul_Callback(hObject, eventdata, handles)
% hObject handle to azul (see GCBO)
% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA)
% Hint: get(hObject,'Value') returns toggle state of azul
% --- Executes on button press in abrirpuerto. function abrirpuerto_Callback(hObject, eventdata, handles)
% hObject handle to abrirpuerto (see GCBO)
% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA)
nopuerto=strcat('COM',get(handles.numerodepuerto,'String'));
%delate(instrfind('Port',nopuerto)); ps=serial(nopuerto);
set(ps,'baudrate',9600);
set(ps,'databits',8); set(ps,'Parity','none');
set(ps,'StopBits',1);
set(ps,'FlowControl','none'); fopen(ps);
handles.ps=ps;
guidata(hObject,handles); set(handles.run,'Enable','on');
% --- Executes on button press in subanalisis.
function subanalisis_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to subanalisis (see GCBO)
% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA)
Fs=4000;
T=1/Fs; longrec=5;
vrojo=get(handles.rojo,'Value');
vamarillo=get(handles.amarillo,'Value'); vverde=get(handles.verde,'Value');
vazul=get(handles.azul,'Value');
if (vrojo + vamarillo + vverde + vazul)== 1 %%%set(hObject,'Enable','off');
%%set(handles.stop,'Enable','on');
%%set(handles.ejecutando,'Value',1); if vazul==1
fprintf(handles.ps,num2str(1001));
pause(1)
fprintf(handles.ps,'z');
pause(1)
end if vverde==1
fprintf(handles.ps,num2str(1001));
pause(1) fprintf(handles.ps,'v');
pause(1)
end if vamarillo==1
fprintf(handles.ps,num2str(1001));
pause(1) fprintf(handles.ps,'a');
pause(1)
Anexos
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 115
end
if vrojo==1
fprintf(handles.ps,num2str(1001));
pause(1)
fprintf(handles.ps,'r'); pause(1)
end
recobj=audiorecorder(Fs,16,1); fcorte=get(handles.frecuenciapuntualset,'String');
fc=str2num(fcorte);
tiempo = timer('TimerFcn', 'stat=false;','StartDelay',1); stat=true;
fprintf(handles.ps,fcorte);
start(tiempo); while(stat==true)
inn=fscanf(handles.ps,'%s');
if(strcmpi(inn,'ok1')) stat=false;
disp('recibido')
end pause(0.1)
end
recordblocking(recobj,longrec); myrecording=getaudiodata(recobj);
myrecording=myrecording(4001:end);
myrecording=myrecording'; L=length(myrecording);
t=(0:L-1)*T;
xs=filter(handles.Numb,1,myrecording); Sx=sin(2*pi*fc*t);
Sy=cos(2*pi*fc*t);%generacion de muetras en fase y cuadratura
y=xcorr(xs,Sx)/Fs; %correlacion de la señal de entrada con la señal de analisis z=xs.*Sx; %multiplicacion de la señal por la conponente sen
w=xs.*Sy; %multiplicacion de la señal por la componete cos
z1=z(500:end); w1=w(500:end);
p=median(sqrt(z1.^2+w1.^2)); %obtencion de el valor rms promedio
rr=z+w; set(handles.valorrmspromedio,'String',num2str(p));
f=linspace(0,Fs,length(y)); %espaciamento de muestras F=f(1:fix(end/2)); %espaciamineto de frecuencias
Y=fft(y); %fft a la correlacion de la entrada con la señal se referencia
yfft=(4/(L/Fs))*(2*abs(Y(1:fix(end/2)))/(L*2)); %fft en fumcion de la frecuencia maximofft=max(yfft);
[pks,locs]=findpeaks(yfft,'MINPEAKHEIGHT',maximofft/2);
frecuenciaout=locs/(length(Y)/Fs); set(handles.valorpicocorrel,'String',num2str(maximofft));
set(handles.frecout,'String',strcat(num2str(frecuenciaout),' Hz'));
figure subplot(5,1,1),plot(myrecording),grid on ,zoom,title('Señal de entrada'),xlabel('t(ms)')
subplot(5,1,2),plot(xs),grid on ,zoom,title('Señal de entrada filtrada'),xlabel('t(ms)')
subplot(5,1,3),plot(y),grid on ,zoom,title('Correalacion f(x)'),xlabel('t(ms)') subplot(5,1,4),plot(rr),grid on ,zoom,title('señal multiplicada'),xlabel('t(ms)')
subplot(5,1,5),plot(F,yfft),grid on ,zoom,title('Espectro de frecuencias de la correlacion'),xlabel('Hz')
else
errordlg('Seleccione un solo LED','ERROR');
end
function numerodepuerto_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to numerodepuerto (see GCBO)
% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % Hints: get(hObject,'String') returns contents of numerodepuerto as text
% str2double(get(hObject,'String')) returns contents of numerodepuerto as a double
% --- Executes during object creation, after setting all properties. function numerodepuerto_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)
% hObject handle to numerodepuerto (see GCBO)
% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles empty - handles not created until after all CreateFcns called
% Hint: edit controls usually have a white background on Windows.
Anexos
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 116
% See ISPC and COMPUTER.
if ispc && isequal (get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'))
set(hObject,'BackgroundColor','white'); end
% --- Executes when user attempts to close figure1.
function figure1_CloseRequestFcn(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to figure1 (see GCBO)
% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles structure with handles and user data (see GUIDATA) if isfield(handles,'ps')
fclose(handles.ps);
end % Hint: delete(hObject) closes the figure
delete(hObject);
function frecout_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to frecout (see GCBO)
% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % Hints: get(hObject,'String') returns contents of frecout as text
% str2double(get(hObject,'String')) returns contents of frecout as a double
% --- Executes during object creation, after setting all properties. function frecout_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)
% hObject handle to frecout (see GCBO)
% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles empty - handles not created until after all CreateFcns called
% Hint: edit controls usually have a white background on Windows.
% See ISPC and COMPUTER. if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'))
set(hObject,'BackgroundColor','white');
end % --- Executes on button press in stop.
function stop_Callback(hObject, eventdata, handles)
% hObject handle to stop (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)
set(handles.rojo,'Value',0); set(handles.amarillo,'Value',0);
set(handles.verde,'Value',0);
set(handles.azul,'Value',0); % --- Executes on button press in ejecutando.
function ejecutando_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to ejecutando (see GCBO)
% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % Hint: get(hObject,'Value') returns toggle state of ejecutando
function uipushtool1_ClickedCallback(hObject, eventdata, handles)
% hObject handle to uipushtool1 (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)
prompt='Nombre de archivo'; name='Guardar como';
numlines=1;
defaultanswer='testdata.xlsx'; options.Resize='on';
options.WindowStyle='modal';
options.Interpreter='tex';
answer=(inputdlg(prompt,name,numlines,defaultanswer,options));
%%%uiwait(msgbox('¿desea guardar los datos?','Guardar','modal'));
filename = answer1; %%%A=handles.Rcoco3';
A='Xrojo','Yrojo M1','Yrojo M2','Xamarillo','Yamarillo M1','Yamarillo M2','Xverde','Yverde M1','Yverde M2','Xazul','Yazul
M1','Yazul M2'; Ab=[handles.Rcoco3',handles.Rcoco',handles.Rcoco4',handles.Acoco3',handles.Acoco',handles.Acoco4',handles.Vcoco3',handles.Vcoco',
handles.Vcoco4',handles.Zcoco3',handles.Zcoco',handles.Zcoco4'];
xlRange = 'B1'; xlRange2 ='B2';
xlswrite(filename,A,1,xlRange)
xlswrite(filename,Ab,1,xlRange2)
Anexos
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 117
6.7 ANEXO G. PROGRAMA DESARROLLADO PARA EL
MICROCONTROLADOR
#include <Servo.h>
int ledPin; // pin the LED is connected to
int blinkDelay; // blink rate determined by this variable
char strValue[6]; // must be big enough to hold all the digits and the
// 0 that terminates the string
int index = 0; // the index into the array storing the received digits
int xx;
char ch;
String buff;
Servo myservo; // create servo object to control a servo
Servo myservo1;
int posicions1;
int posicions2;
void setup()
Serial.begin(9600);
pinMode(0,OUTPUT);
pinMode(1,OUTPUT);
pinMode(2,OUTPUT);
pinMode(3,OUTPUT);
ledPin=0;
void loop()
if( Serial.available())
ch = Serial.read();
if(xx==0)
if(index < 5 && isDigit(ch) )
Anexos
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 118
strValue[index++] = ch; // add the ASCII character to the string;
else
strValue[index] = 0;
blinkDelay = atoi(strValue);
index = 0;
if(blinkDelay==1001)xx=1;
else
blink();
else led();
void led()
xx=0;
buff = Serial.readString();
myservo.attach(9);//servo en Y
myservo1.attach(10); // servo en R
if(ch=='z')
ledPin=3;
cambiarangulo(159);
delay(500);
if(ch=='v')
ledPin=2;
cambiarangulo(115);
delay(500);
if(ch=='a')
ledPin=1;
cambiarangulo(70);
delay(500);
Anexos
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 119
if(ch=='r')
ledPin=0;
cambiarangulo(26);
delay(500);
myservo.detach();
myservo1.detach();
delay(100);
Serial.println("ok2");
void blink()
Serial.println("ok1");
if(blinkDelay <= 1000 && blinkDelay > 0)
tone(ledPin, blinkDelay);
delay(6000);
noTone(ledPin);
else Serial.println("error1");
void cambiarangulo(int angulo)
for (int j=180; j >= 15;j-- )
myservo.write(j);
delay(25);
delay(1000);
myservo1.write(angulo);
delay(2000);
for (int i=15; i <= 180; i++)
myservo.write(i);
delay(30);
Anexos
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 120
6.8 ANEXO H. HOJAS TÉCNICAS
LED-DE POTENCIA GT-P03B3440560
Anexos
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 121
LED-DE POTENCIA GT-P03G64405240
Anexos
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 122
LED-DE POTENCIA GT-P03R14405120
Anexos
POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 123
LED‐DE POTENCIA GT‐P03Y24405120
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