Contribuciones al estudio experimental de aglomerados de hollín mediante microscopía electrónica de transmisión y técnicas de visión por computador

Abstract

La presente tesis doctoral, realizada mediante compendio de artículos de investigación, ahonda en el estudio experimental de los aglomerados de hollín emitidos en los gases de combustión. Con tal fin, las presentes investigaciones profundizan en la caracterización de las partículas emitidas por medio de un banco de ensayos basado en generador de hollín. Adicionalmente, también promueven el desarrollo de metodologías de muestreo y observación de los aglomerados colectados, contribuyendo a la generalización de algoritmos de visión por computador aplicados al estudio de partículas de hollín. Haciendo uso de este tipo de herramientas computacionales, es posible automatizar la extracción de descriptores morfológicos a partir de imágenes tomadas mediante microscopía electrónica de transmisión, agilizando significativamente la obtención de resultados experimentales. Con este objetivo, en primer lugar, se procede a una exhaustiva descripción tanto del montaje experimental de partida, como de los nuevos dispositivos integrados en el seno del mismo. En este aspecto destaca el diseño y fabricación de una sonda termoforética propia, necesaria en el muestreo de las partículas de hollín. La incorporación de estos nuevos sistemas también requiere el desarrollo de una nueva metodología experimental a seguir, basada en este trabajo en las sinergias entre el muestreo termoforético y la observación ex-situ (mediante microscopía electrónica de transmisión) de los aglomerados muestreados. Los principales modelos y formulaciones descritos a la hora de analizar las partículas de hollín también se describen y consideran, obteniendo relaciones significativas entre las condiciones de operación y las propiedades del aglomerado en cuánto a su forma, tamaño, irregularidad y densidad se refiere. Adicionalmente, también se ha evaluado la evolución de las partículas formadas debido a su interacción con compuestos adicionales, encontrando afecciones significativas ante el contacto de dichos aglomerados con vapores de hexadecano. Por otro lado, habiendo detectado un excesivo tiempo requerido para el procesamiento de cada imagen, se ha desarrollado un algoritmo de visión por computador con la finalidad de automatizar la extracción de información morfológica a partir de imágenes de microscopio. Los resultados obtenidos por parte de esta herramienta resultan independientes de la escala empleada a la hora de efectuar las microscopías, dónde la combinación de un proceso de reconocimiento óptico de caracteres con una transformada lineal de Hough permiten solventar esta primera limitación. Además, el presente algoritmo permite, en primer lugar, identificar las proyecciones circulares correspondientes a las partículas primarias mediante una novedosa combinación del enfoque basado en fase y basado en bordes de la transformada de Hough circular. Respecto a los aglomerados en sí mismos, la identificación de éstos se basa en un proceso de filtrado tanto en el dominio de la frecuencia como espacial seguido de una técnica de binarización. En base a la información obtenida respecto a las partículas primarias y aglomerados, el algoritmo también cuantifica la irregularidad de estos últimos por medio de un proceso iterativo. Nótese que, si bien los resultados obtenidos mediante el presente algoritmo resultan satisfactorios ante supuestos de iluminación homogénea, se detectó una limitación a la hora de abordar imágenes de mala calidad o de iluminación desigual. Con el fin de extender la herramienta propuesta a este tipo de situaciones, se propuso en último lugar una modificación basada en un modelo de contornos activos combinando información global y local, a fin de segmentar satisfactoriamente los contornos de los aglomerados a través de un proceso iterativo incluso ante malas condiciones de iluminación.