Contribuciones para la caracterización de amplio espectro de soluciones líquidas mediante tecnología SDR

Coronel Gaviro, Javier (2021). Contribuciones para la caracterización de amplio espectro de soluciones líquidas mediante tecnología SDR. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Telecomunicación (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.69382.

Description

Title: Contribuciones para la caracterización de amplio espectro de soluciones líquidas mediante tecnología SDR
Author/s:
  • Coronel Gaviro, Javier
Contributor/s:
  • Blanco Murillo, José Luis
  • Yagüe Jiménez, Virginia
Item Type: Thesis (Doctoral)
Read date: 2021
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Telecomunicación (UPM)
Department: Señales, Sistemas y Radiocomunicaciones
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

Las propiedades dieléctricas de la materia suponen una base para la caracterización de ésta. Tradicionalmente, éstas propiedades se suelen inferir a partir de excitaciones de alta energía que inciden en la muestra, llegando a destruirla dependiendo del sistema empleado. Este tipo de sistemas requieren, en general, de instrumentación muy costosa y sensible, no portable y personal altamente cualificado para manejarlas. Esta Tesis presenta un sistema de caracterización de soluciones químicas en fase líquida, empleando excitaciones electromagnéticas de baja intensidad a lo largo de un amplio espectro, de dimensiones reducidas -en campo cercano-, portátil, de bajo coste, sin necesidad de formación específica para el usuario, permitiendo el análisis no destructivo y sin contacto de las muestras. Esto lo convierte en una buena alternativa a los métodos de detección y cuantificación tradicionales, especialmente en aplicaciones que requieran portabilidad como medidas en campo o en condiciones adversas. El cuerpo central de este trabajo se basa en el desarrollo de un sistema físico con las características descritas. Para ello se ha implementado un par transmisor-receptor, con el que se analiza la muestra bajo estudio. Ésta se dispone siguiendo una geometría previamente pautada de forma mecánica, asegurando la repetibilidad de los experimentos. Se ha desarrollado una metodología autocalibrada que permite la caracterización diferencial de sustancias. De esta forma se mitigan parte de los problemas derivados de la estimación de la cuantificación de sustancias en mezclas. Permite comparar los resultados obtenidos con dispositivos distintos o en diferentes momentos, siempre que se mantengan las condiciones de medida generales. Para ello se hace uso de la tecnología de radio definida por software –SDR, Software Defined Radio–, aprovechando la flexibilidad que aporta tanto en la generación de la excitación como en la recepción de señales complejas. Como ventaja adicional son dispositivos estándar de fácil disponibilidad y bajo coste. Debido a que los SDR no son equipos pensados de forma expresa como sistemas de instrumentación, se ha desarrollado un sistema de compensación de la distorsión de la fase, interferencias en banda, entre otros, con el fin de mitigar estos inconvenientes. Como pruebas del sistema completo se analizaron muestras controladas de agua con sacarosa y como aplicación práctica se enfrentó al problema de determinación de la adulteración de la miel. Esta elección responde al hecho de que supone un reto, incluso para los análisis de laboratorio empleados hoy en día. Se ha desarrollado un método de estimación de la concentración de adulterante conforme a los principios empleados en química. Los resultados obtenidos han sido evaluados mediante tests estadísticos para comprobar la especificidad y coherencia, así como curvas de detección para demostrar la sensibilidad y especificidad. En ambas pruebas se obtuvieron resultados consistentes y muy prometedores. En especial, en la aplicación sobre la adulteración de miel, se detectaron niveles de un orden de magnitud inferiores a los documentados en la literatura actual. Esta Tesis representa un primer paso hacia la normalización de esta tecnología, con aplicaciones directas en industria y en laboratorios. Gracias a la sensibilidad y estabilidad obtenidas, este sistema merece compararse con equipamiento de laboratorio, aportando una mayor flexibilidad y a un menor coste. ----------ABSTRACT---------- Dielectric properties of matter are a key fact on substance characterization processes. Usually, these are evaluated by means of high energy excitations that could even destroy the sample, depending on the system used. This kind of systems require very expensive, bulky and fragile instrumentation devices, lacking portability and requiring specifically trained technicians for its operation. This Thesis shows a liquid phase chemical solutions characterization system, based on contactless ultra-wideband low power electromagnetic excitations. It is a low cost, portable, compact -implies near field operation-, non destructive analysis device and, also, it does not require highly skilled personal to be used. Thus, it is specially suited for field and adverse environment operation, being an alternative to traditional measuring devices. The core of this work is about the design of the physical system itself, so it involved the design and development of a transmitter-receptor pair to do the sample under test measurements. The sample is placed under a mechanically determined geometry, in order to achieve a high repeatability. An auto-calibrated, differential substance characterization methodology has been developed too. By means of this, it is possible to attenuate some of the issues related to compound quantification estimation in mixtures. This method also allows to compare measurements between different devices and along time, if all the general environment conditions are maintained. The system employs Software Defined Radio –SDR– technology, due to the high flexibility on complex waveform receiving and transmitting. As an additional advantage it is easy to find in the market at a low cost. Due to SDR are not designed as instrumentation devices, a workaround system has been designed in order to compensate for phase distortion and in-band interferences, among others. The whole system has been tested by measuring controlled sucrose in water samples and, as a practical application, honey fraud determination. This choose is justified by the fact that it is a challenging problem for instrumentation and methods used in labs nowadays. A specific method to estimate adulterant quantity and presence on samples has been developed following chemical principia. The results obtained have been evaluated by statistical tests to assess coherence and specificity. Also, receiver operator curves -ROC- have been used to demonstrate specificity and sensibility of the resulting data. Very consistent and promising results were obtained by both ways of testing. Specifically, honey adulteration was detected as low as an order of magnitude lower than reported in literature. This Thesis represents a first step towards the standardization of this technology, with direct application in industry and labs. Thanks to the stability and sensibility assessed, this system is worth to be compared with laboratory equipment, being more convenient and lowering costs.

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Item ID: 69382
DC Identifier: https://oa.upm.es/69382/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:69382
DOI: 10.20868/UPM.thesis.69382
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 10 Jan 2022 06:59
Last Modified: 10 Jan 2022 06:59
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