JORNADA DE JÓVENES INVESTIGADORES DEL I3A...JORNADA DE JÓVENES INVESTIGADORES DEL I3A Instituto...

JORNADA DE JÓVENES INVESTIGADORES DEL I3A

Junio 2015, Vol. 3. ISSN 2341-4790

Actas de la IV Jornada de Jóvenes Investigadores I3A

mailto:[email protected]

PROGRAMA DE CHARLAS

09:00 Inauguración. José Muñoz Embid. Director de Secretariado de Política Científica 09:15 Panorámica de la I+D+i en el I3A. Ignacio Garcés, Director del I3A 09:45 Conferencia inaugural. “Investigación: Luces y sombras”. Belén Masiá, Investigadora

I3A 10:30 Pausa Café (financiado por la Cátedra Mariano López Navarro de la UZ)

División de TIC 11:00 Diseño de transmisor reconfigurable optimizado en eficiencia para sistemas multi-

banda empleando redes de síntesis de impedancias. José-Ramón Pérez Cisneros, Paloma García Dúcar, Pedro Carro, Jesús de Mingo Sanz

11:15 Chaotic Circuits Applied to Secure Communications. Miguel García, Carlos Sánchez-Azqueta, Santiago Celma

11:30 Sensor inalámbrico con WiFi energizado por gradientes térmicos para la monitirización de radiadores en ambientes urbanos. Carlos Andrés Trasviña Moreno, Roberto Casas Nebra, Rubén Blasco Marín

División de Ingeniería Biomédica 11:45 Biomechanical Comparison between Stand-alone Interbody Cages and their Benefits

over Posterior Screw Fixation. Andrea Calvo-Echenique, José Cegoñino, Amaya Pérez-del Palomar

12:00 Using Inverse Finite Element Analysis to Obtain Passive Mechanical Behavior of Abdominal Wall. Raquel Simón-Allué, Assad Oberai, Begoña Calvo

12:15 Engineering Microenvironment to Study Tumour Behaviour. José María Ayuso, Iñaki Ochoa, Luis Fernández

División de Tecnologías Industriales 12:30 Recubrimientos decorativos semitransparentes realizados mediante pulverización

catódica. Enrique Carretero, Rafael Alonso 12:45 Hertz-Resolution Analog Quadrature Sine Oscillator. Application to Portable Lock-In

Amplifiers. Daniel García Romeo, Pedro Martínez, Belén Calvo, Nicolás Medrano

División de Procesos y Reciclado 13:00 On the use of α-shapes for the measurement of 3D bubbles in fluidized beds from

Two-Fluid Model simulations. Ignacio Julián, David González, Javier Herguido, Miguel Menéndez

13:15 Formación de hollín en la pirólis de 2,5-dimetilfurano. Katiuska Alexandrino, Ángela Millera, Rafael Bilbao, María U. Alzueta

13:30 Estudio de la oxidación de SO2 a SO3 con catalizadores basados en vanadio. Aplicación a motores marinos diésel de dos tiempos Juan Manuel Colom, Peter Glarborg, Jakob Munkholt

13:45 Cierre de la Jornada

#jovenesI3A

IV JORNADA DE JÓVENES INVESTIGADORES DEL I3A 29 de mayo de 2015

Sala de Conferencias del Ed. I+D+i Campus Río Ebro

JORNADA DE JÓVENES INVESTIGADORES DEL I3A

Instituto Universitario de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A) Mariano Esquillor s/n – Edif. I+D+i (Campus Río Ebro)

50018 - Zaragoza [email protected]

Dirección editorial: Ignacio Garcés

Consejo editorial: José Antonio Bea Mario Maza Carlos Orrite José Ángel Peña

ÍNDICE

Introducción/presentación 7

División de Ingeniería Biomédica Engineering Microenvironment to Study Tumour Behaviour, José María Ayuso, Iñaki Ochoa, Luis Fernández 9-10

Biomechanical Comparison between Stand-alone Interbody Cages and their Benefits over Posterior Screw Fixation, Andrea Calvo-Echenique, José Cegoñino, Amaya Pérez-del Palomar

11-12

Real-time simulation of surgical cutting in haptic environments using computational vademecums, Carlos Quesada, Icíar Alfaro, David González, Elías Cueto, Francisco Chinesta

13-14

Caracterización de las propiedades mecánicas del tejido muscular. Una aproximación numérica utilizando poblaciones de modelos, Marta Sierra, Francisco Javier Miana-Mena, Begoña Calvo, María Jesús Muñoz, José Felix Rodríguez, Jorge Grasa

15-16

Using Inverse Finite Element Analysis to Obtain Passive Mechanical Behavior of Abdominal Wall, Raquel Simón-Allué, Assad Oberai, Begoña Calvo 17-18

Mechanical and Topographical Characterization of Alginate Microcapsules, María Virumbrales-Muñoz, Iñaki Ochoa, Luis Fernández 19-20

División de Procesos y Reciclado Formación de hollín en la pirólis de 2,5-dimetilfurano, Katiuska Alexandrino, Ángela Millera, Rafael Bilbao, María U. Alzueta 22-23

Estudio de la oxidación de SO2 a SO3 con catalizadores basados en vanadio. Aplicación a motores marinos diésel de dos tiempos, Juan Manuel Colom, Peter Glarborg, Jakob Munkholt

24-25

On the use of α-shapes for the measurement of 3D bubbles in fluidized beds from Two-Fluid Model simulations, Ignacio Julián, David González, Javier Herguido, Miguel Menéndez

26-27

Dimetil éter y etanol: ¿Isómeros para reducir emisiones contaminantes?, Lorena Marrodán, Jorge Arnal, Ángela Millera, Rafael Bilbao, María U. Alzueta 28-29

Proceso “steam-iron” a partir de bio-combustibles: Modelado de la etapa de reducción en lecho fijo, Jorge Plou, Paúl Durán, Javier Herguido, José Ángel Peña 30-31

Actualización y mejora de los mecanismos cinéticos de la oxidación de varios compuestos oxigenados, Eduardo Royo, Ángela Millera, Rafael Bilbao, María U. Alzueta

32-33

Formación de Hidrocarburos Aromáticos Policíclicos (PAH) y Hollín en la Pirólisis de 2,5-Dimetilfurano y 2-Metilfurano a Diferentes Temperaturas, Fausto Viteri, Pablo Salvo, Cristian Baena, Ángela Millera, Rafael Bilbao, María U. Alzueta

34-35

División de Tecnologías de la Información y las Comunicaciones

Análisis de Formatos Coherentes de Modulación Avanzados para Redes Ópticas Metropolitanas y de Acceso, Jose A. Altabas, Paula Arribas, Felix Sotelo, David Izquierdo, Jose A. Lázaro, Ignacio Garcés

37-38

Chaotic Circuits Applied to Secure Communications, Miguel García, Carlos Sánchez-Azqueta, Santiago Celma 39-40

Linealización de Amplificadores de Potencia RF mediante Transformada Wavelet, Carlos Mateo, Pedro L. Carro, Paloma García, Jesús de Mingo y José Ramón Pérez 41-42

Diseño de transmisor reconfigurable optimizado en eficiencia para sistemas multi-banda empleando redes de síntesis de impedancias, José-Ramón Pérez Cisneros, Paloma García Dúcar, Pedro Carro, Jesús de Mingo Sanz

43-44

Transimpedance Amplifier for Short-Reach SI-POF Links, Guillermo Royo, Cecilia Gimeno, Carlos Sánchez-Azqueta, Concepción Aldea, Santiago Celma 45-46

Sensor inalámbrico con WiFi energizado por gradientes térmicos para la monitorización de radiadores en ambientes urbanos, Carlos Andrés Trasviña Moreno, Roberto Casas Nebra, Rubén Blasco Marín

47-48

División de Tecnologías Industriales Recubrimientos decorativos semitransparentes realizados mediante pulverización catódica, Enrique Carretero, Rafael Alonso 50-51

Hertz-Resolution Analog Quadrature Sine Oscillator. Application to Portable Lock-In Amplifiers, Daniel García Romeo, Pedro Martínez, Belén Calvo, Nicolás Medrano 52-53

PRESENTACIÓN

Un año más el Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A) celebró su Jornada de

Jóvenes Investigadores, punto de encuentro para aquellos que están realizando sus tesis

doctorales en el I3A y una de las actividades con más proyección de las que se organizan en

nuestra institución. En esta IV edición fueron 21 las ponencias presentadas, seleccionándose 11

para su presentación oral, 3 por las divisiones de Tecnologías de la Información y la

Comunicación, Ingeniería Biomédica y Procesos y Reciclado, y 2 por la de Tecnologías

Industriales.

La jornada estuvo inaugurada por el director de Secretariado de Política Científica de la

Universidad de Zaragoza, José Muñoz, y por el director del I3A. La encargada de abrir esta

reunión anual fue Belén Masiá, del Graphics and Imaging Lab del Grupo de Informática Gráfica

Avanzada del I3A que hizo un recorrido por su carrera como investigadora, y nos habló de luces y

sombras en el camino de la investigación, lanzando también un mensaje de optimismo con las

posibilidades que ofrece la ciencia.

Este libro, que puede ser consultado también a través de la página web del Instituto

(http://i3a.unizar.es), recoge todas las contribuciones recibidas a esta IV Jornada realizada el 29

de mayo de 2015.

El compromiso institucional de dar a conocer la actividad investigadora de nuestros jóvenes

investigadores nos lleva a una futura V edición de esta Jornada donde nuevamente se ofrecerá

una perspectiva de las líneas de investigación desarrolladas en nuestra Institución.

Desde aquí, quiero dar las gracias a los jóvenes investigadores de nuestro Instituto que han

participado y contribuido con su entusiasmo al desarrollo de este encuentro anual.

Ignacio Garcés Director del I3A

http://i3a.unizar.es/

DIVISIÓN DE INGENIERÍA BIOMÉDICA

Engineering Microenvironment to Study Tumour Behaviour José María Ayuso, Iñaki Ochoa, Luis Fernández Group of Structural Mechanics and Materials Modelling (GEMM)

Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A) Universidad de Zaragoza, Mariano Esquillor s/n, 50018, Zaragoza, Spain.

Tel. +34-976762707, e-mail: [email protected]

Abstract Microtechnologies are arising as powerful tools to recreate complex biological scenarios, like tumour development and invasion.

Introduction Cancer stands as the first mortality cause in developed countries, being capable of affecting mostly any tissue and spread throughout the organism [1]. As research progress, we are more aware of the cancer complexity. Nowadays, cancer is seen as a multifactorial process, in which tumour cells coexist with the stromal cells (non-tumour cells) and interact with the surrounding tissue. As a result, a very complex microenvironment is frequently observed, involving complex mechanisms such as cell cross-talk, hypoxia (low oxygen concentration) or nutrient starvation [2]. Recent reports highlight the key role of this tumour microenvironment on patient prognosis and drug response. As an example, glioblastoma (GBM) is the most common and lethal brain tumour [3], and its aggressiveness seems to be linked to this hypoxic and starving microenviront [4]. Recently, microfabrication and microfluidics have arisen as promising technologies for the development of high-performance cell culture systems [5].

Materials and methods Microfabrication

SU-8 based microdevices (Fig 1A) were fabricated using soft lithography techniques in the clean room located in the Instituto de Nanociencia de Aragon (INA).

Cell culture

Cells were routinely cultured in traditional Petri dishes with culture media (DMEM supplemented with 10% foetal bovine serum [FBS]).

Microscopy

Microscopy images were taken in a Nikon Eclipse Ti microscope equipped with a C1 modular confocal microscope system.

Results Liquid confinement and cell viability

The presented microdevices have been designed with a special geometry that allows liquid confinement in the different microchambers (Fig 1B). Cells have been cultured within the microdevices in a 3D hydrogel, showing high cell viability (Fig 1C). This patterning capacity allowed the generation of spatially organized co-cultures (Fig 1D).

Migration under nutrient starvation

Enabling medium flow through one lateral microchamber, whereas the other remained closed, cell metabolism created a nutrient starvation in the central microchamber. When GBM cells were cultured under this nutrient starvation, a strong migratory response was observed, (Fig 2A). On the other hand, when both lateral microchambers remained opened, GBM distribution was contant (Fig 2B).

Oxygen measurement

Using hypoxia-induced fluorescent compounds, oxygen consumption within the 3D microenvironment could be studied (Fig 3A and B). As cell culture time increases, oxygen profile was monitored in real time, recreating the hypoxia gradient that is observed during tumour evolution in patients.

Conclusions

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In the presented work, microtechnologies have been applied to the study of biological problems, like tumour development. Under nutrient starvation it is shown how GBM cell triggered a migratory response to the nutrient source.

References

[1]. JEMAL, et al. Global cancer statistics. CA: A Cancer Journal for Clinicians, Mar-Apr 2011, 61(2), 69-90.

[2]. CASEY, S.C., et al. Cancer prevention and therapy through the modulation of the tumor microenvironment. Seminars in

Cancer Biology [on line]. 2015, Apr 10. [consulted: 7 may 2015]. Avalaible from: doi:10.1016/j.semcancer.2015.02.007.

[3]. BRAT, D.J. Glioblastoma: Biology, Genetics, and Behavior. In: American Society of Clinical Oncology educational book. Alexandria: American Society of Clinical Oncology, 2011, pp. 102-107.

[4]. BRAT, D.J., et al. Pseudopalisades in glioblastoma are hypoxic, express extracellular matrix proteases, and are formed by an actively migrating cell population. Cancer Research. 2004, 64(3), 920-927.

[5]. SACKMANN, E. K., A. L. FULTON and D. J. BEEBE. The present and future role of microfluidics in biomedical research. Nature. 2014, 507(7491), 181-189.

Figure 1. A) Fabricated SU-8 based microdevice. B) Scheme of the microdevice internal geometry. C) Cell viability within a 3D collagen hydrogel confined in the central microchamber. Viable cells are shown in green whereas dead ones are in red. D) Different cell populations can be confined in the microdevices. Scale bar is 200 μm.

Figure 2 3D GBM cell culture under nutrient starvation. A) One lateral microchamber was closed whereas continuous medium flow was enabled in the other one. Cell metabolism created a nutrient starvation and after nine days in culture, GBM cells were concentrated nearby the perfused microchamber. B) When both lateral microchamber remained opened and refreshed daily, no migration was observed. Scale bar is 200 μm

Figure 3. Hypoxia-induced fluorescent compounds were used to monitor in real time oxygen profile evolution due to cell metabolism. A) Hypoxia-induced fluorescent after 20 min in cell culture. B) Hypoxia-induced fluorescent after 260 min in cell culture. C) Graph shows oxygen profile evolution across the microchamber (region delimited in yellow in the images). Scale bar is 1mm.

IV Jornada de Jóvenes Investigadores del I3A

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Biomechanical Comparison between Stand-alone Interbody Cages and their Benefits over Posterior Screw Fixation.

Andrea Calvo-Echenique, José Cegoñino, Amaya Pérez-del Palomar Group of Biomaterials (GBM)



Abstract Lumbar pain is one of the most common problems of population. Far too often it is caused by ageing and degeneration of intervertebral discs. Fusion techniques, as arthrodesis which used screw fixation, were the first surgeries used to avoid lumbar pathologies. However, arthrodesis reduced dramatically the spine movement.

Stand-alone cage is a minimally invasive surgery alternative to lumbar fusion with posterior fixation. Despite their previous reported successful results (Ahmadian et al., 2014) some physicians continue questioning their effectiveness because of the risk of spine destabilization and cage migration (Oxland et al., 2000).

The purpose of this research was to demonstrate that stand-alone cages introduced in a minimally invasive way are a good surgical solution for the IVD diseases.

This main goal has been divided into three different partial goals: prove spinal stability, show the decompression on the neural region and compare the effects over the adjacent discs with and without posterior fixation. It is also of the interest of this work to compare between cage designs based on the above mentioned criteria.

Materials and methodsA whole L1-S1 lumbar spine intact model validated in previous works (Cegoñino et al., 2014) was simulated under different load conditions. Adding modifications to this model four different surgeries were mimicked as can be seen in Figure I.

Two cage designs were implemented, one bean shaped cage and two parallel piece cage, both made of PEEK. They were placed in the L4-L5 interbody space in stand-alone construct and supplemented with posterior screw fixation.

The criteria used to evaluate the surgery effectiveness were segment stiffness, nerve root decompression, effect over adjacent segments and risk of cage subsidence

Results The results showed that stand-alone cages allowed a wider segment movement than screw fixations without compromising the spine stability. The trend of segment stiffness was in accordance with other models (Choi et al., 2013), it was much higher for fixation models than for stand-alone cages

Moreover, it is known that loss of motion in the surgical segment causes long-term adjacent segment disease due to a stress distribution alteration in the surrounding tissues, in this work it was observed that the effect over the adjacent segments stresses was higher in case of posterior fixation.

Apart from spinal stability, the purpose of lumbar surgery is to decompress the damaged segment maintaining the disc height. Here no evidence of nerve root compression in stand-alone constructs attending to disc height loss was seen.

On the other hand, cage subsidence and migration are the most common causes of failure in lumbar surgeries. It was seen that the contact area was larger for the one piece cage than for the two parallel cages, so the contact pressure and shear stresses were more pronounced for the last one which could increase the risk of subsidence.

In addition, there was no evidence that slid relative displacements may cause migration because their magnitude was in the order of micrometers. Instead of that it could be elucidated that the micromovements might stimulate tissue growth.

Conclusions To conclude, this work showed that stand-alone cages could be a minimally invasive alternative to

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the posterior fixation devices which caused a dramatically loss of motion in the affected segment involving changes in adjacent discs. It is also possible to discuss that one piece cage may be a better option than two pieces cage because of the more suitable geometry that supplies a largest contact area reducing the risk of subsidence and minimizing the effects over the adjacent segments.

Figures

Figure 1. Finite element models of the lumbar spine.

References[1]. AHMADIAN, Amir, et al. Stand-Alone Minimally

Invasive Lateral Lumbar Interbody Fusion: Multicenter Clinical Outcomes. Journal of Clinical Neuroscience. 2014, 22(4), 740-746.

[2]. CEGOÑINO, J., et al. A Constitutive Model for the Annulus of Human Intervertebral Disc: Implications for Developing a Degeneration Model and its Influence on Lumbar Spine Functioning. Journal of Applied Mathematics. 2014, 2014, 1-15. Avalaible from: doi:10.1155/2014/658719.

[3]. CHOI, KC, et al. Biomechanical Comparison of Anterior Lumbar Interbody Fusion: Stand-Alone Interbody Cage Versus Interbody Cage with Pedicle Screw Fixation - a Finite Element Analysis. BMC Musculoskeletal Disorders. 2013, 14. Avalaible from: doi:10.1186/1471-2474-14-220.

[4]. OXLAND, TR; and LUND, T. Biomechanics of Stand-Alone Cages and Cages in Combination with Posterior Fixation: A Literature Review. European Spine Journal. 2000, 9(Suppl 1), 95-101.


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Real-time simulation of surgical cutting in haptic environments using computational vademecums

Carlos Quesada1, Icíar Alfaro1, David González1, Elías Cueto1, Francisco Chinesta2 1 Applied Mechanics and Bioengineering (AMB)


Tel. +34-976762707, e-mail: [email protected] 2 Ecole Centrale de Nantes

Abstract A method for the real-time simulation of surgical cutting in haptic environments is presented. It relies on the use of computational vademecums, i.e. PGD-based, pre-computed meta-models, which allow the solution to be obtained at fast rates. An example for corneal surgery is provided.

Introduction and objectiveThe interest in training surgeons using computer simulators is well-known, although it entails significant difficulties. In particular, a convincing, realistic, real-time simulation of the surgical cut in soft tissue is a major source of difficulties. Firstly, making incisions involves modifying the geometry and the topology of the organ and its associated mesh. And secondly, real-time simulators impose restrictive response speeds [1, 2].

To overcome the real-time constraint, different approaches have been developed during the past decades. Model order reduction (MOR) techniques allows to develope models with a reduced amount of components that run properly under strict time limitations [3]. As for the geometry, extended finite element methods (X-FEM) have been successfully implemented with other MOR techniques [4].

The work proposed here introduces a method to simulate real-time surgical cut using haptic (tactile) devices, which require a highly demanding response time (~1 kHz) to provide the user a realistic touch sensation. The method uses the MOR methodology known as Proper Generalized Decomposition (PGD). For the first time, it has been successfully coupled with X-FEM to simulate the cutting procedure. PGD is presented in the form of a computational vademecum [5], i.e. a meta-model, computed beforehand for each possible value of all the parameters under consideration, which can be evaluated quickly at runtime.

Technical aspectsA summary of the methodology employed to achieve the objective is presented below.

PGD in a nutshell

Proper Generalized Decomposition (PGD) is a model order reduction methodology based on the use of separated representations (or finite sum decompositions). PGD allows the solution 𝑢𝑢(𝒙𝒙) of a d-parametrical boundary value problem to be approximated as

𝑢𝑢(𝑥𝑥1,𝑥𝑥2, … , 𝑥𝑥𝑑𝑑) ≈ �𝐹𝐹1𝑖𝑖(𝑥𝑥1) · 𝐹𝐹2𝑖𝑖(𝑥𝑥2) · … · 𝐹𝐹𝑑𝑑𝑖𝑖 (𝑥𝑥𝑑𝑑),𝑁𝑁

𝑖𝑖=1

where both the number of terms N and the functions 𝐹𝐹𝑗𝑗𝑖𝑖(𝑥𝑥𝑗𝑗) are unknown a priori. The price to pay is the non-linear character of the representation; however, the gain is clearly significant since its performance is impressive [6].

The PGD approximation 𝑢𝑢(𝒙𝒙) is constructed by successive enrichment, using an iterative scheme whereby each functional product is determined alternately, in sequence, till convergence is achieved. The number of terms N in the PGD separated representation is often a few tens.

Real-time cut simulation

In this approach, the approximation to the model is obtained as a sum of the displacements of a continuous part (not accounting for the cuts) and a discontinuous part:

𝑢𝑢 = 𝑢𝑢cont + 𝑢𝑢disc.

The process by which this solution is obtained can be divided into two stages: an off-line one, previous to the simulation execution; and an on-line one, which takes place at runtime.

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Off-line stage

In this stage, PGD is used to obtain a different 𝑢𝑢cont for each load state, i.e. for each position 𝒔𝒔 of the organ on which a cutting tool (e.g. a scalpel) may apply a force. To achieve this, PGD is computed over the weak form of the linear elasticity equations.

On the other hand, X-FEM techniques are also used to obtain the additional displacements 𝑢𝑢disc produced on the organ by the cuts. This is achieved by using discontinuous enrichment functions. The displacements are computed for any possible orientation 𝜃𝜃 and position 𝒔𝒔 of the cut. The real path of the cut will be approximated during the on-line stage by applying those displacements to the nearest nodes in the model mesh [7].

Depending on the coarseness of the approximation, the computation of both 𝑢𝑢cont and 𝑢𝑢disc may be a really time-consuming process. Yet, it is a once-in-a-lifetime task.

On-line stage

The previously computed 𝑢𝑢cont and 𝑢𝑢disc are used in this stage as a reduced basis to obtain the approximation u:

𝑢𝑢(𝒙𝒙, 𝒔𝒔,𝜃𝜃) = 𝛽𝛽𝑖𝑖 · 𝑢𝑢𝑖𝑖cont(𝒙𝒙, 𝒔𝒔) + 𝛾𝛾𝑗𝑗 ⋅ 𝑢𝑢𝑗𝑗disc(𝒙𝒙, 𝒔𝒔,𝜃𝜃),

The new variables 𝛽𝛽𝑖𝑖 and 𝛾𝛾𝑗𝑗, which can be seen as a sort of weighting parameters, are the only unknowns in this system of equations. From a computational point of view, the system can be solved as a simple matrix system. The solving process takes place at runtime and fulfills the requirements on response time. As new cuts are applied to the structure, new equations appear in the system, which manifest as new rows and columns in the matrix.

Application to corneal surgery An example of corneal surgery simulation (radial keratotomy) has been developed. This kind of surgery consists of making radial incisions in the corneal tissue with a diamond knife to eliminate myopia or astigmatism. A computer cornea model, consisting of 8514 nodes and 6840 elements was used. Hyperelastic material behavior was assumed. The model was subjected to different patterns of radial cuts (Fig. 1 shows one of them).

Fig. 1: Radial cut in cornea model.

Conclusions Both the appearance and the haptic response produce a very realistic sensation. Response time improves previous approaches. As for the quality of the solution, L2-error norms were computed using a FEM simulation as a reference. In all cases they remained below 5·10-3, which is considerably lower than other similar simulations.

REFERENCES

[1]. BIELSER, D. and GROSS, M.H. Interactive simulation of surgical cuts. In: The Eighth Pacific Conference on Computer Graphics and Applications, 2000 - Proceedings. Piscataway: IEEE, 2000, pp. 116-442.

[2]. DELINGETTE, H. and AYACHE, N. Soft tissue modeling for surgery simulation. In: Computational Models for the Human Body, Handbook of Numerical Analysis. Oxford: Elsevier, 2004, pp. 453–550.

[3]. NIROOMANDI, S., et al. Real-time deformable models of non-linear tissues by model reduction techniques. Computer Methods and Programs in Biomedicine. 2008, 91(3), 223-231.

[4]. NIROOMANDI, S., et al. Model order reduction in hyperelasticity: a proper generalized decomposition approach. International Journal for Numerical Methods in Engineering. 2013, 96(3), 129-149.

[5]. CHINESTA, F. et al. PGD-Based Computational Vademecum for Efficient Design, Optimization and Control. Archives of Computational Methods in Engineering. 2013, 20(1), 31-59.

[6]. CHINESTA, F., KEUNINGS, R. and LEYGUE, A. The Proper Generalized Decomposition for Advanced Numerical Simulations. A primer. New York: Springer, 2014.

[7]. BELYTSCHKO, T. and SONG J.H. Cracking node method for dynamic fracture with finite elements. International Journal for Numerical Methods in Engineering. 2008, 77(3), 360-385.


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Caracterización de las propiedades mecánicas del tejido muscular. Una aproximación numérica utilizando poblaciones de modelos

Marta Sierra1, Francisco Javier Miana-Mena1, Begoña Calvo1, María Jesús Muñoz2, José Felix Rodríguez1, Jorge Grasa1

1Grupo de Mecánica Aplicada y Bioingeniería (AMB) 2Laboratorio de genética bioquímica de la Universidad de Zaragoza (LAGENBIO)



Abstract En este estudio se caracterizó experimentalmente la contracción concéntrica del músculo Tibial Anterior (TA) de rata (n=6) bajo el efecto de tres diferentes pesos (1, 2 y 3 N). Para determinar una serie de parámetros característicos de un modelo computacional del tejido, se generó una gran población de simulaciones numéricas considerando una dispersión preestablecida de dichos parámetros. Esa población permitió ajustar estadísticamente las propiedades mecánicas considerando la dispersión de los resultados experimentales.

IntroducciónLa simulación computacional se ha convertido en una potente herramienta para entender el comportamiento de los tejidos biológicos como el tejido músculo esquelético [1,2].

En este trabajo se ha caracterizado en primer lugar la contracción concéntrica ex vivo del TA de rata para seis animales y bajo la acción de diferentes cargas externas de 1, 2 y 3 N. Posteriormente, y utilizando estos resultados experimentales, se ha desarrollado un modelo computacional del tejido que ajusta sus propiedades características discriminando los resultados de una población de resultados numéricos que no se encuentren dentro del rango de variación de la respuesta real del tejido.

Material y Métodos

Para el desarrollo experimental se han utilizado 6 ratas Wistar macho de dos meses de edad con pesos de 313±81,14g. Los animales fueron suministrados por Laboratorios Harlan y se mantuvieron de acuerdo a la legislación vigente en experimentación animal. Todos los experimentos han sido aprobados por el Comité Ético de la Universidad de Zaragoza para el uso de animales de experimentación.

Los animales se anestesiaron con una inyección intraperitoneal de pentobarbital sódico (30mg/kg) y la disección del músculo se realizó como se describe en [1]. Tras la disección, se fijó un hilo quirúrgico en la zona de transición entre el músculo y el tendón distal, dejando un cabo largo. Se colocó un electrodo en el nervio ciático para provocar las contracciones musculares. Los animales fueron colocados en una plataforma de metacrilato diseñada por los autores.

El músculo TA se colocó verticalmente y el extremo del hilo fue pasado por dos poleas para conectar de esta forma las diferentes cargas, que permanecían apoyadas en una superficie plana. El estímulo eléctrico aplicado al animal a través del nervio ciático se generó utilizando el generador de señal CIBERTEC CS-20 (8V, 90Hz y 10ms). La estimulación se aplicaba durante un segundo con cada carga externa. Para cada carga (1, 2 y 3 N) se realizaron tres repeticiones con periodos de descanso de 6 minutos entre contracciones. Las contracciones fueron registradas con un sistema de cámaras LAVISION. Después de cada experimento los animales fueron eutanasiados.

El comportamiento del tejido se ha formulado bajo las hipótesis de la mecánica del medio continuo en grandes deformaciones con una formulación hiperelástica transversalmente isótropa. Esta formulación incorpora dos familias de fibras asociadas al comportamiento pasivo (fibras de colágeno) y al comportamiento activo (fibras musculares). La función densidad de energía de deformación puede escribirse como [3]:

Esta función se representa a partir de una parte volumétrica ψvol y una parte que no implica cambio de volumen en la que se distinga la energía asociada al comportamiento pasivo ψp y al activo ψa. Estas

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funciones dependen a su vez de diferentes invariantes (I1, I2, I4 y J4) y de funciones que caracterizan el comportamiento del músculo en su dependencia con su alargamiento (fλ), la amplitud del estímulo (fV) y la frecuencia del mismo (ftrain).

Resultados

El sistema de cámaras permitió la medición del acortamiento del músculo (λ=longitud final / longitud inicial), gracias al registro de 5 segundos durante la contracción. El músculo registra la máxima deformación a los 0.4 segundos desde su activación. El acortamiento máximo, 0.71±0.01, se obtuvo para 1 N. Para 2 N, se obtuvo un acortamiendo de 0.81±0.06 mientras que para 3 N la contracción máxima fue 0.85±0.03. La Figura 2 muestra en rojo los resultados de las contracciones obtenidas por los músculos reales para una carga de 1N.

Estableciendo funciones de distribución uniformes en torno a unos rangos probables para los parámetros que definen el comportamiento pasivo y activo se construyo una muestra modelos (n=10000) para cada peso que se cálculo utilizando la aplicación ABAQUS. La población completa de resultados se muestra en la Figura 2 en negro para la evolución del alargamiento frente al tiempo de la contracción. Los resultados de esta población que se encuentran dentro de los límites establecidos por los resultados experimentales se representan en color azul.

Conclusiones El protocolo experimental propuesto establece una herramienta excepcional para el desarrollo de simulaciones realistas del músculo esquelético a partir del método de elementos finitos. Además, el modelo de comportamiento en 3D desarrollado permite calcular las propiedades del músculo teniendo en cuenta diferentes variables como la orientación de las fibras, lo que lo convierte en una herramienta fundamental para el estudio del comportamiento del músculo esquelético.

Figura 1. Músculo TA con las marcas de referencia para el cálculo del acortamiento. Malla de elementos finitos del tejido junto con las direcciones de las fibras musculares.

Figura 2. Evolución de la contracción del tejido (alargamiento) a lo largo del tiempo de la contracción para una carga de 1N. En rojo los resultados experimentales, en negro la población de resultados numéricos y en azul los resultados numéricos dentro del rango de resultados experimentales.

Referencias [1]. GRASA J., SIERRA M., MUÑOZ M.J., SOTERAS F., OSTA R., CALVO B. and MIANA-MENA F.J. On simulating sustained isometric muscle fatigue: a phenomenological model considering different fiber metabolisms. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. 2014, 13(6), 1373-1385.

[2]. GRASA J., RAMIREZ A., OSTA R., MUÑOZ M. J., SOTERAS F. and CALVO B. A 3D active-passive numerical skeletal muscle model incorporating initial tissue strains. Validation with experimental results on rat tibialis anterior muscle. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. 2011, 10(5),779-787.

[3]. HERNÁNDEZ-GASCÓN B., GRASA J., CALVO B. and RODRÍGUEZ F.J. A 3D electro-mechanical continuum model for simulating skeletal muscle contraction. Journal of Theoretical Biology. 2013, 335: 108-118.


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Using Inverse Finite Element Analysis to Obtain Passive Mechanical Behavior of Abdominal Wall Raquel Simón-Allué1, Assad Oberai2, Begoña Calvo1

1 Grupo de Mecánica Aplicada y Bioingeniería (AMB) Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A)

Universidad de Zaragoza, Mariano Esquillor s/n, 50018, Zaragoza, Spain. Tel. +34-976762707, e-mail: [email protected]

2 Scientific Computation Research Center (SCOREC) Rensselaer Polytechnic Institute, Troy (NY) U.S.A.

Abstract In this work we develop a methodology to characterize in vivo the passive mechanical behavior of abdominal muscle, using for that finite element simulations combined with inverse analysis and optimization algorithms. The knowledge of the mechanical response of the muscle is needed to determine the features of the mesh in cases of hernia surgery.

Material and Methods Experimental setup Inflation tests were performed on New Zealand rabbits, increasing the inner pressure from 0 to 12 mmHg. Before the test, specimens were cropped from front to rear legs and the abdominal surface was spotted with black points, which allowed the cameras to track the surface while the gas was going into the cavity.

Experimental tests were recorded using a stereo imaging system, composed of two high resolution synchronized cameras. Two frames of each level of pressure were extracted and postprocessed to obtain 3D measurements of the abdominal surface along the experiment 1.

Numerical analysis The 3D measurements allowed us to reconstruct the whole cavity for different pressures, which was lately used for a finite element simulation. To simulate the passive response of the abdominal muscle, a quasi-incompressible isotropic hyperelastic material model was proposed 2, with an exponential stress–strain response based on the Veronda–Westmann model 3.

𝑊𝑊 =𝜇𝜇

2𝛾𝛾�𝑒𝑒𝛾𝛾�𝐽𝐽−2/3𝐼𝐼1� − 1�

This strain density function is two parameters dependent: μ, the shear modulus at zero strain and γ, which determines the nonlinearity of the material response. The conjuction of these parameters will define the mechanical response of the material.

Their values were obtained by inverse analysis. Starting from a seed, these parameters were allowed to change through the geometry in order to try to reproduce the experimental results. Specifically, the algorithim poses the inverse problem as a minimization problem and considering an initial finite element simulation it seeks the distribution of material parameters that yields the displacement fields that best match the experimental measures 4.

Results Fig. 1 shows the distribution of the material parameters along the surface. Results reveal that μ takes higher values in the central zone of the surface, which means a stiffer response of the material. This area mostly coincides with the situation of the rectus abdominis, one of the main four muscles which lie in the abdomen. Similar distribution is found for γ.

Maximum displacement values obtained in the last simulation were similar to experimental results (see Fig. 2), so the algorithim is able to find the suitable material parameters that reproduce the deformation suffered by the abdominal cavity.

Conclusions Considering the rabbit anatomy, rectus muscle seems to be more rigid than the sides of the abdomen, mostly formed by a composite of three muscles.

The methodology here used worked properly to determine the material parameters of the tissue, and it could be used in a future to determine mechanical

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http://www.scorec.rpi.edu/

properties of a specific abdominal wall in a surgical room.

Acknowledgments This project has been possible thanks to the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness, which supports this researching through the grant BES-2012-053422 and the project DPI2011-27939-C02-01.

REFERENCES [1]. HARTLEY, R., ZISSERMAN, A. Multiple View

Geometry in Computer Vision. 2nd ed. Cambridge: Cambridge University Press, 2004.

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FIGURAS / LEYENDAS

(a) (b) (c)

Figure 1: Results: Distribution of the material parameters along the abdominal surface, μ (a) and γ (b), and predicted displacement of the geometry (c).

(a) (b) (c)

Figure 2: Evaluation of the results: (a) Experimental deformed shape at P = 12mmHg. (b) Numerical deformed shape of the geometry (c) Comparison, contour surface of the error between experimental and numerical displacement data.

Exp-Dat

X

Y

100 120 140 160 180

80

100

120

140

160

-4

-2

0

2

4

6


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Mechanical and Topographical Characterization of Alginate Microcapsules

María Virumbrales-Muñoz, Iñaki Ochoa, Luis Fernández Group of Structural Mechanics and Materials Modelling (GEMM)



Abstract We used Atomic Force Microscopy (AFM) in order to characterize alginate microcapsules as for topography and stiffness. Thus, we intend to identify those which are theoretically most biocompatible by this technique, avoiding the need for animal testing.

Introduction Microencapsulation is a promising approach for treatment of multiple central nervous system insufficiencies [1] and metabolic disorders, such as diabetes [2]. Therefore, enclosed cells work as customized factories, synthesizing and releasing the desired therapeutic factor in a sustained way [3]. In order to conceal encapsulating materials from the immune system, many groups use poly-L-lysine (PLL). Nonetheless, small changes in this procedure may result in an inadequate binding and strong immune reactions in the host [4]. Many different polycations have been proposed to substitute PLL, yet animal implantation remains the most common way to assess the biocompatibility of the capsules. AFM has previously been used as a powerful tool in order to answer biologically relevant questions [5]. There has been little work on assessing the topography of microcapsules in liquid, given the complexity of topographying in these conditions [6] [7]. In this study, we used AFM in order to characterize surface properties of microcapsules, after different protein treatments, so as to assess their probabilities to induce foreign body response.

Materials and methods Encapsulation and protein coating

Nanobiocel Group (University of the Basque Country) kindly provided the samples for this study.In order to fabricate them, sterile 1.87% alginate solutions were prepared by dissolving LVG alginate in a 1% manitol solution and filtering through a 0.20 µM syringe filter. The resulting beads were maintained in agitation for 10 min in a CaCl2 solution (55 mM) for complete ionic gelation.

Afterwards, different protein coatings were ionically linked to the alginate (A) beads: Poly-L-Lysin (P), genipin (G), genipin-crosslinked double Poly-L-Lysin (PLL). The resulting combinations were labelled: AP, APG, APP, APGP and GDP.

Mechanical and topographical characterization

For this study, we used QI® mode in JPK Nanowizard 3 coupled with an inverted microscope. To inmobilize the capsules, a 100 µm nylon mesh was fixed to a petri dish. The dish was first filled with DMEM Medium 20 mM in HEPES buffer. After, 10 µl of the capsule suspension were pipetted on the dish. Then, we approached the cantilever to a capsule and performed AFM measurements.

Data analysis Images and Young’s moduli measurements were processed with JPK Data Processing® software. Young’s Moduli were calculated by applying the Hertz model to each curve. Mode values were extracted from data histograms for every microcapsule.

Image characterization and analysis

Images were analyzed with Gwyddion Software for bidimensional statistical parameters. Specifically, we aimed to characterize sample height, roughness and peak-valley tendency.

Results Young’s Moduli

Young’s Moduli measurements were carried out as shown in Fig 1A. Young’s Moduli was calculated using 64x64 measurement grids. Thus, the most precision was achieved within a reasonable experiment time. During the experiments, exerted force was limited so as to avoid capsule movement. Results can be found in Fig 1B. All of the examined capsule types have an apparent Young’s Modulus in the GPa range. GDP capsules appeared significantly more rigid. The more resistant the capsules are, the

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most adequate they are for implantation, since they will not rupture or degrade as easily.

Topography images

At least 6 images were extracted for each microcapsule type in three different resolutions: 10x10 micron, 3x3 micron and 500x500 nm (data not shown). Since pore presence is of the essence in this system, 0,5x0,5 micron regions were investigated to detect smaller pores in the topography, if present. A topography sample can be found in Fig 1C. High vertical resolution was accomplished, and pores consistent with diffusion procedures have been identified.

Bidimensional statistical analysis

Finally, statistical data was extracted and plotted for every microcapsule type (data not shown). All samples proved to be quite flat. Roughness is not desirable in order to improve biocompatibility. Thus, GDP would be the coating of choice, as it is not significantly rougher than control AP capsules (Student t test).

Conclusions In the presented work, AFM has been

applied to characterize alginate microcapsules. Thus, we examined mechanical properties and surface topography, in order to establish which surfaces are less likely to induce foreign body reaction when implanted. Thanks to the great precision of this technique, biocompatibility may be

eventually assessed without animal testing.

REFERENCIAS

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Figure 1: A) Scheme of the AFM setup used for all the measurements. The measurements always took place in serum-free culture media, in order to keep the ionic strength for the microcapsules. The nylon mesh was immobilized on an AFM culture dish and the capsules were then added. The cantilever was placed on top of the microcapsule in order to carry out the measurements. B) Plot showing the Young’s Moduli for the different microcapsule coatings. GDP data indicates these capsules to be statistically more resistant (p = 0,01). C) Sample of the different topography images taken for the microcapsules.


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DIVISIÓN DE PROCESOS Y RECICLADO

Formación de hollín en la pirólis de 2,5-dimetilfurano Katiuska Alexandrino, Ángela Millera, Rafael Bilbao, María U. Alzueta

Grupo de Procesos Termoquímicos (GPT). Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A).

Universidad de Zaragoza, Mariano Esquillor s/n, 50018, Zaragoza, España. Tel. +34-876555484, e-mail: [email protected].

Resumen El 2,5-dimetilfurano (2,5-DMF, C6H8O), un éter cíclico insaturado, ha sido propuesto como sustituto o como aditivo a los combustibles convencionales(gasolina y gasóleo), con el objeto de disminuir las emisiones de contaminantes, principalmente de hollín. Por lo tanto, es necesario estudiar la tendencia que tiene el 2,5-DMF a formar hollín.

IntroducciónLa reducción de las emisiones de contaminantes provenientes del sector del transporte es un tema de interés para la sociedad actual. Por ello, los gobiernos de todo el mundo han fijado límites para estas emisiones. En el ámbito de la Unión Europea, los límites aceptables para algunas de las emisiones de contaminantes de los vehículos nuevos (NOx, hollín, hidrocarburos inquemados y CO) vienen regulados por la Norma Euro.

Son varias las técnicas que se emplean actualmente para reducir estos contaminantes (e.g. catalizadores, filtros de partículas, gases de recirculación, etc.). No obstante, surgen otras propuestas como es la adición de compuestos oxigenados a los combustibles convencionales.

Algunos estudios realizados en motores han demostrado que los compuestos oxigenados son capaces de reducir las emisiones de los contaminantes regulados (e.g. [1]), aunque estas reducciones dependen mucho de las condiciones de operación del motor.

En relación a las emisiones de hollín, éstas disminuyen debido a la presencia de oxígeno en la estructura del compuesto oxigenado, el cual favorece la oxidación de los precursores de hollín. Además, estudios de laboratorio han demostrado que la estructura del compuesto oxigenado influye notoriamente sobre estas emisiones (e.g. [2]).

Cuando un compuesto es propuesto para usarlo como combustible en motores con el fin de reducir

las emisiones de hollín, se hace necesario estudiar su tendencia a formar el hollín.

Sabiendo que la formación de hollín está favorecida a altas temperaturas y en condiciones de defecto de oxígeno, el objetivo principal de este trabajo es estudiar experimentalmente la formación de hollín durante la pirólisis de 2,5-DMF bajo diferentes condiciones experimentales.

Metodología experimentalLos experimentos se realizan en un reactor de flujo en condiciones diluidas, con un caudal total de 1000 mLN/min. Se varía la temperatura (1073, 1173, 1273, 1373 y 1473 K) y la concentración inicial de 2,5-DMF (5000, 7500 y 15000 ppm). El tiempo de residencia de los gases dentro del reactor viene definido por la ecuación: tr (s)=4168,2/T (K).

Los experimentos trascurren en estado estacionario durante 3 horas, sin sobrepasar una presión dentro del reactor de 1,3 bar. Además del 2,5-DMF, se cuantifican gases ligeros, tales como CO, CO2, C2H2, C2H4, CH4, C2H6, C6H6, propano, propileno, propadieno, 1,3-butadieno, isobutano, n-butano y tolueno, usando un cromatógrafo de gases (Agilent 6890). El hollín que es arrastrado por el gas se recoge en un filtro a la salida del reactor. Por otro lado, el hollín que queda en las paredes del reactor también se recoge una vez finalizado el experimento. Ambos hollines se pesan y se suman sus masas.

Resultados En la Figura 1, se observa el rendimiento porcentual a hollín del 2,5-DMF obtenido mediante la ecuación 1: R. Hollín (%)=Chollín/Centrada (1), donde Chollín es la masa de carbono en el hollín y Centrada la masa de carbono a la entrada del reactor. El rendimiento a hollín aumenta con el aumento de la temperatura y con la concentración inicial de 2,5-DMF desde 1173 hasta 1473 K.

Los valores de rendimientos obtenidos indican la gran capacidad que tiene el 2,5-DMF de formar

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hollín. Este hecho posiblemente se deba a su estructura aromática, la cual contribuye a formar los hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAH, precursores del hollín) por un camino más directo, que no el de la via HACA (Hydrogen abstraction-C2H2 addition).

A 1073 K, el rendimiento a hollín para 7500 y 15000 ppm de 2,5-DMF es mayor que a 1173 K. Esto puede deberse a que a estas temperaturas y concentraciones iniciales de 2,5-DMF, se forma un condensado que dificulta la cuantificación del hollín. El análisis cualitativo del condensado indica que éste está formado mayoritariamente por PAH ligeros.

La presencia de oxígeno en la estructura del 2,5-DMF conlleva a que ocurra una oxidación parcial formándose productos como el CO y el CO2, cuyos perfiles de concentración en función de la temperatura se muestran en la Figura 2. Se puede observar en la Figura 2a que la concentración de CO se mantiene relativamente constante a partir de 1173 K, mientras que en la Figura 2b se observa que la concentración de CO2 aumenta monótonamente debido a la conversión del CO a través de la reacción CO + OH ⇄ CO2 + H.

En la Figura 3 se representa el rendimiento porcentual a gas del 2,5-DMF, calculado usando la ecuación 2: R. gas (%)=Cgases/Centrada (2), donde Cgaseses la masa de carbono en el gas de salida y Centrada la masa de carbono a la entrada del reactor. Se observa que a medida que aumenta la temperatura disminuye el rendimiento a gas. Este hecho se debe a que a mayor temperatura mayor es la cantidad de hollín formada, por lo cual, menor cantidad de carbono está disponible para participar en las reacciones de formación de los productos gaseosos. Por otro lado, no se observa una influencia notoria de la concentración inicial de 2,5-DMF, excepto para las dos temperaturas más bajas (1073 y 1173 K), donde a 15000 ppm de 2,5-DMF se observan valores superiores de rendimiento a gas.

Conclusiones Como resultado de la investigación sobre la formación de hollín en la pirólisis de 2,5-DMF, es posible concluir que el proceso de formación de hollín está favorecido a altas temperaturas y concentraciones de 2,5-DMF. Además, debido a los elevados porcentajes de rendimiento a hollín

obtenidos, a causa de la estructura atomática del 2,5-DMF, no se considera el 2,5-DMF un buen candidato para ser usado como combustible o aditivo con intención de reducir las emisiones de hollín.

Agradecimientos Los autores experesan su gratitud al Gobierno de Aragón, a MINECO y a FEDER (CTQ2012-34423) por la financiación concedida. K. Alexandrino agradece a MINECO por su beca pre-doctoral (BES-2013-063049).

REFERENCIAS

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Figura 1. Rendimiento a hollín del 2,5-DMF.

Figura 2. Perfil de concentración de CO y CO2 en función de la temperatura.

Figura 3. Rendimiento a gas del 2,5-DMF.


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Estudio de la oxidación de SO2 a SO3 con catalizadores basados en vanadio. Aplicación a motores marinos diésel de dos tiempos

Juan Manuel Colom1, Peter Glarborg2, Jakob Munkholt2 1 Grupo de procesos termoquímicos (GPT) 2 Technical University of Denmark (DTU)



Abstract Los grandes barcos utilizan generalmente motores diesel de dos tiempos, funcionan con fuelóleo pesado, que contiene grandes cantidades de azufre y vanadio. Por ello, es posible que se de lugar a la formación de ácido sulfúrico y que lleve a la llamada corrosión fría. Este trabajo pretende determinar la influencia de la presencia de vanadio sobre la conversión de SO2 y, por tanto, sobre la corrosió fría.

Introducción La quema de combustibles con contenido en azufre lleva a la formación de óxidos de azufre, principalmente SO2 y SO3. La presencia de SO3 en sistemas de combustión causa la formación de ácido sulfúrico, el cual puede condensar y corroer las partes metálicas a temperaturas por debajo de su punto de rocío [1]. A pesar de la importancia del SO3, hay pocas publicaciones sobre la oxidación de SO2 en condiciones relevantes para la combustión y procesos industriales a altas temperaturas. Por el momento, la oxidación de SO2 a SO3 tiene una secuencia de reacciones en fase gas bien establecidas [2,3]. Sin embargo, los fuelóleos pesados contienen gran cantidad de vanadio, y éste es conocido por catalizar la oxidación de SO2 a SO3, como es el caso del proceso de producción de ácido sulfúrico.

El objetivo del presente trabajo es evaluar la importancia de la oxidación homogénea y heterogénea (catalizada con óxidos de vanadio) de SO2 a SO3 a través de la realización experimentos y de modelado cinético.

La cinética de la oxidación catalítica de SO2 se estudió en un reactor de lecho fijo a presión atmosférica. Para asegurar condiciones de flujo pistón en el lecho, de acuerdo con bibliografía, las dimensiones tienen que ser: el ratio de la longitud de

lecho entre diámetro de partícula (Lr/dp)≥50 y, el ratio del diámetro interno del reactor entre diámetro de partícula (d/dp)≥10. En el presente trabajo se utilizó Lr/dp y d/dp de 50 y 17 respectivamente.

Las partículas de vanadio se produjeron en un pirolizador de spray en llama, el cual permite la formación de nanopartículas inyectando en spray una disolución combustible de sales organometálicas en la llama. Con este dispositivo, se pueden producir óxidos catalíticamente activos con un método similar al que ocurría en el motor dando lugar a la formación de especies catalíticas. Se sintetizaron partículas con distintas composiciones de vanadio-sodio (Tabla 1), ya que este último está presente en la cámara de combustión y se sabe que aumenta la actividad del sólido [4], atendiendo a composiciones de acuerdo a las partículas recolectadas en los gases de escape de un motor marino de dos tiempos. En el lecho fijo se mezclaron con una cantidad igual (0,25g) de partículas de sílice (de 150-200 μm) para mejorar las condiciones del lecho.

Los resultados de los experimentos (Fig. 1) se usaron para determinar la ecuación de velocidad de la reacción catalítica. De acuerdo con el modelo:

−𝑟𝑟𝑆𝑆𝑆𝑆2 = 𝑘𝑘 ∙ 𝑃𝑃𝑆𝑆𝑆𝑆2 ∙ (1 − 𝛽𝛽)

Se realizó una regresión no lineal variando los parámetros cinéticos (energía de activación “Ea” y factor preexponencial “A”) y obteniendo aquellos valores que mejor ajustaban los datos experimentales (Tabla 1). Los datos experimentales de las partículas catalíticas que mejor ajustaban con el modelo fue el V/Na: 4/1 (Figura 2). Esta ecuación de velocidad se usó para evaluar de forma sencilla la cantidad de SO3 formado por vía heterogénea en un motor y se comparó entonces con la oxidación homogénea determinada mediante el set de reacciones descrito en [3] usando el software Chemkin-II.

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Conclusiones Se ha estudiado la reacción de oxidación de SO2 a SO3 en un reactor de lecho fijo con diferentes composiciones de partículas de vanadio-sodio a presión atmosférica. En un intervalo de temperatura de 300-600 °C, el caudal de entrada al reactor era de 160 mL/min con una concentración de 1400 ppm de SO2, 10% de O2 y el resto nitrógeno. Se usaron 0,25 gramos de partículas en el lecho.

Se ha propuesto un modelo para la conversión de SO2 a SO3 que ajusta bien los datos experimentales. Los parámetros cinéticos obtenidos se han utilizado para calcular la cantidad de SO3 producida en unas condiciones determinadas de la cámara de combustión de un motor de barco de dos tiempos. Los resultados se han comparado con la simulación (en Chemkin-II) de la oxidación en fase gas de SO2 a SO3. La comparación ha mostrado que la reacción de oxidación está gobernada por la fase gas (Figura 3). Cabe destacar que éstos son los primeros estudios en cuanto a la importancia de especies

catalíticas en la producción de óxidos de azufre en motores.

Referencias [1]. CULLIS, C.F. and MULCAHY, M.F.R. The kinetics

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Tabla 1. Composiciones, áreas y parámetros cinéticos de la oxidación para los catalizadores utilizados.

Figura 1. Conversión de SO2 sobre catalizadores de V-Na a diferentes temperaturas

Figura 2. Ajuste del modelo cinético al catalizador V/Na: 4/1 Figura 3. Comparación entre oxidaciones homogénea y heterogénea de SO2. Log de la conversión vs. temperatura.

Catalizador [m/m]

Área [m2/g]

Ea [kJ/mol]

A [mol/(s∙g∙bar)]

V/Na: 4/1 91,2 69,53 20,6

V/Na: 8/1 87,6 67,3 14,48

V/Na: 15/1 153,0 57,84 2,96

V 100% 155,1 47,91 0,17


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On the use of α-shapes for the measurement of 3D bubbles in fluidized beds from Two-Fluid Model simulations

Ignacio Julián1, David González2, Javier Herguido1, Miguel Menéndez1 1 Catálisis, separaciones moleculares e ingeniería de reactores (CREG)

2Mecánica aplicada y bioingeniería (AMB) Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A)


Abstract A geometrical technique based on shape construction was employed to reconstruct the simulated domain of 3D bubbles in gas-solid fluidized beds from Two-Fluid Model simulations. The Delaunay triangulation of the cloud of points that represent volume fraction iso-surfaces was filtered using α-shapes, allowing a topologically accurate description of the bubbles.

1. IntroductionThe analysis of bubble characteristics from Two-Fluid Model (TFM) simulations of 3D gas-solid fluidized beds is not straightforward. The commercial Computational Fluid Dynamic (CFD) codes are able to post-process transient results to show bubble contours by means of void fraction iso-surfaces but they are not able to discriminate single gas bubbles. Therefore, bubble data cannot be directly extracted from the simulation results.

Some authors [1] use tomography techniques to get radial voidage maps at different bed heights and then carry out image reconstruction to estimate 3D bubble characteristics. Some others [2] couple porosity maps and bubble shape factors from single detached bubble simulations to estimate 3D bubble characteristics. In any case, the 3D bubble volume estimation from 2D planar porosity maps is computationally expensive and the accuracy of the method depends on the number of sliced planes considered in the 3D image reconstruction [1].

Taking advantage of the characteristic fixed mesh which is used in the TFM formulation for the simulation of the fluidized bed dynamics, this work suggest a direct method to quantify 3D bubble properties from nodal results applying a geometric construction technique, the so-called α-shape method introduced by Edelsbrunner and Mücke [3]. The use of α-shapes allows a topological reconstruction of individual bubbles creating

unconnected subdomains whose contours are the individual bubble boundaries. The accuracy of the bubble contour reconstruction depends on the computational mesh size, i.e. the distance between adjacent mesh nodes. The geometric reconstruction based on α-shapes, which is extensively applied in other fields such medical image analysis or molecular structure modeling, is here used for the first time to identify and measure gas bubbles in simulated 3D fluidized beds.

This study specifically focuses on the detection and measurement of 3D bubbles in a particular fluidized bed reactor configuration: the Two-Section Two-Zone Fluidized Bed Reactor (TS-TZFBR). This reactor has been described elsewhere as a potential tool for process intensification in the field of heterogeneous catalysis due to its ability to perform heterogeneous catalytic reactions (e.g. alkane dehydrogenation, ethanol steam reforming or methane aromatization) and catalyst regeneration in a single vessel [4].

The comparison between the TFM bubbling predictions for planar and 3D bed configurations aims to bring some light on the extrapolation of experimental pseudo-2D bubble data to the real bubbling behaviour in a 3D column.

2. Simulations3D-TFM simulations were performed using the commercial software Ansys CFX 14.5. The mass and momentum conservation equations of the TFM model, that considers both solid and gas phase as interpenetrating continua, were solved using finite volumes via spatial and temporal discretization of pressure and velocity fields as well as of transient transport terms. The set of closure equations includes the Gidaspow drag function for the interphase drag force, the model of Lun et al. for the viscous stress and the kinetic theory of granular flow for the granular temperature. A bulk mass flow rate was selected as the boundary condition for the

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reactor gas inlets to avoid dense phase outflow. An opening boundary was applied to the reactor outlet. The flow direction through inlets and outlets was defined as normal to the boundary surface and the relative pressure on the domain outlets was set to Patm. A no-slip condition was applied for both the gas and solid phases at the walls.

3. Bubbles discriminationIn order to identify bubble boundaries, a prescribed solids volume fraction εs = 0.15 was defined as a threshold value for the iso-surfaces method The domain defined by the iso-surfaces enclosed, then, a list of spatial coordinates of the mesh nodes that accomplish the given restriction.

A Delaunay triangulation algorithm was applied (Matlab R2010a) to connect every node by means of unique tetrahedral shapes. Since the algorithm itself did not discriminate nodes that belong to different bubbles, it was necessary to constrain node connections in order to identify ‘false’ connections and remove them, generating multiple domains: one for each bubble. The α-shapes were then applied to eliminate all tetrahedra whose circumscribing mesh size was greater than a prescribed level of detail for the geometry, α.

4. Results3D bubble data from TFM simulations of TS-TZFBR were compared to these obtained for pseudo-2D beds. Several formulations were used to describe the equivalent bubble diameter (db) in order to establish a fair comparison between pseudo-2D and 3D bubble sizes. Volume-based and area-based equivalent diameters were defined accounting for the gas volume enclosed by bubbles (Figures 1.a and 1.b) and the projected bubble area in the axial plane at the bed center (Figures 1.c and 1.d), respectively. The axial evolution of the average bubble diameter for both 3D and pseudo-2D TS-TZFBR followed a similar trend, as shown in Figure 2.

5. ConclusionsAn α-shapes method was proposed to measure 3D bubbles from TFM simulations. Compared to the tomographic techniques used in the open literature, this method provided a more reliable tool to analyze the bubble hydrodynamics in simulated 3D fluidized beds.

A volume-based formulation of the equivalent db for both pseudo-2D and 3D beds gave the most comparable results between reactor configurations. Nevertheless, the average db,pseudo-2D underestimated db,3D by 23.2% within the tapered bed region. This reveals that the bed geometry effectively plays a role in the fluid dynamic behaviour of the TS-TZFBR and, thus, the extrapolation of experimental fluid dynamic data from pseudo-2D to 3D beds must be done with great care.

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V db (2D-vol)

db (3D) db (2D)

a) b) c) d)

db (3D-area)

Figure 1. Equivalent db. Volume-based: a) 3D, b) 2D. Area-based: c) 3D, d) 2D

0

10

20

30

40

0 1 2 3

Ver

tical

bed

pos

ition

, z (c

m)

Equivalent bubble diameter, db (cm)

3D-r (V)

2D-r (V)

Figure 2. Volume-based equivalent db(z) profiles

Tapered section

Volume-based db

𝑑𝑑𝑏𝑏(𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣) = �6𝑣𝑣𝑏𝑏𝜋𝜋�1/3

3D

pseudo-2D


27

Dimetil éter y etanol: ¿Isómeros para reducir emisiones contaminantes?

Lorena Marrodán, Jorge Arnal, Ángela Millera, Rafael Bilbao, María U. Alzueta Grupo de Procesos Termoquímicos (GPT)

Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A). Universidad de Zaragoza, Mariano Esquillor s/n, 50018, Zaragoza, Spain.


Abstract Se ha llevado a cabo un estudio experimental y de modelado cinético de la oxidación a alta presión (20-60 bar) de dimetil éter y etanol. Se ha analizado la influencia de variables como la estequiometría, temperatura y presión en la conversión de ambos compuestos oxigenados, así como en la formación de los principales productos.

Introducción Actualmente, el transporte es uno de los principales responsables de la emisión a la atmósfera de diferentes contaminantes, como son los óxidos de nitrógeno, los óxidos de azufre, los óxidos de carbono o la materia particulada. Estos contaminantes provocan una gran variedad de efectos nocivos, no sólo sobre el medio ambiente (lluvia ácida, smog fotoquímico, etc.) sino también sobre la salud humana.

Los motores diésel han sido ampliamente utilizados por su alta eficiencia de combustión y menores emisiones de hidrocaburos inquemados y CO. Sin embargo, este tipo de motores presenta el inconveniente de las altas emisiones de NOx y de materia particulada (principalmente, hollín). La reducción simultánea de ambas emisiones resulta complicada, ya que las condiciones que favorecen la reducción de uno, favorecen la formación del otro y viceversa.

Asimismo, debido al creciente interés en la protección del medio ambiente, las normas que regulan las emisiones producidas en este tipo de motores son cada vez más restrictivas, por lo que se han propuesto algunas medidas para tratar de reducirlas o minimizarlas. Algunas de éstas incluyen medidas correctivas, como trampas de hollín, o medidas preventivas, como la recirculación del flujo de gas, o la reformulación de los combustibles tradicionales, bien mediante la sustitución total de los combustibles fósiles por otros alternativos (por ejemplo, biodiésel o bioetanol), o bien mediante la

adición de compuestos orgánicos oxigenados. De esta manera, se suministra una mayor cantidad de oxígeno durante la oxidación sin tener que realizar cambios significativos en el interior de la cámara de combustión. En la reformulación de los combustibles se enmarcan etanol (CH3-CH2-OH) y dimetil éter (DME, CH3-O-CH3), compuestos isómeros con igual fórmula molecular (C2H6O) pero con distinta estructura, lo que implica diferentes propiedades.

El etanol es hoy en día uno de los biocombustibles más comunes y abundantes que se puede obtener a partir de distintos materiales biomásicos renovables [1] e incluso a partir de microalgas marinas [2]. Su uso como aditivo para combustibles lleva analizándose desde hace aproximadamente 30 años.

En el caso de DME, su interés radica en su alto índice de cetano, su rápida vaporización, baja toxicidad, su alto contenido en oxígeno, la ausencia de enlaces C-C en su estructura, lo que minimiza la formación de los precursores de hollín, y su baja tendencia a producir humo y ruido durante la combustión [3].

Ámbito y objetivos En este contexto, en el presente trabajo se ha llevado a cabo un estudio experimental tanto de la oxidación de DME como de etanol, bajo condiciones de laboratorio muy controladas y a presiones superiores a la atmosférica. El conocimiento del régimen de oxidación de los compuestos orgánicos oxigenados considerados permitirá determinar las mejores condiciones para su posible uso posterior en mezclas combustibles en motores reales.

Además, los resultados experimentales han sido utilizados para validar el mecanismo cinético que describe la oxidación de ambos compuestos en las diferentes condiciones de operación. Ello permitirá extender su aplicabilidad a condiciones de reacción diferentes a las estudiadas en el presente trabajo.

28


Los cálculos con el modelo se han realizado utilizando como herramientas CHEMKIN II y CHEMKIN PRO, considerando constante la presión en el interior del reactor y el correspondiente perfil de temperatura.

Metodología ExperimentalEste trabajo incluye un estudio experimental de la oxidación de DME y etanol en el intervalo de temperaturas de 473-1073 K, desde condiciones reductoras hasta condiciones oxidantes y para diferentes presiones, 20, 40 y 60 bar. Una descripción mdetallada de la instalación utilizada puede encontrarse en [4].

En el caso del etanol, para llevar a cabo los experimentos a la presión deseada es necesario vaporizar previamente etanol líquido. Ello se consigue utilizando un CEM (Controlled Evaporation Mixer). Por el contrario, los gases son alimentados a partir de botellas a presión a través de los correspondientes controladores de flujo másico.

La corriente de gases a la salida del reactor se analiza mediante un micro-cromatógrafo de gases equipado con detectores TCD, que permiten detectar y cuantificar etanol y DME así como los principales productos obtenidos.

Resultados En la Figura 1, se muestra un ejemplo de los resultados obtenidos en la oxidación de DME y etanol para una presión dada (40 bar) y condiciones reductoras (λ=0,7), estequiométricas (λ=1) y oxidantes (λ>1). Estos resultados indican que la concentración de oxígeno a la entrada influye ligeramente en la temperatura a la que comienza la oxidación de ambos compuestos. La oxidación de DME se produce a temperaturas inferiores que la de etanol, lo que indica que el grupo funcional éter presenta un mayor reactividad que el grupo alcohol. La conversión de DME es casi completa para todas las condiciones de operación estudiadas. Sin embargo, en el caso de etanol, para las temperaturas más altas consideradas, aún quedan en torno a unas 700 ppm que no se consumen incluso bajo condiciones oxidantes.

En la conversión de DME se detectan mayormente CO, CO2 e H2, mientras que en la oxidación de

etanol se han cuantificado además CH3OH, MF e hidrocarburos como CH4, C2H4, C2H6, C2H2.

200 300 400 500 600 700 8000

1000

2000

3000

4000

5000

6000 DME, λ=0,7 DME, λ=1 DME, λ=35 etanol, λ=0,7 etanol, λ=1 etanol, λ=4

Con

cent

raci

ón (p

pm)

Temperatura (ºC)

Fig. 1. Influencia de la temperatura y estequiometría en la oxidación de DME y etanol a 40 bar.

Conclusiones A pesar de ser isómeros, la oxidación de DME y etanol es diferente, no sólo en cuanto a la temperatura a la que se produce la reacción sino también en lo que respecta a las rutas por las que se lleva a cabo, como lo demuestran los diferentes productos obtenidos.

Agradecimientos Los autores quieren expresar su gratitud al Gobierno de Aragón (Grupo GPT) y a MINECO y FEDER (Proyecto CTQ2012-34423) por la financiación recibida.

REFERENCIAS

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Proceso “steam-iron” a partir de bio-combustibles: Modelado de la etapa de reducción en lecho fijo

Jorge Plou, Paúl Durán, Javier Herguido, José Ángel Peña Grupo de Catálisis, Separaciones Moleculares e Ingeniería de Reactores (CREG)



Abstract A partir de los resultados experimentales obtenidos en reactor de lecho fijo se ha modelado y validado la reacción de reducción del proceso “steam-iron”, utilizando como reactivo una mezcla sintética de composición similar a la de un bio-oil real. El modelo predice razonablemente el comportamiento del lecho de sólido en la etapa de reducción del proceso.

Introducción Actualmente existe una gran labor de investigación en pro de los combustibles de origen biológico con el fin de limitar el uso de los combustibles fósiles, y por tanto reducir la amenaza del CO2 como causante del calentamiento global. El estado de agregación de estos combustibles es variado: sólido como la biomasa, líquido como el bio-oil o gaseoso como el biogás. Todos derivan de materiales de deshecho como los procedentes de la agricultura y silvicultura o de residuos urbanos. Estos se utilizan como fuentede energía primaria en procesos de obtención de combustibles de segunda generación y vectores energéticos. Entre ellos, uno de los más importantes es el hidrógeno. Éste, junto con la tecnología de pilas de combustible, tiene un gran potencial para producir energía limpia y deslocalizada que evita el aumento de contenido en gases de efecto invernadero.

El proceso “steam-iron” (SIP) (Messerschmidt 1910) consiste en ciclos de reducción y oxidación con el objetivo de producir hidrógeno de alta pureza. Como el nombre indica, es necesario utilizar óxidos de hierro, o un sólido análogo. Éste se dispone en un reactor empaquetado en el que se hace pasar una corriente reductora, como por ejemplo, bio-oil vaporizado. Tras este paso se obtiene hierro metálico, que al ser reoxidado con vapor de agua produce hidrógeno de alta pureza. Dada la naturaleza del bio-oil, es necesario trabajar a altas temperaturas, en torno a 700 °C y emplear

catalizadores para favorecer su descomposición en otros componentes.

La labor experimental previa al modelado ha consistido en analizar las diferencias que existen al utilizar representantes de las diferentes fracciones presentes en el bio-oil (Bertero et al 2012; Oasmaa and Meier 2005). Entre ellos se encuentran el metanol y etanol (fracc. alcohólica), el ácido acético (fracc. ácida), la hidroxiacetona y acetona (fracc. Aldehídica/Cetónica) y finalmente agua.

Asimismo se ha procedido a estudiar el efecto de mezclas de los anteriores. Las temperaturas de operación han estado comprendidas entre 600 y 800 °C. A partir de la observación del comportamiento de la reacción por separado de cada una de las fracciones se ha construido un modelo de reactor de lecho fijo en condiciones no estacionarias en código Matlab®. Al ser un sistema de ecuaciones en derivadas parciales en el que las concentraciones varían en el espacio y en el tiempo, requiere de un algoritmo de cálculo preciso. Para ello se ha utilizado el método de Crank-Nicolson como la mejor opción por su precisión en los resultados.

Resultados Para resumir los resultados experimentales, se ha utilizado el diagrama de Baur-Glaessner. Los valores de H2/H2+H2O (concentración de especies) se utilizan para seguir el estado de la reacción independientemente del resto de reactivos (Fig. 1), ya que todas las especies gaseosas están vinculadas mediante el equilibrio termodinámico.

En la figura 1 están representados los valores del diagrama de varios compuestos. Se puede observar cómo se agrupan en dos pseudo-estados estacionarios: i) el equilibrio entre sólido y gas, en el que se está convirtiendo el óxido de hierro en hierro (valores de ordenada en torno a 0.75) y ii) el último (en torno a 0.93), donde se produce solo la descomposición catalítica del reactivo por falta de óxido con el que reaccionar. El tiempo está en base

30


al tiempo de reacción completa teórica (t/tteo(Xsol=1).

Las conclusiones principales que se obtuvieron en los resultados experimentales fueron que independientemente del reactivo utilizado, la composición de salida es la del equilibrio termodinámico de las especies gaseosas, y que durante la reducción del sólido existe un desplazamiento constante en los valores del ratio de composición respecto del equilibrio entre el sólido y el gas.

Una vez implementadas estas conclusiones en el código en forma de equilibrios termodinámicos, acoplados al comportamiento dinámico, es posible obtener un modelo que puede ser utilizado para un escalado de un reactor de dimensiones mayores. La figura 2 muestra una comparativa entre el resultado experimental y el simulado donde se puede comprobar que la aproximación es completa durante

la segunda y tercera etapas (ver zonas sombreadas en la Fig.1). El periodo correspondiente a los 7 primeros minutos está todavía en proceso de ajuste fino.

REFERENCIAS

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0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

H 2/ (H

2+H 2O

) [ad

im.]

Tiempo reducido [adim.]

Etanol Metanol Hidroxiacetona Acetona

Equilibrio S-G

Equilibrio G-G

Figura 1. Ratio de H2 en la reducción a 700°C de varios compuestos testados

0 5 10 15 20 25 300.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

Fluj

o m

olar

(mm

ol/m

in)

Tiempo (min)

H2

H2O CO CO2

CH4

Figura 2. Datos experimentales (puntos) vs simulados (línea continua) de la reducción a 700 °C con mezcla de compuestos


31

Actualización y mejora de los mecanismos cinéticos de la oxidación de varios compuestos oxigenados

Eduardo Royo, Ángela Millera, Rafael Bilbao, María U. Alzueta Grupo de Procesos Termoquímicos (GPT)



Abstract El Grupo de Procesos Termoquímicos (GPT) lleva años desarrollando mecanismos cinéticos capaces de predecir la conversión de diferentes compuestos orgánicos de interés en procesos de combustión. Modificar el mecanismo cinético de partida puede producir cambios en los procesos de oxidación de especies ya consideradas. En este trabajo, se plantea reconciliar los diferentes mecanismos desarrollados hasta la fecha para obtener un único mecanismo capaz de simular satisfactoriamente la conversión de todas las especies consideradas hasta la actualidad.

IntroducciónUn mecanismo cinético-químico de reacción es un conjunto de especies y reacciones químicas que tiene como misión predecir el comportamiento de los reactivos y productos de un sistema de reacción bajo unas condiciones determinadas. El GPT trabaja en el desarrollo de mecanismos cinéticos capaces de predecir la conversión de diversos hidrocarburos y compuestos oxigenados, estos últimos de interés debido a su capacidad para reducir las emisiones contaminantes cuando se usan como aditivos de combustibles de automoción.

El desarrollo de un mecanismo para describir la conversión de un nuevo compuesto implica la introducción de nuevas reacciones y especies al mecanismo, pudiendo producir desajustes a la hora de describir los procesos de oxidación de los compuestos considerados anteriormente. Debido a esto, se considera interesante el asegurar que el mecanismo que se va desarrollando progresivamente siga siendo capaz de simular la conversión de las especies que ya habían sido validadas antes de las modificaciones.

En este contexto, el mecanismo en el que está trabajando actualmente el GPT parte del modelo desarrollado por Glarborg y cols. [1] sobre la

reactividad de hidrocarburos con uno o dos átomos de carbono. A dicho mecanismo se le han añadido diferentes subconjuntos de reacciones para poder simular el proceso de oxidación de compuestos tales como: dimetiléter [2], formaldehído [3], metanol [4], etanol [5] y mezclas de acetileno-etanol [6] entre otros. Todos estos subconjuntos de reacciones han sido tomados de los correspondientes mecanismos individuales desarrollados en el GPT para cada una de las especies individuales. Dicho mecanismo ha sido recientemente optimizado para predecir el proceso de oxidación de algunos compuestos oxigenados para condiciones de alta presión [7]. La simulación se ha realizado con el software de cinética química Chemkin Pro.

Tomando este último mecanismo [7], se ha simulado la conversión de varios de los compuestos recogidos en la bibliografía [2-6] y se han detectado discrepancias entre las simulaciones de la conversión de cada compuesto individual recogidas en bibliografía [2-6], y las realizadas con el último mecanismo disponible [7], así como con los resultados experimentales [2-6].

Por ello, es necesario encontrar las causas de las discrepancias que tienen su origen en la progresiva ampliación del mecanismo, mejorar el mecanismo globalmente con objeto de poder predecir de forma adecuada todos los compuestos considerados. Esto permitirá disponer de un único mecanismo adecuado para la simulación de la conversión de un gran número de especies, en lugar de necesitarse mecanismos individuales desarrollados ad-hoc para cada especie. Además, de este modo se dotará de una mayor versatilidad al mecanismo.

Resultados y conclusiones Actualmente, la investigación se está centrando en el estudio relativo a dimetiléter y etanol como compuestos principales, ya que los resultados experimentales y simulados en bibliografía [2,5] y los simulados con el actual mecanismo del GPT [7]

32


muestran diferencias para condiciones de exceso de aire y mezclas del reactivo correspondiente con NO.

La Figura 1 muestra, a modo de ejemplo, la conversión de dimetiléter y NO para unas condiciones dadas en función de la temperatura. En cada gráfica se representan los resultados experimentales (puntos) [2], los resultados de la simulación con el mecanismo original desarrollado para la conversión de DME (línea discontinua) [2] y la simulación con el mecanismo actual (línea continua) [7].

Considerando la bibliografía disponible, se ha detectado la desaparición de algunas reacciones en el mecanismo actual, las cuales explicaban el comportamiento de la oxidación en los mecanismos antiguos. Tomando como punto de partida estas reacciones se están realizando pruebas, sin ningún resultado determinante por el momento.

REFERENCIAS

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Figura 1. Concentración de DME y NO para el experimento con dimetiléter en condiciones de exceso de aire y mezcla con NO (DME: 245 ppm, O2: 39400 ppm, NO: 508 ppm). Datos experimentales (puntos), simulación del mecanismo antiguo [2] (línea discontinua) y simulación del mecanismo actual [7] (línea continua).

0

50

100

150

200

250

300

700 900 1100 1300 1500

DM

E (p

pm)

Temperatura (°C)

0

100

200

300

400

500

600

700 900 1100 1300 1500

NO

(ppm

)

Temperatura (°C)


33

Formación de Hidrocarburos Aromáticos Policíclicos (PAH) y Hollín en la Pirólisis de 2,5-Dimetilfurano y 2-Metilfurano a

Diferentes Temperaturas Fausto Viteri1,2, Pablo Salvo1, Cristian Baena1, Ángela Millera1, Rafael Bilbao1, María

U. Alzueta1 1Grupo de Procesos Termoquímicos (GPT) Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A).

Universidad de Zaragoza, Mariano Esquillor s/n, 50018, Zaragoza, España. Tel. +34-976762707, e-mail: [email protected]

2Universidad Tecnológica Equinoccial, Quito, Ecuador

Abstract En el presente trabajo se ha estudiado la influencia de la temperatura en la formación de hidrocarburos aromáticos policíclicos y hollín durante la pirólisis de 2,5-dimetilfurano y 2-metilfurano, los cuales se pueden sintetizar a partir de celulosa biomásica no utilizable en alimentación, y tienen características físicoquímicas que los permiten formar parte de mezclas con gasolina.

IntroducciónSe han propuesto varios aditivos como combustibles renovables, por su característica de disminuir la emisión de varios contaminantes atmosféricos. Entre los combustibles propuestos están los compuestos derivados del furano: 2,5-dimetilfurano (2,5-DMF) y 2-metilfurano (2-MF), los cuales han cobrado gran interés debido a nuevas rutas de su síntesis [1], y a que pueden mejorar algunas características de la gasolina [2].

El presente estudio investiga la formación de PAH y hollín a partir de la pirólisis de 2,5-dimetilfurano y 2-metilfurano. Se han analizado 16 hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAH), clasificados por la Agencia de Protección Ambiental (EPA) como contaminantes prioritarios debido a su potencial cancerígeno. Los 16 PAH analizados han sido: Naftaleno (NAPH), Acenaftileno (ACNY), Acenafteno (ACN), Fluoreno (FLUO), Fenantreno (PHEN), Antraceno (ANTH), Fluoranteno (FANTH), Pireno (PYR), Benzo(a)antraceno (B(a)A), Criseno (CHR), Benzo(b)fluoranteno (B(b)F), Benzo(k)fluoranteno (B(k)F), Benzo(a)pireno (B(a)P), Dibenzo(a,h)antraceno (DB(ah)A), Benzo(g,h,i)perileno (B(ghi)P), Indeno(1,2,3-c,d)pireno (I(123-cd)P).

Metodología

Los experimentos se realizan en condiciones de laboratorio controladas. La descripción de las instalaciones se puede encontrar en otros trabajos realizados por nuestro grupo de investigación [3].

Los experimentos de pirólisis de 2,5-DMF y 2-MF se han realizado a tres temperaturas: 1473, 1373 y 1273 K, y a presión atmosférica. Las concentraciones en fase gas de 2,5-DMF (15000 ppm) y de 2-MF (18000 ppm) se obtienen con ayuda de una bomba isocrática HPLC y una línea calefactada. El hollín se recolecta en un cartucho de fibra de cuarzo, al final del sistema de reacción. Los PAH formados en la fase gas se capturan en la resina XAD-2, la cual se coloca después del recolector de hollín. Las paredes del reactor se lavan con diclorometano para recolectar los PAH adheridos. Se usa un cromatógrafo de gases, para analizar hidrocarburos ligeros. Al finalizar el experimento, las muestras de hollín, de las paredes del reactor y de la resina, se someten a una extracción Soxhlet, y el extracto obtenido se concentra usando un rotavapor. Posteriormente, la identificación y cuantificación de los PAH se lleva a cabo usando un cromatógrafo de gases acoplado a un espectrómetro de masas (GC-MS). El método utilizado para la cuantificación de los PAH fue desarrollado por nuestro grupo de investigación en un trabajo anterior [4].

Resultados Se ha analizado el rendimiento a hollín, gases ligeros y PAH, en relación al total de carbono que entra en el sistema de reacción.

En la Figura 1, se puede observar que, para los dos compuestos analizados, el rendimiento a hollín incrementa al aumentar la temperatura de reacción, mientras que disminuye el rendimiento a gases y PAH. Además, los porcentajes de hollín, gases y PAH obtenidos son similares para ambos

34


compuestos, aunque ligeramente mayores para 2,5-DMF.

De la misma manera, se puede observar, en las Figuras 2a y 2b, una similitud para 2,5-DMF y 2-MF, en la cuantificación de los 16 PAH, para las tres temperaturas probadas, con concentraciones ligeramente superiores de la mayoría de los PAH en el caso del 2,5-DMF. Esta diferencia se puede atribuir a la mayor relación C/O presente en el 2,5-DMF en comparación con el 2-MF.

Conclusiones La formación de hollín es mayor para 2,5-DMF que para 2-MF, en todas las temperaturas probadas, al igual que la formación de PAH.

Para todas las temperaturas estudiadas, y para los dos compuestos analizados, los PAH con 2-4 anillos: NAPH, ACNY, FLUO, PHEN, ANTH, FANTH, y PYR, han sido encontrados en altas concentraciones excepto el ACN, presente en concentraciones bajas. Los PAH con alto peso molecular: B(a)A, CHR, B(b)F, B(k)F, B(a)P, I(123-cd)P, DB(ah)A, y B(ghi)P, han sido detectados en menores concentraciones.

Los resultados obtenidos de la formación de hollín, para los dos compuestos estudiados, podrían determinar su posible selección como combustible renovable.

Agradecimientos Los autores agradecen a MINECO y FEDER (Proyecto CTQ2012-34423) y al Gobierno de Aragón por la financiación recibida. Fausto Viteri agradece a la Secretaría Nacional de Educación Superior, Ciencia, Tecnología e Innovación (SENESCYT) de Ecuador, la beca predoctoral otorgada.

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0

0,5

1

1,5

2

2,5

010203040506070

1250 1300 1350 1400 1450 1500

Rend

imie

nto

a PA

H (%

)

Rend

imie

nto

a ho

llín

y ga

ses (

%)

Temperatura (K)

Hollín HollínGases GasesPAH PAH

0

10

20

30

40

PAH

(ppm

)

2,5 DMF: 1473 K2,5 DMF: 1373 K2,5 DMF: 1273 K

Figura 1. Influencia de la temperatura en el rendimiento a hollín, gases y PAH. Las líneas continuas representan los experimentos con 2,5-DMF y las líneas discontinuas representan los experimentos con 2-MF.

0

10

20

30

40

PAH

(ppm

)

2-MF: 1473 K2-MF: 1373 K2-MF: 1273 K

Figura 2. Concentraciones de los 16 PAH a diferentes temperaturas de reacción: (a) 2,5-DMF, (b) 2-MF

a b


35

DIVISIÓN DE TECNOLOGÍAS DE LA INFORMACIÓN Y LAS COMUNICACIONES

Análisis de Formatos Coherentes de Modulación Avanzados para Redes Ópticas Metropolitanas y de Acceso

Jose A. Altabas1, Paula Arribas1, Felix Sotelo1, David Izquierdo1,2, Jose A. Lazaro3, Ignacio Garces1

1Grupo de Tecnologias Fotonicas (GTF), Instituto Universitario de Investigación en Ingenieria de Aragón (I3A), Universidad de Zaragoza, Mariano Esquillor s/n, 50018, Zaragoza, Spain.

Tel. +34-976762968, e-mail: [email protected] 2Centro Universitario de la Defensa.

3Grupo de Comunicaciones Ópticas (GCO), Universitat Politècnica de Catalunya.

Abstract Las Redes Ópticas Flexibles (FON) requieren una asignación dinámica de recursos a los usuarios. Para ello se han probado diversos binomios Confromado-Formato de modulación, los de mayor interes permiten obtener un canal de 1Tbps y 4Tbps mediante la combinación dinámica para un espectro óptico de 12nm de ancho.

Introducción El crecimiento en la demanda del tráfico de Internet, genera un fuerte interés en las futuras redes ópticas. Se busca hacer un uso más eficiente del espectro óptico y de los recursos de la red [1]. Se han propuesto redes con multiplexación por división de longitud de onda ultradensa (udWDM) como una solución factible para aprovechar el espectro óptico [2]. En cuanto a la gestión eficientemente de los recursos se proponen las Redes Ópticas Flexibles (FON) [3].

En este trabajo se han analizado y comparado diferentes formatos y conformados de modulación. Los conformados implementados son tres: NRZ, Nyquist y OFDM. Entre los formatos de modulación se proponen desde binarios como BPSK (Binary Phase-Shift Keying), hasta multibit como 16QAM (16 Quadrature Amplitude Modulation).

La Tasa de Error de Bit (BER) será la figura de mérito principal a la hora de comparar los diferentes binomios conformado-formato. Dicha comparación se centrará en tres aspectos principales: la sensibilidad del receptor, el aprovechamiento del espectro óptico y la separación mínima entre canales que garanticen un BER que alcance el limite Forward Error Correction (FEC) [4].

Entorno de simulación El análisis de los binomios de modulación se ha llevado a cabo en un escenario de co-simulación con

MATLABTM y VPItransmissionMakerTM. La capa física, tanto eléctrica como óptica, ha sido modelada por VPItransmissionMakerTM mientras que el Transmisor Digital Flexible (TxDF) y el Receptor Digital Flexible (RxDF) se han implementado en MATLABTM.

El transmisor está basado en un modulador de fase y cuadratura (Mod.IQ) y controlado por el Transmisor Digital Flexible (TxDF). La señal óptica ya modulada se transmite a través de 50km de fibra y con un atenuador óptico variable (VOA) se ajusta el nivel de potencia óptica recibida en el receptor. En este sistema se ha implementado un receptor coherente homodino. Tras el detector, la señal se digitaliza y se procesa en el Receptor Digital Flexible (RxDF).

Resultados El análisis comparativo de los distintos binomios conformado-formato se centrará en dos factores: la sensibilidad del receptor y la eficiencia espectral a través de la separación mínima entre canales. Para obtener la sensibilidad del receptor, se ha fijado un BER máximo de 2.2·10-3 que se corresponde con el límite FEC de 7%.

Como se observa en la tabla 1, la sensibilidad del receptor para los formatos de modulación en fase empeoran al aumentar el orden de modulación. Además, destaca la mejor sensibilidad del conformado OFDM respecto al resto de conformados pero a costa de tener una menor tasa de transmisión efectiva por la información de redundancia introducida en la trama OFDM. En cuanto a la sensibilidad de los conformados temporales Nyquist y NRZ, apenas hay diferencia.

Para los formatos de modulación QAM, la sensibilidad empeora a media que el orden de modulación aumenta y el conformado OFDM tiene una mejora en la sensibilidad respecto al resto de

37


conformados de 5 dB para 8QAM y 3dB para 16QAM.

De estos resultados se puede extraer que el conformado OFDM es el que mejores sensibilidades tiene en todos los casos pero se produce un descenso en la tasa de transmisión. Además de la menor tasa de transmisión efectiva, cabe resaltar que este conformado requiere 10dB más de potencia del láser para obtener la misma potencia a la salida del transmisor.

Tabla 1: Sensibilidad de los diferentes binomios para un FEC del 7%

Sensibilidad \Tasa

[dBm\Gbps]

Conformado de pulso

NRZ Nyquist OFDM

Form

ato

de m

odul

ació

n BPSK -47.0 \ 1.25

-48. \ 1.25

-52.0 \ 0.96

QPSK -44.0 \ 2.50

-45.0 \ 2.50

-49.0 \ 1.90

8PSK -38.7 \ 3.75

-39.2 \ 3.75

-43.5 \ 2.86

8QAM -38.9 \ 3.75

-39.0 \ 3.75

-44.0 \ 3.75

16QAM -35.9 \ 5.00

-36.9 \ 5.00

-39.8 \ 3.82

Para la determinación de la separación mínima entre canales, se estudiará la dependencia del BER de un canal en función de la separación frecuencial del canal adyacente. La separación propuesta entre canales, Tabla 2, se ha hecho en base a fijar esta separación entre canales en múltiplos de 625MHz que es la mitad del ancho de banda para los conformados Nyquist y OFDM. Además se muestra la eficiencia espectral de un canal, definida como la tasa de datos transmitida entre el espacio total ocupado del espectro incluida la guarda.

Tabla 2: Separación entre canales (GHz) y eficiencia espectral (bps/Hz) de los distintos binomios conformado-

formato.

Separación \ eficiencia

[GHz\bps/Hz]

Conformado de pulso

NRZ Nyquist OFDM

Form

ato

de m

odul

ació

n BPSK 2.5 \ 0.5

1.875 \ 0.67

1.875 \ 0.5

QPSK 3.75 \ 1

1.875 \ 1.33

1.875 \ 1.01

8PSK 3.75 \ 1

1.875 \ 2

1.875 \ 1.53

8QAM 3.75 \ 1

1.875 \ 2

1.875 \ 1.53

16QAM 3.75 \ 1.33

1.875 \ 2.67

1.875 \ 2.04

Esta separación entre canales hace posible adecuar la tasa de transmisión total de la red udWDM entre 1Tbps y 4Tbps en un canal óptico de 12nm según la

demanda de los usuarios. En el caso de que se quieran alcanzar estas mismas tasas de transmisión total usando la modulación OFDM el canal óptico tendrá que ser de 16nm debido a la menor eficiencia espectral de este conformado como ya se ha comentado anteriormente.

Conclusión En este trabajo, se han analizado cinco formatos de modulación (BPSK, QPSK, 8PSK, 8QAM y 16QAM) y tres conformados de pulso (NRZ, Nyquist y OFDM). La separación de canales y los resultados de sensibilidad muestran la viabilidad de una red óptica flexible, que permita la gestión de una tasa total variable de entre 1Tbps y 4Tbps ocupando un espectro óptico de 12nm. Para alcanzar estas tasas de transmisión totales se requiere la transmisión 800 canales espaciados 1.875GHz, empleando el binomio 1.25Gbps Nyquist-BPSK para la transmisión total de 1Tbps; 2.5Gbps Nyquist-QPSK para 2Tbps; 3.75Gbps Nyquist-QAM para 3Tbps y 5Gbps Nyquist-16QAM para 4Tbps, así como todas las combinaciones posibles de estos formatos obteniendo tasas totales intermedias

Agradecimientos: Este trabajo ha sido financiado en parte por la Diputación General de Aragón bajo el proyecto T25 y los proyectos MINECO, muCORE (TEC2013-46917-C2-2-R) y SUNSET (TEC2014-59583-C2-1-R).

Referencias

[1] GERSTEL O., JINNO M., LORD A., and YOO S.J.B., Elastic Optical Networking: A New Dawn for the Optical Layer?, IEEE Communications Magazine [on line]. 2012, 50 (2), s12-s20. Available from doi:10.1109/MCOM.2012.6146481

[2] SHAHPARI A., REIS J. D., FERREIRA R., NEVES D.M., LIMA M. and TEIXEIRA A. L., Terabit+ (192x10Gb/s) Nyquist Shaped UDWDM Coherent PON with Upstream and Downstream over a 12.8nm Band, en Proceedings de OFC/NFOEC-2013 [on line]. 2013, PDP5B.3, [viewed: 7 may 2015]. Available from doi:10.1364/OFC.2013.PDP5B.3

[3] SAMBO N., CASTOLDI P., CUGINI F., BOTTARI G., and IOVANNA P., Toward High-Rate and Flexible Optical Networks, IEEE Communications Magazine, 2012, 50, 66-72. Available from doi:10.1109/MCOM.2012.6194384

[4] International Telecommunication Union, Recomendation G.975.1: Forward error correction for high bit-rate DWDM submarine systems, 2004. http://www.itu.int/rec/T-REC-G.975.1-200402-I/en


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http://www.itu.int/rec/T-REC-G.975.1-200402-I/en

Chaotic Circuits Applied to Secure Communications Miguel García, Carlos Sánchez-Azqueta, Santiago Celma

Grupo de Diseño Electrónico (GDE) Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A)


Abstract In this paper, we discuss the use of chaotic signals in cryptography. A comparative analysis of three different analogue chaotic communication systems is presented. The paper concludes with a discussion of some possible measures that could improve the security of these systems.

IntroductionIn 1990, Pecora and Carrol proved that, surprisingly, two chaotic circuits can synchronize [1]. However, achieving the synchronization of two chaotic systems is not easy and it usually requires that the parameters of both circuits have almost the same exact values.

This opens a wide range of possibilities of using chaotic circuits in order to achieve secure communications, since we can use a chaotic transmitter to mask the information signal and a synchronous chaotic system to recover it (Fig. 1). The parameters of the chaotic transmitter can be seen as a key that is needed to know in order to build a synchronous chaotic receiver. Therefore, the security of the system will come from the high sensitivity of the synchronization versus parameter changes.

In our work, three different communication systems proposed in the literature have been analyzed. All of them were based on a chaotic transmitter synchronized with a chaotic receiver. The chaotic circuits were based on Chua’s circuit.

Experimental set upThe first circuit that has been tested in the laboratory was proposed by Kokarev [2]. The transmitter is formed by a Chua’s circuit and the receiver is formed by a slighty modified version of the Chua’s circuit (Fig. 2). The experimental set up is sketched in Fig. 3. In order to mask the information signal 𝑠𝑠(𝑡𝑡), we add a chaotic signal 𝑉𝑉𝐶𝐶1 generated by the Chua’s circuit. The masked signal r(t) is then introduced in the receiver causing a

synchronous response, assuming that the information signal is small. Finally, the synchronous chaotic signal from the receiver is substracted from the masked signal.

The second circuit that has been tested was proposed by Dmitriev [3]. The main difference from the previous circuit is that, in this case, there is a symmetry between the transmitter and the receiver as shown in Fig 4. This produces that, in this case, the synchronization will be achieved regardless of the amplitude and frequency of the information signal, 𝑠𝑠(𝑡𝑡).

Finally, we implemented a circuit that was proposed by Corron [4]. In this case, the masked signal is affecting both 𝑉𝑉′𝐶𝐶1 and 𝑉𝑉𝐶𝐶2′ as shown in Fig. 5. By doing this, the synchronization is considerably improved.

ResultsIn order to test the circuits, a sine wave was introduced as an information signal. To have a good masking of the information, its amplitude was small compared to the chaotic signal and its frequency was close to the Chua’s circuit oscillation.

In order to evaluate the quality of each system, we have calculated the Fast Fourier Transform of the masked signal as well as the recovered signal, measuring their signal-to-noise ratio. A good parameter that can be used in order to evaluate the quality of the system, taking into account both the masking capability and the quality of the recovered signal is:

Δ(𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆) = (𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆)𝑟𝑟 − (𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆)𝑚𝑚

where (𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆)𝑟𝑟 is the signal-to-noise ratio of the recovered signal and (𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆)𝑚𝑚 is the signal-to-noise ratio of the masked signal.

The results obtained in each case are summarized in Table 1.

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ConclusionsDuring these experiencies, we have shown how chaotic circuits can be used in order to improve the security of a communication system. In our test, the circuit proposed by Corron et al. [4] seems to work better than the other ones.

It needs to be pointed out that, although the analysis made in this paper may suggest that these systems are secure, some papers have shown that, in fact, the security provided by these systems is fairly low. Despite being able to provide some privacy, these systems could be cracked by an observer with enough resources.

One way to improve the security of these systems could be using multiple chaotic sources to mask the information signal better. Another approach consists in using digital chaotic systems that can provide

higher levels of security. Our research is currently being carried out on this second approach.

REFERENCES

[1]. PECORA, L.M., and CARROL, T.L. Synchronization in chaotic systems. Physical Review Letters. 1990, 64 (8), 821-824.

[2]. KOKAREV, LJ. et al. Experimental demonstration of secure communications via chaotic synchronization. International Journal of Bifurcation and Chaos. 1992, 2 (3), 709-713.

[3]. DMITRIEV, A.S., PANAS, A.I., and STARKOV, S.O. Experiments on speech and music signals transmission using chaos. International Journal of Bifurcation and Chaos. 1995, 5 (4), 1249-1254.

[4]. CORRON, N.J., and HAHS, D.W. A new approach to communications using chaotic signals. IEEE Transactions on Circuits and Systems I. 1997, 44 (5), 373-382.

Fig. 1. (a) Eye diagram (upper: original; middle: encoded; lower: decoded). (b) Corresponding spectra (black: original; grey-upper: encoded; grey-lower: decoded.)

Fig. 2. Modified Chua’s circuit schematic.

Fig. 4. Block diagram of Dmitriev’s communication system

Fig. 5. Block diagram of Corron’s communication system.

Table 1. Comparation between the three circuits.

Circuit (𝑺𝑺𝑺𝑺𝑺𝑺)𝒓𝒓 (dB) (𝑺𝑺𝑺𝑺𝑺𝑺)𝒎𝒎 (dB) 𝚫𝚫(𝑺𝑺𝑺𝑺𝑺𝑺) (dB)

Kokarev [2] 24 -25 49

Dmitriev [3] 43 -26 69

Corron [4] 65 -15 80

Fig 3. Block diagram of Kokarev’s communication system


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Linealización de Amplificadores de Potencia RF mediante Transformada Wavelet

Carlos Mateo, Pedro L. Carro, Paloma García, Jesús de Mingo y José Ramón Pérez Grupo de Comunicaciones Móviles (GCM)



Abstract Se presenta una nueva técnica para el modelado de amplificadores de potencia de banda ancha (AP) y diseño de predistorsionadores digitales (DPD). Dicha técnica consiste en descomponer la señal original en niveles multirresolución mediante la Transformada Wavelet. Se evaluará en un sistema de Radio Cognitiva WRAN (IEEE 802.22).

Introducción En los sistemas de comunicaciones actuales se utilizan esquemas multiportadora (OFDMA) con modulaciones de alta eficiencia espectral (PSK, QAM), caracterizadas por no tener envolvente constante y alto valor de PAPR. Esto hace que la señal se deforme al pasar por elementos no lineales, como lo son los amplificadores de potencia AP. Además esto produce un recrecimiento espectral en las bandas de frecuencia adyacentes (ACI). El objetivo es reducir esta distorsión sin repercutir en la eficiencia energética.

Una de las mejores opciones es el uso de predistorsionadores digitales (DPD), los cuales generan una distorsión complementaria a la del AP. Sin embargo, la ganancia total del sistema (AP + DPD) puede ser inferior a la del propio AP, disminuyendo la ganancia en la banda útil.

Tanto para modelar el PA como para diseñar el DPD a lo largo de la literatura se han utilizado versiones simplificadas de las series de Volterra [1], pero no son capaces de adaptarse a las condiciones cambiantes de la transmisión en sistemas de Radio Cognitiva. La técnica propuesta tratará de mejorar la identificación de los coeficientes tanto del AP como del DPD en sistemas con condiciones de transmisión cambiantes.

Modelo propuesto El modelo de Multirresolución propuesto consiste en descomponer la señal en varios niveles multirresolución [2] como

𝑥𝑥(𝑛𝑛) = 𝑐𝑐(𝑛𝑛)𝐽𝐽 + �𝑑𝑑(𝑛𝑛)𝑗𝑗,𝐽𝐽

𝑗𝑗=1

siendo 𝑥𝑥(𝑛𝑛) la señal de entrada, 𝑐𝑐(𝑛𝑛)𝐽𝐽 su aproximación y 𝑑𝑑(𝑛𝑛)𝐽𝐽 sus detalles. Cada nivel es obtenido de la descomposición de la aproximación del nivel anterior. El análisis multirresolución (MR) es llevado a cabo por la Stationary Wavelet Transformation (SWT), la cual mantiene el número de muestras en cada nivel. El proceso MR está basado en la función wavelet Daubechies [3], la cual asegura una independencia entre la información en la aproximación y los detalles. El proceso se hará hasta el nivel de descomposición J, obteniendo la aproximación de nivel J, los detalles del mismo nivel y del J-1. Solamente se utilizarán dos niveles de resolución para no aumentar el coste computacional en exceso.

Los parámetros de no linealidad N, de profundidad de memoria M y nivel de resolución J se han elegido mediante el método BIC, y el orden de la wavelet el cual minimiza el error producido.

Setup de medida El montaje consiste en un PC con Matlab, generador de señales Agilent E4438C, osciloscopio Agilent Infiniium DSA90804A. El dispositivo bajo test un amplificador ZHL-4240 de Minicircuits con una ganancia de de 40 dB a 774 MHz. Se ha trabajado sobre el estándar WRAN con señales OFDMA 16QAM tanto para el enlace de subida como para el de bajada con un ancho de banda de 16 MHz.

Resultados Los resultados del modelado del AP y del DPD han sido evaluados en base al NMSE, la mejora de la ACI en base a la relación (Rpot), que se define

𝑅𝑅𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 = 10𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙10(𝑃𝑃𝑎𝑎𝑎𝑎𝑗𝑗𝑎𝑎ℎ𝑃𝑃𝑎𝑎𝑎𝑎𝑗𝑗𝑎𝑎ℎ𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙

)

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Para conocer los cambios en las condiciones de transmisión se calcula la coherencia entre la señal de entrada y la de salida linealizada, definida como

𝛾𝛾(𝑡𝑡, 𝑓𝑓) =�𝑆𝑆𝑥𝑥𝑥𝑥𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙(𝑡𝑡,𝑓𝑓)�

�𝑆𝑆𝑥𝑥𝑥𝑥(𝑡𝑡, 𝑓𝑓)𝑆𝑆𝑥𝑥𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑥𝑥𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙(𝑡𝑡,𝑓𝑓)

donde Sxylin es la correlación entre la señal de entrada y la de salida linealizada, Sxx y Syy la autocorrelación de ambas respectivamente.

En la Tabla 1 aparecen los resultados obtenidos tanto para el modelo clásico polinomial (P) como para el modelo propuesto de multirresolución (M). Para ambos los valores de los parámetros son N = 7 y M = 5; mientras que para el segundo J = 2.

Tabla 1. Resultados obtenidos con predistorsionadores Polinomial (P) y Multirresolución (M).

Señal Modelo Orden wavelet

NMSE (dB)

Rpot(dB)

UL AP-P - -30,53 - UL AP-M db3 -33,34 - UL DPD-P - -31,39 0,52 UL DPD-M db6 -32,56 2,71 DL AP-P - -29,49 - DL AP-M db5 -33,94 - DL DPD-P - -32,41 0,87 DL DPD-M db4 -33,03 3,31

Se puede ver como el modelado de AP y DPD mejora con la nueva técnica en todos los casos, llegando a alcanzar 4,45 dB y 1,17 dB respectivamente. En cuanto a la mejora de la Rpot alcanza los 2,44 dB.

Conclusiones La técnica de modelado propuesta mejora el error tanto en el modelado del AP como en la identificación del DPD, obteniendo mejores resultados para el primero de los dos. Además también es capaz de reducir mejor la ACI respecto al modelo clásico polinomial. En cuanto a la coherencia también se puede ver en la Fig. 2 como es mejor al utilizar el método propuesto.

Referencias

[1]. D. R. MORGAN, Z. MA, J. KIM, M. G. ZIERDT, and J. PASTALAN. A generalized memory polynomial model for digital predistortion of RF power amplifiers. IEEE Transactions On Signal Processing, 2006, 54(10), 3852-3860.

[2]. L. HONG, G. CHEN, and C. K. CHUI. A Filter-BankBased Kalman Filtering Technique for Wavelet Estimation and Decomposition of Random Signals. IEEE Transactions on Circuits & Sistems: Analog and Digital Signal Processing, 1998, 45(2), 237-241.

[3]. S. R. CHOWDHURY, and D. CHAKRABART. Daubechies Wavelet Decomposition based Baseline wander correction of Trans-Abdominal Maternal ECG. In 6th Int. Conf. on Electrical and Computer Engineering, Piscataway: IEEE, 2010, pp. 630-633.

Fig. 1. Descomposición de la señal original en aproximaciones y detalles.

Fig. 2. Coherencia entre la señal de entrada y la señal de salida linealizada: (a) Modelo Polinomial (b) Modelo

Multirresolución.

Fig. 3. Densidad Espectral de Potencia Normalizada de la señal Uplink utilizando DPD-P y DPD-M.


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Diseño de transmisor reconfigurable optimizado en eficiencia para sistemas multi-banda empleando redes de síntesis de impedancias

José-Ramón Pérez Cisneros, Paloma García Dúcar, Pedro Carro, Jesús de Mingo Sanz Grupo de Comunicaciones Móviles (GCM)

Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A). Universidad de Zaragoza, Mariano Esquillor s/n, 50018, Zaragoza, Spain.


Abstract Se diseña una arquitectura de transmisión multi-banda y multi-estándar optimizada en eficiencia para amplificadores de potencia empleando redes de síntesis de impedancias. Se proporcionan tanto niveles de potencia superiores a 5W como PAEs superiores a 28% (410 MHz) y a 18% (700 MHz)

IntroducciónLa reconfigurabilidad y la eficiencia son aspectos clave en el diseño de “front-ends” de RF para los modernos sistemas de comunicación. Por una parte, los estándares inalámbricos operan sobre múltiples bandas de frecuencia. Y por otra, los amplificadores de potencia (APs) dominan el consumo de energía. Por ello, es un reto diseñar un AP reconfigurable que presente un alto rendimiento en una solución multi-banda y multi-estándar (MBME).

Las nuevas arquitecturas de transceptores inalámbricos reconfigurables, de alta eficiencia energética, son MBME. El uso de redes de adaptación reconfigurables (Reconfigurable Matching Networks, RMNs) ha demostrado ser la técnica más prometedora [1] de entre las propuestas para aumentar la eficiencia de estas arquitecturas. Este trabajo propone una arquitectura que utiliza dos RMNs para encontrar un esquema óptimo que maximice la eficiencia del AP en sistemas MBME.

Arquitectura de transmisión reconfigurable Se propone una arquitectura de transmisión, mostrada en la Fig.1, basada en un AP y dos RMNs que se utilizan como redes de adaptación de impedancia ajustables, a la entrada y a la salida, para lograr el rendimiento de un diseño de banda estrecha en el conjunto de frecuencias de transmisión, donde las adaptaciones de impedancias a la entrada y a la salida del transistor son las más próximas a las óptimas que provienen de un análisis Source-pull (SP) y Load-Pull (LP).

La arquitectura se optimiza en eficiencia empleando el simulador de circuitos AWR Microwave Office (MWO), por lo que tanto el AP como las topologías de las RMNs seleccionadas deben abordarse para realizar un cálculo de balance armónico.

Diseño del AP

Se diseña un AP a partir de un transistor VDMOS FET de PolyFet de 5W que se polariza en clase AB.

Redes de Adaptación Reconfigurables

Se emplean dos RMNs diferentes discretas de elementos concentrados, basadas en elementos de conmutación (ECs). Para evaluar la arquitectura en MWO se utilizan los parámetros S, medidos con un Analizador Vectorial de Redes (VNA), para todos los estados posibles de la IRMN y de la ORMN.

1) Red de entrada: Se utiliza como IRMN una RMNde banda ancha (300-800 MHz) diseñada mediante un proceso de optimización basado en algoritmos genéticos. Presenta 7 ECs y 128 estados posibles. Su descripción se encuentra en [2].

2) Red de salida: La ORMN, cuya descripción seencuentra en [3], tiene 8 ECs y 256 estados posibles.

Resultados La etapa del AP se caracteriza por medio de medidas del SP y del LP a las frecuencias seleccionadas para determinar los contornos de impedancia para potencia de salida (Pout) y eficiencia (Power Added Efficiency, PAE). La Fig. 2 muestra el LP y el SP óptimos para 410 MHz (estándar TETRA) y un nivel de potencia de entrada próximo al punto de compresión a 1 dB (30dBm). La Fig. 3 muestra la caracterización del dispositivo a 700 MHz (estándar LTE) con el mismo nivel de potencia de entrada.

Con el fin de validar la optimización de la eficiencia de la arquitectura, se diseñan dos redes de

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adaptación (MNs) fijas, a la entrada y a la salida, de banda ancha que obtienen una eficiencia cuasi-constante. La Fig. 4 compara y detalla la PAE obtenida usando las MNs fijas respecto a la PAE obtenida con la arquitectura propuesta a las frecuencias seleccionadas, 410 MHz (a)-(b) y 700 MHz (c)-(d), cuando se seleccionan adecuadamente los estados de las RMNs para un nivel de potencia de entrada próximo al punto de compresión a 1 dB. Referido al diseño con las MNs fijas, la PAE se mejora 39.37% a 410 MHz y 22.55% a 700 MHz.

Conclusiones La arquitectura de transmisión reconfigurable basada en sintetizadores de impedancias presentada obtiene un rendimiento optimizado en eficiencia en potencia para sistemas multi-banda y multi-estándar (LTE, TETRA, WRAN/IEEE 802.22,…). Esto supone un gran avance en el diseño de “front-ends” de RF reconfigurables al tiempo que los sistemas de comunicaciones inalámbricos avanzan hacia la 5G.

REFERENCIAS

[1]. UNHA, K., SUNGYOON, K., JUNGRIN, W., YOUNGWOO, K., JUNGHYUN, K. A multiband reconfigurable power amplifier for UMTS handset applications. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2012, 60(8), 2532-2542.

[2]. SANCHEZ-PEREZ, C., DE MINGO, J., GARCIA-DUCAR, P., and CARRO, P. L. Automated design of optimized tunable matching networks in the UHF band. In: IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. Piscataway: IEEE, 2012, vol. 1, pp. 1-3

[3]. SANCHEZ-PEREZ, C., DE MINGO, J., GARCIA-DUCAR, P., and CARRO, P. L. Performance improvement of mobile DVB-H terminals using a reconfigurable impedance tuning network. IEEE Transactions on Consumer Electronics. 2009, 55(4), 1875-1882.

FIGURAS

Fig. 1. Arquitectura de transmisión propuesta

Fig. 2. PAE (a) y Pout (b) LP; PAE (c) y Pout (d) SP. 410MHz

Fig. 3. PAE (a) y Pout (b) LP; PAE (c) y Pout (d) SP. 700MHz

Fig. 4. PAE obtenida para ambas arquitecturas a 410MHz (a)-(b) y a 700MHz (c)-(d)


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Transimpedance Amplifier for Short-Reach SI-POF Links

Guillermo Royo, Cecilia Gimeno, Carlos Sánchez-Azqueta, Concepción Aldea, Santiago Celma

Grupo de Diseño Electrónico (GDE) Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A)


Abstract This paper presents the design of a low-power low-voltage transimpedance amplifier for short reach applications through low-cost step index plastic optical fiber. The amplifier has been designed in a 180 nm CMOS technology and dissipates 6 mW from a supply voltage of only 1 V. The design achieves 1.25 Gb/s through 50 m POF and a sensitivity of -20 dBm considering a 10-12 BER.

IntroductionTransmitting data is essential in today's world. We are always connected and demanding a huge amount of information that grows every day. To carry all that information, the communication systems must be able to work at very high data rates. The main limitations are due to the channel, through which the information is transmitted, since the already installed copper-based channels cannot transmit data at several Gb/s [1].

Plastic optic fiber (POF) can provide a higher data rate than copper cables, it is also lighter, more flexible, and it is inmune to electromagnetic interferences, so it can be installed using the already existing electrical canalizations. Compared to glass optic fiber, its core is wider (1 mm compared to 10 - 100 μm), making POF more robust and easier to manipulate, which reduces the costs of installation and maintenance and makes POF an excellent candidate for short distance applications, such as home networks, or in the automotive industry.

On the contrary, POF suffers from high attenuation (0.2 dB/m at 650 nm) and a large area photodiode (PD) for high-efficiency light coupling is required, which will have an important parasitic capacitance. To overcome these limitations and increase the transmission length up to 50 m, highly sensitive optical receivers suitable for large area PDs have to be used [2].

In this paper we present the design of a transimpedance amplifier (TIA) that fulfills the

needs for a data rate of 1.25 Gb/s and achieves a sensitivity of -20 dBm. It has been designed to be connected to an external silicon PD of 1-mm diameter with a responsivity of 0.44 A/W and a parasitic capacitance of 3 pF.

Circuit Design Due to the high capacitance of the PD, the input impedance of the first stage of the optical receiver, the TIA, must be small. This reduces the topologies that can be used to: (i) an open loop topology with a common-gate stage (or variations of it, such as the regulated cascode); (ii) a shunt-feedback topology, which can be represented by an open loop voltage amplifier with a negative feedback network, as can be seen in Figure 1. The second one offers a higher transimpedance and the trade-offs between noise, bandwidth and transimpedance are not as tight as they are in open loop configurations. Because of that, it is the most popular TIA configuration in latest publications [3], [4], and it has been chosen for the design of the TIA presented in this work.

The transimpedance of the feedback TIA is

Where A is the module of the open loop gain of the amplifier, RF the feedback resistor, and CPD the parasitic capacitance of the photodiode.

The easiest way to implement the amplifier is a common-source (CS) stage. However, as the gain is too small, it is not possible to obtain the performance needed for POF applications, and more gain stages are needed. In this work, we propose three cascaded CS stages, which are suitable for low-voltage operation, using an NMOS (MiN) as the amplifying element and a PMOS (MiP) in the triode region in each stage (Figure 2).

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Results Simulations have been carried out using Spectre with a BSIM3v3.2 level 53 transistor model for a standard 180-nm CMOS technology. As the results depend on the PD, we have chosen a Hamamatsu silicon 5972 photodiode, which can be electrically modeled as a 3 pF capacitor. To optimize the input range we have set the output DC voltage at 750 mV, which is in the middle of the NMOS threshold voltage (500 mV) and the supply voltage (1 V).

The TIA presents a 1 GHz bandwidth and a transimpedance of 69 dBΩ, while the power consumption is of only 6 mW. With a noise simulation, the sensitivity can be calculated, obtaining a value of -20 dBm. An eye diagram with an input optical power of -20 dBm is shown in Figure 3. Furthermore, Montecarlo simulations have also been carried out for process variations and mismatch, in order to make further measurements of the behavior of the TIA. The results (Figure 4) show a standard deviation from the simulated results of approximately 15 %.

Figure 1. Block diagram of a SI-POF communication system and feedback TIA conceptual circuit.

Figure 3. Eye diagram with an input optical power of -20 dBm and 1.25 Gb/s NRZ PRBS.

Conclusions The proposed TIA overcomes both the high PD capacitance, achieving a 1 GHz bandwidth, and the high POF attenuation, presenting a transimpedance of 69 dBΩ and a sensitivity of -20 dBm. This performance should be enough for a data transmission through 50 m of POF. It is also suitable for low-power applications, since it consumes only 6 mW, and because of the supply voltage is of only 1 V, it is compatible with the most modern CMOS technologies.

References [1]. HARJANI, R. Design of High-Speed Communication

Circuits. New Jersey: World Scientific, 2006.

[2]. RAZAVI, B. Design of Integrated Circuits for Optical Communications. 1st ed. New York: McGraw-Hill, 2003.

[3]. XUEBEI YANG, A. BABAKHANI. "A 2.5 Gb/s 0.38mm2 optical receiver with integrated photodiodes in 0.18um CMOS SOI". In: 2014 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS). Piscataway: IEEE, 2014, pp. 1-4.

[4]. B. NAKHKOOB, M. MOSTAFA. "A 5-Gb/s Noise Optimized Receiver Using a Switched TIA for wireless Optical Communications". IEEE Transactions on Circuits and Systems-I: Regular Papers. 2013, 61(4), 1255-1268.

Figure 2. Topology of the proposed TIA.

Figure 4. Montecarlo simulation results with UMC L180 MM/RF 1.8/3.3 V 1P6M technology.


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Sensor inalámbrico con WiFi energizado por gradientes térmicos para la monitorización de radiadores en ambientes urbanos

Carlos Andrés Trasviña Moreno, Roberto Casas Nebra, Rubén Blasco Marín Human Openware Research Lab (HOWLab)



Abstract En el presente documento se propone la realización de un sensor WiFi para monitorización de radiadores, con el afán de controlar el consumo energético en el hogar. Dicho dispositivo contará con autonomía energética a través de un elemento de Peltier.

Introducción Hoy en día existe una gran necesidad por tener un mayor control sobre el consumo energético en el hogar. Uno de los elementos de mayor aporte y menor control en esta área son los radiadores [1], los cuales requieren ser regulados según las últimas normativas europeas [5].

Para esto se busca desarrollar un dispositivo con el cual el usuario pueda monitorizar el consumo individual de sus radiadores, de manera intuitiva y en tiempo real. Para esto se ha pensando en la realización de un sensor que pueda transmitir datos de temperatura de manera inalámbrica a una base datos de fácil acceso. Siendo que en el hogar es común encontrar una infraestructura de comunicaciones WiFi, se decidió emplear este protocolo para la transmisión de datos. Como característica adicional, se busca dejar atras las fuentes de alimentación convensionales, como baterías alcalinas y/o recargables, por energías ambientales renovables.

Para esto se realizaron distintos análisis en las áreas de electrónica de bajo consumo y energy harvesting, las cuales se describen en la siguiente sección.

Metodología Electrónica de bajo consumo

Para poder lograr una verdadera autonomía energética, es necesario que los componentes electrónicos a seleccionar se encuentren optimizados para bajo consumo energético. Esto

significa que tendrán, como mínimo, modalidades de dormir y activo, donde se podrá reducir el consumo hasta los nA.

Adicionalmente, se requiere implementar estrategias de bajo consumo en el firmware del dispositivo [4]. Estas estrategias dependerán fuertemente del tipo de protocolo de comunicaciones, así como el módulo de radio seleccionados, ya que no todos se encuentran optimizados para el uso de una u otra estrategia.

Para el actual diseño se propone la utilización de un PIC24FJ256GA106 y un módulo de WiFi-b MRF24W0BMA. Estos dispositivos, de acuerdo a sus hojas de especificaciones, presentan modalidades de consumo de tipo dormir, donde su consumo puede llegar a reducirse haste el orden de los nano amperios.

Posteriormente se decidió diseñar el firmware en base a una estrategia de medición y transmisión bajo demanda, es decir que se realizarían estas actividades bajo ciertos intervalos previamente definidos (Tabla 1).

Habiendo previamente medido los tiempos de sensado y transmisión que le toma al dispositivo sensor, es posible calcular la carga que será requerida para un intervalo de 24 horas de operación continua por parte del bloque de energy harvesting (Tabla 1).

Energy Harvesting

Dentro del área de energy harvesting se encuentran diversas fuentes ambientales de las cuales es posible extraer energía, sin embargo no todas resultan favorables para uso en interiores. Las que presentan mayores densidades energéticas en este tipo de ambientes son la energía lumínica y térmica [3]. Tomando en cuenta que el objeto a analizar es una fuente de radiación térmica, y considerando las densidades energéticas previamente mensionadas, se

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decidió utilizar este mismo para la generación de energía del dispositivo sensor.

Debido a que la energía emitida por el radiador variará en magnitud a lo largo del tiempo, la cantidad de energía a aprovechar será muy intermitente. Es por esto que se deberá diseñar una etapa de acondicionamiento, almacenamiento y gestión energética, con la cual poder obtener el máximo potencial de nuestra fuente ambiental [2]. Con las estimaciones de consumo del dispositivo sensor, así como las expectativas energéticas por parte del bloque de energy harvesting, se deberá adecuar el tamaño del reservorio energético para poder proveer alimentación de manera continua, aún cuando se este generando poca energía

Para esta implementación se seleccionó un elemento Peltier para su uso como un generador termoeléctrico, al cual se le adhirió un disipador de calor para maximizar su eficiencia. Posteriormente la salida del Peltier se conectaría a un integrado con un convertidor step-up y gestionador de energía con salidas configurables a distintos voltajes. Como reservorio se seleccionó un supercondensador, el cual es capaz de soportar el consumo, del dispositivo sensor, de tipo impulso [2]. Esta etapa se implemento y probó en un ambiente controlado de laboratorio para presentar los resultados expuestos en la Figura 1.

Conclusiones En el presente abstract se propone el diseño de un dispositivo sensor WiFi con energy harvesting térmico, con la finalidad de auditar radiadores de

hogar en tiempo real. Con las comprobaciones teóricas del consumo del sensor inalámbrico, así como los resultados de la experimentación en laboratorio del módulo de harvesting, es posible comprobar que una implementación de este tipo resulta viable bajo distintos escenarios con un esquema de sensado y tranmisión bajo demanda.

REFERENCIAS

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[2]. PENELLA, M.T., ALBESA, J. and GASULLA, M. Powering Wireless Sensor Nodes: Primary Batteries Versus Energy Harvesting. In: IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference, 2009. I2MTC '09. Piscataway: IEEE, 2009, pp. 1625-1630.

[3]. TAN, Y.K. and PANDA, S.K. Energy Harvesting from Hybrid Indoor Ambient Light and Thermal Energy Sources for Enhanced Performance of Wireless Sensor Nodes. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2011, 58(9), 4424-4435.

[4]. TRASVINA-MORENO, C.A., et al. WiFi Sensor Networks: A Study of Energy Consumption. In: 2014 11th International Multi-Conference on Systems, Signals & Devices (SSD). Piscataway: IEEE, 2014, pp. 1-6.

[5]. UNION EUROPEA. Directiva 2012/27/UE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 25 de octubre de 2012, relativa a la eficiencia energética. Diario Oficial de la Unión Europea L 315, 14 de Noviembre de 2012, pp. 1–56.

Tabla 1 - Escenarios de Prueba

Escenarios #

Sensar cada

Transmitir cada

Carga

5 600s 600s 20.2C

6 10s 600s 22.2C

7 600s 24h 6.96C

8 60s 4h 7.74C

9 600s 3h 7.61C 0

1

2

3

4

242

484

612

6816

9021

1225

3529

5733

7938

0142

2346

4550

6754

8959

11

Módulo WiFi

Microcontrolador

Celda Peltier

Supercondensador

Figura 1 – Gráfico de Voltaje (v) vs Tiempo (s)


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DIVISIÓN DE TECNOLOGÍAS INDUSTRIALES

Recubrimientos decorativos semitransparentes realizados mediante pulverización catódica

Enrique Carretero, Rafael Alonso Grupo de Tecnologías Fotónicas (GTF)



Abstract El presente trabajo aborda el desarrollo de recubrimientos decorativos con propiedades ópticas controladas. Se presenta una propuesta de multicapa así como un análisis de las posibilidades estéticas que ofrece.

Introducción Las curvas espectrales de reflexión y transmisión de recubrimientos de capas finas formadas por múltiples capas pueden ajustarse haciendo uso de la interferencia entre las múltiples reflexiones en las intercaras formadas entre las capas [1]. Este fenómeno es ampliamente usado para la fabricación de filtros ópticos.

Material y métodos Los recubrimientos fueron depositados mediante la técnica de pulverización catódica asistida por campo magnético o “magnetron sputtering” en una instalación a escala piloto industrial capaz de realizar recubrimientos homogéneos sobre grandes áreas planas de hasta 600x300mm.

Como materiales, se usaron capas metálicas de Sst 316 y capas dieléctricas de SiAlNx haciendo uso de sputtering reactivo a partir de un blanco de una aleación de Si (90%) y Al (10%) [2]. El tamaño de los blancos de material fue de 600x100mm.

Las deposiciones han sido realizadas en un vacio con una presión base del orden de 10-6mbar e introduciendo los gases de proceso, generalmente Ar en sputtering no reactivo y N2 en caso de realizar sputtering reactivo, hasta alcanzar una presión de trabajo del orden de 10-3mbar, lo que equivale a un flujo total de aproximadamente 200sccm para la instalación utilizada. Para la pulverización de los blancos se utilizó una potencia de 1kW para el Sst 316 y un flujo de 200sccm de Ar mientras que en el caso del SiAl se usó una potencia de 2,5kW y unos flujos de 100sccm de N2 y 100sccm de Ar.

La caracterización óptica fue realizada con un espectrofotómetro capaz de medir reflexión por ambas caras y transmisión del recubrimiento en un rango de longitudes de onda desde 300 a 2500nm. De esta forma, pueden calcularse las coordenadas de color CIELAB 1976, así como la diferencia de color entre dos muestras como

( ) ( ) ( )2 2 2E L a b∆ = ∆ + ∆ + ∆

La estructura multicapa finalmente estudiada, estuvo formada por un total de 5 capas del tipo: Sustrato/Dieléctrico/Metal/Dieléctrico/Metal/Dielectrico [3].

Resultados y discusión La estructura multicapa con 5 capas ha demostrado una amplia flexibilidad para seleccionar el aspecto estético del recubrimiento con gran independencia de la transmición óptica requerida, debido a que la reflexión del recubrimiento viene especialmente definida por las 3 primeras capas del recubrimiento. La cuarta capa, será un metal con gran absorción óptica, de forma que mediante el control de su espesor puede determinarse la transmisión óptica que tendrá el recubrimiento. Por último, la quinta capa únicamente tendrá funciones de protección, debido a su mayor resistencia mecánica y la labor de barrera que hace para evitar que las capas metálicas interiores se oxiden.

Se han realizado recubrimientos de diversas tonalidades, Figura 1, siendo la estructura en todos casos similar, cambiando únicamente el espesor de las capas.

Así mismo, se hicieron muestras que teniendo una diferencia de color con 3E∆ < en reflexión, tuvieran diferentes transmitancias, Tabla 1, esto se consiguió modificando especialmente el espesor de la cuarta capa, encargada de determinar la opacidad del recubrimientos, modificando el espesor de esta capa entre 20 y 35nm se pueden obtener

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transmitancias que varían entre el 14 y el 5%, Figura 2, mientras que en el resto de capas apenas hubo que hacer ligeros ajustes.

Tabla 1: Estructura de capas que forman el recubrimiento y sus características ópticas de transmisión y reflexión.

Conclusiones La deposición de recubrimientos decorativos semitransparentes mediante la técnica de sputtering ha demostrado tener una amplia flexibilidad en cuanto a la posibilidad de escoger tanto el aspecto estético en reflexión como el poder seleccionar el valor de la transmisión óptica simultáneamente. Se ha comprobado como una estructura adecuada puede adaptarse a los requerimientos deseados con pequeñas modificaciones.

REFERENCIAS

[1]. THELEN, A. Design of Optical Interference Coatings. New York: McGraw-Hill, 1989.

[2]. MA, P., LIN, F., DOBROWOLSKY, J.A. Design and manufacture of metal/dielectric long-wavelength cutoff filters. Applied Optics. 2001, 50(9), C201–C209.

[3]. BSH ELECTRODOMESTICOS ESPAÑA. Placa de cocción, y campo de cocción con una placa de campo de cocción correspondiente. España, Patente No 2392713. 04-Oct-2012.

Figura 1: Muestras realizadas de diferentes tonalidades en reflexión. Figura 2: Comparación de espectros de transmisión y

reflexión de diferentes muestras.

Capa nº Material d1 (nm) d2 (nm)

1 SiAlNx 16 162 Sst 8 83 SiAlNx 86 824 Sst 20 355 SiAlNx 50 50

14 5L 53,6 55,3a -7,5 -8,9b -25,3 -25,4

Coordenadas de color

(reflexión)

Transmisión (%)


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Hertz-Resolution Analog Quadrature Sine Oscillator. Application to Portable Lock-In Amplifiers

Daniel García Romeo, Pedro Martínez, Belén Calvo, Nicolás Medrano Afiliación: Grupo de Diseño Electrónico (GDE)


Tel. +34-976762707, e-mail: dgromeo @unizar.es

Abstract This paper presents the implementation of an analog quadrature sine oscillator capable of generating variable frequency quadrature signals, ranging from 1-100 kHz with less than 2 Hz resolution and a peak-to-peak voltage of 3 V operating at a 3.3 V single supply, to be utilized in high performance portable instrumentation.

Motivation Lock-in amplifiers (LIA) are a powerful technique to recover information from sensors even though the response of these sensors is too small or is buried in larger noise signals. Although current commercial LIAs are heavy and power-hungry, previous work from the authors proved the implementation of a low-voltage single supply analog LIA processing square wave signals [1-2]., which constitutes an optimal solution for battery-operated microcontrolled systems. However, the use of square signals is not a feasible solution in all sensing applications; it supposes some drawbacks that are needed to be considered, especially when parasite effects are revealed. Thus, a quadrature sine wave generator is needed to develop a general purpose LIA. A review of literature brings out several low-voltage low-power analog structures based on operational amplifiers capable of delivering quadrature signals [3]. The usual frequency control approach involves using variable resistive elements, which implies strong restrictions in terms of magnitude variation and tolerance, rendering an unsuitable solution. Additionally, commercial quadrature oscillators are neither a feasible solution for low-powered system due to its high consumption requirements [4].

It is based on a variable analog oscillator scheme using fast operational amplifiers as basic building blocks, but instead of an analog control method, it exploits a new method to digitally control the quadrature output frequencies that allows reaching the mentioned resolution, overcoming the intrinsic

limitations from variable analog oscillators in terms of frequency variation.

Conclusions The proposed actuation system, based on an analog oscillator scheme using operational amplifiers as active cells and including a novel digitally controlled frequency approach employing DACs, is shown in Figure 1. It has been implemented in a PCB prototype, using COTS (Figure 2), powered by a 5 V line from a USB-mini Standard connector. This voltage is reduced to 3.3 V to feed the rail-to-rail high slew-rate operational amplifiers MAX4231 from Maxim Integrated. Figure 3 shows the quadrature sine wave outputs VA, VB. These signals present identical amplitude value and a high quality spectrum for a frequency value up to 100 kHz. The spectrum of the output signal, for 80 kHz, is plotted in Figure 4; the difference between the first and second harmonic is larger than 40 dB. Figure 5 shows the frequency resolution of the outputs, by using 12 effective bits from the 16-bit DAC. This device can be varied in 28671 positions for a frequency variation of 41610 Hz achieving a resolution of less than 2 Hz.

REFERENCES

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[2]. AGUIRRE, J. GARCIA-ROMEO, D. MEDRANO, N. CALVO B. and CELMA, S. Square Signal Based Algorithm for Analog Lock-in Amplifiers. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2014, 61(10), 5590-5598.

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[4]. TEXAS INSTRUMENTS. Precision quadrature oscillator. Burr-Brown products from Texas Instruments. Dallas: Texas Instruments, 2004. Operating Manual.

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Fig. 2: Detailed image of the implemented analog oscillator.

Fig. 3: Sine wave outputs for a frequency value of 80 kHz.

Fig. 5: Frequency range reached by the wave outputs compared with the digital words (in decimal representation)

programmed in the DAC devices. Fig. 4: Spectrum analysis from a sine wave output for

a frequency value of 80 kHz.

Fig. 1: Quadrature analog sine oscillator structure including a novel digitally controlled frequency approach employing DACs.


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