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Universidad Santo Tomás,
Bucaramanga, Colombia
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Bucaramanga, Colombia
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ISSN 1692 - 1798
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Bucaramanga - Santander
Contenido
Revista ITECKNE Vol 8 Nº 1 enero - junio de 2011
Editorial..........................................................................................................................................................................5
ARTÍCULOS DE INVESTIGACIÓN E INNOVACIÓN
Pruebas de ecotoxicidad para establecer el potencial genotóxico del hipoclorito de sodio, mediante
bulbos de cebolla Allium cepa L y semillas de lechuga Lactuca sativa L como bioindicadores.
Ecotoxicity Test used to establish the genotoxic potencial of sodium hypoclorite using onion
bulbs of Allium cepa L and seeds of lettuce Lactuca sativa L as bioindicators........................................................7
Marlyn Catalina Ortiz Villamizar,Ricardo Restrepo Manrique, Diana Reyes Quesada
Efecto del hierro en el crecimiento y acumulación de lípidos en la microalga colombiana Chlorella
Vulgaris LAUN 0019.
Iron effect on growth and lipid accumulation in the colombian microalga Chlorella vulgaris LAUN 0019..............15
Luis Miguel Serrano Bermúdez, Carlos Andrés Álvarez Sierra, Paulo César Narváez Rincón,
Daniel Mauricio Ramírez Landínez, Juan Manuel Torres Parra, Rubén Darío Godoy Silva
Empleo de las microalgas en la fijación del CO2 presente en los gases de chimenea de equipos
industriales de combustión en Colombia.
Use of microalgae in the fixation of CO2 existing in chimney of industrial combustion
equipments in Colombia..............................................................................................................................................23
Andrea Paola Díaz Ovalle, Ricardo Restrepo Manrique
Modificación superficial de un acero AISI SAE 1045 mediante la implantación de iones
de nitrógeno y titanio.
AISI SAE 1045 Steel Superficial Modification Through the Implantation of Nitrogen and Titanium Ions..............31
Ely Dannier V. Niño, Darío Y. Peña, Deicy Viviana Salinas, Luisa Fernanda Chinchilla
Tecnología del plasma aplicada a problemáticas en el sector hidrocarburos en Colombia.
Plasma Technology as Applied to the Range of Problems of the Hydrocarbons Sector in Colombia......................37
Hernán Alfonso Garnica, Valeriy Dugar-Zhabon, Ely Dannier Valbuena Niño
Caracterización de aleaciones de magnesio mediante microscopía de fuerza atómica con sonda
Kelvin de barrido (SKPFM).
Characterization of Magnesium Alloys by Scanning Kelvin Probe Force Microscopy (SKPFM)..............................42
Ana Emilse Coy Echeverría, Sandra Judith García Vergara, Peter Skeldon, Fernando Viejo Abrante,
George E. Thompson, A M´hich
Formación de películas anódicas en una aleación Al-W: Migración de fósforo.
Migration of Phosphorus within Anodic Films Formed on an Al-W Alloy...................................................................47
Sandra Judith García Vergara, Fernando Viejo Abrante, Peter Skeldon, Ana Emilse Coy Echeverría,
George E. Thompson
Desarrollo de filtro pasa banda larga con ceros de transmisión para sistemas de comunicación
Ultra-Wideband.
Long Band Pass Filter Development with Transmission Zeros for an Ultra-Wideband (UWB)
Communications Systems...........................................................................................................................................54
Sara María Yepes Zuluaga
Metodología de análisis por medio de simulación de la modulación M-QAM sobre
un canal afectado por desvanecimiento y efecto Doppler.
A Method of Analysis by Simulation of the M-QAM Modulation over a Channel
Affected by Fading and Doppler Effect...........................................................................................................................61
Camilo Torres Zambrano, Carlos Iván Páez Rueda
New elements of relativistic electrodynamics for generating useful work from permanent
magnets: A review.
Nuevos Elementos de la Electrodinámica Relativista para la Generación de Trabajo
Útil a partir de Imanes Permanentes: Una Revisión..................................................................................................70
Álex Ómar Galindo Palacio, Édilson Delgado Trejos, Carlos Alberto Acevedo Álvarez
Minimización de la distorsión armónica de una modulación PWM con algoritmos genéticos.
Harmonic Distortion Minimization of a PWM Modulation using Genetic Algorithms...............................................79
Andrés Fernando Lizcano Villamizar, Aldo Pardo García, Jorge Luis Díaz Rodríguez
Sistema manipulador antropomórfico de tres grados de libertad.
Three Degree of Freedom Anthropomorphic Manipulator System..........................................................................87
Iñaki Aguirre Gil, César Arismendi, Luis Andueza
Visión estereoscópica en sistemas de visualización inmersiva – Ejemplos prácticos.
Stereoscopic Vision in Immersive Visualization Systems – Practical Examples......................................................96
Julio César Ordóñez López, Wilson Javier Sarmiento, Cristian David Quintero, Alexander Cerón Correa
Instrucciones a los autores Revista ITECKNE...........................................................................................................107
Instructions to the authors, ITECKNE journa............................................................................................................110
La revista ITECKNE es una publicación de la División de Ingenierías de la Universidad Santo Tomás, Seccional de Bucaramanga, integrada
por las Facultades de Ingeniería de Telecomunicaciones, Ingeniería Mecatrónica, Ingeniería Industrial y Química Ambiental. Actualmente
la Revista está indexada en el Índice Bibliográfico Nacional Publindex y en el Sistema Regional de Información en Línea para Revistas
Científicas de América Latina, el Caribe, España y Portugal LATINDEX, y ha sido aceptada en el sistema de bases de datos de EBSCO (Fuente Académica). Su objetivo es la divulgación de los resultados científicos y tecnológicos de las investigaciones que se realizan en su seno,
y en otras universidades a nivel nacional e internacional. La revista cuenta con la participación de diversos investigadores nacionales e
internacionales, por esta razón recibe contribuciones en idiomas Español e Inglés. La revista ITECKNE está dirigida a estudiantes, docentes
e investigadores interesados en las áreas en las que se inscribe cada una de las publicaciones.
La revista aceptará preferiblemente artículos de investigación e innovación con un alto nivel de calidad, y también aceptará artículos
cortos y reportes de caso.
Editorial
En la ejecución del Plan Estratégico de Desarrollo de la Revista ITECKNE, que busca esencialmente aumentar la calidad y la visibilidad de
sus publicaciones, el Comité Editorial ha decidido además, implementar
nuevos esquemas de trabajo colaborativo que permitan aunar esfuerzos y
crear mecanismos de cooperación que permitan la optimización del trabajo. En ese sentido, es del mayor agrado informar a nuestros lectores, autores y pares evaluadores, dos grandes avances para la Revista: la indexación
internacional en EBSCO, y la pertenencia a la Red Colombiana de Revistas
de Ingeniería, RCRI.
Recientemente la revista ITECKNE, luego de un riguroso proceso de evaluación, ha sido aceptada para indización en las bases de datos de EBSCO
en las que se incluyen prestigiosas revistas Iberoamericanas arbitradas y
de alta calidad editorial. Entre los beneficios de indizar nuestra revista en
las bases de datos de EBSCO, está la apertura de una opción de visibilidad
que incrementa la difusión y las consultas y posibilita las citas a los artículos. Este logro apoya el cumplimiento de uno de los objetivos de la Revista,
con el que se busca, que la literatura científica publicada en ella se difunda
eficaz y rápidamente en la región, consolidándola a nivel internacional.
Los resultados de la evaluación realizada por el comité de EBSCO, concluyen que la Revista ITECKNE cumple satisfactoriamente con evaluación
positiva con los siguientes parámetros de calidad editorial:
Características Básicas. Los ítems evaluados son: lugar de edición,
Comité Editorial y Comité Científico cuyos miembros son externos y extranjeros; ISSN; inclusión de la publicación en índices o abstractos e integrada
en índices de calidad nacionales, regionales y sistemas de información de
acceso abierto; presentación de la publicación con información general tal
como presentación, datos de contacto con el comité editorial y para obtención de suscripciones, es posible encontrar elementos como, definición de
la revista y tabla de contenido; se identifican los siguientes elementos en
cada artículo: filiación de autores y datos de contacto por artículo, fechas
de recepción y aceptación, membrete bibliográfico.
Características de Política Editorial. Los ítems evaluados son: definición
de la revista, política editorial y apertura editorial en el comité de árbitros,
con un sistema de selección, evaluación y arbitraje de los trabajos a publicar; antigüedad, periodicidad y puntualidad.
Características del Contenido. Los ítems evaluados son: contenido,
cuenta con artículos originales de investigación científica; instrucciones a
los autores, sugerencia de elaboración de referencias identificadas den-
tro de las instrucciones a los atores; resumen al inicio de cada artículo en
idioma original e idioma extranjero (inglés); palabras clave al inicio de cada
artículo en idioma original e idioma extranjero (inglés).
A partir de esta avaluación EBSCO concluye que “la revista ITECKNE es
una publicación que cuenta con la calidad editorial requerida para su indización en las bases de datos de EBSCO”. Concluido este procedimiento,
resta la firma del convenio de licenciamiento de contenidos para formalizar
la inclusión de la revista en las mencionadas bases de datos.
De otro lado, la revista ITECKNE, hace parte hoy día de la Red Colombiana de Revistas de Ingeniería, RCRI, un mecanismo de cooperación científica, académica y de investigación, que tiene como misión aunar esfuerzos
para compartir criterios de publicación de las revistas asociadas, por medio
del intercambio de experiencias e ideas, y fortalecer lazos de integración y
cooperación mutua, con el fin de mejorar la calidad científica y editorial de
las publicaciones en ingeniería.
Para la revista ITECKNE es de gran importancia la pertenencia a la red,
ya que en el cumplimiento de sus objetivos, es posible establecer mecanismos de cooperación para el intercambio de información entre las revistas
científicas a nivel local, regional y global; fortalecer los procesos de divulgación y la visibilidad de las publicaciones científicas especializadas en ingeniería; publicar información relevante para los editores, investigadores y
lectores de las revistas de ingeniería; reflexionar sobre el impacto que tiene
la producción científica en ingeniería y el nivel de apropiación de dicho conocimiento para el desarrollo social, económico, cultural y ambiental en el
ámbito local, regional y nacional; y velar por el cumplimiento de las normas
sobre Propiedad Intelectual.
Sea esta la oportunidad para agradecer a autores e integrantes de los
diferentes comités de la Revista ITECKNE, cuya confianza y arduo trabajo
han hecho posible los logros obtenidos, logros que redundan en el aumento
de la calidad y la visibilidad de nuestra publicación.
Luis Omar Sarmiento Álvarez, PhD (c)
Editor
[email protected]
Pruebas de ecotoxicidad para establecer el
potencial genotóxico del hipoclorito de sodio,
mediante bulbos de cebolla Allium cepa L y
semillas de lechuga Lactuca sativa L como
bioindicadores
Ricardo Restrepo Manrique
Esp. en Química Ambiental,
Universidad Industrial de Santander
Docente, Investigador Grupo GIA,
Universidad Santo Tomás USTA
Bucaramanga, Colombia
[email protected]
Marlyn Catalina Ortiz Villamizar
Estudiante de Química Ambiental,
Universidad Santo Tomás USTA
Bucaramanga, Colombia
[email protected]
Diana Reyes Quesada
Estudiante de Química Ambiental,
Universidad Santo Tomás USTA
Bucaramanga, Colombia
[email protected]
Resumen— Se realizan pruebas de toxicidad mediante
bulbos de cebolla (Allium cepa) y se confrontan los resultados con la prueba en semillas de lechuga (Lactuca
sativa), bioindicador reconocido internacionalmente según la OECD. Las pruebas se montaron en hipoclorito
de sodio (NaClO) al 5%, concentración comercial para
uso doméstico. El objetivo principal de este trabajo es
el de establecer el nivel de toxicidad de este producto y
confrontarlo con las concentraciones de uso doméstico,
siguiendo las recomendaciones del fabricante. Las plantas utilizadas como bioindicadoras permiten establecer
las concentraciones de inhibición (CI50) y la genotoxicidad, a partir de las células meristemáticas de la cebolla
(Allium cepa).
Abstract— The toxicity test that we made use bulbs of
onion (Allium cepa) and compared the results with the
test of lettuce seeds (Lactuca sativa), like a bioindicator
recognized by internationally to the OECD. The tests were
made on sodium hypochlorite (NaClO) to 5%; this concentration is for the domestic use. The main objective for
this work is establish the level of toxicity to that product
y compared with the concentrations for the domestic
use, following the manufacturer’s recommendations. The
plants used like bioindicator allow establish the inhibition
concentrations (IC50) and genotoxicity, from meristematics cells of onion (Allium cepa)
Los resultados obtenidos son coincidentes, el hipoclorito de sodio es tóxico para ambas plantas, obteniéndose
una CI50 de 17,27 mg NaClO/l para la lechuga (Lactuca
sativa) e inferior a 5 mg NaClO/l para cebolla (Allium
cepa), concentraciones muy inferiores a las que se usa
en las dosificaciones domésticas. Se manifestaron aberraciones cromosómicas en células meristémicas de
Alluim cepa como anafase con puente, rompimiento de
cromosomas en metafase, malformación de células con
núcleos periféricos y telofase con pérdida de cromosomas, todas estas reconocidas internacionalmente como
aberraciones generadas por sustancias químicas tóxicas. Así mismo, se establece la especie Alliun cepa es
más sensible que Lactuca sativa, y es viable realizar los
montajes con cebolla a nivel de laboratorio. Sus resultados se constituyen como complemento en el diagnóstico genotóxico de aguas naturales o en ecosistemas
receptores de vertimientos.
Palabras clave— Bioindicadores, pruebas de toxicidad,
hipoclorito de sodio, genotoxicidad, Allium cepa, Lactuca sativa.
The results obtain are consistent, the sodium hypochlorite
is toxic to both plants, obtained a IC50 of 17.27 mg NaClO/l
for lettuce (Lactuca sativa) and less 5 mg NaClO/l for onion
(Allium cepa), the concentrations are much lower than the
people use in their houses. The chromosomal aberrations
were showed in meristem cells of Allium cepa as bridge
anaphase, chromosome breakage in metaphase, malformation of cells with eccentric nuclei and telophase with
chromosome loss, those chromosomal aberrations are recognized internationally like aberrations generated by toxic
chemical substances. Thus concludes that specie Allium
cepa is more sensitive than Lactuca sativa, and it is feasible
to conduct experiments in the laboratory with onion. Their
results are complement to genotoxic diagnosis for the natural waters or recipient ecosystems of discharge.
Keywords— Bioindicator, toxicity tests, sodium hypochlorite, genotoxicity, Allium cepa, Lactuca sativa
I. INTRODUCCIÓN
La contaminación de los recursos naturales
cada día aporta más compuestos químicos en los
Recibido: 26/11/2010/ Aceptado: 15/05/2011/ ITECKNE Vol. 8 Número 1 • ISSN 1692 - 1798 • Julio 2011 • 7 - 14
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ITECKNE Vol. 8 Número 1 • ISSN 1692 - 1798 • Julio 2011 • 7 - 14
cuerpos de agua, asociados a las actividades industriales, agropecuaria, porcicultura, avicultura,
hasta los mismos municipios que vierten los residuos sólidos y líquidos sin la total remoción de los
elementos contaminantes.
Un agua clara y potable es una necesidad humana básica; sin embargo, el acceso a ella es aún
una gran dificultad para muchas comunidades de
países en desarrollo. La contaminación de agua
por organismos patógenos constituye todavía una
fuente de enfermedades importante en estos países, un gran número de poblaciones se enfrenta,
además, con una contaminación química creciente proveniente del uso de agroquímicos, actividades industriales y fuentes domésticas. A pesar de
este panorama, en las décadas pasadas se ha trabajado intensamente en el desarrollo y validación
de diversos métodos de diagnóstico fisicoquímico
del agua, y varias técnicas han sido adaptadas
para uso a nivel de comunidad de manera sustentable.
Por acción biológica, física o química, estos
compuestos se complejizan en el medio y muchos
de estos se transforman en componentes más
tóxicos que sus generadores, constituyéndose en
un riesgo ambiental y de salubridad cuando estos
recursos son aprovechados por la comunidad. La
analítica química no ha desarrollado aún las marchas y procedimientos para detectar la presencia
de estos componentes en el medio, es acá donde
la toxicología ambiental, a través de las pruebas
de ecotoxicidad, permite dilucidar cualitativamente la presencia de estas sustancias nocivas, se
advierte el riesgo de utilizar el recurso para consumo doméstico.
II. TOxICOLOGÍA AMBIENTAL y
ECOTOxICOLOGÍA
Los términos Toxicología Ambiental y Ecotoxicología describen los estudios de los efectos adversos sobre los organismos vivos que originan las
sustancias químicas cuando entran en contacto
con el medioambiente. [1]. Existe una tendencia
a denominar Toxicología Ambiental sólo a los estudios sobre los efectos directos de los químicos
medioambientales en los humanos y Ecotoxicología al estudio de los efectos de los químicos en los
ecosistemas y sus componentes no humanos. Sin
embargo, los humanos no estamos aislados del
medioambiente natural sino que somos una parte
integral de él y él es modificado por nuestras acciones directas o indirectas. [2].
La Ecotoxicología es una disciplina joven y fue
definida por primera vez en 1974, hace poco más
de 30 años, por René Truhaut. En la concepción
como rama de la Toxicología intenta combinar la
Ecología y la Toxicología. [2]. La Ecotoxicología
pretende no sólo evaluar el impacto de los químicos en el hombre sino también en las poblaciones
y los ecosistemas. [1].
Una definición más completa de Ecotoxicología fue propuesta por Kruijf en 1988 [3] cuando
planteó que es el campo de estudio que integra
los efectos ecológicos y toxicológicos de los contaminantes químicos en las poblaciones, comunidades y ecosistemas con el destino (transporte,
transformación y degradación) de tales contaminantes en el ambiente.
La mayor parte de la información toxicológica
disponible en el mundo está relacionada con los
efectos directos de las sustancias químicas en el
humano, los animales domésticos y los modelos
de mamíferos utilizados en los ensayos de toxicidad. Sin embargo, la información toxicológica
relacionada con los animales naturales, plantas y
microorganismos en condiciones naturales sigue
siendo escasa. [4]. Los ensayos de toxicidad clásicos comúnmente involucran la administración
de determinada sustancia a una población de una
especie seleccionada bajo condiciones controladas. Esta población, por lo general, se encuentra
controlada y aislada de posibles interacciones con
otros organismos y sustancias químicas. En estas
condiciones los ensayos son repetibles y por tanto
científicamente aceptados. En contraposición, los
estudios ecotoxicológicos se hacen más complejos y requieren una rigurosa estandarización ya
que el ambiente natural es altamente variable y
casi imposible de reproducir en condiciones de
laboratorio. [5].
Para evaluar el riesgo que una sustancia impone en el ambiente acuático se considera, entre otras, la toxicidad en las concentraciones ambientales. Según Newman [2], la predicción de la
toxicidad producida por los contaminantes en un
medio acuático es muy compleja. El efecto de la
toxicidad dependerá de la agresividad del substrato (composición química, dispersión en el medio,
concentración, efectos sinérgicos o antagónicos
Pruebas de ecotoxicidad para establecer el potencial genotóxico del hipoclorito de sodio, mediante bulbos de cebolla Allium cepa L y
semillas de lechuga Lactuca sativa L como bioindicadores - Restrepo, Ortiz, Reyes
de contaminantes asociados, entre otros), de la
resistencia puesta por el ser vivo (asimilación, acumulación, inhibición, muerte, entre otros) y de las
características del medio acuático (pH, temperatura, concentración de oxígeno y dióxido de carbono
disueltos, sólidos totales disueltos, entre otros).
En función de las limitaciones que los análisis
fisicoquímicos imponen, las pruebas de toxicidad
con organismos acuáticos y terrestres han sido
utilizadas en países altamente industrializados
como Alemania, Canadá, Francia y Estados Unidos. A través de estas pruebas se pueden establecer patrones de emisión descriptivos que permitan identificar problemas de lanzamiento de
mezclas de sustancias tóxicas, establecer prioridades de control en regiones críticas y acciones
correctivas apropiadas, como monitorear un ecosistema acuático teniendo en cuenta los usos preponderantes de las aguas. [6].
Las plantas terrestres son el blanco de las fumigaciones y por lo tanto más vulnerables a la acción directa intencional o no de los plaguicidas.
Cedergreen y colaboradores [7] plantearon que
debe otorgársele una prioridad mayor a la evaluación del riesgo en estas plantas pues actualmente
la utilización sólo se sugiere. Ha sido demostrado
en varios experimentos muy recientes que el valor de la extrapolación de los ensayos con plantas
acuáticas a plantas terrestres es muy limitado. [8],
[9], [10]. Dentro de este contexto, se han identificado plantas terrestres como bioindicadoras de
la presencia de tóxicos tanto en aguas como en
suelos y se han constituido como centinelas de
contaminantes en estos medios. La OECD (Guidelines for the Testing of Chemicals) [11], establece
las especies bioindicadoras para el desarrollo de
pruebas de toxicidad en los diferentes protocolos
de aplicación en ecotoxicologia. Dentro de estas
especies se encuentran la lechuga (Lactuca sativa L) y la cebolla (Allium cepa L).
El hipoclorito de sodio se utiliza a gran escala.
Por ejemplo en la agricultura, industrias químicas,
pinturas, industrias de alimentación, industrias
del cristal, papeleras y farmacéuticas, industrias
sintéticas e industrias de disposición de residuos.
La desinfección tiene por finalidad la destrucción de microorganismos nocivos a la salud, para
el control de infecciones y enfermedades. La acción del Hipoclorito de sodio se debe esencialmente a la liberación de Cloro activo. El mecanismo de
acción consiste en la inhibición de la reacción enzimática en el interior de la célula y produce desnaturalización e inactivación del ácido nucléico. El Cloro
activo liberado actúa sobre las proteínas formando
cloraminas que son solubles en agua.
En la industria textil, se utiliza el hipoclorito de
sodio como blanqueante, también se puede añadir a aguas residuales industriales para la eliminación de olores. El hipoclorito neutraliza el gas de
sulfuro de hidrógeno (H2S) y amonio (NH3). También se puede utilizar para la detoxificación de baños de cianido en industrias del metal. Así mismo,
se puede utilizar para la prevención de la formación de algas y crecimiento biológico en torres de
enfriamiento, en las plantas de potabilización es
utilizado como desinfectante del agua; en las casas, el hipoclorito se usa frecuentemente para la
purificación y desinfección doméstica. [12].
Diferentes autores han reportado los efectos
genéticos de los oxidantes, como el hipoclorito de
sodio, que se presentan en ensayos de toxicidad
con plantas y animales. El informe técnico de la
AISE, 1997 [13], reconoce la toxicidad del NaClO en
pruebas de ecotoxicidad realizadas en organismos
acuáticos, como muy tóxico (CL50<1mg/l). Establece, además, que para especies muy sensibles o
en estados inmaduros como en huevo o neonatos,
efectos adversos se detectaron a niveles de 1 µg
NaClO/l. No descartan, en este informe, la posibilidad de la generación de compuestos organohalogenados (Trihalometanos – THM) por la presencia
de desinfectantes clorinados en las aguas residuales domésticas. Investigaciones posteriores realizadas por Monarca y colaboradores [14], confirman
la generación de compuestos clorinados (AOX) al
incrementar el NaClO en las dosis evaluadas. Los
investigadores detectaron por análisis CG/SM la
presencia de THM genotóxicos.
Buschini [15], establecen que el hipoclorito de
sodio no está identificado como cancerígeno, sin
embargo es su investigación confirman efectos
aberrantes sobre cromosomas en Saccharomyces cerevisiae a concentraciones de hipoclorito
de sodio reconocidas de desinfección (1-2 ppm).
Por otro lado, Monarca [14], confirman lo concluido por Buschini [15], respecto al efecto genotóxico del hipoclorito de sodio, en plantas superiores
como en las células radiculares de la haba Vicia
faba, a partir de muestras de agua potable desinfectada con diferentes agentes oxidantes.
9
10
ITECKNE Vol. 8 Número 1 • ISSN 1692 - 1798 • Julio 2011 • 7 - 14
Grant [16] y más tarde Saleh [17] concluyen
en su investigación que los bulbos de cebolla son
un excelente bioindicador para la evaluación de la
calidad aguas naturales y residuales domésticas,
ya que son muy sensibles a la contaminación y se
constituyen como una planta idónea para el diagnóstico de ensayos genotóxicos por su respuesta
a daños y aberraciones cromosómicas.
Monte-Egito [18], determinan que compuestos clorados junto con otros componentes de las
aguas naturales que reciben vertimientos de pesticidas, metales pesados o aguas servidas domésticas, pueden ser los responsables de la genotoxicidad de las aguas superficiales. Estas técnicas,
concluyen los autores, definitivamente se deben
implementar a la hora de evaluar sistemas lóticos
para uso potable ya que la fisicoquímica no es
capaz de establecer los riesgos toxicológicos y la
dinámica química de estos compuestos.
III. METODOLOGÍA
Cebolla: Cuando un bulbo de cebolla (Allium sp)
se rehidrata, se produce una estimulación del crecimiento de las células, lo cual permite la elongación
de las raíces de la planta. Sin embargo, cuando la
hidratación se lleva a cabo en presencia de sustancias tóxicas, la división celular de los meristemas radiculares puede inhibirse, ya sea retardando el proceso de mitosis o destruyendo las células. Este tipo
de alteraciones generalmente impide el crecimiento
normal de la raíz y, por tanto, su elongación. [19].
El efecto puede determinarse en forma indirecta, mediante la comparación de la elongación de
las raíces de cebollas expuestas al tóxico con las
de cebollas no expuestas, luego de un periodo de
72 h de prueba. La cuantificación del efecto se realiza estableciendo el porcentaje de inhibición del
crecimiento de las raíces respecto a la longitud promedio de las raíces del control.
Lechuga: El bioensayo de toxicidad con semillas
de lechuga (Lactuca sativa L) es una prueba estática de toxicidad aguda (120 h de exposición) en
la que se pueden evaluar los efectos fitotóxicos de
compuestos puros o de mezclas complejas en el
proceso de germinación de las semillas y en el desarrollo de las plántulas durante los primeros días
de crecimiento.
Como puntos finales para la evaluación de los
efectos fitotóxicos, se determina la inhibición en
la germinación y la inhibición en la elongación de
la radícula y del hipocótilo. Es importante destacar que durante el periodo de germinación y los
primeros días de desarrollo de la plántula ocurren
numerosos procesos fisiológicos en los que la presencia de una sustancia tóxica puede interferir alterando la supervivencia y el desarrollo normal de
la planta, siendo por lo tanto una etapa de gran
sensibilidad frente a factores externos adversos.
Por otra parte, muchas de las reacciones y procesos involucrados son generales para la gran
mayoría de las semillas, por lo que la respuesta
de esta especie y los datos obtenidos a partir de
la aplicación de esta prueba son en gran medida
representativos de los efectos en semillas o plántulas en general.
El éxito o aptitud de una plántula para establecerse en un ambiente determinado es relevante
para garantizar la supervivencia de la especie. La
evaluación del desarrollo de la radícula y del hipocótilo constituyen indicadores representativos
para determinar la capacidad de establecimiento
y desarrollo de la planta. [19].
IV. RESULTADOS
Para evaluar la toxicidad en bioindicadores de origen vegetal, se deben evaluar los cambios evidentes
en su desarrollo fisiológico al final de la exposición
con la sustancia a evaluar y compararlo con un montaje de control, en las que los organismos no están
expuestos a la sustancia de interés y este resultado
establece las condiciones de desarrollo normal para
comparar con los organismos que están expuestos
a la sustancia tóxica.
Para Lactuca sativa, el factor de evaluación que
se considera es el desarrollo de la raíz (longitud) y
del embrión, llamado también hipocótilo (longitud y
coloración). En Allium cepa, se evalúa la longitud de
sus raíces y los cambios mitóticos que presentan las
células de las raíces en su proceso de desarrollo.
En la tabla I, se muestra los valores promedio de
la longitud de las raíces que se obtuvieron en ambas
pruebas desarrolladas. Los resultados reportados
indican el porcentaje de inhibición de la longitud de
las raíces comparado con las longitudes de los recipientes de control (sin sustancia tóxica); así, la CI50
indica la concentración a la que inhibe el 50% del
crecimiento de la raíz comparado con los valores del
control.
Pruebas de ecotoxicidad para establecer el potencial genotóxico del hipoclorito de sodio, mediante bulbos de cebolla Allium cepa L y
semillas de lechuga Lactuca sativa L como bioindicadores - Restrepo, Ortiz, Reyes
TABLA I.
PORCENTAJE DE LONGITUD DE LAS RAÍCES EN Lactuca sativa Y Allium
cepa RESPECTO AL CONTROL, OBTENIDAS EN LA EXPOSICIÓN CON HIPOCLORITO DE SODIO (NaClO).
Concentración
(ppm)
Lechuga
(Lactuca sativa)
FIG. I. CURVA DOSIS-RESPUESTA DE LA INHIBICIÓN DEL NACLO EN LA
LONGITUD DE LA RAÍZ DE LACTUCA SATIVA
Cebolla
(Allium cepa)
Raíz (cm)
%
Raíz (cm)
%
250
0
0,0%
0
0,0%
175
0,9
35,5%
0
0,0%
50
0,9
35,8%
0
0,0%
25
1,0
38,1%
0
0,0%
5
1,8
68,3%
1,1
37,0%
Control
2,6
100%
3,0
100%
Fuente: Autores del proyecto
En esta, se observa que para Lactuca sativa
como para Allium cepa hay una total inhibición
de germinación a partir de los 250 ppm de NaClO, pudiéndose asegurar que a esta concentración el Hipoclorito de Sodio es un tóxico letal
para estas dos especies.
La columna de (%) que aparece en la tabla I
indica el porcentaje de inhibición de elongación
de raíz con respecto a los valores del control.
Para ambas especies, se presentaron porcentajes de inhibición de longitud de las raíces, ya que
para los hipocótilos de Lactuca sativa no hubo
inhibición de desarrollo a este nivel y para Allium
cepa, no se considera este valor a nivel de hipocótilo, solo a nivel de raíz. [20].
Para la interpretación del análisis de este
porcentaje, se evalúa a que concentración de la
sustancia se presenta el 50% de inhibición en
el crecimiento de la raíz o del hipocótilo (para
Lactuca sativa) respecto a los valores obtenidos
en el control. En los resultados de la tabla 1, se
observa que para la raíz de Lactuca sativa este
valor de concentración se encuentra entre 5 y 25
ppm de NaClO y para Allium cepa, es inferior a
5 ppm. Para establecer la concentración exacta
en el que se presenta la inhibición del 50% de la
elongación de la raíz de Lactuca sativa, se corrió
el estadístico probit con los datos de la tabla 1,
obteniéndose la curva dosis-respuesta de la figura 1. Al extrapolar el 50% de inhibición sobre
las ordenadas, el resultado indica que la concentración inhibitoria (CI50) fue de 17,27 mgNaClO/l
(Log10 1,2373) con un p < 0,05 (figura I).
Fuente: Autores del proyecto
Para el caso de Allium cepa, la tabla 1 indica
que la CI50 está a una concentración inferior a 5
ppm, es decir, sería necesario realizar montajes a
menor concentración para establecer el valor de
la CI50 para esta especie. Sin embargo, una evaluación de respuesta adicional al utilizar Allium
cepa es la valoración de las fases mitóticas. [21],
[22], [23]. En la figura II, se muestran los resultados de aberraciones cromosómicas observadas
en las células meristemáticas de la raíz de A. cepa
a una concentración de 5 ppm de NaClO (la más
baja concentración que A. cepa manifestó elongación de la raíces como respuesta).
FIG. II. ABERRACIONES CROMOSÓMICAS PRESENTES EN LAS CÉLULAS
MERISTEMÁTICAS DE ALLIUM CEPA EXPUESTAS A NACLO.
Fuente: Autores del proyecto
Se pueden identificar aberraciones como anafase con puente (A), rompimiento de cromosomas
en metafase (B1, B2), malformación de células
con núcleos periféricos (C) y telofase con pérdida
de cromosomas (D) (Figura 2). Estas aberraciones
han sido reportadas e identificadas por varios autores, las cuales han sido compiladas por Morais &
Marin. [24].
V. DISCUSIÓN
La degradación del Hipoclorito de sodio en el
ambiente es lenta y depende de las condiciones
del medio, como la concentración inicial de NaClO,
11
12
ITECKNE Vol. 8 Número 1 • ISSN 1692 - 1798 • Julio 2011 • 7 - 14
el pH, la radiación UV y la presencia de metales
pesados, quienes actúan como catalizadores. El
proceso de degradación termina cuando los cloritos y cloratos llegan a oxígeno. [25].
Los resultados encontrados en esta investigación demuestran la toxicidad en organismos vegetales, siendo CI50 de 17.27 ppm para Lactuca
sativa e inferior a 5 ppm para Allium cepa, con
el agravante adicional de generar un efecto genotóxico en las células meristemáticas de la raíz de
la cebolla a esta misma concentración. Se identificaron aberraciones cromosómicas en prácticamente todas las fases mitóticas (Figura II).
Revisando la información de uso de un producto comercial, recomiendan aplicar ¼ de taza por
cada 4 litros para despercudir la ropa, y si se quiere para desinfectar los pisos, aplicar ¾ de taza
en los mismos 4 litros de agua jabonosa. Para
el primer caso, considerando un volumen estandarizado de 236.6 ml por taza y a partir de una
concentración en dilución de 5.5% de NaClO (recomendado y la presentación comercial para uso
doméstico), se tendría una concentración aproximada de 750 ppm de NaClO. Para el segundo
uso, teniendo en cuenta las mismas consideraciones, se tendría una concentración de 2250 ppm.
Ambas concentraciones están fuera del contexto
de protección ambiental, teniendo en cuenta las
concentraciones inhibitorias (CI50) reportadas
en esta investigación utilizando Lactuca sativa y
Allium cepa de 17.27 ppm y de 5 ppm, respectivamente. Si se consideran adicionalmente los registros internacionales para animales acuáticos,
las concentraciones letales (CL50) que reporta la
Merck, [26] son:
Onchorhynchus mykiss CL50: 0,07 mg NaClO/l /48h
Pimephales promelas CL50: 1.34 mg NaClO/l /96h
Lepomis macrochirus CL50: 1.1 mg NaClO/l /96 h
Daphnia magna CE50: 0.07 - 0,7 mg NaClO/l /24 h
Seguramente se están envenenando hace
mucho tiempo los organismos acuáticos por los
vertidos de cientos de casas que utilizan a diario
limpiadores como el NaClO en sus actividades domésticas sin ningún control ni restricción. Aunque
es evidente el efecto que tiene el hipoclorito sobre
los ecosistemas, es importante también resaltar
la aparición de compuestos organohalogenados –
trihalometanos-, los cuales se dan por la reacción
química entre el cloro y la materia orgánica presentes en las aguas naturales o residuales.
El cloro que se vierte a las aguas como desinfectante o limpiador en los productos de aseo reacciona con los compuestos orgánicos sustituyendo tres de los cuatro átomos de hidrogeno de las
moléculas de metano por átomos de halógenos,
formándose trihalometanos, nuevos compuestos
como cloroformo, dibromoclorometano, bromoformo y bromodiclorometano, los cuales son potenciales cancerígenos. De acuerdo con la organización mundial de la salud clasifica el cloroformo y
el bromodiclorometano como posibles carcinógenos para las personas en ciertas condiciones de
exposición.
Por otra parte, diferentes estudios epidemiológicos han hallado asociación entre el riesgo
de cáncer de vejiga a largas exposiciones de los
trihalometanos (más de 30 años) [27]. Algunos
estudios en humanos muestran resultados concordantes con la relación descrita en animales
entre exposición a trihalometanos y tumores en
el hígado y riñón [28]. La exposición a estos compuestos es determinada por la concentracion de
hipoclorito de sodio emitida al ambiente.
Los estudios que se han realizado para determinar el grado de toxicidad por parte de los THM
en los países europeos, en Latinoamérica y en
especial en Colombia, no se reportan análisis de
parámetros de compuestos precursores que permitan determinar concentraciones de THM en las
cuencas hidrográficas que reciben las aguas servidas de las ciudades, mucho menos la cantidad
de estos que llegan a las aguas potables. En este
estudio, se plantea la posibilidad de riesgo de la
presencia de estos compuestos en las aguas de
los ríos colombianos.
Finalmente se plantea la incidencia de limpiadores y desinfectantes como potenciales contaminantes al medio debido a la presencia de hipoclorito de sodio mal dosificado domésticamente y a
su posterior reacción con el entorno. De acuerdo
con los resultados obtenidos se observa que el
Allium cepa presenta mayor sensibilidad a diferentes concentraciones de hipoclorito con respecto a la Lactuca Sativa, por lo que se propone el
Allium cepa como un bioindicador determinante
de la genotoxicidad de sustancias químicas vertidas en ríos y la calidad de la misma.
Pruebas de ecotoxicidad para establecer el potencial genotóxico del hipoclorito de sodio, mediante bulbos de cebolla Allium cepa L y
semillas de lechuga Lactuca sativa L como bioindicadores - Restrepo, Ortiz, Reyes
VI. CONCLUSIONES
La CI50 del hipoclorito de sodio al 5% (versión
comercial para uso doméstico) es de 17.27 ppm
para Lactuca sativa e inferior a 5 ppm para Allium
cepa. Estas concentraciones son muy inferiores a
las dosis que se manejan para uso doméstico. Haciendo un cálculo a partir de las recomendaciones
del mismo fabricante, se utiliza una concentración
aproximada de 750 ppm de NaClO para despercudir la ropa y de 2250 ppm para desinfectar pisos.
Se identificaron las aberraciones cromosómicas de anafase con puente, rompimiento de cromosomas en metafase, malformación de células
con núcleos periféricos y telofase con pérdida de
cromosomas, en prácticamente todas las fases
mitóticas, demostrando la acción genotóxica de
este compuesto a partir de concentraciones de 5
ppm, en células meristemáticas de Allium cepa.
Los resultados permiten establecer que Allium
cepa presenta mayor sensibilidad a diferentes
concentraciones de hipoclorito con respecto a la
Lactuca sativa, por lo que se propone el uso de
A. cepa como un bioindicador determinante de la
genotoxicidad de sustancias químicas vertidas en
ríos y para uso en la evaluación de la calidad de
cuerpos de agua naturales y receptores de vertimientos residuales.
Debido a la incidencia de los limpiadores y desinfectantes como potenciales contaminantes al
medio acuático, y a la presencia de hipoclorito de
sodio y a su posterior reacción con el entorno, se
recomienda implementar programas de monitoreo
de compuestos organohalogenados (trihalometanos) en aguas naturales y cuerpos receptores de
vertimientos, parámetro que tradicionalmente se
evalúa únicamente en aguas potables.
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen a la Facultad de Química Ambiental y al Grupo de Investigaciones Ambientales para el Desarrollo Sostenible - GIADS de
la Universidad Santo Tomás – Bucaramanga.
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Efecto del hierro en el crecimiento y acumulación
de lípidos en la microalga colombiana Chlorella
Vulgaris LAUN 0019
Luis Miguel Serrano Bermúdez
Estudiante MSc. Ingeniería Química,
Investigador Grupo Procesos Químicos y Bioquímicos,
Universidad Nacional, Bogotá, Colombia
[email protected]
Daniel Mauricio Ramírez Landínez
Estudiante MSc. Ingeniería Química, Investigador Grupo Procesos Químicos y Bioquímicos, Universidad Nacional, Bogotá,
Colombia
[email protected]
Carlos Andrés Álvarez Sierra
Ingeniero Químico
Universidad Nacional, Bogotá, Colombia
[email protected]
Juan Manuel Torres Parra
Ingeniero Químico
Universidad Nacional, Bogotá, Colombia
[email protected]
Paulo César Narváez Rincón
Ph. D. en Ingeniería Química.
Universidad Nacional, Bogotá, Colombia
Docente Tiempo Completo, Investigador Grupo Procesos Químicos y Bioquímicos, Universidad Nacional, Bogotá, Colombia
[email protected]
Rubén Darío Godoy Silva
Ph. D. en Ingeniería Química.
The Ohio State University. Columbus, Ohio. USA
Docente Tiempo Completo, Investigador Grupo Procesos Químicos y Bioquímicos, Universidad Nacional, Bogotá, Colombia
[email protected]
Resumen— En este trabajo se evalúa el efecto del ión ferroso (fe2+) sobre el crecimiento y acumulación de lípidos totales de la microalga Chlorella vulgaris. Se empleó
medio Bristol estándar para su cultivo; la cinética de crecimiento se midió por conteo directo y la determinación
de lípidos totales se realizó mediante extracción con
Soxhlet. Se estudiaron cinco diferentes concentraciones
de este ión, entre 2,16 µM y 50,0 µM. El medio enriquecido con una concentración de 10,0 µM produjo la máxima
velocidad específica de crecimiento celular (0,76 día-1),
mientras que las máximas productividades de biomasa
y de lípidos se presentaron a la concentración 5,00 µM
con valores de 112,4 mg·L-1·día-1 y 6,52 mg·L-1·día-1
respectivamente. Para las concentraciones más altas de
hierro (21,5 y 50,0 µM), la microalga presentó inhibición
por sustrato. finalmente, para concentraciones menores
que 10,0 µM se encontró que para una significancia del
5% la concentración del hierro no afecta significativamente la productividad de biomasa y lípidos.
112.4 mg·L-1·day-1 and 6.52 mg·L-1·day-1, respectively.
for higher concentrations of iron (21.5 and 50.0 µM), the
microalgae showed substrate inhibition. finally, for concentrations lower than 10.0 µM, it was found that for a
statistical significance of 5% iron concentration does not
significantly affect the productivity of biomass and lipids.
Palabras clave— Chlorella vulgaris, hierro, lípidos, medio
Bristol, microalga.
Abstract— This paper describes the evaluation of the
effect of ferrous iron (fe2+) on the growth and accumulation of total lipids on the microalgae Chlorella vulgaris. Standard Bristol Medium was used for cultivation.
Growth kinetics was measured by direct counting while total lipids determination was performed by Soxhlet
extraction. five different concentrations of fe2+, between 2.16 µM and
50.0 µM were studied. The medium enriched at a concentration of 10.0 µM produced
the maximum specific cell growth rate (0.76 day-1),
while the maximum productivities of biomass and lipid
concentration were obtained at 5.00 µM, with values of
Keywords— Chlorella vulgaris, Iron, Lipids, Bristol Medium, Microalgae.
I. INTRODUCCIÓN
Existe una gran controversia en torno a los
beneficios reales de los ésteres metílicos obtenidos a partir de los triglicéridos presentes en los
aceites vegetales y usados actualmente como
combustible (biodiesel); la controversia abarca
tanto los aspectos ambientales como los sociales,
especialmente por el desplazamiento de terrenos
y cultivos dedicados tradicionalmente a surtir alimentos [1], [2]. Tales cultivos incluyen soya, colza,
palma de aceite y maíz [3]-[6]. Adicionalmente,
debido a las limitaciones en cuanto al área cultivada de estas plantas, el desarrollo a escala industrial de la producción de biodiesel no puede,
en la realidad, satisfacer más que una pequeña
parte de la actual demanda de combustibles [7].
Muchas especies de microalgas acumulan durante su crecimiento significativas cantidades de
lípidos que pueden extraerse y destinarse a usos
Recibido: 02/12/2010/ Aceptado: 22/03/2011/ ITECKNE Vol. 8 Número 1 • ISSN 1692 - 1798 • Julio 2011 • 15 - 22
16
diversos de acuerdo con su composición [7], [8].
Dentro de la enorme variedad de lípidos producidos por las microalgas, se destacan los triglicéridos de cadenas saturadas y poliinsaturadas, lípidos variados de alto peso molecular (hasta C40) y
ácidos grasos libres (como los ácidos eicosapentanoico, linolénico y docosahexanoico) de alto valor nutricional y farmacéutico [9]. Los triglicéridos,
por ejemplo, pueden transformarse en biodiesel,
producto que ha cobrado importancia en los últimos años como consecuencia de la incertidumbre en el precio y las reservas del petróleo y la
búsqueda de fuentes alternativas de energía [10].
Entre las microalgas que son capaces de acumular grandes cantidades de aceite destacan Botryococcus braunii, Nannochloropsis sp. Chlorella
sp. e Isochrysis sp., para los cuales se ha reportado concentraciones de aceite hasta de 75%, 68%,
56% y 33% de la biomasa seca, respectivamente
[7], [11].
Durante el cultivo de las algas, el hierro se
considera el micronutriente más importante, pues
es vital para el funcionamiento del metabolismo,
debido a su papel clave en el transporte de electrones, reducción de nitritos, nitratos y sulfatos,
fijación del nitrógeno molecular y eliminación de
especies reactivas como radicales libres y peróxidos [12].
Estudios previos [11], [12] demostraron el efecto de hierro en el crecimiento y en la acumulación
de aceites en la microalga Chlorella vulgaris con
agua de mar enriquecida. El mayor contenido de
aceites obtenido fue 56,6% de la biomasa en base
seca, a una concentración de 12 µM de Fe3+ [11].
Cuando la concentración de Fe2+ es 17,92 µM, el
contenido de aceites en base seca alcanzó un valor de 18,2% [13]. Por otro lado, una concentración
de 50,0 µM Fe3+ no inhibe el crecimiento de la microalga Chlorella vulgaris [9]. Finalmente, Estévez
et al. encontraron que con el empleo del medio
BBM enriquecido con glucosa, la inhibición en la
producción de biomasa no se alcanzó sino a concentraciones superiores a 200 µM de Fe2+ [14].
Se ha estudiado el efecto del hierro en diferentes microalgas [15]-[19]. Yeesang y Cheirsilp determinaron el efecto del ión férrico presente en el
medio heterotrófico Chu 13 en la producción de
biomasa y acumulación de lípidos para cuatro cepas diferentes de Botryococcus braunii, aisladas
de cuerpos de agua dulce del sur de Tailandia; las
ITECKNE Vol. 8 Número 1 • ISSN 1692 - 1798 • Julio 2011 • 15 - 22
concentraciones óptimas para la producción de
biomasa para las cepas PSU y SK fueron de 37
µM y 370 µM, respectivamente, mientras que el
crecimiento de la cepa KB se inhibió a concentraciones superiores a 740 µM. Por su parte, la cepa
TRG no experimentó cambios en la producción de
biomasa con relación al hierro [15]. La gran disparidad de resultados demuestra la particularidad
del efecto del hierro en cada cepa y refuerza la necesidad de evaluación experimental en cada caso.
El efecto del hierro también fue estudiado en
las microalgas dinoflageladas Scrippsiella trochoidea y Alexandrium tamarense, conocidas por
formar parte de las mareas rojas observadas en
aguas marinas y responsables de daños ecológicos y económicos [16], [17]. Mientras que para la
microalga Scrippsiella trochoidea se observó un
efecto positivo en el crecimiento de la microalga
para valores de Fe3+ entre 0,39 y 3,9 µM y un efecto de saturación por dicho ión entre 3,9 y 39 µM
[16], para la microalga Alexandrium tamarense el
efecto positivo del hierro fue evidenciado entre 1
nM y 1 µM pero para concentraciones entre 1 y 10
µM la microalga experimentó inhibición [17].
Cai et al. evaluaron el efecto del empleo de los
iones ferroso y férrico en la obtención de biomasa
y astaxantina en la microalga Haematococcus pluvialis encontrando que el ión férrico favoreció el
crecimiento de la microalga en mayor medida que
el ión ferroso [18]. Por último, para la microalga
Dunaliella tertiolecta se demostró que la eliminación del hierro en el medio de cultivo ocasiona un
descenso en el crecimiento de la microalga mayor
que el de cualquier otro nutriente [19].
El objetivo de este trabajo fue evaluar el efecto de la concentración del ión ferroso (Fe2+) en la
producción de biomasa y acumulación de lípidos
de la cepa colombiana de microalga Chlorella vulgaris LAUN 0019, debido a su alta velocidad de
crecimiento con respecto a otras cepas disponibles de microalgas nativas.
II. MATERIALES y MéTODOS
A. Mantenimiento de la microalga
Se utilizó la cepa de microalga nativa Chlorella
vulgaris LAUN 0019, mantenida en el Laboratorio
de Microalgas del Departamento de Biología de la
Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá.
Efecto del hierro en el crecimiento y acumulación de lípidos en la microalga colombiana Chlorella Vulgaris LAUN 0019 - Serrano,
Ramírez, Sierra, Scott, Álvarez, Torres, Narváez, Godoy
La cepa fue incubada en cajas de Petri con medio Bristol estándar con la siguiente composición
en mg·L-1: NaNO3 250, KH2PO4 175, CaCl2·H2O
25, K2HPO4 75, NaCl 25, MgSO4·7H2O 75, H3BO3
11,42, KOH 31, EDTA 50, FeSO4·7H2O 0,598,
H2SO4 0,1, ZnSO4·7H2O 8,82, MnCl2·4H2O 1,44,
MoO3 0,71, CuSO4·5H2O 1,57 y Co(NO3)2·6H2O
0,49. El medio de cultivo empleado en la caja de
Petri se mantuvo sólido al agregar agar al 1%.
Las condiciones de cultivo incluyeron una temperatura de 23 ± 1 °C, iluminancia de 3550 ± 20 lx
y fotoperiodo de 16 horas de luz y 8 de oscuridad
(16:8 L:O). Para la obtención del inóculo, la cepa
fue transferida a un Erlenmeyer de 250 mL mediante lavado con medio Bristol líquido y cultivada durante 8 días en el mismo medio con un volumen de cultivo de 150 mL y burbujeo con aire
atmosférico. El inóculo fue centrifugado en una
centrífuga Hettich Zentrifugen tipo ROTOFIX 32
de 8 cm de radio y capacidad aproximada de 400
mL, durante 25 minutos a 3500 rpm (1097×g) y
se descartó el sobrenadante. Las células fueron
resuspendidas en un volumen pequeño de medio
fresco para determinar la concentración celular y
el volumen apropiado de medio fue transferido a
cada recipiente para la evaluación experimental.
nica, iluminancia de 3770 ± 20 lx y fotoperiodo
de 16:8 L:O; burbujeo con aire atmosférico (CO2
estimado en 350 ppm). El tiempo de cultivo fue
8 días.
B. Diseño experimental
A cada cultivo se ajustó una regresión a
la fase exponencial de crecimiento según se
muestra en (1).
Para el estudio del efecto del hierro sobre el
crecimiento de Chlorella vulgaris y su contenido
de lípidos totales se analizaron cinco concentraciones diferentes de FeSO4·7H2O. La relación
másica del Fe2+ y el EDTA en cada medio se mantuvo constante (83,6 mg EDTA/mg FeSO4·7H2O).
Las concentraciones de Fe2+ fueron 2,16 µM,
5,00 µM, 10,0 µM 21,5 µM y 50,0 µM, en donde
2,16 µM corresponde a la concentración estándar del medio Bristol; tales concentraciones siguieron un incremento logarítmico. Cada medio
se evaluó por triplicado.
C. Condiciones de cultivo
La evaluación del efecto del hierro se realizó
al cultivar la cepa en Erlenmeyers de 250 mL
con medio Bristol enriquecido con Fe2+ como se
describió en el diseño experimental. Las condiciones de crecimiento fueron: Volumen de
medio de cultivo 150 ± 2 mL, densidad celular
inicial: ~1x106 células·mL-1; Temperatura 23 ± 1
°C; 2 lámparas fluorescentes como fuente lumí-
D. Medición de crecimiento
El crecimiento en los diferentes medios de
cultivo fue determinado mediante conteo celular diario con la cámara de Neubauer y microscopio LEICA DME.
E. Rendimiento de peso seco
Al finalizar el cultivo de las microalgas, las
muestras se centrifugaron a 4000 rpm durante
15 minutos (1432×g) y se secaron en un horno
de vacío (VWR Scientific), con un vacío de 20
in Hg a 60 ºC hasta peso constante (24 horas).
F.
Contenido de lípidos totales
El contenido de lípidos totales se determinó
por gravimetría mediante extracción por Soxhlet con Benzina de Petróleo como solvente, de
acuerdo con el procedimiento estándar establecido por ASTM C 613C 613M-97 [20].
G. Ajuste cinéticas de crecimiento
Donde X es la densidad celular células·mL-1),
X0 es la densidad celular inicial (células·mL-1), µ
es la velocidad específica de crecimiento (día-1)
y t es el tiempo de cultivo (día). Para las regresiones se empleó Microsoft Excel®.
Para la determinación del efecto del hierro
en µ se ajustó el modelo de Monod con inhibición por sustrato, (2), en donde S es la concentración de hierro (µM), µmax es la velocidad
específica de crecimiento máxima sin inhibición
(día-1), kS y kI son las constantes de afinidad
al sustrato (Fe2+) e inhibición por sustrato respectivamente (µM). Para el ajuste se empleó el
software TableCurve 2D® (SYSTAT INC, San Jose,
California, USA).
17
18
ITECKNE Vol. 8 Número 1 • ISSN 1692 - 1798 • Julio 2011 • 15 - 22
H. Análisis de varianza
Se realizó un análisis de varianza (ANAVA) a
los datos obtenidos tanto de la productividad de
biomasa como la de lípidos totales con la herramienta Análisis de datos de Microsoft Excel® con
un nivel de significancia del 5%.
mayor velocidad de crecimiento y biomasa final
de Chlorella ellipsoidea se obtenía a la menor
concentración salina probada (10 g·L-1) [21].
FIG. 1. EFECTO DEL IÓN FE2+ EN EL CRECIMIENTO DE CHLORELLA
VULGARIS
III. RESULTADOS y DISCUSIÓN
La Fig. 1 muestra el crecimiento de la microalga Chlorella vulgaris expresado como densidad celular en función del tiempo para las cinco concentraciones de hierro estudiadas. Cada
punto corresponde al promedio de un triplicado.
Para todas las concentraciones del ión ferroso
estudiadas la fase de adaptación de la microalga no superó las 12 horas, mientras que la fase
de crecimiento exponencial tomó alrededor de
cuatro días del cultivo, por lo que la Ecuación
(1) ajustó con coeficientes de determinación
(R2) superiores a 0,94. Estos tiempos son relativamente pequeños comparados con datos reportados para Chlorella vulgaris, lo cual probablemente se pueda asociar a las diferencias en
las condiciones de crecimiento. Estévez et al.
reportan tiempos de ocho días para la fase de
adaptación y siete días para la fase exponencial
[14]; la extensión en la fase de adaptación posiblemente esté asociada a que el precultivo de
la microalga fue llevado a cabo en medio sólido,
mientras que en nuestro caso el inóculo provino
a un medio muy similar al medio de prueba. La
mayor duración de la fase exponencial pudo deberse al empleo de la glucosa en lugar de CO2
como fuente de carbono, convirtiendo de esta
manera el medio de cultivo BBM, muy similar
al medio Bristol, de autotrófico a heterotrófico
[14]. Por su parte, Liu et al. reportaron un crecimiento final similar al obtenido, aunque con
una duración de la fase exponencial mucho
más prolongada (21 días) [11], lo que implica
que la velocidad de crecimiento en este artículo
fue mucho menor, la probable causa del lento
crecimiento reportado por Liu et al. pudo ser
el empleo de f/2 como medio de cultivo, dado
que éste es un medio marino de elevada salinidad, la cual habría reducido la velocidad de
crecimiento del alga que se empleó en dicha
investigación. Un fenómeno similar fue reportado por Cho et al., quienes demostraron que la
La máxima densidad celular encontrada al finalizar el cultivo, 2,4x107 células·mL-1, se observó a una concentración experimental de hierro
de 10,0 µM, en promedio fue un 25,8% mayor
que las densidades de las concentraciones de
hierro inferiores probadas, las cuales son muy
similares entre sí con una dispersión de apenas
el 2,4%; por otro lado se aprecia una reducción
en las densidad celular final para las concentraciones 21,5 y 50,0 µM.
La Fig. 2 muestra el valor de µ ajustado durante la fase exponencial en función de la concentración de hierro; se evidencia un máximo
para una concentración de 10,0 µM y posteriormente un descenso para las concentraciones de
21,5 y 50,0 µM. Debido a que para la máxima
concentración de hierro, éste representó sólo el
2% de la salinidad total del cultivo se concluye
que el decaimiento de µ fue causado por una inhibición por exceso de sustrato, y no por el posible estrés que pudo experimentar la microalga al
ser sometida a un aumento de la fuerza iónica al
incrementar la concentración de hierro.
Se ajustó una cinética de Monod con inhibición por sustrato a los datos experimentales,
obteniéndose un coeficiente de determinación
de 0,92. El modelo predice un µ óptimo para
una concentración de hierro de 5,24 µM; a pesar del buen ajuste del modelo a los datos, es
necesario señalar que la aparente reducción en
la velocidad de crecimiento a mayores concentraciones de hierro pudo ser resultado indirecto
Efecto del hierro en el crecimiento y acumulación de lípidos en la microalga colombiana Chlorella Vulgaris LAUN 0019 - Serrano,
Ramírez, Sierra, Scott, Álvarez, Torres, Narváez, Godoy
de una mayor concentración de EDTA, el cual
posiblemente queló algún otro ión necesario
para el crecimiento celular, sin embargo, en la
experimentación seguida por Estévez et. al., la
relación EDTA – hierro se mantuvo constante en
2:1, al emplear como base el contenido de EDTA
en el medio BBM [14], el cual es el mismo que
en el medio Bristol, y como se mencionó previamente la inhibición por sustrato no se observó
hasta después de una concentración de 200
µM, por lo cual es posible concluir que la inhibición no fue causada por el EDTA.
19
días) y el volumen de cultivo (150mL). Para los
estudios de productividad se descartó el ensayo con concentración de hierro 50,0 µM debido
a que su densidad celular fue extremadamente
baja, como se aprecia en la Fig. 1. En la Fig. 3
se observa un máximo entre 5,00 µM y 10,00
µM, lo cual coincide con la Fig. 2. Según el ANAVA mostrado en la Tabla I, la concentración de
hierro sí incidió en la productividad de biomasa
con una confiabilidad del 95%; sin embargo, al
realizar un nuevo ANAVA, Tabla II, pero esta vez
sólo para los ensayos previos al óptimo experimental (2,15, 5,00 y
10,0 µM) se concluyó
que el hierro no afectó de manera significativa
la productividad de biomasa a dichas concentraciones de hierro con una confiabilidad del
95%, aunque al reducir la confiabilidad al 94%
la conclusión es opuesta.
FIG. 2. EFECTO DEL IÓN FE2+ EN LA VELOCIDAD ESPECÍFICA DE CRECIMIENTO DE CHLORELLA VULGARIS DURANTE FASE DE CRECIMIENTO
EXPONENCIAL
FIG. 3. EFECTO DEL IÓN FE2+ SOBRE LA PRODUCTIVIDAD DE BIOMASA DE
CHLORELLA VULGARIS DESPUÉS DE 8 DÍAS DE CULTIVO
El efecto del hierro sobre la productividad de
biomasa de Chlorella vulgaris se presenta en la
Fig. 3. La productividad fue calculada para el
último día de cultivo al dividir el peso seco de
la biomasa final entre el tiempo de cultivo (8
Tabla I.
ANAVA efecto hierro en productividad de biomasa (S: 2,15; 5,00; 10,0; 21,5 µM)
Origen de las
variaciones
Suma de
cuadrados
Grados
libertad
Promedio de
cuadrados
f
P valor
f crítico
Entre grupos
15809,1
3
5269,7
89,32
1,72E-06
4,07
Dentro de los grupos
472,0
8
59,0
Total
16281,1
11
Tabla II.
ANAVA efecto hierro en productividad de biomasa (S: 2,15; 5,00; 10,0 µM)
Origen de las
variaciones
Suma de
cuadrados
Grados
libertad
Promedio de
cuadrados
f
P valor
f crítico
Entre grupos
556,3
2
278,1
4,64
0,060
5,14
Dentro de los grupos
359,5
6
59,9
Total
915,7
8
20
ITECKNE Vol. 8 Número 1 • ISSN 1692 - 1798 • Julio 2011 • 15 - 22
De acuerdo con la Fig. 4, la máxima acumulación de lípidos en la microalga seca ocurrió
cuando se empleó el medio estándar (2,16 µM de
Fe2+), con un valor de 6,5%. Sin embargo, si se
considera la productividad de lípidos después de
los ocho días de cultivo, para una concentración
de hierro de 5,00 µM se presenta un máximo de
6,52 mg·L-1·día-1 como lo demuestra la Fig. 5. Por
otro lado, según los resultados estadísticos, Tabla
III, la concentración del hierro no influencia significativamente la productividad de lípidos totales,
por lo cual, para una eventual producción a gran
escala lo más conveniente es escoger bajas concentraciones de hierro para una reducción de los
costos en las materias primas.
que el presente estudio utilizó el ión ferroso como
fuente de hierro, ya que para la microalga Haematococcus pluvialis, como se refirió previamente,
el ión férrico favoreció la producción de lípidos en
mayor proporción que el ión ferroso [18], dichos
efectos de la salinidad y la valencia podrían ser
equivalentes para la microalga Chlorella vulgaris.
FIG. 5. EFECTO DEL IÓN FE2+ SOBRE LA PRODUCTIVIDAD DE
LÍPIDOS EN CHLORELLA VULGARIS DESPUÉS DE 8 DÍAS DE CULTIVO
FIG. 4. EFECTO DEL IÓN FE2+ SOBRE EL CONTENIDO DE LÍPIDOS EN
CHLORELLA VULGARIS DESPUÉS DE 8 DÍAS DE CULTIVO
Es muy probable que la acumulación de lípidos
tenga una mayor dependencia de la concentración de CO2 en el aire que de la concentración de
hierro en el medio, por lo cual es necesario desarrollar trabajos para comprobar tal hipótesis.
Finalmente, el porcentaje de lípidos encontrado
no tiene los niveles necesarios para un escalamiento a nivel industrial y pueda competir con el aceite
de palma africana, pues para la suposición de un
cultivo por lotes de la microalga durante 5 días con
tiempo muerto de otros 2 días en estanques abiertos de 30cm de profundidad, la productividad de
lípidos equivaldría máximo a 5,1 ton·ha-1·año-1, valor
muy similar al reportado para la palma africana [7],
sin embargo, no tiene en cuenta la posible reducción en la productividad de biomasa ocasionada
por el escalamiento del cultivo ni la eficiencia en
el empleo de métodos industriales para la extracción de lípidos, por lo que es necesario continuar
con las investigaciones para buscar aumentos en
la composición de lípidos en la microalga.
La acumulación de lípidos encontrada es baja
independiente de la concentración de hierro utilizada, comparada con la reportada en otras investigaciones en la literatura, pues como se mencionó previamente Liu et al. reportan porcentajes de
aceites superiores al 56% [11], esto posiblemente ocasionado por la salinidad, ya que el estrés
causado por ésta pudo inducir a la microalga a
acumular lípidos en gran cantidad, pues en investigaciones previas se demostró el efecto positivo
de la salinidad en la acumulación de lípidos en
la microalga Botryococcus braunii [8], [22]; otra
causa podría ser la valencia del hierro empleado,
ya que Liu et al. emplearon el ión férrico mientras
Tabla III.
ANAVA efecto hierro en productividad de lípidos (S: 2,15; 5,00; 10,0µM)
Origen de las
variaciones
Suma de
cuadrados
Grados
libertad
Promedio de
cuadrados
f
P valor
f crítico
0,759
0,508
5,14
Entre grupos
0,39
2
0,197
Dentro de los grupos
1,56
6
0,260
Total
1,95
8
Efecto del hierro en el crecimiento y acumulación de lípidos en la microalga colombiana Chlorella Vulgaris LAUN 0019 - Serrano,
Ramírez, Sierra, Scott, Álvarez, Torres, Narváez, Godoy
IV. CONCLUSIÓN
Se utilizó un modelo cinético de crecimiento
de Monod con inhibición para explicar el efecto
del hierro en el crecimiento y la acumulación de
lípidos en la microalga Chlorella vulgaris. El modelo ajustó los datos experimentales con un coeficiente de determinación de 0,92. La máxima
velocidad específica de crecimiento fue de 0,76
dia-1 para una concentración de 10,0 µM, lo que
en otras palabras significa un tiempo de duplicación de la microalga mínimo de 0,91 días. Aunque
en este trabajo se atribuye el efecto de inhibición
observado a la alta concentración de hierro, tal
efecto bien podría deberse al incremento correspondiente en la concentración de EDTA (acomplejando algún otro ión, reduciendo su disponibilidad) o al efecto combinado Fe2+ - EDTA. Liu et al.
[11] mantuvieron constante la relación Fe3+ - EDTA
durante su diseño experimental sin encontrar inhibición alguna, mientras que Estévez et al. [14]
también mantuvieron contante esta relación y la
inhibición se observó después de 200 µM. Para
resolver este interrogante, se sugiere que en futuros trabajos se realice un nuevo diseño experimental donde se pueda determinar dicho efecto.
El rendimiento de alga en peso seco fue 0,88
g·L-1 para una concentración de hierro de 5,00 µM
después de 8 días de cultivo y la concentración
estimada de hierro más favorable para la acumulación de lípidos durante el crecimiento de la microalga fue de 2,16 µM, se obtuvo un contenido
de lípidos de 6,5% del peso seco a escala laboratorio.
El análisis estadístico mostró que a concentraciones bajas de hierro, éste no tuvo un efecto significativo sobre la productividad de lípidos en las
condiciones estudiadas para la cepa colombiana,
pero no puede generalizarse este resultado ya
que como se puede concluir de la investigación
de Yeesang y Cheirsilp, el efecto del hierro en el
crecimiento y acumulación de lípidos es característico en cada cepa [15].
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen al Laboratorio de Microalgas del Departamento de Biología de la Universidad Nacional de Colombia sede Bogotá por el
suministro de la cepa LAUN 0019 y a su director,
el biólogo Luis Carlos Montenegro.
REfERENCIAS
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ITECKNE Vol. 8 Número 1 • ISSN 1692 - 1798 • Julio 2011 • 15 - 22
ty on growth of green alga Botryococcus braunii
and its constituents”, Bioresource Technology,
vol. 98, no.3, pp. 560-564, 2007
Empleo de las microalgas en la fijación del CO2
presente en los gases de chimenea de equipos
industriales de combustión en Colombia
Andrea Paola Díaz Ovalle
Microbióloga con énfasis en el sector industrial
Esp. Química Ambiental,
Universidad Industrial de Santander
[email protected]
Ricardo Restrepo Manrique
Esp. Química Ambiental,
Docente, Investigador Grupo GIADS,
Universidad Santo Tomás USTA
Bucaramanga, Colombia
[email protected]
Resumen— El dióxido de carbono es uno de los Gases
Efecto Invernadero (GEI) que se genera debido a las diferentes actividades realizadas por las industrias, que
incrementan su concentración en la atmosfera y contribuyen al calentamiento global.
minimize emissions. Currently its use gives high levels
of investment and maintenance of the culture, due to
ignorance and inexperience in the field. There must be
a plan for medium and long term, keeping in mind the
progress in each of the stages of process.
Las microalgas son microorganismos fotosintéticos que
han sido objeto de estudio por sus aplicaciones productivas y comerciales en el campo alimenticio y farmacéutico. Tenida en cuenta su capacidad para fijar el dióxido
de carbono, investigadores han encontrado en ellos
una alternativa para aprovechar el CO2 de los gases de
chimenea de equipos industriales y han proporcionado
una tecnología ambiental para minimizar emisiones. Actualmente su empleo arroja altos valores de inversión y
mantenimiento del sistema de cultivo, debido al desconocimiento e inexperiencia en el campo, por lo que se
debe establecer un plan a mediano y largo plazo, según
el progreso de cada una de las etapas del proceso.
Although the subject is recent in Colombia, the climatic
conditions make it suitable for production and determine the feasibility of the process. Its application would
bring economic and environmental benefits to national
industries when they carry out projects of Clean Development Mechanism (CDM), and can be obtained microalgal culture products of high value.
Aunque el tema no ha sido profundizado en Colombia,
las condiciones climáticas del país lo hacen apto para
su producción y así determinar la viabilidad del proceso.
Su aplicación traería beneficios económicos y ambientales a las industrias nacionales al efectuar proyectos
de Mecanismo de Desarrollo Limpio (MDL), y a su vez se
pueden obtener subproductos del cultivo de microalgas
de gran valor.
I. INTRODUCCIÓN
Palabras clave— Dióxido de carbono, microalgas, gases
de chimenea.
Abstract— The carbon dioxide is one of the Greenhouse
Gases (GHG) that is generate due the differents activities
of the industries, increasing the atmospheric concentration of CO2 and contributing with the global warming.
The microalgaes are photosynthetic microorganisms,
they have been under study for its production and trade applications in the field of food and pharmaceutical.
They have the capacity of fix the carbon dioxide and the
investigators found in the microalgaes an alternative to
make use of CO2 present in the flue gases of industrial
equipment, providing an environmental technology for
Keywords—Carbon dioxide, microalgaes, flue gases
* Trabajo monográfico para optar al título de
Especialista en Química Ambiental en la Universidad Industrial de Santander.
Según mediciones realizadas en el año 2000,
la concentración del dióxido de carbono en la atmosfera ha alcanzado una cifra de 387 ppm, que
significa un crecimiento de casi el 40% desde la
revolución industrial [1].
Grupos de investigación en busca de alternativas medio ambientales han planteado la posibilidad de determinar el potencial de los sistemas de
cultivo de microalgas para mitigar o disminuir las
emisiones de CO2 [2].
Su aplicación implica una inversión de tipo
económico e intelectual, debido a que es un tema
del que se conoce poco. Algunos de los subproductos que se pueden obtener del cultivo de las
microalgas son bio-combustible, fertilizantes y alimento animal.
La información recolectada para el desarrollo
del trabajo se basó en los sistemas y condiciones
Recibido: 17/12/2010/ Aceptado: 27/05/2011/ ITECKNE Vol. 8 Número 1 • ISSN 1692 - 1798 • Julio 2011 • 23 - 30
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ITECKNE Vol. 8 Número 1 • ISSN 1692 - 1798 • Julio 2011 • 23 - 30
de cultivo de las microalgas, los productos que se
obtienen a partir de estas, diversos estudios en la
biofijación del CO2 y su aplicabilidad.
A. Generalidades de las Microalgas
Son un conjunto de microorganismos fotosintéticos unicelulares procariontes y eucariontes,
que se localizan en hábitats diversos como aguas
marinas, dulces, salobres, residuales o en el suelo, bajo un amplio rango de temperaturas, pH y
disponibilidad de nutrientes. Se han identificado
alrededor de 40,000 especies aunque se estima
que son 100,000, de las que se desconoce su
composición bioquímica y metabolismo [3]. Las
microalgas son muy importantes ya que son los
principales productores primarios de materia orgánica a través de la fotosíntesis. Contribuyen con
el 50% de la actividad fotosintética del planeta y
forman la base de la cadena alimenticia para más
del 70% de la biomasa del mundo [4]. Algunas
de las divisiones microalgales más representativas son: Cyanophyta, Euglenophyta, Cryptophyta,
Chrysophyta, Pyrrophyta y Chlorophyta.
Cerca del 90% de su peso seco está constituido por proteínas, lípidos y carbohidratos además
de presentar ácidos nucleicos, vitaminas hidro y
liposolubles, pigmentos y minerales.
B. Parametros de Cultivo
Las microalgas para su crecimiento y desarrollo deben contar con condiciones óptimas. La luz
es la fuente de energía para realizar la fotosíntesis
y así lograr los nutrientes necesarios, en este proceso, es útil el rango del espectro lumínico comprendido entre los 400 y 700 nm de longitud de
onda [5]. Su temperatura de crecimiento es de 15
a 40ºC, de acuerdo a cada especie, debido a que
su respuesta a variaciones en la temperatura puede afectar sus requerimientos nutricionales, metabolismo y composición celular [6]. Por la carencia o abundancia de las sales necesarias para su
desarrollo, se puede llegar a inhibir el crecimiento
de las microalgas [7].
El pH es uno de los factores más importantes en el cultivo. Cada microalga tiene un pH óptimo para su cultivo (entre 7,0 y 8,0). Este se ve
afectado por la cantidad de dióxido de carbono
disuelto y la temperatura que, a su vez, controla la
solubilidad del CO2, la actividad metabólica de las
microalgas y la fuente de nitrógeno suministrada
para el crecimiento [8]. Los nutrientes requeridos
se clasifican como macronutrientes, los cuales
incluyen el carbono, nitrógeno, fósforo, calcio,
magnesio, azufre y potasio. Por otro lado se encuentran los micronutrientes o elementos trazas
como el cobre, hierro y zinc. Los requerimientos
nutricionales varían según el tipo de microalga
[9]. Una concentración alta de oxígeno producido
por la fotosíntesis es un importante factor inhibitorio de crecimiento que se debe tener en cuenta en
el cultivo de las microalgas. La supersaturación
del oxígeno puede llevar a la inhibición de la fotorespiración y la muerte de la microalga por fotooxidación [10]. Las fuentes de agua para el cultivo pueden ser salinas (mar), dulces (ríos, lagos u
otros) y aguas residuales del sector agropecuario.
La inyección de CO2 en el cultivo previene la sedimentación de las microalgas y asegura que todas
las células reciban la misma exposición a la luz y
los nutrientes. El crecimiento de las microalgas
puede inhibirse según la concentración de dióxido
de carbono presente en el medio de cultivo. Esto
depende del tipo de especie que se emplee. [11].
C. Sistemas de Cultivo
Los sistemas de cultivo de biomasa microalgal
a gran escala pueden ser abiertos como los estanques o cerrados como los fotobioreactores.
1) Sistemas de cultivo abiertos
A nivel industrial la producción es hecha en
tanques abiertos, con la operación en régimen
continuo y semicontinuo, además de realizarse el
control de los parámetros más importantes [12].
El sistema se puede realizar al aire libre, el cual
consiste en piscinas descubiertas a las cuales se
les suministran nutrientes para que las microalgas puedan reproducirse a un ritmo acelerado.
Es el sistema menos eficiente aunque el más
económico. Por otro lado puede realizarse bajo
condiciones de invernadero, las ventajas de este
sistema son un mejor control de la temperatura y
una pérdida muy reducida de agua. Los materiales para la construcción del estanque dependen
del tipo que se desea usar. En el caso de uno tipo
pista requiere concreto, fibra de vidrio o materiales que garanticen la sostenibilidad en el tiempo
y buena iluminación. También el plástico es una
opción por su bajo costo. Las dimensiones típicas
son de 30 cm de profundidad y entre 100 a 250
hectáreas [13].
Empleo de las microalgas en la fijación del CO2 presente en los gases de chimenea de equipos industriales de combustión en Colombia Díaz,Restrepo
Los tanques más usados son:
• Tanque circular: presenta un brazo de rotación, el cual puede ser operado en aguas de
una profundidad de 10-20 cm con un sistema
de mezclado para así prevenir sedimentación
de células. [14].
• Tanque circular con agitación: de 45 m de diámetro y 30 a 70 cm de profundidad, en algunos casos son cubiertos con fibra de vidrio.
Su diseño es menor a 10 hectáreas debido a
la incapacidad del brazo de mezclar todo el
cultivo uniformemente.
• Tanques tipo pista solo o en grupo: son poco
profundos, entre 15 a 25 cm de profundidad y
cubre cerca de 0,5 a 0,6 hectáreas. Hay sistemas para el mezclado como aspas y bombas
de aire, lo que le proporciona una mayor productividad. Pueden estar forrados con plástico o cemento [15].
2) Sistemas de cultivo cerrados
Son sistemas de cultivo cerrados, donde los
conductos transparentes son aislados de exterior.
Los parámetros como nutrientes, luz, intercambio
de gases entre otros están controlados técnicamente. Los costos económicos y energéticos adicionales son altos, pero la contaminación es baja.
Pueden estar situados dentro de invernaderos de
plástico o de cristal, para disponer de una temperatura ambiente más elevada.
Hay diferentes tipos de fotobioreactores y se
encuentran:
• Tubos plásticos o de vidrio de forma triangular: Se hacen fluir los gases de CO2 y O2 desde
la parte baja de la hipotenusa y las microalgas con medio de cultivo fluyen en sentido
opuesto.
• Tubulares en forma horizontal: son túbulos
hechos de acrílico, vidrio, plástico o teflón con
aprox. 3-6 cm de diámetro y de 10-100 m de
longitud. El cultivo pasa a través de estos tubos por medio de bombas. Los tubos pueden
estar organizados vertical, horizontal o cónico
helicoidal. La temperatura se controla con enfriamiento evaporativo o intercambio de calor.
• Columna vertical de burbujas: Se genera circulación del medio con microalgas en una
columna vertical a través del flujo de gases
como dióxido de carbono. Se ilumina a través
de tubos de luz y su objetivo es disminuir el
costo del cultivo a gran escala y hacerlo más
simple.
• Flat Panel Reactors (Reactores de paneles
planos): Consiste en una caja rectangular
transparente con 1 a 5 cm de profundidad.
Una capa fina de suspensión de células circula por una placa, lo cual permite que la luz
pueda ser absorbida.
3) Mantenimiento de los sistemas de cultivo
Los biofilms que se forman en las paredes reduce la penetración de la luz. Este inconveniente
se puede manejar al mantener un alto flujo de turbulencia con bombas de aire y lavar con peróxido
de hidrógeno para remover partículas pequeñas.
La remoción del agua se debe realizar para evitar
el estancamiento de la misma y así evitar adherencia de microalgas a las paredes de los estanques, dificultar la cosecha de éstas y aumentar el
intercambio del agua con el oxígeno [16].
II. RESULTADOS y DISCUSIÓN
A. Biofijación del Dióxido de Carbono de los
Gases de Chimenea
En diferentes grupos de investigación se ha
estudiado la eficiencia de fijación de CO2 por las
microalgas por medio de la fotosíntesis. A escala
de laboratorio Cheng et al en 2006 encontró una
eficiencia de 6,24 g CO2/L/día, si se mantiene
esta tasa en un bioreactor a gran escala, la captura sería de 26 Kg/h de dióxido de carbono en
un reactor de 100.000L o 114 T/año asumiendo
días lumínicos de 12 h. Kajiwara et al en 1997
encontró que la cepa Synechococcus alcanzó una
tasa máxima de absorción de CO2 de 0,025 g/L/h
o 0,6 g/L/día en una concentración de masa celular de 0,286 g / L. Si se aplica una ampliación a
escala, equivaldría a un biorreactor de tamaño de
4000 m3 con una tasa de fijación promedio de 1
tonelada de CO2/h de las fuentes de emisión.
Hirata et al en 1996 utilizó la cepa Chlorella
sp. UK001. La tasa media de fijación de CO2 fue
de 0,0318 g CO2/L/día. La eficiencia de conversión de energía a biomasa se estimó en 4,3%.
Murakami et al en 1997 utilizaron la cepa Synechocystis en un biorreactor de 5 litros con condiciones optimizadas, alcanzaron una velocidad
máxima de fijación de CO2 de 1,5 g CO2/L/día.
La cepa Botryococcus braunii, alcanzó una tasa
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de crecimiento de alrededor de 0,5 g / L /día. La
biomasa de esta microalga en particular contenía
más del 15% de su peso seco como hidrocarburos, y su tasa de fijación de CO2 superó a 1 g / L
/ día [17].
Dentro de los estudios realizados se plantea
la posibilidad de acoplar a las chimeneas de emisión de CO2 de las fábricas a un cultivo de las microalgas aprovechando dicho gas como fuente de
carbono para su crecimiento y desarrollo, en lugar
de ser emitido a la atmósfera, donde colabora con
el efecto invernadero [18].
Cerca del 90% ó más del CO2 inyectado en los
estanques puede ser utilizado eficientemente por
las microalgas [19]. Identificar las concentraciones de dióxido de carbono a las que las microalgas son tolerantes es importante, teniendo en
cuenta que se tiene como fuente las emisiones
de chimenea y asumiendo que presenta una
cantidad de CO2 disuelto en los gases a una concentración entre 15-20% v/v aproximadamente.
Muchas especies han sido evaluadas en concentraciones por encima del 15%. Kodama et al en
1994, encontraron que Chlorococcum littorale
puede crecer a 60% de CO2 mediante técnicas de
adaptación. Nakano et al en 1996, estudiaron la
Euglena gracilis, la cual puede crecer entre 5-45%
en presencia del gas, aunque su crecimiento es el
mejor al 5%. Hirata y Hanagata en sus respectivos
grupos de investigación manifestaron que Chlorella sp puede desarrollarse con éxito bajo un 10%
de dióxido de carbono y aún con un 40%.
Scenedesmus sp crece a un 80%, pero su
máxima masa celular se observó entre 10-20%
según Haganata et al en 1992. Cyanidium caldarium y otras especies pueden crecer en CO2 puro
según estudios de Graham y Wilcox en 2000.
En algunas investigaciones se han encontrado
microalgas tolerantes a ciertas concentraciones
de gases ácidos como NOx y SO2, el caso de Nannochloris sp, Dunaliella tertiolecta, Tetraselmis sp
y Chlorella según las condiciones de crecimiento.
Las microalgas pueden asimilar la cantidad de
CO2 disuelto en el medio de cultivo a unas concentraciones entre 0.04 - 100% v/v, seleccionada
la especie adecuada y un rango de temperatura
de 25 a 100ºC con la tecnología apropiada [20].
Seambiotic es la primera empresa en el mundo
que ha desarrollado el cultivo y procesamiento de
las microalgas marinas con gases de combustión
de Plantas Eléctricas. Se encuentra ubicada en Israel y plantea un sistema que consiste en conductos de desulfurización llamados FGD (Conductos
de Gas para Desulfurización), la cual es una tecnología encargada de retirar el dióxido de sulfuro de
las emisiones de las chimeneas, para evitar alguna
inhibición por estos gases y poder ser asimilado el
CO2 por las microalgas. A partir de ello la planta produce yeso como subproducto y es reciclado como
tablas de yeso o cemento. El SO2 (óxido de azufre)
es un gas ácido que puede ser removido con un
material absorbente o de tipo alcalino [21].
CULTIVO DE LAS MICROALGAS
El inóculo de microalgas requerido para producción es pequeño, de acuerdo al tamaño de los
estanques o fotobioreactores. Es cerca del 1-2%
de la biomasa total [22].
Universidades y empresas dedicadas a su estudio han identificado el potencial de diferentes
microalgas basándose en los subproductos que
generan y sus condiciones de crecimiento. Dentro de la revisión bibliográfica realizada se elaboró una lista de las más importantes hasta el momento basándose en los estudios reportados. A
continuación la Tabla 1 indica las microalgas más
destacadas.
Tabla 1. Microalgas estudiadas con capacidad de biofijar dióxido de
carbono según investigadores
Microalga
Fuente
Botryococcus braunii
Chlorella sp
Crypthecodinium cohnii
Cylindrotheca sp
Dunaliella primolecta
Euglena gracilis
Isochrysis sp
Monallanthus salina
Nannochloris sp
HENNEBERG, 2009
PRIBALDI, 2009
ATEHORTUA, 2008
Nannochloropsis sp
Neochloris oleoabundans
Nitzschia sp
Phaeodactylum tricornutum
Schizochytrium sp
Spirulina sp
Tetraselmis sueica
Scenedesmus sP
Fuente: Autor
QUEVEDO, 2006
Empleo de las microalgas en la fijación del CO2 presente en los gases de chimenea de equipos industriales de combustión en Colombia Díaz,Restrepo
La producción de microalgas y la obtención
de sus productos es uno de los campos menos
explorados en Colombia, falta investigar las cepas silvestres y determinar su posible aplicación
a nivel industrial. La Universidad de Antioquia a
través de un grupo de investigadores del Instituto
de Microbiología ha desarrollado estudios para la
aplicación de las microalgas en la producción de
biocombustible y así llegar a establecer un prototipo de cultivo [23]. En el Grupo de Bioprocesos del
Departamento de Ingeniería Química de la Universidad ya mencionada, se realizaron pruebas
con la microalga Scenedesmus sp, debido a que
posee niveles de lisina superiores al patrón de la
FAO, proporcionó una aplicación potencial en la industria de alimentos balanceados para animales
[24]. Por otro lado, un estudio científico de la Universidad Nacional desde hace dos años se concentró en hallar microalgas colombianas capaces
de producir biocombustible, al investigar los géneros Chlorella y Botryococcus para agua dulce,
y Nanochloropsis e Isochrysis para agua salada.
En el país las pocas investigaciones realizadas no
han tenido gran alcance, falta inversión y apoyo
por parte del Estado, lo que impide la elaboración
de estudios más profundos sobre estos microorganismos para obtener mayores beneficios [25].
El clima en el país es tropical, mantiene una temperatura uniforme la mayor parte del año. Está determinado por aspectos geográficos y atmosféricos
que desarrollan un amplio mosaico de climas que
van desde 30ºC (nivel del mar) hasta temperaturas
bajo 0ºC (alta montaña en nieves perpetuas). Algunas ciudades como Barranquilla, Santa Marta y
Cartagena tienen una temperatura media anual de
27-28 ºC, la cual es optima para el cultivo y producción de las microalgas [26]. El potencial energético
solar en todo el territorio tiene un promedio diario
multianual cercano a 4,5 kWh/m2, en la península
de La Guajira tiene un valor de 6,0 kWh/m2 [27]. La
intensidad media de radiación medida fuera de la
atmósfera en un plano normal es aproximadamente de 2.26 kW/m2 [28].
B. Cosecha del Sistema de Cultivo
En la producción de microalgas se conocen diferentes técnicas para la cosecha como son:
• Filtración: Separa el cultivo en una fase líquida y en una sólida, la cual contiene los microorganismos o biomasa.
•
•
•
Centrifugación: Se basa en la diferencia de
densidad entre las microalgas y el medio líquido, extrae el 80-90% con un aceleración de
500 a 1000 rpm. Se aplica a cultivos pequeños debido a su alto costo energético, por lo
que a gran escala resulta muy costoso.
Biofloculación: Es un proceso espontáneo de
floculación- sedimentación de las células en
el cual se conoce poco las causas de este fenómeno. Otra técnica consiste en interrumpir
el flujo de CO2 que ocasiona auto-floculación
[29].
Floculación química: Se usa aluminio, cloruro férrico y Chitosin, el cual es un producto comercial. Su aplicación es costosa, si se
tiene en cuenta que la cosecha se realiza en
sistemas a amplia escala [30]. Los técnica
para realizar la cosecha del cultivo se pueden
combinar entre si, como filtración seguida
de sedimentación o la centrifugación y posterior floculación química [31]. El 20 a 40%
del volumen del tanque puede ser cosechado
diariamente, teniendo en cuenta la época del
año y otros factores. En el momento no se ha
encontrado una tecnología para la cosecha a
bajo costo y práctica, debido a que las características de los métodos anteriormente
expuestos dificultan su aplicación industrial
[32].
Aplicaciones de las Micro algas
Las aplicaciones productivas y comerciales
de las microalgas son numerosas, van desde la
producción de suplementos alimenticios y nutricionales de consumo humano y animal hasta la
obtención de productos activos para la industria
farmacéutica y cosmética.
Las microalgas pueden llegar a ser una fuente
renovable de bio-combustible pues producen, biodiesel, bioetanol, metanol e hidrógeno, además
de servicios medio ambientales como tratamiento
de aguas residuales. Los restos de biomasa pueden utilizarse para compost y fertilizantes [33].
Las microalgas deben competir con la industria de
síntesis química y petroquímica, así como con la
agricultura para crear un interés en la economía e
industria contemporánea. Algunos productos que
representan ganancia son carotenoides, ácidos
grasos poliinsaturados y polisacáridos, debido a
27
28
ITECKNE Vol. 8 Número 1 • ISSN 1692 - 1798 • Julio 2011 • 23 - 30
su uso en el campo farmacéutico y alimenticio
[34].
C. Costos de la Producción
Calcular los costos de un sistema de cultivo
de microalgas es complejo debido a que se debe
tener en cuenta diferentes puntos del proceso.
Según Rosch, en su artículo estima la producción
de biomasa en 4.785 a 11.964 dólares por kilogramo, y el tipo de cosecha empleado influye en
la variación del valor [35]. Por otro lado un análisis
de viabilidad económica y de ingeniería realizado
por una empresa privada manifiesta que al trabajar con un tanque abierto sencillo, el sistema
en general puede tener un costo de por lo menos
$100,000 dólares por hectárea. Además habría
que sumar los costos de operación, la locación
que debe tener un clima favorable, disponibilidad
de agua (puede ser salina, salobre o agua residual), fuente de CO2 y en una zona plana [36].
Para hacer rentable su aplicación se debe obtener productos que representen un valor adicional como alimentos para animales, fertilizantes,
biocombustibles, es decir multipropósito [37].
III. CONCLUSIONES
Desde comienzos del siglo pasado se han estudiado las microalgas y su potencial productivo.
Grupos de investigación de universidades y empresas privadas han trabajado en obtener una
producción a escala industrial económicamente
factible, para lo que sería necesario superar obstáculos biotécnicos, medio ambientales y de costos. Es necesario desarrollar un cultivo, cosecha y
sistemas de extracción de nutrientes con una alta
productividad.
La rentabilidad del cultivo de microalgas es
posible aplicándolas como biofijadores de dióxido
de carbono de gases de chimenea y en el tratamiento de aguas residuales, así como la producción de suplementos alimenticios para humanos
y animales.
En Colombia no se han realizado investigaciones acerca de las microalgas como fijadoras de
CO2 presente en los gases de chimenea de equipos industriales, lo cual sería una alternativa ambiental a la contaminación generada.
Las condiciones climáticas del país lo hacen
apto para su producción, lo cual hace posible es-
tudiar las microalgas en el medio, que determinan
así la viabilidad del proceso. La aplicación del sistema de cultivo depende más de la capacidad de
inversión, debido a que los fotobioreactores cuentan con tecnología más avanzada, controlada y
por ende representa un mayor costo. Los tanques
abiertos son más económicos, se pueden mantener al aire libre y controlar algunos parámetros de
importancia, pero son menos eficientes.
La aplicación de esta tecnología por las industrias nacionales les permitiría implementar proyectos de Mecanismo de Desarrollo Limpio (MDL),
crear un bien ambiental viable, una asistencia financiera para la promoción del desarrollo sostenible y beneficios adicionales según los protocolos
de Kyoto y Copenhague. Por otro lado, se puede
obtener subproductos como fertilizantes, alimento para animales, bio-combustible, según el del
microorganismo empleado.
A medida que una nueva tecnología se da a
conocer los costos disminuyen. Según información recopilada durante la revisión bibliográfica,
su aplicación arroja altos valores de inversión y
mantenimiento del sistema de cultivo, debido al
desconocimiento e inexperiencia en el campo.
Según un estudio realizado por Krishnahadi
Pribaldi en el 2009 en Indonesia, el desarrollo de
este tipo de tecnología debe establecer un plan a
mediano y largo plazo, realizar una inversión paulatina y tener en cuenta el progreso de cada una
de las etapas del proceso.
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen a la Universidad Industrial de Santander, Escuela de Química, por el apoyo técnico en el desarrollo de este proyecto.
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16 febrero de 201
Modificación superficial de un acero AISI SAE
1045 mediante la implantación de iones de
nitrógeno y titanio
Ely Dannier V. Niño
MSc en Física, Universidad Industrial de Santander
Docente Tiempo Completo, Investigador Grupo GINTEP,
Universidad Pontificia Bolivariana UPB, Investigador Grupo FITEK,
Universidad Industrial de Santander UIS
Bucaramanga, Colombia
[email protected]
Deicy Viviana Salinas
Ing Metalúrgica, Universidad Industrial de Santander
Investigador Grupo GIC, Universidad Industrial de Santander UIS,
Investigador Grupo GINTEP,
Universidad Pontificia Bolivariana UPB
Bucaramanga, Colombia
Darío y. Peña
PhD en Corrosión, Universidad de Manchester
Docente Tiempo Completo, Investigador Grupo GIC,
Universidad Industrial de Santander UIS
Bucaramanga, Colombia
[email protected]
Luisa fernanda Chinchilla
Ing Metalúrgica, Universidad Industrial de Santander
Investigador Grupo GIC, Universidad Industrial de Santander UIS,
Investigador Grupo GINTEP,
Universidad Pontificia Bolivariana UPB
Bucaramanga, Colombia
Resumen— Los constantes avances tecnológicos han
permitido generar técnicas para la protección superficial de materiales expuestos en medios agresivos; por
ello el Grupo de Investigación en Tecnología del Plasma
y Corrosión (fITEK) junto con el Grupo de Investigación
en Corrosión (GIC) de la Universidad Industrial de Santander (UIS), desarrollan una nueva tecnología de modificación superficial de sólidos mediante descargas
pulsadas de alto voltaje y de arco eléctrico a bajas presiones realizada en el reactor JÚPITER (Joint Universal
Plasma and Ion Technologies Experimental Reactor).
La presente investigación buscó mediante ensayos de
inspección visual, espectroscopia de plasma inducido
por láser y microscopía óptica, evaluar el desempeño
de las superficies del acero AISI SAE 1045 no modificadas y modificadas con iones de especies no metálicas
(Nitrógeno) y metálicas (Titanio), en el reactor de Modificación Superficial de Metales (MOSMET) después de
estar inmersas por varios días en solución de cloruro de
sodio (NaCl) al 3%. La dosis implantada a 9 minutos con
titanio tuvo un mejor comportamiento en los ensayos de
corrosión en solución NaCl al 3%, estableció la implantación con iones de titanio, como un posible mecanismo
efectivo para la protección contra el deterioro del acero
AISI SAE 1045 expuesto a medios agresivos.
reactor (Joint Universal Plasma and Ion Technologies
Experimental Reactor). Present investigation sought by
testing visual inspection, spectroscopy, laser induced
plasma and optical microscopy to evaluate the performance of the surfaces of SAE 1045 AISI unmodified and
modified with metal ions species (nitrogen) and metal
(titanium) in the reactor Surface Modification of Metals
(MOSMET) after being immersed for several days in a
solution of sodium chloride (NaCl) to 3%.The implanted
dose to 9 minutes with titanium had a better performance in corrosion tests in 3% NaCl solution, establishing
the titanium ion implantation as a possible effective mechanism for protection against the erosion of AISI SAE
1045 steel exposed to aggressive media.
Palabras clave— Acero AISI SAE 1045, Modificación
Superficial, Productos de Corrosión, Inspección Visual,
Espectroscopia de Plasmas Inducidos por Láser (LIBS),
Microscopia Óptica.
Abstract— Modern metal-mechanical industry requires
new technologies to protect metal surfaces in aggressive media. To meet these needs the Research Group on
Plasma Technology and Corrosion (FITEK) together with
the Corrosion Research Group (ICG) of the Industrial University of Santander (UIS), are developing a new technology modify solids surface by high-voltage pulsed discharge and electric arc at low pressures in the JUPITER
Keywords— AISI SAE 1045 steel, surface modification,
corrosion products, visual inspection, spectroscopy, laser induced plasma, optical microscopy.
I. INTRODUCCIÓN
El mejoramiento de las propiedades superficiales de los materiales es una búsqueda continua y
creciente de los distintos sectores industriales [1].
En relación con la corrosión, la modificación de
las superficies comprende la aplicación de tecnologías para la obtención de propiedades deseadas
que conllevan a la protección de diversos materiales sometidos a diferentes medios agresivos. Desde los métodos tradicionales como el esmaltado o
la electrodeposición de metales, hasta las técnicas de desarrollo más reciente, como la implantación de iones y los tratamientos híbridos (Implantación - Deposición), son de interés mundial para
mitigar los problemas de corrosión [2], [3].
Recibido: 29/04/2011/ Aceptado: 27/05/2011/ ITECKNE Vol. 8 Número 1 • ISSN 1692 - 1798 • Julio 2011 • 31 - 36
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ITECKNE Vol. 8 Número 1 • ISSN 1692 - 1798 • Julio 2011 • 31- 36
En la década de los 70, se encontró que la implantación iónica en superficies metálicas podría
mitigar los fenómenos de corrosión y aumentar la
resistencia al desgaste; donde la capa implantada no es un enchape, no exige altas temperaturas
de procesamiento, no aumenta el tamaño de los
componentes y por no ser un proceso químico no
produce contaminación ambiental [4].
Como una alternativa a los procesos de modificación superficial avanzada se presenta la implantación iónica tridimensional (Three Dimentional Ion
Implantation - 3DII), la cual permite adecuar sin
mayores costos sistemas que permiten aumentar
significativamente la capacidad de funcionamiento de los equipos. A diferencia de las técnicas de
implantación tradicional por haz de iones (IBI), Implantación de iones en fuentes de plasma (PSII) y
la Implantación iónica por inmersión de Plasma; en
la 3DII las probetas están inmersas en un plasma
y toda la superficie es bombardeada simultáneamente por el flujo de iones sin necesidad de ser
manipulada, lo que permite un tratamiento de alta
calidad para piezas con formas irregulares [5].
De acuerdo a lo anterior, se analiza mediante
Inspección Visual, Espectroscopia de Plasmas Inducidos por Láser (LIBS), Microscopia Óptica, el
comportamiento de la resistencia a la corrosión
en probetas de acero AISI SAE 1045 expuestas
a un tratamiento superficial mediante descargas
pulsadas de alto voltaje y de arco eléctrico a bajas presiones con iones de Nitrógeno y Titanio, en
el reactor de Modificación Superficial de Metales
(MOSMET) [6].
II. METODOLOGÍA
Se diseñaron y se elaboraron probetas (cupones), de acero AISI SAE 1045, con dimensiones
7.6cm x 1.9cm x 0.03cm, las cuales fueron preparadas superficialmente, por medio de limpieza
mecánica y por ultrasonido [7]. Finalizada la limpieza superficial, se seleccionó un cupón de referencia para análisis metalográfico, el cual se llevó
a cabo según la Norma ASTM E3-01[8].
Con la finalidad de eliminar la posible existencia de residuos sólidos y grasas superficiales
antes de la modificación superficial [9], se realizó
una limpieza por bombardeo iónico (sputtering a 5
KV) con gas de argón en la cámara de descargas
del reactor JÚPITER (ver Fig. 1).
La modificación superficial con iones de Ti y
N se llevó a cabo mediante la técnica 3DII, implementada en el reactor JÚPITER; el proceso se desarrolló a partir de un flujo de átomos ionizados que
incidían sobre la superficie del blanco metálico con
una energía establecida (10 KeV) [10]. Las probetas fueron implantadas con Nitrógeno durante 60
y 90 minutos, y con Titanio durante 6 y 9 minutos.
FIG. 1. REACTOR JÚPITER
Fuente: Los autores
Posteriormente las superficies de los cupones
implantados y no implantados estuvieron inmersas durante 28 días en una solución de cloruro de
sodio (NaCl) al 3% [10].
Con el propósito de establecer la efectividad
de la superficie modificada, por medio de la implantación de iones de nitrógeno y titanio, las superficies son caracterizadas antes y después de
la inmersión en la solución de NaCl al 3% mediante, Inspección Visual, Espectroscopia de Plasmas
Inducidos por Láser (LIBS) y Microscopia Óptica
[11]. El análisis multielemental de los productos
de corrosión mediante la técnica LIBS, se realiza
mediante un sistema instrumental con un espectrómetro Jarrell-Ash tipo Ebert (3.4m de distancia
focal) de alta resolución.
III. RESULTADOS y ANÁLISIS
La inspección visual en las probetas implantadas y no implantadas se realizó de manera general donde se identificó la presencia de corrosión
uniforme y corrosión por rendijas.
En la Fig. 2 y 3 se observan las superficies de
las probetas implantadas y no implantadas después de 28 días de inmersión en solución de NaCl
al 3%. En las probetas implantadas con nitrógeno
a 90 minutos y con titanio a 6 minutos, se obser-
Modificación superficial de un acero AISI SAE 1045 mediante la implantación de iones de nitrógeno y titanio - Niño, Salinas, Peña,
Chinchilla
va corrosión localizada, encontrándose la posible
presencia de óxidos como hematita (amarillo), hidróxidos (rojo-pardo) y cloruro férrico (azul-verdoso) [12], [13].
FIG. 4. ESPECTRO LIBS DE LOS PRODUCTOS DE CORROSIÓN EN PROBETAS IMPLANTADAS CON TITANIO (A) FE Y SI, (B) NA, TI Y FE
FIG. 2. SUPERFICIE DE REFERENCIA SIN MODIFICAR
FIG. 3. SUPERFICIE IMPLANTADA CON (A) NITRÓGENO A 60 Y (B)
90 MINUTOS, (C) TITANIO A 6 Y (D) 9 MINUTOS
FIG. 4 (CONTINUACIÓN). ESPECTRO LIBS DE LOS PRODUCTOS DE CORROSIÓN EN PROBETAS IMPLANTADAS CON TITANIO (A) FE Y SI, (B) NA, TI Y FE
Fuente: Los autores
Mediante la técnica LIBS, se identificaron los
elementos presentes en los productos de corrosión obtenidos de las probetas de acero AISI SAE
1045 implantadas con titanio y nitrógeno, después de estar inmersas en una solución de NaCl
al 3%.
En las Fig. 4(A) y 4(B) se muestran los espectros de intensidad respecto a la longitud de onda
de los elementos presentes en los productos de
corrosión de las probetas implantadas con titanio, tales como el Fe, Si, Ti, Na, entre otros [14],
[15].
Fuente: Laboratorio LEAM - UIS
Los registros adquiridos para la textura y la
topografía de la superficie en las muestras implantadas y no implantadas corresponden aproximadamente a la zona más afectada, donde se visualiza el mayor deterioro por picadura.
En las Fig. 5 (A y B) se observó el mayor deterioro y formación de picaduras en la superficie de
las muestras. En la Fig. 6 (A y B) se representa
la topografía de la superficie observándose una
rugosidad muy irregular.
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FIG. 5. TEXTURA DE LA PROBETA SIN IMPLANTAR (A) 0 (CERO) Y (B) 28
DÍAS DE INMERSIÓN
por el bombardeo iónico durante la modificación
superficial.
De igual forma, apreciamos un comportamiento más uniforme en la topografía de la probeta
implantada con nitrógeno a 90 minutos que la implantada a 60 minutos.
FIG. 7. TEXTURA DE LA PROBETA IMPLANTADA CON NITRÓGENO
(A) 60 Y (B) 90 MINUTOS
Fuente: GOTS - UIS
FIG. 6. TOPOGRAFÍA DE LA PROBETA SIN IMPLANTAR (A) 0 (CERO) Y (B)
28 DÍAS DE INMERSIÓN
Fuente: GOTS - UIS
FIG. 8. TOPOGRAFÍA DE LA PROBETA IMPLANTADA CON NITRÓGENO
(A) 60 Y (B) 90 MINUTOS
(A)
(A)
(B)
Fuente: GOTS - UIS
En las Fig. 7 (A) y 7 (B) se verifica la efectividad
de la implantación de nitrógeno a un tiempo de
90 minutos, donde el deterioro de la superficie es
relativamente menor comparada con la implantada con nitrógeno a un tiempo de 60 minutos. En
la Fig. 8 (A) y 8 (B) la superficie de las probetas
presenta un leve decapado que pudo ser causado
(B)
Fuente: GOTS - UIS
La Fig. 9 (A) y 9 (B) muestra la textura de las probetas implantadas con titanio a 6 y 9 minutos, donde se observa una disminución del deterioro super-
Modificación superficial de un acero AISI SAE 1045 mediante la implantación de iones de nitrógeno y titanio - Niño, Salinas, Peña,
Chinchilla
ficial con respecto a las probetas no modificadas y
modificadas con nitrógeno. En la Fig. 9 (A) se aprecia
una región afectada (inferior derecha) por la corrosión por rendijas [16], donde se ve con mayor claridad en la Fig. 10 (A) (Zona de mayor protuberancia).
FIG. 9. TEXTURA DE LA PROBETA IMPLANTADA CON TITANIO
(A) 6 Y (B) 9 MINUTOS
(B)
Fuente: GOTS - UIS
IV. CONCLUSIONES
Fuente: GOTS - UIS
La topografía de las probetas implantadas con
titanio a 6 y 9 minutos se muestra en la Fig. 10
(A y B). Al comparar las topografías de todas las
muestras se observa que las probetas implantadas con titanio presentan una disminución muy
significativa de la rugosidad, especialmente la tratada a 9 minutos de exposición.
De acuerdo con lo anterior se aprecia con facilidad que las superficies de las probetas implantadas e inmersas en la solución NaCl al 3 % durante 28 días, presentaron una disminución de la
rugosidad y menor degradación del material (formación de productos de corrosión, desgaste por
picadura y rendija). Sin embargo, cabe resaltar el
buen comportamiento encontrado en las probetas
implantadas con titanio especialmente la modificada a 9 minutos.
FIG. 10. TOPOGRAFÍA DE LA PROBETA IMPLANTADA CON TITANIO
(A) 6 Y (B) 9 MINUTOS
La implantación iónica tridimensional (3DII)
realizada mediante descargas combinadas de
arco eléctrico y pulsadas de alto voltaje a bajas
presiones modifica superficialmente el acero AISI
SAE 1045, y como consecuencia mitiga la corrosión en la superficie de la misma.
La dosis implantada a 9 minutos con titanio
presentó el mejor comportamiento superficial
después de la inmersión en solución NaCl al 3%,
que establece la implantación con iones de titanio, como un posible mecanismo efectivo para la
protección contra el deterioro del acero AISI SAE
1045 expuesto a medios agresivos.
Los productos de corrosión formados en la superficie de las muestras tratadas y no tratadas
con iones de nitrógeno y titanio expuestas a una
solución de salmuera, se lograron identificar por
medio de inspección visual, reconstrucción de topografía de superficies (microscopio de alta resolución) y por espectroscopia de plasmas inducidos
por láser (LIBS).
AGRADECIMIENTOS
(A)
Los autores expresan sus agradecimientos a
Colciencias por la financiación del Proyecto MOSMET, al Grupo de Investigación en Tecnología del
Plasma y Corrosión (FITEK), al Grupo de Investigación en Corrosión (GIC), al Laboratorio de Espectroscopia Atómica y Molecular (LEAM), al Grupo de
Óptica y Tratamiento de Señales (GOTS) de la Universidad Industrial de Santander y la Universidad
Pontificia Bolivariana seccional Bucaramanga.
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REfERENCIAS
[1]
[2]
[3]
[4]
RODRÍGUEZ, t. al (1998) “Presente y futuro de
la implantación iónica”: se describe la naturaleza, características, ventajas y desventajas de
los tratamientos de superficie por implantación
iónica; además el actual estado de desarrollo de
esta tecnología, sus aplicaciones y las previsiones de su evolución en los próximos años.
HUTCHINGS. r, (1994) A review of recent developments in ion implantation for metallurgical
application: La implantación iónica surge como
herramienta para mejorar la resistencia al desgaste y a la corrosión de los metales y aleaciones (materiales de ingeniería). Se realiza este
trabajo o proyecto con el objetivo de identificar
oportunidades para la aplicación industrial de la
implantación iónica.
MUTHUKUMARAN, V. Experimental investigation
on corrosion and hardness of ion implanted AISI
316L stainless steel. Materials & desing technology. 2010
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colombiana de física, Vol. 38, No. 2, 2006
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Métodos de Control. Universidad Nacional.
Tecnología del plasma aplicada a problemáticas
en el sector hidrocarburos en colombia
Hernán Alfonso Garnica
MSc(c) en Física, Universidad Industrial de Santander
Profesional, Investigador, Corporación para la Investigación de la
Corrosión CIC, Investigador Grupo FITEK,
Universidad Industrial de Santander UIS
Bucaramanga, Colombia
[email protected]
Ely Dannier Valbuena Niño
MSc en Física, Universidad Industrial de Santander
Docente Tiempo Completo, Investigador Grupo GINTEP, Universidad Pontificia Bolivariana UPB, Investigador Grupo FITEK,
Universidad Industrial de Santander UIS
Bucaramanga, Colombia
[email protected]
Valeriy Dugar-Zhabon
PhD en Física, Universidad Estatal de Moscú
Docente Ttitular, Investigador Grupo FITEK,
Universidad Industrial de Santander UIS
Bucaramanga, Colombia
[email protected]
Resumen— El sector productivo actualmente se ha interesado en el estudio de fenomenologías que involucren
mitigar el deterioro por corrosión de los materiales allí
empleados, como el desarrollo de nuevos materiales o la
aplicación de recubrimientos. En este trabajo se presenta el desarrollo de un nuevo tratamiento (Implantación
iónica tridimensional – 3DII) para la protección de superficies metálicas en acero AISI SAE 1010, 1020, 1045
y 316 Ti, mediante el empleo de descargas combinadas
de arco eléctrico y alto voltaje.
Los cupones modificados superficialmente son evaluados según técnicas adoptadas por el sector hidrocarburos, tales como los ensayos fisicoquímicos y
electroquímicos (permeación de gases CO2 y H2S). La
cuantificación de los daños se llevó a cabo empleando
la microscopia confocal 3D y la simulación de esfuerzos
por medio del análisis de elementos finitos.
Palabras clave— Corrosión, Implantación, Biocorrosión
Abstract— The phenomenology studies of the measures
which can mitigate the corrosion damages of the materials used in the productive sector are now of great
interest. The surface coatings and physicochemical
modification of the superficial layer make part of these
measures. In this work, the AISI SAE 1010, 1020, 1045
y 316 steels are treated in a hybrid discharge: an arc
discharge produces high density titanium plasma and a
high voltage discharge implants titanium ions.
The corrosion resistance of the treated coupons is evaluated in accordance with the techniques accepted by
the hydrocarbon sector, such as the physicochemical
and electrochemical tests (CO2 and H2S gas permeability). The quantification of the biocorrosion damages is
realized using a 3D confocal microscope and the tensions are simulated by the finite elements technique.
Keywords— Corrosion, Implantation, Biocorrosion.
I. INTRODUCCIÓN
La implantación de especies metálicas y no
metálicas, tales como el titanio o el nitrógeno,
en la superficie del acero al carbono, aún no son
empleados en Colombia industrialmente. Actualmente, la protección de dichos materiales se da
mediante el uso de recubrimientos no metálicos,
transformaciones de micro estructura por cambios térmicos o mediante tratamientos electroquímicos como la carburación y nitruración.
Si nos enmarcamos en la corrosión como una
problemáticas del sector hidrocarburo, podemos
tener estadísticas palpables y muy específicas,
donde los elementos que impactan en la rentabilidad dependen del aumento del tiempo de vida
útil de las infraestructuras metálicas, se logrará
minimizar los efectos del deterioro por corrosión y
por desgaste mecánico.
En Colombia, los costos asociados a los problemas por corrosión en metales se han estimado
en casi 1300 millones de dólares al año, lo cual
equivale aproximadamente el 1.2% del Producto
Interno Bruto [1], [2]. De estos costos, entre el 30
y el 40% corresponden a pérdidas generadas por
corrosión biológica (bacterias) [3]; con ello la temática cobra un gran interés en el ámbito económico-científico.
Como una alternativa para mitigar los daños
producidos por el deterioro de las estructuras a
causa de la corrosión, se desarrollan nuevas técnicas de tratamiento superficial mediante métodos plasmicos, las cuales mediante procesos de
Recibido: 29/04/2011/ Aceptado: 27/05/2011/ ITECKNE Vol. 8 Número 1 • ISSN 1692 - 1798 • Julio 2011 • 37 - 41
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difusión, deposición o implantación proporcionan
cambios significativos y mejoras de desempeño
en los sustratos metálicos [4-7].
Como una etapa inicial (pre piloto) que permita emplear esta tecnología industrialmente,
se propone estudiar la efectividad de la técnica
de implantación iónica tridimensional como una
alternativa de protección en los aceros [8], [9],
para ello se plantea una serie de experimentos
que buscan evaluar las superficies modificadas
por esta técnica ante los efectos causados por la
corrosión en metales de bajo contenido de carbono.
II. DESARROLLO ExPERIMENTAL
La base experimental se fundamenta en las
normatividades empleadas en la industria del
petróleo y gas, generalmente referidas a normas
ASTM, NACE y API. La idea es verificar experimentalmente la eficiencia del tratamiento 3DII. En el
desarrollo experimental se emplean testigos gravimétricos y biocupones de acero AISI SAE 1010,
1020 y 1045 con bajo contenido de carbono y
plugs de acero AISI SAE 316 Ti.
La caracterización superficial de los cupones
y plugs modificados y no modificados superficialmente se lleva a cabo mediante ensayos
gravimétricos y electroquímicos ante corrosión
debida a aguas de producción, medida de los
defectos asociados a corrosión bacteriana y el
mejoramiento de plug de alta presión que son
empleados como tapones en líneas de crudo y
gas. A continuación se presentan tres etapas
para afrontar algunas de las problemáticas presentes en el sector hidrocarburo.
En la primera etapa se realiza un estudio
para determinar la velocidad de corrosión de
cupones gravimétricos rectangulares planos
después de estar inmersos en condiciones estacionarias en una solución de salmuera al 3%,
durante 60 días. Los cupones tienen una geometría de 3” x ¾” x 1/8” [10] y la superficie
presenta un acabado superficial a sandblasting
con perfil de anclaje de 0,03 mm. La matriz experimental corresponde a probetas por duplicado en estado de suministro y con implantación
de Ti, sin exponer y expuestas en solución de
salmuera, en la Fig. 1 se contempla el montaje
de los cupones por duplicado.
FIG. 1. MONTAJE DE CUPONES GRAVIMÉTRICOS
EN SOLUCIÓN DE SALMUERA
Fuente: Los autores
La segunda etapa busca cuantificar los defectos
superficiales en cupones de geometría cilíndrica de
espesor 5mm y 25,4mm de diámetro, con acabado
superficial a lija 1200 (rugosidad aproximada de
0,003mm) expuestos a sepas de bacterias sulfato
reductoras (BSR). La matriz experimental contempla cupones blancos (sin implantar no inoculados
e inoculados bajo ataque bacteriano), cupones implantados con titanio bajo corrosión fisicoquímica
(no inoculados) y cupones implantados con titanio
inoculados expuestas por un tiempo de 50 días en
condiciones estáticas en una salmuera al 0,03%
(esta solución se toma como referencia al agua de
producción en petroleras), ver Fig. 2.
FIG. 2. MONTAJE DE BIO CUPONES. (A) CUPÓN NO IMPLANTADO NO
INOCULADO A 1 DÍA, (B) NO IMPLANTADO INOCULADO A 50 DÍAS Y (C)
IMPLANTADO INOCULADO A 50 DÍAS
Fuente: Los autores
En la tercera etapa se realiza el estudio de la
problemática referente al daño debido a soldaduras
de galling fruto del roce de sus materiales disimiles
con presencia de particulado metálico y suciedades
entre una unión roscada, presentes en los sistemas
retráctiles los cuales utilizan plugs de alta presión
para gravimetría (ver Fig. 3), de amplio uso el sector
hidrocarburos en la inserción de cupones gravimétricos, probetas eléctricas y sistemas de inyección. El
plug de alta presión es modificado superficialmente
con iones de titanio mediante la técnica 3DII.
39
Tecnología del plasma aplicada a problemáticas en el sector hidrocarburos en Colombia - Garnica, Valbuena, Dugar
FIG. 3. (A) SISTEMA RETRÁCTIL (B) PLUG DE ALTA PRESIÓN
TABLA II
Valores de las velocidades de corrosión obtenidos
para los sistemas evaluados
Sistema
Implantación
VelCorr
(mpy)
Eficiencia
%
1010
Sin
Implantación
22,22
N.A.
1010
Con
implantación
de titanio
1,81
91,44
1020
Sin
Implantación
21,06
N.A.
1020
Con
implantación
de titanio
2,65
87,53
1045
Sin
Implantación
13,75
N.A.
1045
Con
implantación
de titanio
1,48
93,05
Fuente: Los autores
Fuente: Los autores
III. RESULTADOS y DISCUSIÓN
Los resultados obtenidos por métodos gravimétrico de las velocidades de corrosión en cupones de acero AISI SAE 101, 1020 y 1045 tratado
y no tratado superficialmente con iones de titanio
fueron calculadas según la normatividad ASTM
[11]-[14] y son reportados en la Tabla 1. Los resultados muestran una gran diferencia comprendida
entre el 20% al 110%.
TABLA I
Resultados de las velocidades de corrosión de los ensayos gravimétricos
Material
Implantado
Vel. Corrosión
(mpy)
AISI SAE 1010
N.A.
1,3
AISI SAE 1020
N.A.
0,8
AISI SAE 1045
N.A.
0,6
AISI SAE 1010
Ti
0,6
AISI SAE 1020
Ti
0,6
AISI SAE 1045
Ti
0,45
Acorde a lo reportado en la Tabla 2, se observa
una disminución mayor al 87,53% en la velocidad
de corrosión en los aceros que fueron implantados con Ti en comparación con los aceros del mismo tipo sin implantación.
En la segunda etapa se analizaron las superficies de los cupones implantados y no implantados después de estar inmersos en la solución
con BSR. Las superficies fueron caracterizadas
ópticamente con ayuda de un microscopio de alta
resolución de campo brillante automatizado imagen 01M ZIISS. En la Fig. 4 (A) se observan picados entre 15-30 micras a profundidades de 8-15
micras en un área analizada de 284 x 212 micras.
En la Fig. 4 (B) se evidencia picado con diámetros
de 2 micras a profundidades de 3 micras en un
área analizada de 142 x 106 micras.
FIG. 4. IMÁGENES DE LOS DEFECTOS EN ESCALA DE GRISIS
mpy: milésimas de pulgada por año por año
Fuente: Los autores
Una vez obtenidos los resultados anteriores,
se realizó la prueba de ensayos electroquímicas
con burbujeo de CO2 para hacer la condición más
agresiva, que permitió corroborar la eficiencia de
la implantación de Ti como agente mitigador de
corrosión, estos cálculos se basaron según la normatividad ASTM [15]-[19] y son reportados en la
Tabla 2.
Fuente: GOTS – UIS
Por último se presenta el proceso estructurado
desde el diseño gráfico dimensional, la simulación de esfuerzos mediante el análisis finito como
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ITECKNE Vol. 8 Número 1 • ISSN 1692 - 1798 • Julio 2011 • 37 - 41
se muestra en la Fig. 5, se pasó por la fabricación,
modificación superficial con Ti, hasta terminar
con la evaluación y comparación de las superficies implantadas y no implantadas en un banco
de pruebas de repetitividad mecánica.
FIG. 5. DISTRIBUCIÓN DE ESFUERZOS EN LOS FILETES DE ROSCAS EN
PLUG (A) SIN TRATAMIENTO Y (B) CON TRATAMIENTO
(A)
en el reactor MOSMET [20], resulta un mejoramiento significativo de resistencia a la corrosión
fisicoquímica y se evidencia que el proceso es eficiente.
De acuerdo a los resultados obtenidos mediante técnicas electroquímicas, se observa una
disminución en la velocidad de corrosión mayor
al 87,53 % para los cupones implantados con Ti,
lo cual indica que el proceso que la técnica empleada genera una disminución en la tendencia
general que tiene el hierro de buscar la forma más
estable o de menor energía interna.
El experimento muestra que la técnica 3DII es
eficiente en la reducción del daño superficial producido por las BSR, cuantificándose picaduras del
orden del 0,003mm, con respecto a las probetas
no implantados y sometidas al ataque bacteriano,
las cuales reportan picaduras del orden de los
0,03mm. Se puede concluir que la implantación
de iones de titanio minimiza la acción dañina de
los microorganismos sulfatos reductores.
En los plugs de alta presión se logró mejorar el
factor de diseño en un 16%, con mejoras del 15%
de desempeño en pruebas de presión los plugs
implantados con Ti y ante las pruebas de repetitividad mecánica presentó un aumento en la vida
útil del 90%.
AGRADECIMIENTOS
Los autores presentan sus agradecimientos
al grupo de biocorrosión, fisicoquímica y taller de
mecánica fina de la corporación para la investigación de la corrosión - CIC; al grupo de física y
tecnología del plasma de la universidad industrial
de Santander y su proyecto MOSMET financiado
por Colciencias, al grupo de óptica y tratamiento
de señales en especial al PhD. Arturo Plata G. y al
PhD. Piotr Tsygankov profesor asociado al departamento de ingeniería del plasma de la universidad estatal de Bauman Moscú.
REfERENCIAS
(B)
CONCLUSIONES
El tratamiento superficial de los aceros AISI
SAE 1010,1020 y 1045 mediante la implantación
iónica tridimensional de iones de titanio realizada
[1]
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41
Caracterización de aleaciones de magnesio
mediante microscopía de fuerza atómica con
sonda Kelvin de barrido (SKPfM)
Ana Emilse Coy Echeverría
PhD en Ciencia y Tecnología de Materiales,
Universidad Complutense de Madrid
Docente Tiempo Completo, Investigadora, Escuela de Ingeniería
Metalúrgica y Ciencia de Materiales,
Universidad Industrial de Santander UIS
Bucaramanga, Colombia
[email protected]
fernando Viejo Abrante
PhD Ciencia y Tecnología de Materiales,
Universidad Complutense de Madrid
Docente Tiempo Completo, Investigador, Escuela de Ingeniería
Química, Universidad Industrial de Santander UIS
Bucaramanga, Colombia
[email protected]
Sandra Judith García Vergara
PhD en Ciencia e Ingeniería de la Corrosión,
Universidad de Manchester
Docente Tiempo Completo, Investigadora, Escuela de Ingeniería
Metalúrgica, Universidad Industrial de Santander UIS
Bucaramanga, Colombia
George E. Thompson
PHD en Desarrollo de Nuevas Aleaciones Ligeras
Profesor, Universidad de Manchester
Manchester, Inglaterra
george.thompson@ manchester.ac.uk
Peter Skeldon
Profesor, Universidad de Manchester
Manchester, Inglaterra
[email protected]
A M´hich
PhD en Ciencia y Tecnología de Materiales,
Universidad Complutense de Madrid
Investigador Asociado, Universidad de Manchester
Manchester, Inglaterra
Resumen— Dos aleaciones de magnesio ZE41 y AZ91D,
producidas comercialmente, fueron estudiadas mediante microscopía de fuerza atómica con sonda Kelvin de
barrido (SKPfM, siglas en inglés) con el fin de evaluar
el papel de sus fases microconstituyentes en interacciones galvánicas potenciales. Los análisis mostraron que
las fases microconstituyentes presentes en ambas aleaciones de magnesio exhibieron diferencias de potenciales Volta positivos con relación a la matriz, indicaron un
comportamiento catódico. Dicho comportamiento fue
corroborado mediante ensayos de inmersión en una solución agresiva de NaCl al 3.5 % en peso. Este ensayo
confirmó que las fases presentes en las aleaciones estudiadas actuaron como sitios efectivos promoviendo el
inicio de corrosión localizada. Además, la intensidad del
ataque dependió de los valores de potenciales Volta de
cada fase, así como de su distribución en la aleación.
effective sites to promote the beginning of localized corrosion. further, the intensity of the corrosion attack depended on the Volta potential value for each phase, as
well as their distribution within the alloy.
Palabras clave— Aleaciones de magnesio, SKPfM, Potencial Volta.
Abstract— Two commercially produced magnesium
alloys, ZE41 and AZ91D, were studied by scanning Kelvin probe force microscopy (SKPfM) in order to evaluate
the role of their micro-constituent phases on potential
galvanic interactions. SKPfM measurements showed
that these phases exhibited positive Volta potentials
differences relative to the matrix, indicating a cathodic
behaviour. The influence of these phases on the initiation of corrosion was examined by immersion tests in
3.5 wt. % NaCl solution. Immersion testing confirmed
that, for both alloys, the micro-constituents phases were
Keywords— Magnesium alloys, SKPf, Volta potential.
I. INTRODUCCIÓN
En los últimos años las aleaciones de magnesio
han venido siendo objetivo especial de estudio. Con
un precio similar y con una menor densidad comparada con el aluminio, el magnesio es una atractiva
opción para la industria del sector del transporte,
donde sus innumerables cualidades pueden ser
usadas con la gran ventaja de contribuir al ahorro
de energía y reducir de esta forma el impacto ambiental [1]. Como ejemplo, una significativa reducción de peso puede ser alcanzada a través del uso
del magnesio en el diseño de automóviles; cada 10
kg de acero pueden ser reemplazados por 4 kg de
magnesio, esto garantiza un ahorro de 100 kg de
emisiones de gas sobre la vida útil del vehículo.
Aunque una gran variedad de aplicaciones pueden ser visionadas para las aleaciones de magnesio, el uso actual está limitado debido a su baja
resistencia a la corrosión en determinados ambientes. Esta susceptibilidad a la corrosión depende
Recibido: 29/04/2011/ Aceptado: 27/05/2011/ ITECKNE Vol. 8 Número 1 • ISSN 1692 - 1798 • Julio 2011 • 42 - 46
Caracterización de aleaciones de magnesio mediante microscopía de fuerza atómica con sonda Kelvin de barrido (SKPfM) - Coy, Viejo,
García, Thompson, Skeldon, M´hich
considerablemente de su microestructura y del
carácter anódico o catódico de las fases y/o microcontituyentes presentes en esta [2]-[4].
Con el fin de profundizar en los mecanismos
de corrosión de estas aleaciones, diferentes
técnicas han sido utilizadas para dar información suplementaria a los resultados obtenidos
mediante los métodos electroquímicos clásicos.
La microscopía de fuerza atómica con sonda
Kelvin de barrido (SKPFM siglas en inglés) ha
sido establecida como una técnica poderosa
para caracterizar procesos de corrosión asociados con heterogeneidades locales en las superficies pasivas [5]-[7]. Estudios previos han confirmado a esta técnica como una herramienta
útil para generar diferencias de potencial Volta,
usadas para estimar la nobleza electroquímica
de cada fase micro-constituyente con relación
a la matriz adyacente [8]-[13]. Además, la alta
resolución lateral ofrecida por esta técnica (alrededor de 0,1mm) ha encontrado una aplicación interesante en la determinación de la contribución de las fases micro-constituyentes en
la corrosión localizada de aleaciones ligeras [8],
[14],[15].
Basado en estas premisas, el objetivo del
presente trabajo fue evaluar dos aleaciones comerciales de magnesio, ZE41 y AZ91D mediante SKPFM, complementariamente con microscopía óptica y electrónica de barrido (FEG-SEM),
y espectroscopía dispersiva de rayos X (EDS),
con el fin de determinar el papel de las fases
microconstituyentes en posibles interacciones
galvánicas.
II. PROCEDIMIENTO ExPERIMENTAL
A. Materiales
Los materiales objeto de estudio fueron dos
aleaciones de magnesio comerciales, ZE41 y
AZ91D, sumistradas por la empresa Magnesium
Elektron (Inglaterra). La composición nominal de
las aleaciones se encuentra en la Tabla I.
TABLA I
Composición nominal de las aleaciones estudiadas
Aleación
Composición (% en masa)
Zn
Al
(La,Ce)
Zr
Mn
Fe
Mg
ZE41
3,8
-
0,95
0,6
0,15
<0,01
Bal.
AZ91D
0,68
8,8
-
-
0,3
0,004
Bal.
B. Caracterización microestructural
Previo a la caracterización microestructural,
las aleaciones fueron desbastadas con papel de
carburo de silicio hasta una granulometría P1200;
posteriormente fueron pulidas a espejo con pasta
de diamante de 0,1mm. Con el fin de revelar su
microestructura, las muestras fueron atacadas
con Picral (10 mL de ácido acético, 4,2g de ácido
pícrico, 10 mL de H2O y 70 mL de etanol). La observación de las muestras fue llevada a cabo por
microscopía óptica (OM), mediante un microscopio Olympus GX71, y por microscopía electrónica
de barrido (SEM), con un microscopio Philips XL30
equipado con detectores para análisis mediante
espectroscopía de energía dispersiva de rayos X
(EDS) y electrones retrodispersados (EB).
C. Estudio mediante microscopía de fuerza atómica con sonda Kelvin de barrido- SKPFM
SKPFM fue usado para determinar las diferencias de potencial Volta entre las fases microconstitueyentes y la matriz. Estos datos pueden
ser usados para estimar la nobleza de cada microconstituyente con relación a la matriz y de esta
forma determinar las potenciales interacciones
galvánicas que pueden generar el inicio de un ataque por corrosión.
Antes de realizar este estudio, las muestras
fueron pulidas a espejo con pasta de diamante de
0,1mm, con una solución de etilenglicol como lubricante y posteriormente éstas fueron limpiadas
con etanol en un baño ultrasónico. Las medidas
mediante SKPFM fueron realizadas inmediatamente después de la limpieza.
El microscopio de fuerza atómica empleado
fue un Nanoscope DimensionTM 3100 operado
en una secuencia de tapping/lift. Este instrumento puede reproducir la topografía superficial y
medir la distribución de potenciales Volta simultáneamente mediante puntas eléctricamente conductoras. Para el presente trabajo se utilizó una
punta de silicio con recubrimiento de platino de
20 nm de espesor. Todas las medidas fueron realizadas a temperatura ambiente y con una humedad relativa controlada entre 40 y 65%.
D. Ensayos de inmersión
Con el fin de confirmar los sitios preferenciales
para el inicio del proceso de corrosión, las mues-
43
44
ITECKNE Vol. 8 Número 1 • ISSN 1692 - 1798 • Julio 2011 • 42 - 46
tras fueron sumergidas en una solución de NaCl
al 3,5% en peso, para tiempos que fueron desde
5 hasta 60min. Finalmente, la morfología de corrosión, después de los ensayos de inmersión, fue
evaluada mediante SEM.
II. RESULTADOS y DISCUSIÓN
A. Caracterización microestructural
Las Fig. 1a) y 1b) muestran las micrografías
correspondientes a la aleación ZE41 tomadas
mediante OM y SEM, respectivamente. La microestructuctura de esta aleación consistió de
dendritas de α-Mg (matriz) rodeadas por una fase
eutéctica y pequeños precipitados dispersos de
forma aleatoria dentro de la aleación, ver [Fig. 1a].
El eutéctico correspondió a la fase T (Mg7Zn3RE), donde RE incluye los elementos Ce y La. Con
respecto a los pequeños precipitados un análisis
SEM/EDS reveló que, en general, los precipitados
estuvieron enriquecidos en Zr y Zn, con pequeñas
cantidades de Fe, ver [Fig. 1b)].
Con respecto a la aleación AZ91D, la microestructura consistió de una matriz de dendritas
primarias de a-αMg y un eutéctico parcialmente
divorciado α-Mg/fase ß-Mg17Al12 en la región
interdendrítica, ver [Fig. 2a)], finalmente, inclusiones intermetálicas de Al-Mn fueron también
encontradas, principalmente Al-Mn, ver [Fig. 2b)].
FIG. 1. CARACTERIZACIÓN MICROESTRUCTURAL DE LA ALEACIÓN ZE41. A)
MICROGRAFÍA TOMADA MEDIANTE MICROSCOPÍA ÓPTICA, B) MICROGRAFÍA SEM TOMADA MEDIANTE ELECTRONES RETRODISPERSADOS
B. Estudio mediante microscopía de fuerza atómica con sonda Kelvin de barrido- SKPFM
Los mapas de potencial obtenidos mediante
SKPFM sobre un área seleccionada de las aleaciones objeto de estudio se muestran en las Fig
3a y 3b. Los mapas revelan las diferencias de potencial Volta que existen entre la matriz y las fases
microconstituyentes. Los colores claros representan las áreas catódicas, mientras que los colores
oscuros representan las áreas anódicas.
En la aleación ZE41, la fase T (Mg7Zn3RE)
presentó una diferencia de potencial Volta alrededor de +100 mV con respecto a la matriz adyacente, mientras que los pequeños precipitados
enriquecidos en Zr y Zn presentaron las más altas
diferencias, alrededor de +180 mV con respecto
al área adyacente, ver [Fig. 2a]. De esta forma,
estos dos tipos de precipitados pueden actuar
como potenciales cátodos en un proceso de corrosión microgalvánica, que favorece el inicio del
ataque corrosivo en las áreas adyacentes a éstos.
Por otro lado, los límites de grano aparecen definidos claramente como las zonas más oscuras, que
representan así áreas anódicas, ver [Fig. 2a]. Un
análisis previo realizado mediante EDS reveló un
empobrecimiento de elementos aleantes en estas
zonas, esto pudo ser la causa de su respuesta
anódica.
FIG. 2. CARACTERIZACIÓN MICROESTRUCTURAL DE LA ALEACIÓN AZ91D.
A) MICROGRAFÍA TOMADA MEDIANTE MICROSCOPÍA ÓPTICA, B) MICROGRAFÍA SEM TOMADA MEDIANTE ELECTRONES RETRODISPERSADOS
Caracterización de aleaciones de magnesio mediante microscopía de fuerza atómica con sonda Kelvin de barrido (SKPfM) - Coy, Viejo,
García, Thompson, Skeldon, M´hich
El mapa de potencial Volta obtenido de un área
seleccionada de la aleación AZ91D mostró que,
los precipitados intermetálicos presentaron las
más altas diferencias de potencial Volta (alrededor de +300mV) con respecto a la matriz adyacente, mientras que la fase b exhibió diferencias
alrededor de +50 mV. Estas diferencias fueron insignificantes comparadas con los valores mostrados por los precipitados intermetálicos, los cuales
pueden actuar como cátodos potenciales durante
un proceso de corrosión microgalvánica.
C. Ensayos de inmersión
Las Fig. 4a y 4b muestran las micrografías tomadas mediante SEM de las superficies corroídas
de las aleaciones ZE41 y AZ91D, respectivamente, después de la inmersión en una solución de
NaCl al 3.5% en peso, durante 5min.
FIG. 4. MICROGRAFÍAS SEM DE LAS SUPERFICIES ATACADAS DESPUÉS DE
SU INMERSIÓN EN LA SOLUCIÓN DE NACL AL 3,5% DURANTE 5 MIN. A)
ZE41 B) AZ91 D
FIG. 3. MAPAS DE POTENCIAL VOLTA OBTENIDOS MEDIANTE SKPFM SOBRE UN ÁREA SELECCIONADA DE LA ALEACIÓN. A) ZE41, B) AZ91D
IV. CONCLUSIONES
Como era de esperarse, en el caso de la aleación ZE41, el ataque localizado comenzó con la
disolución de los límites de grano. Este proceso
fue intensificado por la presencia de la fase interdendrítica T, ver [Fig. 4a)], la cual actúa como
cátodo de acuerdo con el estudio realizado mediante SKPFM. Como resultado, la matriz α-Mg
adyacente sufrió corrosión, mientras que la fase
intendendrítica permaneció inalterada.
Con respecto a la aleación AZ91D, el ataque
inició en las áreas adyacentes a las partículas intermetálicas Al-Mn, mientras que en la interface
matriz-fase ß no se observó un ataque localizado,
ver [Fig. 4b)]. Este comportamiento fue debido al
carácter fuertemente catódico de las partículas
intermetálicas, comparado con la fase ß y que fue
determinado mediante SKPFM.
Se confirmó que la SKPFM es una herramienta
poderosa para evaluar el papel galvánico de los
microconstituyentes presentes en las aleaciones
de magnesio. Así, la intensidad de la corrosión
microgalvánica dependió de las diferencias de potencial Volta de cada microcontituyente, aunque
la extensión del ataque dependió del tamaño y la
distribución de los mismos.
La aleación ZE41 presentó un fuerte ataque
micro-galvánico debido al efecto combinado de la
fase catódica T (Mg7Zn3RE) y el empobrecimiento de las áreas anódicas, ambas presentes en el
límite de grano.
En la aleación AZ91D, las fases con el más alto
carácter catódico correspondieron a los precipitados intermetálicos Al-Mn, evidenciándose corrosión en sus áreas adyacentes. Por otro lado, los
bajos valores de diferencia de potencial Volta de
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ITECKNE Vol. 8 Número 1 • ISSN 1692 - 1798 • Julio 2011 • 42 - 46
la fase b en relación con la matriz no señalaron un
inició de ataque preferencial en sus áreas adyacentes para los tiempos estudiados.
AGRADECIMIENTOS
Agradecimientos al Corrosion and Protection
Centre de University of Manchester (Reino Unido,
EP/D029201/1) por su inestimable aporte técnico y científico que permitió la realización de este
trabajo y a la Vicerrectoría de Investigación y Extensión de la Universidad Industrial de Santander
por la financiación del mismo (Desarrollo de Materiales y Recubrimientos de Interés Tecnológico,
Código 5450).
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formación de películas anódicas en una aleación
Al-W: Migración de fósforo
Sandra Judith García Vergara
PhD en Ciencia e Ingeniería de la Corrosión,
Universidad de Manchester
Docente Tiempo Completo, Investigadora, Escuela de Ingeniería
Metalúrgica, Universidad Industrial de Santander UIS
Bucaramanga, Colombia
Ana Emilse Coy Echeverría
PhD en Ciencia y Tecnología de Materiales,
Universidad Complutense de Madrid
Docente Tiempo Completo, Investigadora,
Escuela de Ingeniería Metalúrgica y Ciencia de Materiales,
Universidad Industrial de Santander UIS
Bucaramanga, Colombia
[email protected]
fernando Viejo Abrante
PhD Ciencia y Tecnología de Materiales,
Universidad Complutense de Madrid
Docente Tiempo Completo, Investigador, Escuela de Ingeniería
Química, Universidad Industrial de Santander UIS
Bucaramanga, Colombia
[email protected]
George E. Thompson
PhD en Desarrollo de Nuevas Aleaciones Ligeras
Profesor, Universidad de Manchester
Manchester, Inglaterra
george.thompson@ manchester.ac.uk
Peter Skeldon
Profesor, Universidad de Manchester
Manchester, Inglaterra
[email protected]
Resumen— El presente trabajo investiga la incorporación y migración de especies de fósforo en las películas
anódicas y su interacción con las especies de wolframio
incorporadas a las películas anódicas desde el sustrato
metálico. El estudio usa películas de alúmina, formadas
sobre una aleación Al-15at.%W depositada catódicamente, en soluciones que contienen fosfatos. La morfología y la composición de las películas se determinaron
por microscopia electrónica de barrido (SEM) y espectroscopia de emisión óptica (GDOES). Se observó que
las películas están constituidas o por una región externa rica en wolframio y una región interna relativamente
libre de wolframio, o solamente por una región rica en
wolframio. Las especies de fósforo migran hacia dentro
de la película más despacio en las películas que contienen wolframio que en las que no contienen wolframio.
En contraste, la migración de las especies de wolframio
hacia la solución no se ve afectada por la presencia de
fósforo.
Palabras clave— Aluminio, wolframio, películas anódicas, GDOES.
Abstract— The interaction between phosphorus species
and tungsten species, both incorporated within anodic
alumina is investigated. The study used anodic films,
formed on a sputtering-deposited Al-15at.%W alloy in
phosphate containing electrolytes. The morphology and
composition of the anodic films were determined by
scanning electron microscopy (SEM) and glow discharge ion emission spectroscopy (GDOES). The films consisted of either an outer tungsten-containing region and
an inner tungsten-free region, or a tungsten-containing
region only. Phosphorus species were shown to migrate
inward in the tungsten-containing alumina more slowly
than in the tungsten-free alumina. In contrast, the out-
ward migration of tungsten species was relatively unaffected by the presence of phosphorus species.
Keywords— Aluminium, tungsten, anodic film, GDOES.
I. INTRODUCCIÓN
Las películas de alúmina se usan ampliamente
en la protección y funcionalización de las aleaciones de aluminio para aplicaciones tanto en la industria electrónica, como automotriz y aeroespacial, hasta litográfica, por sólo mencionar algunas
[1]. El crecimiento de películas anódicas normalmente conlleva a la incorporación de especies derivadas de los aniones que contiene la solución de
anodizado a la capa externa de la película [2]. La
distribución de estas especies incorporadas está
directamente relacionada con sus velocidades de
migración relativas a las de los iones del metal o
a las de los iones de oxígeno [3]. Se ha observado que las especies que se incorporan son aquellas que pueden migrar desde la solución hacia el
interior de la película de alúmina, lo cual es una
consecuencia directa del hecho que la película de
alúmina crece debido a la migración de iones de
oxígeno provenientes de la solución de anodizado
[4]. La incorporación de especies se ha observado
cuando el anodizado se lleva a cabo en ácidos oxálico, fosfórico o sulfúrico [5], en contraste cuando
el anodizado se realiza en ácido crómico se ha
Recibido: 07/05/2011/ Aceptado: 27/05/2011/ ITECKNE Vol. 8 Número 1 • ISSN 1692 - 1798 • Julio 2011 • 47 - 53
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ITECKNE Vol. 8 Número 1 • ISSN 1692 - 1798 • Julio 2011 • 47 - 53
observado una incorporación mínima de especies
de cromo [6]. La eficiencia del proceso de anodizado, es decir la relación entre el espesor de la película de alúmina formada respecto al espesor del
aluminio consumido, y la morfología de los poros
se ven afectados por la presencia de dichas especies incorporadas desde el electrolito [7]. El mecanismo de formación de las películas anódicas ha
sido recientemente estudiado mediante capas de
trazador de una aleación Al-W en un sustrato de
aluminio, las cuales son luego incorporadas a la
película anódica durante el proceso de anodizado
[7],[8] [9]. Los iones de W6+ migran lentamente
hacia la solución a través de la capa barrera de
las películas porosas. En las películas anódicas
con el trazador de wolframio, éste nunca alcanza
la base del poro, y muestran un comportamiento
opuesto al observado cuando las películas anódicas no contienen ninguna especie incorporada
desde la solución. Esto significa que la presencia
de estas especies incorporadas podría influenciar
el transporte de los iones de wolframio en la capa
barrera. En el presente trabajo se estudia el crecimiento de películas anódicas en una aleación
Al-W. El anodizado se llevó a cabo en soluciones
que contienen especies de fósforo, para que luego sean incorporadas a las películas anódicas y
así poder establecer si existe alguna interacción
de las especies de fósforo incorporadas desde la
solución con las especies de wolframio incorporadas desde el sustrato metálico.
II. DESCRIPCIÓN ExPERIMENTAL
Una aleación con composición promedio Al15at.%W se depositó por magnetrón sputtering
mediante un sistema de vacío Products Corp. Se
usaron como targets para la deposición discos de
aluminio y de wolframio de 99.99% de pureza. La
deposición se llevó a cabo de manera que se produjeron multicapas finas en la aleación las cuales
son alternadamente ricas y pobres en wolframio
relativo a la composición promedio de la aleación.
La aleación se depositó sobre sustratos electropulidos de aluminio de alta pureza con dimensiones
de 1.5 x 3.0cm. El espesor total de de aleación
depositada fue de 495nm, el cual contiene 27 capas ricas en wolframio. Con un área de trabajo
de 2cm2, las muestras fueron anodizadas a 5mA/
cm2 hasta 140V en una solución 0.1M de fosfato
de sodio (Na2HPO4) a 293 K. Para el anodizado se
empleó una celda de dos electrodos con un electrodo auxiliar de aluminio. La solución fue agitada
durante el anodizado. Algunas muestras fueron
también anodizadas a 5mA/cm2 hasta 150V en
un solución 0.1 M de pentaborato de amonio (NHB O . 4H2O) a 293K, o hasta 212V en una solu4 5 8
ción 0.4M de ácido fosfórico a 293K. Además se
anodizaron muestras de aluminio de alta pureza
eletropulido hasta 140 en la solución de fosfato
de sodio, para producir películas anódicas libres
de wolframio que sirvieran como referencia. Todas
las muestras fueron lavadas con agua desionizada luego del anodizado y secadas con aire frío.
Para los análisis por espectroscopia de emisión óptica por descarga luminiscente (rf-GDOES)
se usó un equipo GD-Profiler 2 (Horiba Jobin Yvon),
operado a una frecuencia de 13.56MHz. Como
ánodo se empleó un disco de cobre de 4mm de
diámetro y se utilizó gas argón. La respuesta de
la emisión correspondiente a los elementos excitados durante la descarga se detectó con un
policromatógrafo de longitud focal 500mm con
30 ventanas ópticas. Los perfiles de concentración se llevaron a cabo a 700 Pa y 35W, con un
tiempo de adquisición de los datos de 0.005s.
Las líneas de emisión (nm) usadas para el análisis fueron 396.15 para aluminio, 249.678 para
boro, 130.21 para oxígeno, 178.28 para fósforo y
429.46 para wolframio. El diámetro del área de
análisis fue 4mm. Varios análisis de GDOES se hicieron en cada muestra para asegurar la reproducibilidad de los resultados.
Las muestras anodizadas fueron examinadas
por microscopia electrónica de barrido (SEM) con
un equipo Zeiss Ultra 55. El voltaje de aceleración
fue de 1.5kV. Para este análisis se emplearon secciones transversales de las muestras preparadas
por ultramicrotomía mediante un cuchillo de vidrio
como elemento de corte seguido por cortes con
un cuchillo de diamante.
III. RESULTADOS y DISCUSIÓN
A. Curvas voltaje-tiempo
La Fig. 1 muestra la variación del voltaje con
el tiempo de anodizado para la aleación Al-15at.%
en las soluciones que contienen fosfatos. Para el
anodizado en fosfato de sodio, el voltaje aumenta
linealmente con el tiempo hasta alcanzar un voltaje de 140 V, a una razón de 2.5 V/s. Lo cual sugie-
formación de películas anódicas en una aleación Al-W: Migración de fósforo - Garcia, Coy, Viejo, Thompson, Skeldon
re que la película barrera está siendo formada con
una eficiencia del 100%. Un comportamiento similar se observa para el anodizado de la aleación
en pentaborato de amonio. En contraste el comportamiento difiere cuando el anodizado se lleva
a cabo en ácido fosfórico. Se observa una región
lineal en la cual el voltaje aumenta linealmente
con el tiempo, a una razón de 1.6 V/s, seguida por
otra región en la que el voltaje oscila, hasta alcanzar un valor de 212V. La pendiente de la región
lineal es menor que la observada para las otras
dos soluciones de anodizado, sugiere que hay una
pérdida de especies de aluminio o wolframio desde la película hacia la solución de anodizado. En
este caso se espera que la morfología de la película anódica comprenda la formación de una capa
porosa externa, como luego se demostrará con el
análisis por SEM.
FIG. 1. CURVA VOLTAJE TIEMPO PARA LA ALEACIÓN AL-15AT.%W ANODIZADA A 5 MA/CM2 EN A) SOLUCIÓN 0.1 M DE FOSFATO DE SODIO HASTA 141
V, B) SOLUCIÓN 0.1 M DE PENTABORATO DE AMONIO HASTA 152 V Y C)
SOLUCIÓN 0.4 M DE ÁCIDO FOSFÓRICO HASTA 212 V
B. Análisis de las películas anódicas por rfGDOES
La Fig. 2.a) muestra los resultados del análisis por rf-GDOES, la dependencia de la emisión
óptica del oxígeno, aluminio y fósforo, en unidades arbitrarias, sobre el tiempo de remoción
(sputtering), para una muestra de aluminio anodizada hasta 140 V en la solución de fosfato
de sodio. La señal correspondiente al oxígeno
disminuye a niveles muy bajos luego de 10s, lo
cual indica que la película anódica ha sido removida en su totalidad y que se alcanzó la interface óxido/aluminio. Al mismo tiempo la señal
correspondiente al aluminio, la cual fue relativamente constante durante la remoción de la
película anódica, aumenta considerablemente
tan pronto como comienza la remoción del sustrato de aluminio. La señal para el fósforo cae
a niveles muy bajos antes de que la señal de
oxígeno se reduzca lo cual indica que el fósforo
está presente en la región exterior de la película
anódica y que las regiones interiores de la película están libres de fósforo. Las ondulaciones
observadas en la señal del fósforo dentro de las
películas anódicas pueden deberse a interferencias ópticas. El tiempo total requerido para
remover todo el espesor de óxido fue 8.5s. Si
la velocidad de remoción de la película anódica
es constante, la relación de los tiempos corresponde a la relación del espesor de la región del
óxido que contiene fósforo respecto al espesor
total del óxido. Mediciones de la distribución del
fósforo en la alúmina anódica mediante análisis
químico de cortes transversales de la película
[10], [11], [12] y microscopia electrónica de barrido [13], indican que las especies de fósforo
están presentes desde la superficie de la película hasta profundidades relativas de 0.7-0.8
del espesor total y la parte restante está compuesta de alúmina libre de fósforo. La buena
correspondencia de estos resultados con los reportados en el presente estudio por rf-GDOES,
indican que las velocidades de remoción de las
regiones del óxido que contienen o no fósforo
son similares.
El análisis por rf-GDOES de la aleación Al15at.%W anodizada hasta 141V en fosfato de
sodio se presenta en la Fig. 2b). La película
anódica contiene aluminio, oxígeno, fósforo y
wolframio. La señal para el wolframio comienza más tarde que las señales para el oxígeno
y el aluminio, que indica que el wolframio está
presente en las regiones más internas de la
película anódica. El momento en el que se ha
removido todo el óxido, es decir, se alcanza la
interface óxido/aleación, se evidencia por una
disminución en la señal del oxígeno, acompañada a la vez por un aumento en las señales
del aluminio y del wolframio. En este punto se
comienza a remover la aleación. La relación de
los tiempos necesarios para remover toda la región del óxido que contiene wolframio respecto
al espesor total del óxido es de 0.61. El fósforo
está presente en las regiones exteriores de la
película, y su señal sobrepasa parte de la señal
del wolframio. Al considerar que la presencia
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de fósforo no afecta la velocidad de remoción
de la película anódica en aluminio puro y que,
además, es constante en la región que contiene
wolframio, se calcula que el fósforo está presente en cerca de 0.34 de la región que contiene
wolframio.
La relación de los tiempos necesarios para
remover toda la región que contiene fósforo y
todo el espesor de la película anódica es de
0.60. La señal para el aluminio disminuye en
el momento en que pasa la frontera entre las
regiones que contienen y no contienen wolframio, lo cual puede ser debido a la presencia de
wolframio en la región interna. Debido a que se
aumenta la velocidad de remoción en la región
que contiene wolframio, así como un pequeño
incremento en el voltaje de anodizado, remover
todo el espesor de la película toma 6.2s, el cual
es mucho menos que el necesario para remover
una película anódica formada sobre aluminio, el
cual es 8.5s.
La Fig. 2c muestra los perfiles de concentración obtenidos por rf-GDOES para la aleación
Al/15.%W anodizada hasta 152V en pentaborato
de amonio. La película contiene una región exterior libre de wolframio y una región interna que
contiene wolframio, la relación entre los tiempos
de remoción necesarios para quitar toda la región interna y toda la película, fue de 0.61. Un
valor muy similar se obtuvo para la película formada en la solución de fosfato de sodio.
FIG. 2. PERFILES DE CONCENTRACIÓN OBTENIDOS POR GDOES PARA (A)
ALUMINIO ANODIZADO HASTA 141V A 5MA/CM2 EN UNA SOLUCIÓN 0.1M
FOSFATO DE SODIO; (B) ALEACIÓN AL-15AT.%W ANODIZADA HASTA 141V
A 5MA/CM2 EN UNA SOLUCIÓN DE FOSFATO DE SODIO; (C) ALEACIÓN
AL-15AT.%W ANODIZADA HASTA 152V A 5MA/CM2 EN UNA SOLUCIÓN
0.1M PENTABORATO DE AMONIO; Y (D) ALEACIÓN AL-15AT.%W ANODIZADA
HASTA 165V A 5MA/CM2 EN UNA SOLUCIÓN 0.4 M ÁCIDO FOSFÓRICO
Los perfiles de concentración de rf-GDOES
para la aleación Al-15at.%W anodizada hasta
165V en ácido fosfórico se presentan en la Fig. 2d.
Los perfiles muestran que las películas contienen
wolframio en todo su espesor. La señal del oxígeno es menos pronunciada en la interface óxido/
formación de películas anódicas en una aleación Al-W: Migración de fósforo - Garcia, Coy, Viejo, Thompson, Skeldon
aleación comparada con las muestras anteriores.
Esto se debe a que la película no es uniforme. La
película está formada por una región tipo barrera
de un espesor uniforme y otra región externa con
poros finos, como se observa en las micrografías
obtenidas por SEM. Hay presencia de fósforo en la
región exterior de la película, la cual corresponde
a cerca de 0.43 del espesor total.
C. Análisis de las películas anódicas por SEM
El boro es incorporado en la región externa, la
cual está a su vez libre de wolframio. Sin embargo,
se observa un pico en la señal del boro, localizado
cerca de la frontera entre las regiones que contienen o no wolframio. La relación de los tiempos de
remoción hasta el pico de boro y de toda la película es 0.42. También hay otro pequeño pico en la
señal del boro localizado en la superficie de la película, el cual es debido a las especies de boro que
son absorbidas desde la solución. El tiempo necesario para remover toda la película fue 6.6s, el
cual es 0.4s mayor que el tiempo necesario para
remover toda la película formada en la solución
de fosfato de sodio. La variación puede deberse
a las diferencias entre el voltaje de anodizado y la
composición de las películas.
La Fig. 3a muestra una micrografía de la
sección transversal por SEM, de la aleación Al15at.%W anodizada en fosfato de sodio. La película anódica tiene un espesor uniforme de 168nm.
Sin embargo la superficie de la película y la interface óxido/aleación aparecen onduladas. La relación entre el espesor de la película y el voltaje de
formación es de 1.19nm/V, valores similares han
sido reportados en películas libres de wolframio
[14].
FIG. 3. MICROGRAFÍAS ELECTRÓNICAS DE BARRIDO (ELECTRONES RETRODISPERSADOS) DE LA ALEACIÓN AL-15AT.%W ANODIZADA A 5MA/CM2
EN A) SOLUCIÓN 0.1 M DE FOSFATO DE SODIO HASTA 141 V, (B) SOLUCIÓN
0.1 M DE PENTABORATO DE AMONIO HASTA 152V Y (C) SOLUCIÓN 0.4M
DE ÁCIDO FOSFÓRICO HASTA 212V
Se distinguen capas brillantes ricas en wolframio, las cuales están alternadas con capas más
oscuras, menos ricas en wolframio. La película
anódica claramente contiene una región exterior,
oscura, libre de wolframio y una región interna más
brillante, en la que se observan capas ricas en wolframio. La película contiene cinco capas, las cuales
aparecen más espaciadas unas de otras que las
capas en la aleación sin anodizar, con una relación
de 1.57. Los espesores promedio de la región interna que contiene wolframio y de la interna que
no contiene son 128 y 40nm, y la relación entre el
espesor de la región externa y el espesor total de
la película es de 0.24.Los espesores de las películas determinados por SEM y por rf-GDOES pueden
usarse para calcular las velocidades promedio de
remoción (sputtering) de las regiones que contienen y no contienen wolframio. Así la región libre
de wolframio, con un espesor de 40nm, es removida en 2.4s, dando una velocidad de remoción de
17nm/s. La región que contiene wolframio con un
espesor de 128nm, es removida en 3.8s, dando
una velocidad de remoción de 34nm/s, la cual es
casi el doble de la velocidad necesaria para remover la región que no tiene wolframio. Usando estos
51
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valores puede calcularse que el fósforo está presente en 0.51 de la parte exterior de la película.
La micrografía por SEM de las secciones transversales de la película anódica formada en pentaborato de amonio se presenta en la Fig. 3b. La
película tiene un espesor total de 177nm, el cual
comprende 45nm libres de wolframio localizados
en la región exterior y 132nm que contienen wolframio en la región interior. La relación entre el espesor de la capa externa respecto al espesor total
de la película es 0.25, muy similar al valor obtenido para la película formada en fosfato de sodio.
Sin embargo, la película es más homogénea y la
superficie de la película, así como la interface óxido/ aleación son más regulares. Las bandas ricas
en wolframio también aparecen más rectas una
vez incorporadas a la película de óxido. La relación de formación de la película es de 1.16nm/V.
La película contiene cinco bandas ricas en wolframio, y la relación de separación entre las bandas
es de 1.60nm. Similarmente puede calcularse las
velocidades para remover las regiones con o sin
wolframio como 18 y 33nm/s, los valores son similares a los calculados para las películas formadas en fosfato de sodio.
La Fig. 3c muestra una micrografía de SEM de
la película anódica formada en acido fosfórico. La
película está compuesta de una capa barrera de
228nm de espesor y una capa externa con poros
finos y un espesor de 48nm. La región porosa representa un 0.17 del espesor total de la película.
La relación de formación es 1.08nm/V. Cerca de
catorce bandas ricas en wolframio han sido oxidadas durante la formación de la película anódica.
Las bandas de wolframio pueden verse claramente en la región no porosa, pero son menos evidentes en la región porosa. Las bandas aparecen
onduladas. La relación entre el espaciamiento de
las bandas en la película y en la aleación es de
1.62, valor similar al observado con las películas
formadas en fosfato de sodio y en pentaborato de
amonio. Con el espesor de la película determinado por SEM y el tiempo de remoción determinado
por rf-GDOES, la velocidad de remoción puede calcularse y es de 31nm/s.
D. Interacción entre fósforo y wolframio en las
películas anódicas
El anodizado de la aleación Al-15at.%W en fosfato de sodio produce películas anódicas, en las
cuales el wolframio y el fósforo no se encuentran
regularmente distribuidos. Las especies de wolframio son incorporadas en la interface aleación/
óxido, como unidades de WO3 [15]. Los iones de
wolframio migran dentro de la película a una velocidad menor que los iones de aluminio, razón por
la cual la parte exterior de la película no contiene
wolframio. En contraste las especies de fósforo
son incorporadas en la interface óxido/solución y
migran hacia dentro a una velocidad menor que
los iones de oxígeno [3]. La formación de las películas anódicas es el resultado de la migración
iónica del aluminio presente en la aleación y del
oxígeno presente en la solución de anodizado. Lo
cual conlleva a que las películas crezcan con una
eficiencia alta. Sin embargo en el caso del anodizado en acido fosfórico, la película anódica se
forma por la migración de solamente iones de oxígeno, ya que los iones de aluminio se pierden en
la solución de anodizado [16].
Los presentes resultados sugieren que las especies de fósforo migran más lentamente a través
de la película debido a la presencia de wolframio.
La razón por la cual la velocidad de migración
disminuye puede estar relacionada con la modificación del enlace de las especies de fósforo en
la alúmina que contiene wolframio y la influencia
de las especies de wolframio en la fuerza de los
campos eléctricos locales. La reducción en la migración de las especies de fósforo relativa a las
especies de oxígeno conlleva a un incremento en
la concentración de iones de fósforo en la región
de la película rica en wolframio respecto a la región que no contiene wolframio.
Comparando las películas formadas en fosfato de sodio con las formadas en pentaborato de
amonio, es evidente que la región interna de ambas películas contiene especies de wolframio, y la
región externa contiene fósforo o boro respectivamente. Los resultados indican que la presencia de
fósforo no afecta la velocidad de migración de las
especies de wolframio.
Un comportamiento diferente es observado
con las películas anódicas formadas en ácido fosfórico. Estas películas no muestran una región externa libre de wolframio. El fósforo está presente
en las regiones externas de la película que también contienen wolframio. La porción del óxido
que contiene fósforo es mayor que en las películas
formadas en fosfato de sodio. Las películas se for-
formación de películas anódicas en una aleación Al-W: Migración de fósforo - Garcia, Coy, Viejo, Thompson, Skeldon
man a una eficiencia menor y presentan una región externa porosa la cual se debe a la formación
inicial de caminos de penetración en la superficie
de la película, seguida por una disolución de la
película asistida por el campo eléctrico.
[1]
P. G. Sheasby, R. Pinner, The surface treatment
and finishing of aluminium and its alloys, ASM
International, Finishing Publications Ltd, United
Sates, 2001
IV. CONCLUSIONES
[2]
R.B. Mason, J. Electrochem. Soc, 1955, 102,
671
[3]
G. C. Wood, P. Skeldon, G. E. Thompson, K. Shimizu, J. Electrochem. Soc. 1996, 143, 74
[4]
C. Cherki, J. Siejka, J. Electrochem. Soc, 1973,
120, 784
[5]
G. E. Thompson, R. C. Furneaux, G. C. Wood, Corros. Sci. 1978, 18, 481
[6]
G. E. Thompson, G. C. Wood, R. Hutchings, Trans.
Inst. Met. Finish, 1980, 58, 21
[7]
S. J. Garcia-Vergara, P. Skeldon, G.E. Thompson,
H. Habazaki, Electrochim. Acta, 2006 , 52, 681
[8]
S. J. Garcia-Vergara, P. Skeldon, G.E. Thompson,
H. Habazaki, Surf. Interface Anal. 2007, 31, 860
[9]
F. Zhou, D.J. Leclere,. S.J. Garcia-Vergara, T.
Hashimoto,. I.S. Molchan. H. Habazaki,. P. Skeldon, G.E. Thompson, J. Electrochem. Soc., 2010,
157, C437
El anodizado a alta eficiencia de una aleación
Al-15at.%W a 5 mA/cm2 en 0.1M de fosfato de
sodio, lleva a la formación de una película compuesta de una región externa de alúmina libre de
wolframio y una región interna de alúmina que
contiene wolframio, con especies de fósforo incorporadas en ambas regiones de la película. El
fósforo está distribuido en una región comprendida entre la superficie de la película y la mitad del
espesor total de la película.
El anodizado de la aleación en 0.4M de ácido fosfórico causa la formación de una película
que contiene especies de wolframio en todo su
espesor, sin una región de alúmina libre de wolframio. Se observa una capa porosa externa en la
superficie de la película. Especies de fósforo son
incorporadas en la región externa de la película
y migran hacia dentro con una velocidad menor
que las especies de oxígeno. Sin embargo hay
una región libre de fósforo en la interface óxido/
aleación. La velocidad de migración del fósforo se
ve significantemente reducida por la presencia de
wolframio en las películas. Sin embargo, la presencia de fósforo no parece afectar la velocidad
de migración del wolframio.
Especies de boro son incorporadas en la región exterior de las películas formadas en pentaborato de amonio. Sin embargo, la cantidad de
especies de boro presentes en la región de alúmina que contiene wolframio es mínima. El boro se
acumula en la frontera con la región que contiene
wolframio.
AGRADECIMIENTOS
Los autores desean expresar su agradecimiento al Consejo de Investigaciones en Ingeniería y
Ciencias Físicas (EPSRC: Portfolio Award) del Reino Unido y a la Vicerrectoría de Investigación y Extensión de la Universidad Industrial de Santander
(Proyecto: Formación de películas nanoporosas
en aluminio, Código 5440) en Colombia, por la
financiación de esta investigación.
REfERENCIAS
[10] H. Takahashi, K. Fujimoto, M. Nagayama, J. Electrochem. Soc. 1988,135, 1349
[11] J. J. Randall, Jr, W. J. Bernard, Electrochim. Acta
1975, 20, 653.
[12] S.J. García-Vergara, D. Le Clere, T. Hashimoto, H.
Habazaki, P. Skeldon, G.E. Thompson, Electrochim. Acta 2009, 54,6403
[13] G. E. Thompson, G. C. Wood, K. Shimizu, Electrochim. Acta 1981, 26,951
[14] G. E. Thompson, G. C. Wood, K. Shimizu, Electrochim. Acta 1981, 26, 951
[15] H. Habazaki, K. Shimizu, P. Skeldon, G. E. Thompson, G. C. Wood, J. Electrochem. Soc. 1996, 143,
2465
[16] M. Curioni, E.V. Koroleva, P. Skeldon, G.E. Thompson, Electrochem. Acta, 2010, 55, 7044.
53
Desarrollo de filtro pasa banda larga con ceros de
transmisión para sistemas de comunicación UltraWideband
Sara María yepes Zuluaga
MsC en Telecomunicaciones,
Universidad de Brasilia
Docente Tiempo Completo, Investigador Grupo GIT,
Instituto Tecnológico Metropolitano ITM
Medellín, Colombia
[email protected]
Resumen— Este artículo presenta el diseño e implementación de un filtro pasa banda con dos secciones
de stubs en circuito abierto para aplicaciones Ultra wideband – UWB. El filtro que se utilizó inicialmente se
basa en un dispositivo con sección de stubs en corto
circuito, y con una aplicación en algoritmos genéticos
(AG) se obtuvieron valores optimizados de impedancias
de las secciones, para transformarse en dos secciones
de stubs en circuito abierto, que facilita su fabricación.
El diseño del filtro de grado 40 se implementó en líneas
microcintas y las respuestas medidas de los parámetros
de transmisión y reflexión mostraron un comportamiento próximo a las respuestas simuladas, es un filtro de
tamaño reducido, con un gran ancho de banda.
Palabras clave—: filtro pasa banda, Ultra Wideband
(UWB), Microcinta, stubs.
Abstract— This paper presents the band pass filter using
two stub sections in an open circuit configuration, for Ultra Wideband technology applications. filter is based on
a device with a short circuit stub section. Using Genetic
Algorithms (AG) theory values were obtained for optimal
impedance stub sections, which were used to transform
the initial filter in a two section open circuit stub device.
Third and fourth degree filters were designed and implemented on a microstrip line technique and their response measurements revealed a very close behavior to the
simulated responses.
Keywords— Band pass filter, Ultra Wideband, Microstrip, stub.
INTRODUCCIÓN
UWB es una tecnología inalámbrica utilizada
para redes de área personal de corto alcance (Wireless Personal Area Networks-WPAN) que ofrece
una combinación de buen funcionamiento y de
uso fácil. La Comisión Federal de Comunicaciones
[1], emitió un mandato para que la transmisión de
radio en UWB pudiese operar en la banda de 3.1
hasta 10,6 GHz, con una potencia de transmisión
de -41 dBm/MHz, además, determinó que la ocupación de la banda de UWB tendría que ser mayor
a 500 MHz, con un ancho de banda fraccional mayor al 20%, parámetros que fueron considerados
en el diseño del filtro.
Diferentes estructuras de filtros han sido desarrollados para aplicaciones en los sistemas ultra
wideband (UWB). Se presentan varios filtros microcinta pasa-banda para ser aplicados en esta
tecnología. En [2] es utilizado el filtro pasa-alto
óptimo distribuido, de 11. orden con un tamaño
reducido y de alta selectividad, en su implementación se presenta una alta dificultad al fabricarse
en microcinta, motivo por el cual se convertir las
secciones de stubs del filtro inicial de este trabajo
en stubs de circuito abierto. Otra estructura que
han presentado es un diseño de filtro pasa banda wideband a 3,4 GHz, usando dos secciones de
stubs en circuito abiertos en configuración shunt
con líneas microcinta [3], de fácil diseño y construcción, pero no cubre el ancho de banda total
requerido por UWB. También han diseñado un novedoso filtro pasa banda ultra wideband en tecnología microcinta con stubs cortocircuitados de λ/4
para mejorar el rendimiento y reducir el tamaño
del filtro UWB basado en las teorías tradicionales
[4], en su diseño se genera los ceros de transmisión para atenuar las bandas de rechazo, pero posee una alta complejidad en su fabricación. En el
artículo [5] es implementado un filtro pasa-banda
con el resonador multi-modo (MMR), también llamado resonador stepped-impedance (SIR), con
dos líneas de cuarto de longitud de onda acopladas en paralelo en la entrada y en la salida de
las puertas. Teniendo como resultado un filtro
con un muy buen ancho de banda fraccional de
113% y una frecuencia central de 6,85 GHz, con
Recibido: 04/05/2011/ Aceptado: 27/05/2011/ ITECKNE Vol. 8 Número 1 • ISSN 1692 - 1798 • Julio 2011 • 54 - 61
Desarrollo de filtro pasa banda larga con ceros de transmisión para sistemas de comunicación Ultra-Wideband - Yepes
muy baja selectividad. En [6] se presenta un filtro
en microcinta con aplicación en UWB combinando
el filtro pasa-bajo con el filtro pasa-alto y en [7] se
presenta una mezcla de filtros pasa-banda y rechaza banda broadband en cascada, que no alcanzan
a obtener el ancho de banda requerido por la FCC
para UWB. Dentro de los métodos utilizados para
la optimización de los filtros mencionados con anterioridad están: por ejemplo en [8] los valores de
las impedancias características de las líneas de
transmisión son optimizadas en un filtro mediante
la función de transferencia en el dominio Z, aunque
uno de los métodos más comunes para la optimización es el proceso auto-regresivo (AR) y errores
de mínimos cuadrados (LSM) que es utilizado en
[9], en este caso, fue empelado el algoritmo genético de optimización desarrollado por un grupo de
investigación de la universidad de Brasilia. El algoritmo fue adaptado para la optimización del diseño
de filtros en microcintas para frecuencias de microondas. Las respuestas simuladas y medidas para
los parámetros S11 y S21 fueron satisfactorias, comprobada la efectividad del algoritmo genético al ser
empleado en la optimización de los filtros.
El diseño del filtro inicial se basó en el filtro pasa-alto distribuido construido por una cascada de
stubs en corto circuito y de líneas unitarias. Inicialmente se realizó la optimización de los valores de
las impedancias características de cada sección de
la línea de transmisión del filtro con una herramienta de optimización como lo es el algoritmo genético
previamente desarrollado y adaptado en este tipo
de filtro. Para mejorar la respuesta del filtro es necesario obtener una mayor atenuación en la banda
de rechazo del filtro y producir ceros de transmisión
en las frecuencias bajas y altas de dicha banda,
los stubs en corto circuito fueron reemplazados
por dos secciones de stubs en circuito abierto, haciendo más fácil su fabricación. Las simulaciones
del circuito abierto se realizaron en el software Microwave Studio [10l, los parámetros obtenidos de
estas simulaciones fueron S11 y S21, así como el
diseño del circuitos para su fabricación. Posterior
a la construcción del circuito fueron verificados los
parámetros a partir de las mediciones, las cuales
fueron comparadas con los datos simulados, se
evidencia una diferencia menor del 30%.
Dentro de las características a resaltar de dispositivo desarrollado están: la simpleza, lo compacto de la estructura y la facilidad de fabricación.
II. METODOLOGÍA
Para que la implementación del filtro pasa banda utilizado en la aplicación de los sistemas UWB
sea clara, es imprescindible analizar el comportamiento del filtro pasa alto distribuido presentado
en la Fig. 1.
FIG. 1. CONFIGURACIÓN DE UN FILTRO PASA ALTO DISTRIBUIDO DE 4.O
GRADO, CON DOS STUBS EN CORTO CIRCUITO.
Las características del filtrado en la red de
la Fig.1, pueden ser descritas por la función de
transferencia expresada por [11]:
Donde, N es el grado del filtro, o sea, el número
de stubs en corto circuito, ε es la constante de rizado en la banda pasante, θ es la longitud de onda
eléctrica que es proporcional a la frecuencia variable y FN(θ) es la función del filtrado obtenido por:
Donde
θc es la longitud de onda eléctrica en la frecuencia de corte, Tn=cos(ncos-1x) es la función de
Chebyshev de primer tipo de grado n.
Teóricamente, este tipo de filtro pasa alto puede ser un pasa banda primario extremamente
grande. Así θc puede asumir valores muy pequeños, para que esto ocurra es necesario que los
stubs en corto circuito tengan niveles de impedancia altos.
55
56
ITECKNE Vol. 8 Número 1 • ISSN 1692 - 1798 • Julio 2011 • 54 - 61
Este tipo de filtro fue optimizado, para ello
existen diferentes métodos de optimización de
sistemas, el método escogido depende de las
características del problema a ser optimizado.
Dentro de los diversos métodos se encuentra
los algoritmos genéticos (AGs), caracterizados
como métodos estocásticos. El objetivo del algoritmo genético es encontrar el valor óptimo
de una determinada función sobre un espacio
de búsqueda.
A. Definición de la función objetivo en AG
Las características físicas de la estructura
del filtro pasa banda se consideran como condiciones iníciales del AG, y en la herramienta
de cálculo son clasificadas como variables las
impedancias de las líneas unitarias y las impedancias de los stubs en corto circuito, estableciéndose un rango de valores entre 20 y 80
para realizar la variación de cada uno de los
valores.
Las dimensiones de las líneas unitarias son
definidas con una longitud de onda eléctrica
de π y cada stub en corto circuito tiene una
longitud de onda eléctrica de π/2, (ver Fig. 1).
El número de generaciones indica el número
de interacciones en que la rutina de optimización es interrumpida. Durante el proceso de
evolución, en cada generación, los valores evaluados de los individuos son diferentes hasta
que finalmente convergen alrededor de una
solución óptima. Se emplearon 50 generaciones. El número de individuos y el tamaño de
la población es el parámetro que determina el
número posible de soluciones para el problema. Se consideraron 50 individuos para cada
generación.
En este caso, la función objetivo es la respuesta deseada del parámetro de transmisión
y del parámetro de reflexión del filtro pasa alto
distribuido con dos líneas unitarias de λ/2 de 4
stubs de λ/4 en corto circuito. En la herramienta se define la función objetivo que establece
los parámetros S11 y S 21 deseados, (ver Fig. 2).
Se obtiene los valores de las impedancias optimizadas de todas las secciones de líneas de
transmisión del filtro de la Fig. 1, que corresponden a las mejores respuestas de la función
de transferencia S11 y S 21.
La máscara definida como la función objetivo del algoritmo genético tiene las siguientes
características: la banda pasante está delimitada entre las frecuencias 4,1 GHz hasta 8,65
GHz, con un nivel de rizado de 0,5 dB, para la
banda de rechazo de 2 a 4 GHz y de 8,65 hasta
12 GHz el nivel de pérdida está entre -30 a -15
dB. En la Fig. 2, se presenta la máscara del
parámetro S11 para la banda de 4,1 GHz hasta
8,65 GHz, el nivel de pérdida es de -30 dB.
Con los valores de impedancias entregados
por la herramienta de optimización y con los
valores de frecuencia escogidos en la banda
de rechazo, es posible aplicar la teoría para
transformar el filtro con stubs en corto circuito
en dos secciones de stubs en circuito abierto,
se genera ceros de transmisión en la banda de
rechazo.
FIG.2. MÁSCARA DEL PARÁMETRO S21, S11 Y MEJOR RESPUESTA OPTIMIZADA PARA EL FILTRO DE 4.O GRADO.
57
Desarrollo de filtro pasa banda larga con ceros de transmisión para sistemas de comunicación Ultra-Wideband - Yepes
TABLA I. CONDICIONES EMPLEADAS EN LA SIMULACIÓN.
Tipo de Codificación
Real
Operador de cruce
SBX (simulated binary
crossover)
Operador de Mutación
Polinomial
Operador de Selección
Torneo binario
Numero de Generaciones
50
Número de Población
50
Banda de Impedancias
20-100
Frecuencia Central
6,85GHz
Taza de cruzamiento
100%
Taza de mutación
3%
Número de variables
5y7
En la Tabla I están resumidas las condiciones
que fueron empleadas para el proceso de optimización, considerada la función objetivo descrita
anteriormente.
La herramienta de cálculo fue implementada
en una máquina con un procesador Pentium 4 de
3 GHz y memoria de 1 GHz. La simulación duró
alrededor de 4 horas y mostró como resultado los
mejores individuos de la optimización. Después
de esta operación, fue necesario estudiar la población final, para analizar resultados individuales, ya que algunas de las respuestas presentadas
no estaban dentro de los objetivos del estudio.
En la Fig. 3, se presentan los resultados de los
parámetros S21 y S11 de los individuos de una de
las generaciones obtenidas mediante el proceso
de optimización.
FIG.3. OPTIMIZACIÓN DEL PARÁMETRO S21 Y S11.
En la Tabla II son presentados los valores de
las impedancias que tiene el grupo de las mejores
respuestas en el proceso de optimización. Los individuos con mejor desempeño están resaltados
en la Tabla II. Estos resultados serán utilizados
para el desarrollo de la generación de ceros de
transmisión en los filtros con dos secciones de
stubs en circuito abierto.
TABLA II. VALORES DE IMPEDANCIAS CON MEJORES RESPUESTAS PARA
EL FILTRO DE 4 STUBS.
Z1=Z3
Z2
Z4=Z5
53,71W
28,52W
69,02W
Z1=Z4
Z5=Z7
Z2=Z3
Z6
44,01W
76,27W
22,85W
79,53W
B. Obtención de ceros de transmisión
Para mejorar la respuesta del filtro y darle
una alta selectividad es necesario obtener una
atenuación mayor en la banda de rechazo del
filtro, es necesario generar ceros de transmisión
en las frecuencias determinadas. Para eso, se
implementó el uso de dos secciones de stubs
en circuito abierto.
El stub en corto circuito produce un par de
ceros de transmisión en f=0 y f=2f0, donde f
0
es la frecuencia central del filtro. Para obtener
ceros de transmisión en otra frecuencia deseada, se sustituye los stubs en corto circuito
con dos secciones de stubs en circuito abierto,
como se muestra en la Fig. 4.
Las impedancias equivalentes Zin1 y Zin2 del
stub en corto circuito y de las dos secciones de
58
ITECKNE Vol. 8 Número 1 • ISSN 1692 - 1798 • Julio 2011 • 54 - 61
stubs en circuito abierto. Son expresadas por
las ecuaciones (4) y (5) respectivamente [4].
FIG.4. REEMPLAZO DEL STUB EN CORTO CIRCUITO POR LA DOS SECCIONES DE STUB EN ABIERTO.
En este trabajo se obtuvo tres ceros de transmisión en la frecuencia altas y bajas de la banda
de rechazo respectivamente.
FIG.5. CONFIGURACIÓN DEL FILTRO CON STUB DE DOS SECCIONES EN
CIRCUITO ABIERTO.
El filtro pasa banda de la Fig. 6, con 4 stubs
respectivamente tienen una frecuencia central
de 6,85 GHz, con una banda de operación de 4,1
GHz, hasta 8,65 GHz, y el rizado de 0,5 dB. Los valores optimizados de las impedancias características de los stubs en corto circuito y de las líneas
unitarias del filtro de 4.o de la Fig.1, son:
Igualándose Zin1 y Zin2 en f=f0 se obtiene:
Cada stub en circuito abierto con dos secciones puede producir un par de ceros de transmisión, uno en la frecuencia más baja de la banda
de rechazo y el otro en la frecuencia más alta.
En este trabajo se desea obtener un par de ceros en las frecuencias θ=θ1 y θ=π-θ1. Para eso las
impedancias Z1a y Z1b de la línea de transmisión
de las dos secciones del stub en circuito abierto
deben satisfacer la siguiente relación:
Sustituyendo (7) en (6), se obtiene:
En la Fig. 5, se presenta la configuración para
un filtro de 4 polos con dos secciones de stub en
circuito abierto.
Z1=Z4
Z5=Z7
Z2=Z3
Z6
44,01W
76,27W
22,85W
79,53W
Con los ceros de transmisión definidos en la
frecuencias 2, 2,5, 3,1 GHz en la banda baja de
rechazo, y 10,6, 11,2, 11,7 GHz en la banda alta
de rechazo se calculó las impedancias de las dos
secciones de stubs en circuito abierto del filtro de
orden 40. Los valores están dados en (Ω):
Z1a
Z1b
Z2a=Z3a
Z2b=Z3b
76,63
56,82
32,37
13,49
Z4a
Z4b
Z5=Z6
54,73
13,34
76,27
El filtro final es colocado en un soporte de 50,1
x 50,1 mm, lo que justifica la definición de sus dimensiones. La Fig. 6, muestra el filtro de 4 stubs,
FIG.6. FOTOGRAFÍA DEL FILTRO PASA BANDA DE 4 STUBS
Desarrollo de filtro pasa banda larga con ceros de transmisión para sistemas de comunicación Ultra-Wideband - Yepes
III. RESULTADOS
En la Fig.7, es posible ver las respuestas S11 y
S21 del filtro simulado en Microwave Studio y de la
medición del filtro de 4 stubs. Se puede observar
que el filtro presenta una pérdida de inserción S21
de -3 dB siendo que la banda de operación es de
3,1 a 8,2 GHz. La pérdida de retorno S11 tiene un
valor máximo de -6,0 dB y el valor mínimo es de
aproximadamente -13 dB en la banda pasante.
Se puede ver que las respuestas en frecuencias
simuladas y prácticas tienen cierta correlación en
sus características generales. El resultado obtenido en la respuesta medida del S21 muestra un
ancho de banda mayor que la respuesta simulada como en la respuesta medida. En la respuesta medida, el último cero de la frecuencia alta no
está definido.
FIG.7. RESPUESTA MEDIDA Y SIMULADA DEL FILTRO DE 4.O GRADO
tomó valores próximos a los proyectados en este
trabajo, lo que motivó su fabricación, pero los valores medidos no fueron los esperados, debido al
proceso de fabricación del impreso. En este trabajo, el método utilizado en la fabricación de la
placa creo imperfecciones en los bordes y en las
dimensiones más delgadas de los stubs. La banda pasante está más próxima a la proyectada, el
nivel de rizado es menor, la pérdida de retorno
S11 tiene un valor máximo de -7,5 dB y el valor
mínimo de aproximadamente -15 dB, y los ceros
de transmisión están más próximos a los ceros
deseados en el proyecto.
AGRADECIMIENTOS
Este artículo es el resultado del proyecto Taquilla Virtual desarrollado por el grupo de investigación GIT del Instituto Tecnológico Metropolitano.
REfERENCIAS
El filtro pasa banda UWB fue desarrollado para
ser usado en una estructura microcinta. El sustrato tiene una constante dieléctrica de 10,5 y un
grosor del dieléctrico de 0,64 mm. Las mediciones de los filtros se realizaron en un analizador de
redes vectoriales modelo HP 8720C.
[1]
Federal Communications Commission. “Revision
of part 15 of the commission’s rules regarding
ultra-wide transmission systems,” Tech. Rep., ETDocket 98-153, FCC02-48, Apr. 2002.
[2]
W.-T. Wong, Y.-S. Lin, C.-H. Wang, and C.-H Chen,
“Highly Selective Microstrip Bandpass Filters for
Ultra-Wideband (UWB) Applications” in IEEE Microwave Conference Proceedings, Volume 5, Issue , 4-7, Dec. 2005.
[3]
Shakeri, Hosseine, “Design 3.4 GHz Wideband
Bandpass Filter Using Two Section of Open Stub
Connected in Shunt with Microstrip Lines.” Wireless And Optical Communications Networks
(WOCN), 2010 Seventh International Conference
On.
[4]
He, Dongi. “ A compact UWB bandpass filter with
ultra narrow notched band and competitive attenuation slope. Microwave Symposium Digest
(MTT), 2010 IEEE MTT-S International . Page(s):
221 - 224
[5]
L. Zhu; S. Sun; and W. Menzel, “Ultra-wideband
(UWB) bandpass filters using multiple-mode resonator”, Microwave and Wireless Components
Letters, IEEE Volume 15, Issue 11, Nov. 2005
Page(s): 796 - 798
[6]
C.-L. Hsu, F.-C Hsu, and J.-T. Kuo, “Microstrip bandpass filters for ultra-wideband (UWB) wireless
IV. CONCLUSIONES
En este estudio, el filtro pasa banda altamente
selectivo ha sido propuesto para aplicaciones en
el sistema UWB. Utilizando el software Microwave
Studio, fue simulado el comportamiento de estos dispositivos, obteniendo los parámetros de
respuestas conocidos como S21 y S11. Los datos
de la simulación fueron comparados con las mediciones de los filtros fabricados y evaluados, se
pueden considerar los resultados satisfactorios.
El resultado de la simulación del filtro de 4. grado
59
60
ITECKNE Vol. 8 Número 1 • ISSN 1692 - 1798 • Julio 2011 • 54 - 61
communications,” in IEEE MTT-S Int. Microwave
Symp. Dig.CDROM, 2005.
[7]
Ching, W.- T. y Ming, G.-C, “A microstrip Ultra
Wideband bandpass filter with cascaded broadband bandpass and bandstop filters,” IEEE Transactions on microwave theory and techniques,
volume 55, No. 11, 2007.
[8]
P. Cai; Z. Ma; X. Guan; X. Yang; Y. Kobayashi, T.
Anada, and G. Hagiwara, “A compact UWB bandpass filter using two-section open-circuited
stubs to realize transmission zeros”,Microwave
Conference Proceedings, Volume 5, Issue , 4-7
Dec. 2005.
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Tsai, L.-C., y Hsue, C.-W. (2004). Dual-band
bandpass filters using equal-length coupledserial-shunted lines and z-transform technique.
IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol.52, no.4,
pp.1111–1117.
[10] CST Microwave Studio Software, versão 5.0.1,
Março 19-2004.
[11] J. S. Hong and M. J. Lancaster, Microstrip Filters
for RF/Microwave, Wiley, New York, 2001.
Metodología de análisis por medio de simulación
de la modulación M-QAM sobre un canal afectado
por desvanecimiento y efecto Doppler
Camilo Torres Zambrano
M.Sc. en Ingeniería Electrónica,
Pontificia Universidad Javeriana
Ingeniero de Tiempo Completo, Itansuka
Bogotá, Colombia
[email protected]
Carlos Iván Páez Rueda
M.Sc. en Ingeniería Eléctrica, Universidad de los Andes
Docente e Investigador, Pontificia Universidad Javeriana,
Director del grupo de investigación SISCOM
Bogotá, Colombia
[email protected]
Resumen— En el artículo se presenta la metodología
para determinar el desempeño de un sistema de comunicaciones digitales conformado por una modulación
M-QAM (M-ary Quadrature Amplitude Modulation) afectado por un canal con desvanecimiento multi-trayectoria
plano y lento tipo Rayleigh y un ruido Gassiano limitado
en banda, por medio de la técnica de simulación por la
envolvente compleja. Los resultados obtenidos son validados con algunas cotas de las probabilidades de error
teóricas simplificadas para este tipo de modulaciones
y canales. La metodología establece un procedimiento
sistemático para encontrar las curvas de desempeño
que caracterizan al sistema de comunicaciones bajo las
condiciones no idealizadas del canal, las cuales permiten calcular los radio enlaces de los sistemas modernos
como LTE (Long Term Evolution) y la televisión digital
DVB-T.
cualquier momento y cualquier lugar. Al utilizar el
canal de radio frecuencia como medio de transmisión no guiado y no controlado en un sistema
de comunicaciones, los esquemas de modulación
deben combatir todos los fenómenos que en él se
presentan, en particular, el desvanecimiento multi-trayectoria. Este fenómeno, cuya característica
usualmente es variante en tiempo, es producido
por la velocidad de movimiento del transmisor o
del receptor o por la disposición variante de los
objetos presentes en el canal, causantes de una
reflexión, refracción, dispersión y retardo de la
onda transmitida. La comunidad científica en [1][6], ha cuantificado el fenómeno multi-trayectoría
en un sistema de comunicaciones y generado cotas de desempeño, cuya evaluación permite caracterizar un sistema de comunicaciones ante ese
fenómeno con condiciones idealizadas.
Las diversas particularidades de cada sistema requieren eventualmente de la evaluación del
desempeño ante estas condiciones variantes por
medio de la simulación, ya que el modelo teórico
usualmente es inmanejable por su complejidad.
En este caso, la simulación por envolvente compleja es la técnica más utilizada ya que permite
simular el sistema de comunicaciones con una
frecuencia de muestreo sustancialmente inferior
a cambio de una representación de funciones en
el plano complejo [7]-[9].
Aquí se presenta la metodología formal de simulación por la envolvente compleja para el caso
particular de la modulación M-QAM, el cual incluye el modelo de la señal modulada, el modelo del
canal con ruido Gaussiano y el modelo de un canal variante. El aporte fundamental es precisar la
metodología de simulación y análisis que incluyen
el modelo variante en tiempo de tipo Rayleigh con
Palabras clave— Canal Rayleigh, Envolvente Compleja,
Desvanecimiento Multitrayectoria, Modelo Espectral de
Jakes.
Abstract— In this paper the methodology for determining the performance of a digital communications system consisting of M-QAM modulation (M-ary Quadrature
Amplitude Modulation) affected by a fading channel with
multi-path Rayleigh slow, flat and a Gaussian noise band
limited is presented by means of complex enveloped simulation technique. The results are validated with some
simplified theoretical probability of error for this kind of
modulations and channels. The methodology establishes a systematic procedure for finding the performance
curves that characterize the communication system under non idealized conditions of channel, which allow the
calculation of radio links to modern systems such as LTE
(Long Term Evolution) and digital television DVB-T.
Keywords— M-QAM, Rayleigh Channel, Complex Envelop, fading, Jakes´s Model.
I. INTRODUCCIÓN
La tecnología de las comunicaciones inalámbricas tiene un papel preponderante en la sociedad actual ya que facilita la comunicación en
Recibido: 12/03/2011/ Aceptado: 15/05/2011/ ITECKNE Vol. 8 Número 1 • ISSN 1692 - 1798 • Julio 2011 • 62 - 69
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un efecto Doppler moderado [2],[10], modelado
a través del espectro Jackes. Los resultados de
la evaluación de cada simulación son exhaustivamente analizados desde el punto de vista probabilístico y son comparados con algunas cotas
encontradas en la literatura. Finalmente, con las
curvas encontradas es posible evaluar el sistema
en un enlace de comunicaciones moderno y buscar estrategias para mejorar su desempeño.
El diagrama en bloque denominado receptor,
cuya función es extraer el vector que contiene la
información necesaria para estimar cuál fue el
símbolo enviado a partir de la señal recibida del
canal rk(t) en el intervalo de tiempo [kTs,(k+1)Ts].
FIG. 1. EQUIVALENTE PASABAJOS COMPLEJO DE UNA
SEÑAL BANDA ANGOSTA
II. METODOLOGÍA DE SIMULACIÓN
A. Envolvente compleja
A una señal real de banda angosta x(t) con
componentes en frecuencia f ϵ [f1,f2] se le puede asociar una señal analítica (1) denominada
la preenvolvente compleja y denotada por xa(t),
donde xH(t) es la transformada de Hilbert de x(t).
A la señal analítica xa(t) se le puede asociar otra
señal denotada por
calculada por (2) y la
cual recibe el nombre de la envolvente compleja.
La envolvente compleja es una representación
banda base de la señal original como se esquematiza en su transformada de Fourier en la Fig.
1 y, por ende, para su caracterización discreta requerirá de una cantidad mucho menor de muestras con respecto a la señal original. La expresión
en la envolvente compleja representa la frecuencia promedio de la portadora.
Fuente: los autores
FIG. 2. DIAGRAMA EN BLOQUES DEL MODULADOR,
CANAL Y RECEPTOR M-QAM
B. Transmisión Digital M-QAM
En la Fig. 2, se detalla el diagrama en bloque
conceptual que representa una transmisión digital que utiliza una modulación M-ary QAM, la cual
es el objeto de análisis del presente trabajo.
El modulador digital M-QAM se encarga de
transformar el bloque k-ésimo de bits de tamaño
L=log2(M), denotado por {xLk+1,...,xKL+L} en una
señal análoga Sk(t) denotada por (3), válida en el
intervalo de tiempo [kTs,(K+1)Ts], donde las amplitudes dk y qk dependen de la energía transmitida
por el bloque k-ésimo y f0 es la frecuencia central
de operación.
Fuente: los autores
Metodología de análisis por medio de simulación de la modulación M-QAM sobre un canal afectado por desvanecimiento y efecto
Doppler - Torres, Páez
El objetivo del subsistema Demodulador es
proyectar la señal recibida rk(t) en el sub-espacio
de la modulación. Su resultado es un vector denotado por rk=[rk1,...rkL], el cual representa la señal
k-ésima enviada, que incluye los fenómenos introducidos por el canal. El objetivo del subsistema
detector, es encontrar la secuencia de bits original asociado al k-ésimo bloque, minimizando la
probabilidad de una incorrecta decisión. Diversos
Criterios y algoritmos para implementar los subsistemas de Demodulador y Detección se pueden
encontrar en [1],[4]-[5],[11].
C. Canal AWGN
El canal AWGN es un canal aleatorio Gaussiano, en el cual se genera una salida ideal modelada por medio de (4) en un intervalo de tiempo
[kTs,(k+1)Ts].
Donde n(t) es un proceso aleatorio que representa un ruido ideal denominado Blanco Gaussiano, conformado por una densidad espectral de potencia constante en todas las frecuencias de valor
N0 / 2, con media cero e independiente de la señal
de entrada. La señal sk(t) se asume que está limitada en frecuencia, con ancho de banda W y con potencia finita. Aún lo anterior, el modelo de un canal
AWGN no es conveniente para analizar sistemas
desde el punto de vista de la causalidad y de potencia, ya que éste no es físicamente realizable. Por
tal razón, se utilizará el ruido limitado en banda derivado del ruido blanco Gaussiano para el análisis
del sistema. El canal Gaussiano con ruido limitado
en banda es caracterizado por (5) en un intervalo
de tiempo [KTs,(k+1)Ts], donde las funciones nd(t)
y nq(t) son procesos estocásticos banda base con
ancho de banda W, mutuamente independientes,
con media cero y varianza N0W / 2.
D. Canal con Desvanecimiento Plano y Lento
En el modelo de un canal de comunicaciones
mediante el ruido Gaussiano por medio de (4)-(5), la
señal de entrada solamente está afectada por una
atenuación y retardo constante. Los canales afectados por desvanecimiento multitrayectoría generan
atenuaciones y retardos variantes con el tiempo,
efectos que pueden degradar significativamente el
desempeño del sistema de comunicación y, por tanto, requiere de un análisis detallado [12]. Si un canal varía lentamente, esto es, se tiene una velocidad
lenta de movimiento entre el transmisor y el receptor con respecto a la duración del símbolo, entonces
éste puede ser modelado por medio de (6), donde
R y φ son variables aleatorias distribuidas con parámetros estadísticos inalterados en el intervalo
[kTs,(k+1)Ts].
En el caso particular del modelo con desvanecimiento plano y lento, el ruido Gaussiano es limitado en banda, la variable aleatoria φ se atribuye
como una variable uniformemente distribuida en
el intervalo [-π,π] y R se distribuye como una variable aleatoria tipo Rice o Rayleigh. En caso de
ser Rice, significa que el canal modela el fenómeno de múltiples trayectorias donde una tiene un
componente de potencia dominante. En caso de
utilizarse una variable aleatoria Rayleigh, el canal
modela el fenómeno de múltiples vías donde no
existe un componente dominante [13]-[14]. Si se
asume, que el desvanecimiento es lo suficientemente lento con respecto al tiempo de convergencia del sistema de sincronismo del receptor,
entonces la recepción coherente permitirá simplificar (6) a (7). En la ecuación (7), se evidencia que
el modelo de un canal con desvanecimiento plano
y lento, considera una atenuación aleatoria igualmente distribuida en un periodo de un símbolo.
Para analizar el escenario con movimiento lento desde el dominio de la frecuencia, es necesario
considerar el efecto Doppler en la simulación de un
canal variante con el tiempo. En [15] se describe
analíticamente el modelo de Jakes, frecuentemente
usado para describir las variaciones de un canal de
radio enlace con las características planas y lentas.
En este trabajo se asocia la variable R a una señal
banda base compleja, la cual es representada por
un proceso aleatorio con media cero denotado por
µ(t)=µ1(t)+j·µ2(t) . Donde, µ1(t) y µ2(t) son procesos
banda angosta también banda base, con media
cero y varianza var(µi(t)=σo2 para i=1,2. Estos procesos aleatorios frecuentemente resultan ser estadísticamente independientes, lo cual implica que
la función de correlación cruzada es cero. En térmi-
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64
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nos generales, un proceso aleatorio se describe
completamente por su media y su función de autocorrelación (ACF). Para una antena receptora
omnidireccional en un ambiente de dispersión
isotrópica bidimensional, en [16] se demostró
que la ACF de µi(t) se puede representar por medio de (8).
FIG. 3. MODELO DE SIMULACIÓN M-QAM
Fuente: los autores
Donde fmax es la máxima frecuencia Doppler y
J0(·) es la función de Bessel de primera clase de
orden cero. Por lo tanto, la transformada de Fourier
de (8) genera el espectro de potencia Doppler (9), la
cual es conocida como espectro Jakes. La frecuencia máxima Doppler ( fmax ) depende de los escenarios que va a modelar. En la literatura se documenta
dicho valor entre 1Hz y 100Hz. Para valores mayores
a 100Hz se considera que el sistema de comunicaciones comienza a estar afectado por un desvanecimiento rápido [14].
El diagrama en bloques que modela el desvanecimiento plano y lento se presenta en la Fig. 4,
la cual hace uso del equivalente en frecuencia
derivado de la ecuación (9). Por medio de esta
implementación, la envolvente Rayleigh emula el
movimiento lento y plano considerado el efecto
Doppler presentado en este trabajo y que presentará el caso usual de un sistema de comunicaciones inalámbricas en donde no existen componentes dominantes de potencia entre el transmisor y
el receptor [17]. La envolvente Rayleigh resultante, denotada por ζ(t), afecta multiplicativamente la
envolvente compleja como se ilustra en la Fig. 4.
FIG. 4. MODELO DE GENERACIÓN DE LA ENVOLVENTE RAYLEIGH
E. Modelo por Envolvente Compleja de M-QAM
Para M-QAM, la señal análoga se puede describir en un intervalo de un símbolo por medio de
(10) y, por ende, su envolvente compleja tiene una
representación sencilla dada por medio de (11).
Fuente: Los autores
G. Simulación por la envolvente Compleja
F.
Modelo por envolvente compleja del canal
con desvanecimiento Plano y Lento
El modelo propuesto para analizar la modulación M-QAM bajo las condiciones de un canal
Gaussiano limitado en banda y un canal con
desvanecimiento plano y lento tipo Rayleigh por
medio de la técnica de la envolvente compleja se
ilustra en la Fig. 3.
Para realizar el análisis del sistema Mary QAM
propuesto, se utilizó un muestreo sobre la señal
en la representación de la envolvente compleja
en el intervalo de tiempo [kTs,(k+1)Ts]. La cantidad de muestras escogidas en un periodo de un
símbolo fue de ocho (M=8), la cual garantiza el
cumplimiento del criterio de Nyquist por símbolo.
Para la implementación del integrador en el
demodulador basado en el correlator, se utilizó la
definición de la integral por medio de sumas de
Reiman (12), con ∆T=Ts/M .
Metodología de análisis por medio de simulación de la modulación M-QAM sobre un canal afectado por desvanecimiento y efecto
Doppler - Torres, Páez
Para el detector se implementó el criterio de
máxima verosimilitud (ML), y como fuente, se
utilizó una secuencia seudoaleatoria equiprobable con una asignación Gray de los símbolos en la constelación. Para la estimación de
las curvas de desempeño de la probabilidad
de error de un bit se utilizó la simulación de
Montecarlo, en la cual de N símbolos enviados
se cuentan los Ne símbolos recibidos que están
errados. La estimación de dicha probabilidad
de error se obtuvo por medio de (13).
Para la generación de las curvas de desempeño por medio de la simulación, se generó
una secuencia equiprobable conformada por
64.000 símbolos con una velocidad de 8.000
baudios en la representación de la envolvente
compleja. El estimador de la probabilidad de
error bajo estas condiciones presentó un intervalo de confianza mejor al 95%. Para determinar la relación señal a ruido en las simulaciones del canal variante en el tiempo se utilizó
(14).
III. RESULTADOS
A. Validación del modelo
Con el objeto de validar el código desarrollado, en la Fig. 5 se detalla las curvas de error
versus la relación Signal to Noise medido en decibles (SNR[dB]) para las modulaciones BPSK
(2-QAM), 4-QAM, 16-QAM y 64-QAM en un canal
Gaussiano limitado en banda. En esta figura se
detalla la correspondencia entre la simulación y
los datos teóricos de este tipo de canales.
La cantidad de símbolos utilizados en la simulación no permite encontrar valores confiables en un canal AWGN para SNR>8 dB, debido
a que se encuentra el fenómeno de eventos
raros. Este fenómeno se presenta en la simulación de Monte Carlo cuando el espacio de
muestra no es representativo para cuantificar
los eventos de análisis. En la simulación realizada, sería posible incrementar la ventana de
análisis de SNR para el caso AWGN a costa de
incrementar el tiempo de computación de forma exponencial.
En la Fig. 6, se ilustra el desempeño de la
modulación B-PSK (2-QAM), 4-QAM, 16-QAM y
64-QAM considerado un canal con desvanecimiento plano y lento tipo Rayleigh ideal con
E(R2)=1, habida cuenta del modelo de la Fig.
4. En esta gráfica se detalla el modelo aproximado teórico planteado en [18]-[19] versus la
simulación realizada en este documento.
La comparación detallada entre los resultados obtenidos entre el canal AWGN y el
canal con desvanecimiento plano y lento tipo
Rayleigh ideal, permite concluir que a diferencia del canal Gaussiano limitado en banda, las
curvas de error en un canal Rayleigh varían
casi linealmente con respecto a la relación señal a ruido, y por eso, no es posible fácilmente
mejorar la probabilidad de error del sistema
con un incremento de la potencia del sistema
transmisor. El cálculo teórico del desempeño
de las modulaciones 16-QAM y 64-QAM planteado por [20] ante un canal con desvanecimiento plano y lento tipo Rayleigh se realizó en
este trabajo por medio de integración numérica, con exigente requerimiento de recursos de
computación en comparación con los requeridos para esa simulación, con un PC Pentium IV
con 512 de RAM.
B. Validación del Canal Rayleigh con Efecto
Doppler
Con el objeto de validar la distribución de
probabilidad de la envolvente Rayleigh planteada en el modelo Jakes desarrollado, se grafica
en la Fig. 7 el histograma para cada frecuencia
máxima Doppler fmax, se verificó por medio del
estimador de máxima verisimilitud que la envolvente sigue una distribución de probabilidad
Rayleigh. En la Fig. 8, se ilustra una realización
de las variaciones de la envolvente Rayleigh en
el tiempo con respecto a la máxima frecuencia
Doppler para los efectos
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ITECKNE Vol. 8 Número 1 • ISSN 1692 - 1798 • Julio 2011 • 62 - 69
C. Curvas de Desempeño para el Canal Rayleigh
Dependiente de la Frecuencia Doppler
Finalmente, en la Fig. 9 se presenta las curvas
de desempeño de la modulación M-QAM incluido
el desempeño bajo un canal Gaussiano limitado
en banda, un canal tipo Rayleigh ideal y un canal
Rayleigh con el modelo de Jackes. Para los efectos visuales se detalló las medidas de desempeño para E(R2)=0.5 y E(R2)=1. En dichas gráficas,
se puede detallar que el caso Rayleigh ideal es
la cota inferior del desempeño de la modulación
bajo el supuesto de un canal variante con el tiempo lento y plano que modele el fenómeno Doppler
descrito en este documento.
III. CONCLUSIONES
En el presente artículo se presentó la metodología de análisis y las curvas de desempeño de
la modulación M- QAM en un canal AWGN limitado en banda y en un canal con desvanecimiento
plano y lento tipo Rayleigh, tanto ideal como con
un modelo de desvanecimiento en frecuencia, por
medio de la teoría de la envolvente compleja. Las
curvas de la probabilidad de error encontradas
para el caso del canal con desvanecimiento plano
y lento tipo Rayleigh muestran un aumento considerable en la probabilidad de error en comparación de un canal AWGN limitado en banda.
FIG. 5. PROBABILIDAD DE ERROR PARA M-QAM EN UN CANAL AWGN.
Fuente: los autores
FIG. 6. PROBABILIDAD DE ERROR PARA M-QAM EN UN CANAL CON DESVANECIMIENTO PLANO Y LENTO TIPO RAYLEIGH.
Fuente: los autores
Metodología de análisis por medio de simulación de la modulación M-QAM sobre un canal afectado por desvanecimiento y efecto
Doppler - Torres, Páez
FIG. 7. FUNCIÓN DE DENSIDAD DE PROBABILIDAD EXPERIMENTAL PARA LA ENVOLVENTE RAYLEIGH CON RESPECTO A LAS VARIACIONES DE fmax.
Fuente: los autores
FIG. 8. ENVOLVENTE RAYLEIGH CON RESPECTO A LAS VARIACIONES DE fmax.
Fuente: Los autores
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ITECKNE Vol. 8 Número 1 • ISSN 1692 - 1798 • Julio 2011 • 62 - 69
FIG. 9. DESEMPEÑO DE LA MODULACIÓN M-ARY INCLUYENDO EL MODELO DE JAKES. FUENTE: AUTOR DEL PROYECTO.
Fuente: Los autores
Ya que el canal con desvanecimiento plano y
lento tipo Rayleigh es un canal variante en tiempo
usual en aplicaciones inalámbricas, en la cual no
existe línea de vista entre el transmisor y el receptor, la metodología planteada es valiosa para encontrar las medidas de desempeño de un sistema
que puede tener una difícil descripción analítica.
Este es el caso de las nuevas tecnologías inalámbricas, como los estándares LTE (Long Term Evolution) y televisión digital DVB-T, cuyos esquemas
de modulación avanzados se basan en la modulación M-QAM.En un canal de características variantes en tiempo, como el analizado, la medida de
desempeño de la probabilidad de error no puede
ser mejorada según la estrategia tradicional de
incremento de la energía por símbolo en el transmisor, ya que las curvas de desempeño encontradas muestran una mejora casi lineal, comparada
con la mejora de dicha medida de desempeño de
tipo exponencial en un canal Gaussiano limitado
en banda. Este resultado implica, que se deben
buscar estrategias alternativas a incrementar la
potencia, si se desea tener una mejora representativa en la calidad del enlace de comunicaciones.
El modelo de Jakes, aunque oportuno y simplificado para modelar un canal con desvanecimiento
plano y lento no tiene vinculado explícitamente la
relación entre la frecuencia Doppler máxima de un
modelo de propagación específico. En la utilización
de este canal, la literatura usualmente especifica
los parámetros del canal como una característica
del modelo a pequeña escala, y por tal razón, un
parámetro de características locales. Este es el mayor inconveniente en la utilización racional de este
modelo y, por eso, requiere un mayor estudio, que
permita darle una mayor relación con un entorno
real de radio propagación.
AGRADECIMIENTOS
Los autores desean dar sus agradecimientos a la
Pontificia Universidad Javeriana y al Departamento
de Electrónica de dicha universidad, por facilitar los
recursos necesarios de Software, Hardware y personal para realizar a cabo el presente trabajo.
Metodología de análisis por medio de simulación de la modulación M-QAM sobre un canal afectado por desvanecimiento y efecto
Doppler - Torres, Páez
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Dec 1999.
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New elements of relativistic electrodynamics for
generating useful work from permanent magnets:
A review
Álex Ómar Galindo Palacio
Ingeniero Electrónico, Universidad de Antioquia
Estudiante Maestría en Gestión Energética Industrial
Instituto Tecnológico Metropolitano –ITM
Medellín, Colombia
[email protected]
Carlos Alberto Acevedo Álvarez
MSc en Ciencia e Innovación Tecnológica,
Universidad del País Vasco
Docente Titular, Líder del Grupo de Investigación GITER,
Centro de Investigación
Instituto Tecnológico Metropolitano –ITM
Medellín, Colombia
[email protected]
édilson Delgado Trejos
PhD en Ingeniería LI Automática
Universidad Nacional de Colombia
Académico Investigador,
Líder del Grupo de Investigación
MIRP, Centro de Investigación
Instituto Tecnológico Metropolitano –ITM
Medellín, Colombia
[email protected]
Resumen— Este artículo presenta una revisión acerca
de nuevos elementos encontrados en la electrodinámica relativista orientados a la generación de trabajo útil
a partir de imanes permanentes. En este sentido, se expone el estado del arte sobre Máquinas de Movimiento
Perpetuo y Motores Magnéticos, como los dos tipos de
sistemas que por sus similitudes sirven de punto de partida para la elaboración de una metodología orientada a
inferir la dinámica de los torques que se pueden obtener
en sistemas rotacionales que emplean interacciones
magnetostáticas.
Palabras clave— Máquinas de movimiento perpetuo,
motores magnéticos, imanes permanentes, máquinas
eléctricas rotativas.
Abstract— This document a review of new topics in relativistic electrodynamics oriented towards useful work by
using permanent magnets. In this sense, we sought to
establish the state of the art of Perpetual Motion Machines and Magnetic Motors as two types of systems that,
given their similarities, serve as a starting point for elaborating of a methodology aimed at inferring the dynamic behavior of the torques in rotational systems based
on magnetostatics interactions.
Keywords— Perpetual motion machine, magnetic motor, permanent magnets, rotating electrical machines.
I. INTRODUCTION
Rotating electrical machines can be engines
or generators; to develop mechanical torque, engines use 100% electric power, while generators
use gravitational potential energy [1].
The study of the effects of torque generated in
permanent magnet arrangements connected externally to rotation axles in rotating electrical machines, is of interest when there is the possibility
of replacing a fraction of the energy consumed in
these machines by using the potential magnetic
energy stored in permanent magnets as an alternate source for reinforcing the mechanical torque
[2]. In relation to the study of torque produced by
the force due to the magnetic interaction between
permanent magnet arrangements coupled to rotation axles , the information identified is dispersed and does not concretely document the topic,
although some publications deal with the magnetic effects in cylindrical geometries [3], [4], [5].
The main objective of this review is to establish
whether the available information is sufficient for
advancing a theoretical study, on the effects of
torque pr
oduced from the magnetic interaction generated between permanent magnet arrangements
coupled to rotation axles, and to determine the
viability of replacing part of the traditionally used
energy with potential magnetic energy. Thus, new
elements of Relativistic Electrodynamics are reviewed with the aim of analyzing the possibility of
using the energy of permanent magnets for performing useful work.
Recibido: 22/11/2010/ Aceptado: 27/04/2011/ ITECKNE Vol. 8 Número 1 • ISSN 1692 - 1798 • Julio 2011 • 70 - 78
New elements of relativistic electrodynamics for generating useful work from permanent magnets: A review - Galindo,
Acevedo,Delgado
II. BACKGROUND
Magnetism, as an invisible force, has provided the puzzled humanity for thousands of
years. The Greeks, in the Western world, were
the first to describe the properties of natural
magnets, as they knew of the magnet stone,
found in a region known as Magnesia in western
Greece. This mineral is scientifically known as
magnetite (lodestone) (Fe 3O4) and its first practical use was in the compass, a revolutionary
instrument of navigation, since it allowed geographic orientation without requiring the stars
to be visible [6].
Notwithstanding, magnets and magnetism
only began to be studied in the 17 th century,
when Englishman William Gilbert published his
work De Magnete [7], in which he declared that
the earth behaved like a Magno Magnete or
giant magnet (see Fig. 1). During the following
two hundred years there was much speculation, until in 1819, in Denmark, Hans Christian
Oersted [8] demonstrated that the circulation
of a current across a wire conductor produces a magnetic field (see Fig. 2), proving that
magnetism can be generated from electricity.
An opposite effect was discovered, in England,
by Michel Faraday, who by means of a variable
magnetic field managed to induce electrical
current on a conductor [9].
FIG. 1. GILBERT´S MAGNO MAGNETE, 17TH CENTURY
FIG. 2. OERSTED´S EXPERIMENT, 1819
Source: R. Wood, Magnetismo, Mexico: McGraw Hill 1991, p.37
But it was James Clerk Maxwell, the Scot mathematician and physicist, who by 1873 provided
the theoretical basis to the observations by Oersted, Faraday, and others, and presented the equations that describe the previously mentioned phenomena [10] and that represent the foundation of
our knowledge on electromagnetism. Maxwell’s
original publication of 1865, A Dynamical Theory
of the Electromagnetic Field [11], contained many
expressions, but all of them can be deducted from
four general differential equations:
Gauss’s electrical law:
Gauss’s law for magnetism:
Faraday’s law:
Ampère-Maxwell’s law:
Source: W. Gilbert, De Magnete, United States: Dover Publications, 1958,
p. 238.
Expressions (1), (2), (3), and (4), are the laws
that govern electromagnetism, which in their differential form are known as Maxwell’s equations
and although they were not deduced in principle
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by him, they take his name as he verified their
validity by using his vortex model of lines of force
[12] (see Fig. 3) and as he included some modifications in the equations.
FIG. 3. LINES OF FORCE AND EQUIPOTENTIALS SURFACES, 1861
Finally, through contributions of material science to the improvement of magnetic properties [16],
new application fields have been found for artificial
permanent magnets. Permanent magnets, as the
most representative elements of magnetostatic
interaction, and have been in use during the last
decade in highly specialized applications such as
transport systems by magnetic levitation, MAGLEV,
[17] [18] [19] [20], which uses the repulsion force
and valves [21] in magneto-resistant devices [22]
[23], in magnetic refrigeration equipment [24] [25],
in the detection and characterization of subatomic
particles [26], and in diamagnetic levitation systems [27] that simulate variable gravity force.
FIG. 4. MAGNETISM AND PERMANENT MAGNETS
Source: J. C. Maxwell, A Treatise on Electricity & Magnetism, vol. 1. New
York: Dover Publications, 1954, p.149
Thus, Maxwell’s most important contribution
was the inclusion of the temporary derivative
of an electrical field or displacement current in
Ampère’s law, which is the product of the existence of electromagnetic waves propagating
according to the material; this last element led
to unifying optics with electromagnetism [13].
Subsequently, the technological application
of all this new knowledge on permanent magnets and electromagnetism would be triggered
during the 19 th and 20 th centuries by the Industrial Revolution [14], which generated growth of
the socioeconomic middle class, encouraged a
market in need of innovations, and after several centuries of using magnets in compasses,
they were used in new applications like the telegraph and, later, the telephone. But the most
important use of magnets and electromagnets
was in achieving the movement of rotation stemming from electricity (Nikola Tesla - 1887),
which contributed to the development of conventional engines and electrical generators
and those applications derived from such [15].
In general, Fig. 4 presents a chronological
summary of the most relevant events pertaining to magnetism and permanent magnets.
III. STATE Of THE ART
The bibliographical references available do not
document the effects that torque may have on a
permanent magnet device (magnetic impeller)
coupled externally to a rotation axle. Nevertheless, historically we know two types of systems
that given their characteristics and similarities deserve further study. They are, Perpetual Motion
Machines and Magnetic Motors.
New elements of relativistic electrodynamics for generating useful work from permanent magnets: A review - Galindo,
Acevedo,Delgado
A. Perpetual motion machines [28]
2) Perpetual motion machines of the second kind
Prior to having a clear idea of what energy is
– as we know it today – many knew that it was
not possible to generate energy out of nothing.
In 1586, Simon Stevin, a Dutch mathematician
and physicist, stated the principle of the impossibility of creating forces [29]. In 1686, Gottfried
Wilhelm Leibnitz introduced the concept of kinetic
energy (vis viva) [30], and, around 1826, French
physicists Gustav Coriolis and Jean Victor Poncelet
defined mechanical work as the product of force
by displacement [31]. In 1842, Robert Julius von
Mayer proposed the concept of Kind [32], to characterize the Perpetual Motion Machines:
The functioning of perpetual motion machines
of the second kind was based on the supposition
that they might indefinitely exchange heat with
their surroundings by means of Carnot’s cycle
[36], which goes against the Second Thermodynamic law [37], since at some stage every system
must reach thermal equilibrium [38], [39]. These
types of machines were associated to the exchange of internal energy, U, in microscopic systems.
After the first and second laws of thermodynamics
were formulated, circa 1850, the idea of developing perpetual motion devices was abandoned.
FIG. 6. ATHANASIUS KIRCHER, 1643
1) Perpetual motion machines of the first kind [33]
They are those that perform work indefinitely
without receiving additional energy to the impulse
required for conquering the resting inertia [34], that
is to say, they work without an equivalent consumption of energy, which is impossible in light of the
Energy Conservation law. Although such machines
were not successful, wheels, axles, fluids, or permanent magnets were used in their manufacture.
These types of machines were macroscopical mechanical systems.
The first kind of perpetual motion devices of the
Middle Ages that are greatly similar to the Magnetic
Impeller are those of Petrus Peregrinus (1296) and
Athanasius Kircher (1640); these were characterized by using permanent magnet arrangements placed in front of each other in concentric cylindrical
geometries [35], as illustrated in Fig. 5 and Fig. 6.
FIG. 5. PETRUS PEREGRINUS DE MARICOURT, 1269
Source: A. Klienert, “Wie funktionierte das Perpetuum mobile des Petrus
Peregrinus,” NTM, vol. 11, pp. 155-170, 2003
A. Magnetic motors
Currently in the literature, the magnetic motors
of which there are references are the switched reluctance (SR) motor, Howard Johnson’s motor of
permanent magnets – patented in 1979 – and Perendev motor, patented in 2006. These machines
use magnetostatic interaction as the principle of
operation.
1) Switched reluctance (SR) motor [40]
Source: A. Klienert, “Wie funktionierte das Perpetuum mobile des Petrus
Peregrinus,” NTM, vol. 11, pp. 155-170, 2003
It is formed by a rotor of permanent magnets of
several poles and a stator constituted by electromagnets that operate in a switched manner (see
Fig. 7) according to current pulses that are sent to
every coil by means of an electronic-type control.
It is not strictly a magnetic motor, because in spite
of benefiting from the magnetostatic interaction, it
consumes electricity to produce the magnetism in
the stator poles.
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FIG. 7. MODIFICATION OF A SWITCHED RELUCTANCE (SR) MOTOR.
Source: J. Faiz et al, 1995
2) Perendev motor [41]
It is made up of a rotor and a stator, both from
permanent magnets. Nevertheless, in its invention
patent (the only reference document available until
now) its operation is guaranteed by the geometry
used (see Fig. 8).
FIG. 8. ILLUSTRATION OF A PERENDEV MOTOR
FIG. 9. JOHNSON MOTOR
Source: United States Patent No.: 4.151.431 – Apr. 1979
It is important to note that there is no reference to the practical utilization of the Johnson and
Perendev motors in domestic or industrial environments, which is strange, specially as the Johnson’s
motor patent has been available for approximately
30 years. This leads to doubts about of the real
functioning of these motors, or at least, of the
possibility of implementing them in a practical
manner; given that, according to the principles of
Classic Electrodynamics, its continuous operation
is not viable if we consider the torque generated in
the magnetostatic interaction. Fig. 10 shows the
chronological relationship of the concepts of perpetual motion devices and magnetic motors.
FIG. 10. PERPETUAL MOTION (PM) DEVICES AND MAGNETIC MOTORS IN
HISTORY
Source: Patent Cooperation Treaty No.: WIPO 2006/045333 A1 – May. 2006.
Moreover, there are no details to substantiate the
functioning of this device and, by what can be observed in the patent graphs, it is not clear how to control
the start up and stop of this motor.
3) Johnson motor [42]
The design of this motor considers rotor and stator from permanent magnets (see Fig. 9). Its operation is sustained in an attraction-repulsion magnetostatic interaction obtained from the geometry
and the magnetic characteristics of the materials
used [43].
New elements of relativistic electrodynamics for generating useful work from permanent magnets: A review - Galindo,
Acevedo,Delgado
IV. A PRESENT AND fUTURE Of PERPETUAL
MOTION MACHINES AND MAGNETIC MOTORS
Currently, there is no mention of Perpetual Motion Machines as such, due to their physical impossibility. Nevertheless, this term is used to refer to
phenomena that present anomalous behaviors in
terms of the fulfilment of the First and Second laws
of Thermodynamics at cosmological scale [44] like
the spontaneous breaking of the Lorentz invariance
in the proximities of black holes [45], or the possible extraction of energy from the Dark Matter in
Space [46], [47], [48], both effects of the gravitation - magnetism interaction at a large scale.
Recent studies in the area of Relativist Electrodynamics propose the viability of magnetic motors
capable of generating useful work, not as Perpetual Motion Machines but as devices that take advantage of the Energy of the Vacuum [49], [50]
from space-time relativist considerations [51].
The possibility of this new energy source arises
from the reciprocal interaction between gravitation
and electromagnetism; according to Classic Electrodynamics, this interaction is impossible [52],
[53]. Nevertheless, the Einstein-Cartan-Evans
(ECE) theory predicts that a gravitational field is
connected to an electric field and vice versa [54].
The effect produced by this relationship was observed for the first time in the Unipolar Generator,
invented by Faraday in 1831 [55].
The most interesting technological application,
stemming from the ECE theory, refers to the direct
extraction of energy from space-time from a resonance effect [56]. In the first place, the equations
of the ECE theory indicate that matter can convert energy from the surrounding space-time, also
known as the vacuum, by means of some type of
device whose configuration must be such that it
can provoke a resonant excitation of the material.
It is probable that many inventions in the field of
alternative energy, as is the case of the Johnson
motor, function in this manner, although the discovery of the resonance mechanism was a product
of trial and error. For this reason, without the corresponding documentation, the experiment is not
easily reproduced, since there is no clarity in the
fundamental mechanism or critical parameters of
the system that led to the desired result.
The Einstein-Cartan-Evans Unified Field theory
suggests implications in several areas of science
and technology, particularly, in predicting the possibility of new energy sources. Hence, nowadays
there are initiatives [57], though without conclusive results, to prove the existence of the B(3) field,
which is the basis for generating the connection
between the spin and space-time where it is possible to harness the energy of the vacuum although
there is no experimental evidence in the literature. Finally, given the relevancy of this theory, it is
estimated that efforts to prove this purpose will
continue into the future.
V. CONCLUSIONS
Historical trends in perpetual motion and magnetic motors show that the initiative of taking advantage of the energy stored in permanent magnets is not new. However, it is clear that until now
the proposed solutions in most cases have been
constructed in an empirical manner, ignoring current fundamental scientific knowledge.
At present, new Relativistic Electrodynamic elements point towards the possibility of using energy of permanent magnets to perform useful work
without opposing the law of energy conservation.
Although the information available, with regard
to the object of study, does not fully document the
possible effects of the coupling arrangement of
permanent magnets connected to the rotation axle
of a rotating electrical machine, there is sufficient
documentation to conduct a study as is proposed.
ACKNOWLEDGEMENTS
We wish to express our gratitude to the Instituto Tecnológico Metropolitano (ITM) of Medellín for
its support in the execution of this study.
Appendix: Symbols Used in this Document*
B
Flux density or induction (T)
D
Electric displacement (C×m-2)
E
Electric field (V×m-1)
J
Charge flow (A×m-2)
H
Magnetic field (A×m-1)
r
Position vector (m)
t
Time (s)
∇
Nabla differential operator
ρ
Volume density of charge (C×m-3)
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* Every symbol presented in bold lettering corresponds to a vectoral magnitude.
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Minimización de la distorsión armónica de una
modulación PWM con algoritmos genéticos
Andrés fernando Lizcano Villamizar
Ing. Electrónico, Universidad de Pamplona
Estudiante Maestría, Investigador Grupo A&C,
Universidad de Pamplona
Pamplona, Colombia
[email protected]
Jorge Luis Díaz Rodríguez
M.Sc. Control Automático, UCLV
Docente Tiempo Completo, Investigador Grupo A&C,
Universidad de Pamplona
Pamplona, Colombia
[email protected]
Aldo Pardo García
PhD. Ciencias Técnicas, IMAA
Docente Tiempo Completo, Director Grupo A&C,
Universidad de Pamplona
Pamplona, Colombia
[email protected]
Resumen— En este trabajo se describe una nueva estrategia de modulación por anchura de pulso (PWM, Pulse
Width Modulation) optimizada por el método directo y
la aplicación de Algoritmos Genéticos (GA, Genetic Algorithms) para la minimización del contenido armónico
específicamente el quinto y séptimo armónico del contenido total, basado en la minimización de la distorsión
armónica total (THD, Total Harmonic Distorsion). Se expone el desarrollo del método, las pautas necesarias incluido el desarrollo del algoritmo de la estrategia dentro
del Procesador Digital de Señales (DSP, Digital Signal
Processor) y visualizado los resultados obtenidos.
Palabras clave— Modulación por ancho de pulso, eliminación selectiva de armónicos, algoritmos genéticos,
distorsión armónica, Procesador Digital de Señales,
Transformada Rápida de fourier.
Abstract— This paper describes a new strategy for pulse
width modulation (PWM) optimized by the direct method
and the application of genetic algorithms (GA) to minimize the harmonic content specifically the fifth and seventh harmonic total content, based on minimizing total
harmonic distortion (THD). We describe the development
of the method, the guidelines to take into account including the development of the algorithm, the strategy within the Digital Signal Processor (DSP), and visualizing
the results.
Keywords— Pulse Width Modulation, Selective Harmonic Elimination, Genetic Algorithms, Harmonic Distortion, Digital Signal Processing, fast fourier Trasform.
I. INTRODUCCIÓN
La gran evolución de los procesos industriales
soportados por máquinas eléctricas de corriente
alterna ha aumentado la demanda de estrategias
altamente confiables para el control y funcionamiento óptimo de las mismas, por eso, se hace
necesario estudiar e investigar diferentes procesos que permitan suplir dichas necesidades, las
cuales dan origen al desarrollo de aplicaciones
como la presentada en este trabajo [1-4]. Una de
las grandes motivaciones es la disminución del
consumo energético de los dispositivos, además
de esto la reducción en las pérdidas de conmutación y la reducción del contenido de armónicos.
La utilización de técnicas de inteligencia artificial, como lo son los Algoritmos Genéticos, establece una nueva herramienta para la optimización, a pesar de su relativa actualidad no resulta
complejo su implementación, por lo que constituye una herramientas eficiente y atractiva a la hora
de solucionar un problema de optimización [5].
Al revisar la literatura sobre el tema se puede
verificar que la aplicación de algoritmos genéticos
en los accionamientos eléctricos, para optimizar
la modulación PWM en los inversores de frecuencias, data de la última década, dentro de los primeros trabajos sobre el tema se destaca el de los
autores K. L. Shi y H. Li (2003) [6], en este trabajo
se aplica un algoritmo genético para optimizar la
modulación PWM de un inversor, con el que se
obtiene resultados superiores a la modulación sinusoidal PWM (SPWM) triangular estándar y a la
modulación PWM aleatoria. Sin embargo, ambas
modulaciones no representan un punto de partida
adecuado, ya que se pueden agregar otros parámetros a la modulación SPWM triangular como
la asimetría [7, 8] o utilizar otras modulaciones
PWM que garanticen menor contenido de distorsión armónica [9]. También se pueden utilizar
Recibido: 06/12/2010/ Aceptado: 15/05/2011/ ITECKNE Vol. 8 Número 1 • ISSN 1692 - 1798 • Julio 2011 • 79 - 86
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otros criterios de optimización armónica como es
el contenido armónico del 5to y 7to armónicos, que
resultan los armónicos más representativos por
ser los de menor orden producidos por el inversor
el cual no genera armónicos pares y los armónicos de 3er orden se suprimen con una conexión
adecuada del motor.
II. MODULACIÓN PWM OPTIMIZADA
El auge de los dispositivos digitales programables, tales como los Procesadores Digitales de
Señales o DSP, han permitido que estas técnicas
PWM puedan ser implementadas de una manera
cómoda y eficiente y permitir así la gran evolución
de las estrategias de modulación incluida la disminución de costos para su desarrollo [4, 9].
Para generar una modulación PWM optimizada
se necesita de un determinado conjunto de ángulos (posiciones) de conmutación que se determinan
mwdiante métodos numéricos y computacionales.
En la Fig. 1 se muestra una señal PWM optimizada
por un método directo de 3 pulsos [4, 9].
La modulación PWM optimizada presenta la
ventaja de no usar una señal portadora, como el
caso de la modulación PWM sinusoidal (SPWM), ya
que el algoritmo genera internamente los ángulos
de conmutación desde el dispositivo por medio de
la reproducción de patrones de onda debidamente
conformados, como los de la Fig. 1.
FIG. 1. PWM OPTIMIZADA POR EL MÉTODO DIRECTO
Fuente: Autor del proyecto
A continuación se comenta el procedimiento
utilizado para generar la PWM optimizada, a partir
de las expresiones de desarrollo del método planteado [4,9].
A partir de la expresión de la referencia sinusoidal:
Donde:
u
Voltaje de salida deseado
Vm
Valor máximo (Amplitud)
ω
Frecuencia angular (ω = 2pf)
f
Frecuencia
El área de un semiperíodo de (0 a π/w)
Esto se puede dividir en np intervalos de tiempo
regulares como se muestra a continuación [4, 9]:
El área de cada uno de los intervalos es:
Conocida el área de cada uno de los intervalos
y fijado el valor máximo de la onda PWM igual a la
amplitud de la señal sinusoidal, se puede determinar el ancho de los pulsos.
Finalmente, para la conformación de la señal
PMW bajo el criterio de optimización antes expuesto,
se ubican cada uno de los pulsos obtenidos en el centro de cada uno de los intervalos, se expresa matemáticamente este conjunto de pulsos en un plano cartesiano xy, donde el eje x corresponde con el tiempo y
el eje y con la amplitud [4], como se muestra:
Minimización de la distorsión armónica de una modulación PWM con algoritmos genéticos - Lizcano, Díaz, Pardo
A. Simulación del sistema
Para validar la metodología anterior y obtener
así la modulación PWM que se va a optimizar se
desarrolla un modelo con el uso del Simulink®
del Matlab® encargado de generar la modulación
PWM optimizada por fase (Fig. 2).
Con este modelo anterior se genera un bloque
que posee las siguientes entradas: la amplitud
(V), la frecuencia (w), el número de pulsos (Np) y
la asimetría de la señal portadora triangular (Pp),
como se muestra en la Fig. 3, esta varía en un rango de 0 a 1 y modifica la posición de los pulsos.
FIG. 2. MODELO DE LA MODULACIÓN PWM OPTIMIZADA
La Fig. 5 muestra el resultado de la modulación
para una de las fases del inversor y la siguiente
muestra el espectro de armónicas para una frecuencia fundamental de 60 Hz, un número de pulsos Np=33 y posición del pulso de Pp=0.45 asimétrico con respecto al eje de referencia central.
La Fig. 6 muestra la aplicación de la transformada rápida de Fourier (FFT) a la modulación.
Los parámetros de entrada están colocados de
forma aleatoria, lo que no asegura que la modulación PWM obtenida sea la mejor, como se puede
observar el espectro de frecuencia, inclusive tiene
contenido armónico de componente directa, lo cual
no es deseado. Pero se observa que el quinto y séptimo armónico son bastante bajos en amplitud lo
que hace que no sea del todo mala la respuesta
obtenida. De forma numérica obtenemos el resultado de una distorsión armónica total correspondiente al quinto y séptimo armónico igual al 23%,
la cual es adecuada, pero que se puede disminuir
aún más con un proceso de optimización.
FIG. 4. MODELO EN SIMULINK® PARA OBTENER LA
DISTORSIÓN ARMÓNICA
FIG. 3. VALORES DE LA POSICIÓN DEL PULSO
En la Fig. 4 se muestra el programa de simulación correspondiente a la descripción de la modulación PWM desarrollada y el respectivo cálculo
del contenido de armónicos (THD) total y del 5to y
7mo armónicos tanto de manera gráfica como de
manera numérica.
Fuente: Autor del proyecto.
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FIG. 5. MODULACIÓN PWM (NP=33, PP=0.45)
Fuente: Autor del proyecto
FIG 6. ANÁLISIS FFT DE LA SEÑAL PWM
Fuente: Autor del proyecto
III. OPTIMIZACIÓN DE LA MODULACIÓN PWM
CON ALGORTIMOS GENéTICOS
armónicos impares y el tercer armónico se elimina posteriormente por la conexión en triángulo del
motor asíncrono trifásico. Los armónicos más representativos por su bajo orden resultarían el 5to y
7mo armónico, los otros armónicos por estar alejados de la frecuencia fundamental influyen mucho
menos en el funcionamiento de la máquina.
En la Fig. 7 se muestra el diagrama en bloque
de la estructura del Algoritmo Genético implementado [7]. Como se observa en esta figura el primer
paso que se realiza es crear una población inicial
que hace referencia a las posibles soluciones al
problema, después se hace la evaluación de la
función objetivo y sólo los individuos más aptos
pasarán a la siguiente etapa, en la cual se les
aplica la mutación y cruce para generar nuevos
individuos con mejores características que serán
evaluados de nuevo. Así sucesivamente se repite
el procedimiento hasta encontrar el mejor resultado posible en 100 generaciones.
FIG. 7. DIAGRAMA DEL ALGORITMO GENÉTICO
El propósito de la aplicación de Algoritmos Genéticos es la optimización de la modulación PWM,
esto se logra a través de la creación de un conjunto de individuos (diferentes valores de frecuencias, número de pulsos y posición del pulso) que
representan las posibles soluciones al problema
en particular que se quiere optimizar y buscar la
menor distorsión armónica del sistema, lo que
hace que la función objetivo (fitness) a optimizar
sea la distorsión armónica equivalente al 5to y 7mo
armónicos de la señal PWM de salida. Cada uno
de los valores del THD es sustraído de la constante α que corresponde al máximo valor de distorsión permitido estandarizado dentro del algoritmo
genético. La función objetivo es:
Fuente: Autor del proyecto.
Donde:
F Función objetivo (fitness).
Máximo valor del fitness estipulado.
α
v5 Magnitud del voltaje del 5to armónico.
v7 Magnitud del voltaje del 7mo armónico.
v1 Magnitud del voltaje del armónico fund.
En la ecuación anterior se toman solamente
las magnitudes del 5to y 7mo armónico, ya que por
la forma de la señal sólo se deben de presentar
El algoritmo genético puede detenerse de dos
maneras, la primera es si cumple la optimización
deseada y la segunda si termina de ejecutar el número de generaciones estipuladas.
Una de las grandes ventajas de aplicar un algoritmo genético es que este asegura que así no
se llegue a encontrar una respuesta de error nulo,
logrará al terminar el proceso el individuo más
apto para conseguir el menor error posible. Como
Minimización de la distorsión armónica de una modulación PWM con algoritmos genéticos - Lizcano, Díaz, Pardo
se menciona anteriormente los algoritmos genéticos parten del hecho de soluciones aleatorias, en nuestro caso de estudio se decide
tomar un rango de individuos de 100 de acuerdo que a la disposición de hardware donde se
aplica la herramienta la cual esta restringida
a esta cantidad de posibles soluciones, por lo
cual no nos permite establece un rango mayor
de individuos.
El algoritmo es desarrollado en la herramienta de Simulink® de Matlab®, donde actúa
de manera interactiva con los datos generados
por el modelo del inversor trifásico, de esta
manera se aplica el algoritmo y de forma inmediata se van generando las soluciones óptimas
para la disminución de la distorsión armónica.
Los algoritmos genéticos, poseen una característica común con las diversas técnicas
de inteligencia artificial, es el tiempo significativo o considerable que toma para ejecutarse
y encontrar posibles soluciones, para nuestro
caso y contando con el número de individuos
se toma de 4 a 6 horas en ejecutarse en su totalidad, la idea de tomar un algoritmo genético
como herramienta de búsqueda de soluciones
se hace para optimizar al máximo el resultado.
Para cada una de las frecuencias el algoritmo evalúa 100 diferentes y posibles soluciones
(individuos), la estadística se genera cuando el
algoritmo clasifica cada una de las soluciones
y coloca en primera posición la respuesta más
clara y de mejor resultado (óptima) para obtener una disminución significativa de la distorsión armónica.
Para mostrar el resultado del algoritmo mediante el cual se obtiene el individuo óptimo
y se consigue la menor distorsión posible, se
muestra en la fig. 8 la transformada rápida de
Fourier (FFT) de la señal PWM optimizada para
60 Hz.
FIG. 8. ESPECTRO DE LA SEÑAL PWM PARA 60 HZ.
Fuente: Autor del proyecto.
En la figura anterior se puede observar la
disminución del 5to y 7mo armónicos de una manera considerable, la no existencia de armónicos pares y el aumento del 3er armónico que
no reviste importancia ya que la conexión en
triángulo del motor trifásico no permite que circulen estos hacia la fuente de alimentación. Al
aplicar la modulacion PWM optimizada al motor
podemos conseguir la onda de corriente y su
espectro de frecuencia (fig. 9) donde se obtiene un porcentaje de distorsión armónica inferior al 1 %.
FIG. 9. ESPECTRO DE LA CORRIENTE PARA 60 HZ.
A. Resultados
En la tabla I se muestran los resultados
para algunas de las frecuencias cercanas a
60 Hz, donde se presentan los parámetros
más aptos para la implementación de la modulación.
Tabla I:
optimización para frecuencias cercanas a la frecuencia nominal
(60 Hz)
Frecuencia
(Hz)
No. pulsos
(Np)
Posición
(0<Pp≤1)
THD 5to+7mo
(%)
58
129
0.9661
10.9916
59
111
0.9520
5.2787
60
15
0.3392
6.2368
Fuente: Autor del proyecto.
Fuente: Autor del proyecto.
IV. IMPLEMENTACIÓN DE LA ESTRATEGIA
EN EL DSP 56f801
Como dispositivo de control se utilizó un
procesador digital de señales DSP 56F801 de
FREESCALE® de punto flotante, ya que en comparación con otro dispositivo, como un microcontrolador, posee mayor más capacidad de
cálculo y almacenamiento de memoria; para
la implementación de la estrategia se optó por
realizar los cálculos dentro del mismo algoritmo del DSP, la fig. 10 muestra un diagrama en
bloques del sistema implementado.
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FIG. 10. ESQUEMA DE LA IMPLEMENTACIÓN DE LA ESTRATEGIA DE MODULACIÓN EN EL DSP.
En la fig. 12 se muestra las 6 señales de control
que van hacia el inversor, 3 señales de activación
de la parte alta del puente y 3 señales de activación de la parte baja, desfasadas 120º entre sí.
FIG. 12. SEÑALES DE LA MODULACIÓN PWM OPTIMIZADA GENERADAS
CON EL DSP PARA UN NP=15.
Fuente: Autor del proyecto.
Este diagrama anterior muestra que los datos,
como son el número de pulsos, la frecuencia de
trabajo y la posición del pulso, son enviadas desde una interfaz gráfica del computador hasta el
DSP que captura estos datos, los procesa y genera las señales de control que irán hacia el inversor
al cual se conecta el motor trifásico a controlar.
El sistema de control tal como muestra la fig.
11 está compuesto por el DSP, el programador
del DSP, el circuito de adaptación de niveles TTL
a RS232 (construido a partir de un MAX232) y el
osciloscopio para registrar las formas de ondas.
Fuente: Autor del proyecto.
En la figs. 13, 14 y 15 se muestran el voltaje
de fase (AB), el voltaje de línea (A) y el espectro
armónico generado a la salida del inversor.
FIG. 13. VOLTAJE ENTRE LAS FASES (AB).
FIG. 11. SISTEMA DE CONTROL CON EL PROCESADOR DIGITAL DE SEÑALES DSP 56F801.
Fuente: Autor del proyecto.
FIG. 14. VOLTAJE DE LÍNEA (A).
Fuente: Autor del proyecto.
El sistema empieza a funcionar cuando a través de la interfaz gráfica se envían los datos hacia
el Procesador que almacena las formas de ondas
PWM resultado del proceso de optimización y realiza la conformación de la modulación PWM por
fase cuyas salidas son visualizadas en el osciloscopio (ver figs. 12 al 14).
Fuente: Autor del proyecto.
Minimización de la distorsión armónica de una modulación PWM con algoritmos genéticos - Lizcano, Díaz, Pardo
Al diseñar una estrategia PWM que brinde las
mejores condiciones en cuanto a disminución de
la distorsión armónica se asegura la entrega de
una señal adecuada la cual brindará las mejores
características de trabajo a la máquina eléctrica
o dispositivo que se conecte, lo que se contribuye
directamente a la calidad de la energía [10].
Con la motivación anterior, la estrategia PWM
que se plantea en este trabajo aborda a lo largo
de su desarrollo a un objetivo explicito: la optimización de la distorsión armónica.
El desarrollo de esta estrategia de modulación
PWM con bajo contenido de armónicos genera
una gran confiabilidad a la hora de evaluar la calidad de energía entregada por el inversor, permitiendo establecer con esta modulación una magnitud de eficiencia mayor en función de la menor
distorsión armónica generada.
de la corriente del motor en un porcentaje suficientemente bueno para la máquina (<1 %).
Al finalizar el proceso de selección mediante
Algoritmos Genéticos, se establecieron los individuos más aptos para encontrar la menor distorsión armónica posible entregada por el inversor a
nivel del quinto y séptimo armónico.
El desarrollo del Algoritmo Genético se hace
de manera offline debido a que estas estrategias
de inteligencia artificial se caracterizan por su extenso tiempo de generación y alto consumo de recursos de memoria, por lo cual los individuos más
aptos son obtenidos a nivel de simulación del algoritmo y entonces programados al DSP.
Finalmente, una vez conducido el análisis de
los resultados teóricos y prácticos de optimización
de la modulación PWM, el trabajo aporta una minimización del contenido armónico partiendo de
onda PWM optimizada, desarrollada por los autores, como punto de partida del procedimiento de
optimización, y utilizando un criterio de optimización (fitness) basado en el contenido del 5to y 7mo
armónicos que garantiza la optimización con menos esfuerzo computacional que sí se calcula con
base en el valor de la distorsión armónica total
(THD), para su determinación se requiere del conocimiento de cada armónico individual. La onda
PWM optimizada garantiza el funcionamiento eficiente del conjunto inversor - motor, ya que minimiza el 5to y 7mo armónicos, que son los máximos
responsables de los pares de frenado parásitos
por ser de secuencia negativa y también logra reducir la cantidad de pulsos (Np) de la modulación
PWM disminuyendo de esta forma las pérdidas
por conmutación en el inversor.
VI. CONCLUSIONES
REfERENCIAS
FIG. 15. ESPECTRO ARMÓNICO.
Fuente: Autor del proyecto.
V. MEJORAMIENTO DE LA CALIDAD DE LA
ENERGÍA
Los algoritmos genéticos son estrategias eficientes y robustas para la solución de problemas
no triviales que contribuyen en gran medida a la
optimización de diferentes procesos donde son requeridos. Gracias a la utilización de estas técnicas
se han podido encontrar las mejores condiciones
de trabajo para los diferentes barridos de frecuencia donde se trabaja la modulación PWM y llega
a inferirse que la modulación obtenida es óptima
posible. Al optimizar la señal de modulación PWM
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Iñaki Aguirre Gil
Dr. en Robótica y Visión Artificial,
Universidad Politécnica de Madrid
Docente Dedicación Exclusiva
Dpto. de Control, Universidad de los Andes
Mérida, Venezuela
[email protected]
Luis Andueza
M.Sc. Ingeniería en Control y Automatización,
Universidad de los Andes
Docente Dedicación Exclusiva
Dpto. Diseño, Universidad de los Andes
Mérida, Venezuela
[email protected]
César Arismendi
Ingeniero de Sistemas,
Universidad de los Andes
Mérida, Venezuela
[email protected]
Resumen— El presente artículo describe los aspectos
fundamentales para la construcción de un manipulador
antropomórfico o robot angular de tres grados de libertad. Se describe el diseño, modelado, implementación
del manipulador físico, construcción de un simulador
y de la interfaz de comunicación entre el simulador y
el manipulador robótico de tres grados de libertad. El
sistema manipulador antropomórfico diseñado tendrá
fines didácticos y será utilizado como herramienta de
apoyo en las asignaturas de robótica de la Universidad
de Los Andes. El diseño del manipulador se realiza con
la ayuda de programas CAD. Se calcula la cinemática
directa e inversa con los parámetros de Denavit-Hartenberg. En la construcción del manipulador real se utilizan
encoders ópticos como sensores y servo-motores como
actuadores. El sistema de transmisión de potencia hacia los eslabones se realiza mediante el uso de engranajes. Adicionalmente, se explica el desarrollo de una
herramienta computacional que simula un manipulador
robótico antropomórfico de tres grados de libertad. La
implementación del sistema se hace mediante el uso
del lenguaje de programación Java y la librería de gráficos tridimensional Java 3D. finalmente, se presenta la
construcción del sistema interfaz entre el manipulador
real y el simulador.
Palabras clave— Cinemática, Manipulador Robótico,
Robot Angular, Robot Antropomórfico, Simulador.
Abstract— The article describes the principal aspects
in the design, modeling, implementation of the anthropomorphic manipulator prototype, a simulator construction and the interface of a three degree of freedom
robotic manipulator. The anthropomorphic manipulator
system designed will be for educational purposes in the
robotics area at the Universidad de Los Andes. The design of the anthropomorphic manipulator is made with
CAD programs. Denavit-Hartenberg parameters are used
in order to calculate the forward and inverse kinematics.
Optical encoders act as sensors with angular position
measurement are used. Servo-motors are used as actuators. The power transmission system to the links is done
by gears. The article also explains the development of
a computational tool that simulates a three degree of
freedom anthropomorphic robot manipulator. Java and
the graphics tridimensional library Java3D are used for
system implementation. finally the interface between
the real manipulator and the simulator is presented.
Keywords— Kinematic, Anthropomorphic Robot, Angular Robot, Robotic Manipulator, Simulator.
I. INTRODUCCIÓN
En el presente trabajo se describen de manera sencilla los pasos para la construcción de un
sistema manipulador antropomórfico de tres grados de libertad. El artículo está estructurado de la
siguiente manera: en el apartado 2 se plantean
los antecedentes y la justificación de la construcción del sistema. El apartado 3 trata sobre diseño
geométrico del prototipo y las características que
posee [1], [2]. El apartado 4 muestra el cálculo
del modelo cinemático directo e inverso [3], [4],
[6], [11]. En el apartado 5 se muestra la construcción y consideraciones del prototipo real [2], [5],
[8], [12]. En el apartado 6 se describe la herramienta computacional simulador, desarrollada
bajo la filosofía de software libre, y que permite
realizar la programación del manipulador real [5].
En el apartado 7 se presenta la interfaz construida para conectar el simulador con el prototipo real
[10]. Finalmente se muestran las conclusiones
del trabajo.
Recibido: 19/12/2010/ Aceptado: 31/05/2011/ ITECKNE Vol. 8 Número 1 • ISSN 1692 - 1798 • Julio 2011 • 87 - 95
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ITECKNE Vol. 8 Número 1 • ISSN 1692 - 1798 • Julio 2011 • 87 - 95
II. ANTECEDENTES y JUSTIfICACIÓN
La Universidad de los Andes no cuenta con robots manipuladores que permitan realizar prácticas en el área de robótica. Esto es un problema
motivador para desarrollar un prototipo que sirva
como herramienta de apoyo a la enseñanza de la
robótica industrial. El sistema ha de contar con
ciertas características como lo son: que sea de
bajo costo, uso de mecanismos sencillos, que tenga un simulador y que éste sea desarrollado bajo
software libre y que el sistema sea de fácil transporte a las aulas de clase.
Con el fin de construir el sistema manipulador robótico se ha dividido el problema en cuatro
etapas: el diseño geométrico del manipulador, la
construcción física del sistema real, el desarrollo
del simulador del manipulador y el diseño e implementación de la interfaz que comunica el manipulador real con el simulador (elemento que sirve
para programar las rutinas que ha de desarrollar
el manipulador real). Estos pasos son descritos en
los siguientes apartados.
III. DISEñO GEOMéTRICO DEL MANIPULADOR
El robot diseñado es del tipo robot angular o
antropomórfico y cuenta con cuatro eslabones
y tres grados de libertad (movimiento que puede realizar cada articulación con respecto a la
anterior). Cada uno de los grados de libertad es
una articulación del tipo rotacional. Tanto los tres
primeros eslabones como las tres articulaciones
o grados de libertad para este caso sirven para
posicionar el extremo del robot [2].
El utilizar tres grados de libertad en el robot
manipulador se debe a que el uso principal del
mismo será didáctico. Con tres grados de libertad en este tipo de robots, se pueden realizar los
movimientos básicos de posicionamiento espacial. Se pueden comprender de manera sencilla
el uso de los parámetros de Denavit-Hartenberg
para obtener los modelos cinemáticos directo e
inverso, así como también el modelo dinámico
del mismo.
El robot manipulador cumple con el requisito
de fácil transporte y se definen las dimensiones
del manipulador. En la Tabla 1 se muestran las
dimensiones expresadas en milímetros. En la Figura 1 se muestra un esquema con las medidas
generales del robot manipulador [2].
TABLA I
Dimensiones propuestas para el robot manipulador
Robot
Manipulador
Alcance
(mm)
Eslabón 1
(mm)
Eslabón 2
(mm)
Eslabón 3
(mm)
Prototipo
480
150
200
130
FIG. 1. ESQUEMA DEL ROBOT MANIPULADOR
El manipulador es liviano, de poco peso, por lo
que se trabaja con aluminio como material principal del cuerpo del robot antropomórfico. Para
simplificar el proceso de fabricación y diseño, se
utiliza un perfil comercial cuadrado de aluminio
de 76,2mm (3 pulgadas) de lado y 2mm de espesor. Luego a los eslabones 1 y 2 se les colocan extensiones hechas de chapa de aluminio de 3mm
de espesor, para crear los puntos de unión entre
los eslabones. A los eslabones 2 y 3 se les recorta
un pedazo de pared para permitir un rango más
amplio de movimiento.
La unión entre los eslabones 1 y 2 se realiza
por medio de un eje de 5mm de diámetro, 120mm
de longitud y de material aluminio. Ver Figura 2.
FIG. 2. ESLABONES
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Sistema manipulador antropomórfico de tres grados de libertad - Aguirre, Andueza, Arismendi
El eje se inserta en los agujeros de la parte
inferior del eslabón 2 y en la parte superior del
eslabón 1, luego se suelda el eje al eslabón 2. De
igual manera para la unión del eslabón 2 y el eslabón 3, en este caso el eje va soldado al eslabón
3. Ver Figura 3.
de los eslabones que minimizan el roce. Los rodamientos se colocan cada uno en una carcasa, que
son las que se fijan mediante soldadura a la tapa
superior e inferior. Ver Figura 4.
FIG. 4. UNIÓN DE LA BASE CON EL ESLABÓN 1
FIG. 3. UNIÓN DE LOS ESLABONES
A medida que se diseñan las piezas del manipulador, se digitalizan de forma tridimensional en
un programa CAD, de manera de hacer el análisis
y comprobaciones del mecanismo, para minimizar
errores durante la fase de construcción. Una vez
digitalizadas cada una de las piezas de los eslabones, se realiza el ensamblaje, y se comprueba
el rango de movimiento [1], [2]. En la Figura 5 se
muestra el manipulador ensamblado digitalmente.
FIG. 5. MANIPULADOR ANTROPOMÓRFICO ENSAMBLADO DIGITALMENTE
La base del manipulador está compuesta
por dos tapas de chapa metálica cuadradas de
200mm de lado y de 3mm de espesor. La tapa
inferior posee orejas en cada lado, para permitir
que la base pueda ser fijada a la superficie de trabajo. La tapa superior tiene un agujero de 5mm
de diámetro por donde pasa el eje que une el
eslabón número 1 con la base. Ambas tapas de
la base están unidas entre sí por ocho tubos de
aluminio de 6,35mm (1/4 pulgada) de diámetro y
74mm de altura, soldados a las tapas; se deja la
base con una altura total de 80mm.
Al eslabón número uno se suelda un eje de
aluminio de 5mm de diámetro y 85mm de longitud, por medio del cual se une a la base del manipulador. Una vez soldado el eje al eslabón número uno, se introduce por el agujero de la tapa
superior del eslabón. El eje se fija a la base por
medio de dos rodamientos fijos a la tapa superior
e inferior, que permiten el movimiento rotacional
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IV. MODELO CINEMÁTICO
El modelado cinemático del manipulador
robótico se basó en la utilización de los parámetros de Denavit-Hartenberg. Es un método
matricial sistemático, que permite establecer
sistemas de coordenadas ligados a cada eslabón de un mecanismo, para así determinar la
cinemática completa del mismo [6], [7], [10],
[11]. Una vez definidos los sistemas de coordenadas, ver Figura 6, es posible pasar de un
sistema a otro a través de una serie de transformaciones básicas (rotaciones y traslaciones)
que dependen exclusivamente de las características geométricas de cada eslabón; pudiendo
así relacionar un sistema de coordenadas con
otro. Las transformaciones que se llevan a cabo
son las siguientes:
Rotación alrededor del eje Zi-1 un ángulo θi.
Traslación a lo largo de Zi-1 una distancia di; vector
(0,0,di).
Traslación a lo largo de Xi una distancia ai; vector
(ai, 0, 0).
FIG. 6. SISTEMA DE COORDENADAS SELECCIONADO
Para el manipulador antropomórfico en estudio, los parámetros de Denavit-Hartenberg se
muestran en la Tabla 2.
TABLA II
Parámetros Denavit-Hartenberg del manipulador propuesto
θ
d
1
θ1
2
θ2
3
θ3
Articulación
a
α
230
0
90
0
200
0
0
130
0
Una vez obtenidos los parámetros de DenavitHartenberg se calculan las matrices de transformación homogénea para cada uno de los sistemas coordenados, siguiendo la ecuación:
Rotación alrededor del eje Xi un ángulo αi.
Donde:
θi : es el ángulo que forman los ejes Xi-1 y Xi
medido en un plano perpendicular al eje Zi-1, mediante la regla de la mano derecha. Es un parámetro para articulaciones giratorias.
di : Es la distancia a lo largo del eje Zi-1 desde
el origen del sistema de coordenadas (i-1) ésimo
hasta la intersección del eje Zi-1 con el eje Xi. En
articulaciones prismáticas es un parámetro variable.
ai : Es la distancia a lo largo del eje xi que va
desde la intersección del eje Zi-1 con el eje Xi hasta el origen del sistema i-ésimo, en el caso de
articulaciones giratorias. En el caso de articulaciones prismáticas, se calcula como la distancia
más corta entre los ejes Z1-i y Zi.
αi : Es el ángulo de separación del eje Zi-1 y el
eje Zi, medido en un plano perpendicular al eje
Xi, con la regla de la mano derecha [6], [7], [11].
Donde i-1Ai corresponde a la matriz de transformación para pasar del sistema de coordenadas
i-1 al sistema de coordenadas i y las funciones
trigonométricas, Seno y Coseno, han sido sustituidas por las letras “S” y “C” respectivamente, por
consideraciones de espacio.
A. Cinemática directa
La cinemática directa permite encontrar una
matriz de transformación T, que relaciona la posición y orientación del extremo del robot con respecto a un sistema coordenado de referencia fijo
que, por lo general, es la base. Esta relación se
hace a través de transformaciones homogéneas,
en donde se asocian cada uno de los sistemas coordenados de cada uno de los eslabones [6], [7],
Sistema manipulador antropomórfico de tres grados de libertad - Aguirre, Andueza, Arismendi
[8], [11]. Para el caso en estudio, la cinemática
directa viene dada por:
donde (n,o,a) es la sub-matriz que representa
la orientación del manipulador propuesto y P es el
vector que representa la posición.
Una vez realizados los cálculos correspondientes se obtiene que la configuración del manipulador propuesto es:
nx=Cθ1Cθ2Cθ3-Cθ1Sθ2Sθ3
(3)
ny=Sθ1Cθ2Cθ3-Sθ1Sθ2Sθ3
(4)
nz=Sθ2Cθ3+Cθ2Sθ3
(5)
ox=-Cθ1Cθ2Sθ3-Cθ1Sθ2Cθ3
(6)
oy=-Sθ1Cθ2Sθ3-Sθ1Sθ2Cθ3
(7)
oz=-Sθ2Sθ3+Cθ2Cθ3
(8)
ax=Sθ1
(9)
ay=Cθ1
(10)
az=0
(11)
Px=130Cθ1Cθ2Cθ3-130Cθ1Sθ2Sθ3+200Cθ1Cθ2 (12)
Py=130Sθ1Cθ2Cθ3-130Sθ1Sθ2Sθ3+200Sθ1Cθ2
(13)
Pz=130Sθ2Cθ3+130Cθ2Sθ3+230+200Sθ2
(14)
Siendo θ1, θ2, θ3 los ángulos de giro de cada
una de las articulaciones. Ver Figura 7.
FIG. 7. MOVIMIENTOS ARTICULARES DEL ROBOT MANIPULADOR
B. Cinemática Inversa
Al contrario del caso de la cinemática directa,
en la cinemática inversa se buscan los valores
que deben tomar las articulaciones, para que el
robot se posicione y oriente en una determinada
localización espacial. El cálculo de la cinemática
inversa no es tan fácil como el caso de la cinemática directa, ya que en este caso depende mucho
de la configuración del robot. A pesar de que existen métodos genéricos, programados para que un
computador pueda realizar la cinemática inversa
a partir de la cinemática directa; los mismos son
métodos iterativos que muchas veces suelen ser
lentos e incluso no se garantiza la convergencia
de los resultados [6], [7] y [8].
También se da el caso en la cinemática inversa
que la solución no sea única, es decir, que existen
varias soluciones (configuraciones) del robot que
permiten un mismo posicionamiento y orientación.
En estos casos se deben restringir las soluciones, de
manera que se utilice la solución más adecuada.
Una vez obtenidas las matrices de rotación inversa, se manipulan de manera que las variables
articulares queden en función de la posición espacial. El desarrollo completo se encuentra en [2].
(15)
( 0A1 )-1*T=1A2*2 A3.
Al realizar las operaciones respectivas y al hacer uso de igualdades trigonométricas se obtienen los valores de las variables articulares:
91
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Donde:
Recordando que θ1, θ2, θ3 son los ángulos de
giro de cada una de las articulaciones.
De la ecuación (16) se puede observar que
existen dos soluciones para el ángulo θ2 y por lo
tanto existen dos soluciones también para el ángulo θ3, esto se debe a las distintas configuraciones que puede tener el robot manipulador para
una posición dada.
La matriz Jacobiana directa permite conocer
los valores de posicionamiento del manipulador
robótico a partir de conocer las velocidades articulares, y la Jacobiana inversa permite determinar
las velocidades de las articulaciones basado en
la velocidad del posicionamiento del extremo del
robot [6], [7], [8] y [11]. Por razones de espacio en
el presente trabajo no se muestran los cálculos
que se desarrollaron y que se encuentran en forma detallada en [2].
Para el cálculo de la dinámica del manipulador propuesto se utiliza el método recursivo de
Newton-Euler. Por razones de espacio se referencia al trabajo [2] donde se realizan todos los cálculos y simulaciones pertinentes al caso de estudio.
V. MODELO REAL
Una vez diseñados y calculados los parámetros del manipulador se construyó el modelo real
del robot antropomórfico basado en ciertas decisiones que se describen a continuación.
A.
Selección de actuadores y sensores
Los actuadores son los elementos que transforman las señales provenientes del controlador en
movimiento de las articulaciones, por lo tanto, son
los encargados del movimiento del manipulador. La
selección del tipo de actuador que se va a utilizar
viene dada en función de varias variables como lo
son: tamaño del manipulador, tipo de trabajo a utilizar, ambiente de trabajo del manipulador, requerimientos de velocidad y peso a manejar, entre otros.
Según las características de los actuadores, se decide utilizar actuadores del tipo eléctrico, ya que la
función principal del manipulador será de tipo educativa y, por consiguiente, no requiere del manejo
de grandes torques, presentan mayor facilidad a la
hora implementar y probar estrategias de control,
son de fácil instalación, precisos y no requieren de
mantenimiento constante [4], [12].
Luego de varias pruebas, el actuador seleccionado es un servomotor de la empresa LEGO ®, #
9842, que pesa 80g, trabaja a una velocidad máxima de 170 RPM, tiene un torque estacionario de
50 N.cm y trabaja con corriente continua de 9 V,
además tiene incorporado un sensor de movimiento rotacional tipo encoder óptico absoluto con precisión de +/- 1 grado [1], [2].
B. Transmisión de potencia
Los motores seleccionados cuentan con un tren
de engranajes de reducción, razón por la que se
pueden utilizar minimizando el uso de reducciones
adicionales. En el diseño del manipulador se utilizaron engranajes acoplados directamente al motor
y al eje de movimiento de las articulaciones. Los
engranajes utilizados son plásticos, también de la
marca LEGO ®. Se utilizó uno grande para el eje de
la articulación, 40 dientes y 41,7mm de diámetro, y
uno pequeño acoplado al motor, 8 dientes y 9,3mm
de diámetro, ambos engranajes tienen un espesor
de diente de 3,8mm. Con estos engranajes se consigue una relación de 5:1, es decir, que por cada
cinco vueltas que gira el engranaje del motor, el engranaje del eje gira una vuelta, se consigue así un
mayor control y precisión sobre el movimiento de la
articulación [2].
Una vez fabricadas todas las piezas, y seleccionados los componentes adicionales como motores,
sensores y transmisores de potencia [2], se realiza el
ensamblaje final del robot manipulador, ver Figura 8.
FIG. 8. PROTOTIPO DEL MANIPULADOR
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Sistema manipulador antropomórfico de tres grados de libertad - Aguirre, Andueza, Arismendi
VI. SIMULADOR
El sistema de simulación consiste en una aplicación software que permite la planificación de
movimientos en el manipulador a través de su cinemática directa e indirecta [2], [5]. Esto puede
ser apreciado en la Figura 9.
FIG. 9. INTERFAZ DEL SISTEMA MANIPULADOR ROBÓTICO
El panel de cinemática inversa, está conformado por cajas de texto, etiquetas y un botón [5]. Al
ingresar una posición el sistema realiza los cálculos y le comunica al usuario si es una posición a
la que puede llegar el manipulador. El panel de la
cinemática inversa tiene tres campos, donde se
introducen las coordenadas del extremo del robot
manipulador por separado, X, Y, Z. Sobre cada campo se tiene una figura que indica el sentido positivo
para cada una de las coordenadas. Ver Figura 11.
FIG. 11. PANEL DE CINEMÁTICA INVERSA
Esta aplicación se codificó con el lenguaje de
programación Java y la librería de gráficos tridimensionales Java 3D [5], según la metodología de
diseño de sistemas computacionales WATCH [9].
La pantalla principal del sistema provee controles visuales para el manejo de los movimientos
y una representación gráfica del modelo del manipulador antropomórfico en tres dimensiones.
Las articulaciones del robot pueden ser movidas
al accionar los controles del panel de cinemática
directa o los del panel de cinemática inversa.
El panel de cinemática directa, conformado por
barras deslizantes, cajas de texto y etiquetas permiten realizar los movimientos del manipulador.
El panel desarrollado se aprecia en la Figura 10.
FIG. 10. PANEL DE CINEMÁTICA DIRECTA
La introducción de datos se puede realizar indistintamente en cualquiera de los dos paneles. Si
la introducción de datos se hace en el panel de la
cinemática directa, los valores del panel de la cinemática inversa se actualizan automáticamente,
y de igual manera, si se introducen los datos en el
panel de la cinemática inversa, se actualizan automáticamente en el panel de la cinemática directa.
Los pasos o acciones del manipulador antropomórfico pueden ser visualizados como una lista
de tareas y se almacenan como archivos de texto
para ser cargados en el sistema a posteriori.
La secuencia de acciones puede ser repetida
un número de veces especificado por el usuario.
Los iconos mostrados permiten añadir o eliminar
un paso, realizar la tarea en el simulador, o en el
manipulador y repetir la tarea un número entero de
veces [5]. Esta interfaz se muestra en la Figura 12.
FIG. 12. PASOS O ACCIONES DEL MANIPULADOR
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ITECKNE Vol. 8 Número 1 • ISSN 1692 - 1798 • Julio 2011 • 87 - 95
El sistema desarrollado es capaz de acercar, alejar, desplazar y rotar el plano de visualización del
manipulador robótico mediante el uso del ratón.
El sistema proporciona diversas opciones de
visualización como la de escoger la vista en malla
o alambrado de los elementos en la escena tridimensional, cambiar el fondo de trabajo así como
el piso de la base [5]. En la Figura 13 se puede
apreciar la vista en malla del eslabón 1.
FIG. 15. SISTEMA MANIPULADOR ROBÓTICO
FIG. 13. VISUALIZACIÓN DEL SIMULADOR
VIII. CONCLUSIONES
VII. INTERfAZ DE COMUNICACIÓN
Una interfaz de control es un dispositivo de enlace entre un puerto de salida de un computador
y los componentes eléctricos o electrónicos de un
sistema [4]. Es por esto que se diseña la interfaz
que permita la interacción entre el simulador y el
brazo robótico [10].
Para el diseño de la interfaz se sigue el esquema planteado en la Figura 14.
FIG. 14. ESQUEMA DE LA INTERFAZ DE COMUNICACIÓN
El diseño e implementación de la interfaz, es
el resultado de la unión de los esquemas electrónicos de las secciones anteriores. En [10] se desarrolló todo el trabajo necesario para realizar la
integración de ambos sistemas. En la Figura 15 se
puede apreciar el sistema manipulador con todos
sus componentes [3], [10].
Una vez finalizado el diseño y fabricación del
sistema robot manipulador antropomórfico descrito se llegó a las siguientes conclusiones:
Se diseñó y construyó un prototipo de robot antropomórfico con tres grados de libertad y articulaciones rotativas para fines educativos.
Se construyó una herramienta computacional
que permite controlar y monitorizar de manera
sencilla los movimientos del manipulador construido.
El sistema manipulador puede ser utilizado
para realizar prácticas de programación de robots
manipuladores, análisis de mecanismos, uso de
sensores y actuadores.
Con la construcción del prototipo se cuenta
con un sistema económico y versátil para realizar
prácticas en las materias de robótica.
Se utilizó una herramienta CAD para el diseño
geométrico del robot manipulador, lo que permitió
la evaluación y verificación de distintos aspectos
del mismo antes de la fabricación.
El uso de herramientas computacionales para
el cálculo matemático también ayudó a la reducción considerable del tiempo de desarrollo del
manipulador, pues permitió realizar simulaciones
y variaciones de varias propuestas, hasta llegar al
diseño final del robot manipulador.
Se construyó una herramienta que facilita y
promueve estudios en el área de robótica. La herramienta computacional modela la cinemática
del robot correctamente, que permitió simular,
estudiar, y programar sus movimientos; también
se tiene que la representación tridimensional se
Sistema manipulador antropomórfico de tres grados de libertad - Aguirre, Andueza, Arismendi
corresponde a la del modelo del robot real. Todo
esto hace que el aprendizaje de los fundamentos
robóticos aplicados y la planificación de movimientos sea más ameno, fácil, rápido y eficiente.
El análisis de las herramientas disponibles
para implantar el sistema, llevó a utilizar el lenguaje de programación de alto nivel Java y la librería Java 3D. Esta elección fue acertada, ya
que con estas librerías se alcanzaron las metas
iniciales; además, la implementación dispone de
buenas propiedades características del lenguaje
elegido, tales como orientación a objetos, multiplataforma, alto rendimiento y robustez.
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo ha sido realizado con el apoyo
recibido del C.D.C.H.T. de la Universidad de los
Andes bajo el marco del proyecto I-919-06-02-B
titulado Diseño y Construcción de un Manipulador
Robótico para fines educativos.
REfERENCIAS
[1]
Andueza L. y Aguirre I. (2009). Diseño de un Manipulador Robótico con Tres Grados de Libertad
para fines educativos. Revista Ciencia e Ingeniería, Vol. 30, No. 1, 2009, pp. 3-14.
[2]
Andueza L. (2007). Diseño de un Manipulador
Robótico con Tres Grados de Libertad para fines
educativos. Tesis de maestría. Universidad de
los Andes, Mérida, Venezuela.
[3]
Angulo J. y Angulo I. (2003). Microcontroladores
PIC. Tercera Edición. McGraw, Madrid, 2003.
[4]
Angulo J., Romero S. y Angulo I. (2005). Introducción a la Robótica. Thomson, España, 2005.
[5]
Arismendi C. (2007). Desarrollo de una Herramienta Computacional para la Simulación y Programación de un Manipulador Robótico de Tres
Grados de Libertad. Tesis de grado. Universidad
de los Andes, Mérida, Venezuela.
[6]
Barrientos A., Peñin L. y Aracil R. (2007). Fundamentos de Robótica. Madrid, España: McGraw
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Craig J. (2006). Robótica, Tercera Edición, Pearson Education, 2006.
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de Computación, Universidad de los Andes, Mérida, Venezuela.
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Robot Industrial a través de un Computador. Tesis de grado. Universidad de los Andes, Mérida,
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[12] Torres J., Pomares P., Gil, S., Puente R. y Aracil R.,
(2002), Robots y Sistemas Sensoriales, Pearson
Educación S.A. Madrid, España.
95
Visión estereoscópica en sistemas de visualización
inmersiva – Ejemplos prácticos
Julio César Ordóñez López
Ingeniero en Multimedia, Universidad Militar Nueva Granada
Joven Investigador, Grupo de Investigación en Geomática Aplicada GA,
Universidad Militar Nueva Granada, Bogotá, D.C., Colombia,
[email protected]
Cristian David Quintero
Ingeniero en Multimedia, Universidad Militar Nueva Granada
Docente de Tiempo Completo, Investigador
Grupo de Investigación en Multimedia GIM,
Universidad Militar Nueva Granada, Bogotá, D.C., Colombia,
[email protected]
Wilson Javier Sarmiento
M.Eng. en Ingeniería de Sistemas y Computación,
Universidad Nacional de Colombia
Docente de Tiempo Completo, Líder del Grupo de Investigación
en Multimedia GIM, Universidad Militar Nueva Granada, Bogotá,
D.C., Colombia,
[email protected]
Alexander Cerón Correa
M.Sc. en Ingeniería Electrónica y Computadores,
Universidad de los Andes
Docente de Tiempo Completo,
Investigador Grupo de Investigación en Multimedia GIM,
Universidad Militar Nueva Granada, Bogotá, D.C., Colombia,
[email protected]
Resumen— En este artículo se ilustra el proceso de implementación de un sistema de visión estereoscópica
para dos sistemas de visualización inmersiva, un casco
de realidad virtual y un sistema de Caverna de Inmersión
Virtual (CAVE) simplificado. Se presenta el uso de un
procedimiento que comprende múltiples volúmenes de
vista que se intercambian constantemente para la generación de la estereoscopía y aumentar la profundidad
que se percibe de los objetos observados. La aplicación
implementada permite la visualización de objetos 3D
(Volúmenes básicos y modelos 3D) insertando la capacidad de estereovisión con el fin de poder extender su
uso a diferentes campos como son: medicina, robótica
(teleoperación), topografía (visualización de terrenos),
arquitectura, mundos virtuales y educación entre otros.
Adicionalmente se presentan sistemas de visualización
inmersiva relacionados y las mejoras que pueden incorporarse los sistemas presentados como trabajo futuro.
Keywords— Immersive visualization, stereoscopic vision, virtual reality.
Palabras clave— Realidad virtual, visión estereoscópica,visualización inmersiva.
Abstract— In this paper, the implementation process
of a stereoscopic vision for two visualization systems,
a HMD (Head Mounted Display) and a Cave Automatic
Virtual Environment (CAVE) is presented. Additionally, a
procedure that involves the use of multiple draw buffers
that swap with a specific frequency to generate the stereoscopic visualization and improve the depth perception of the scene objects is described. The developed
applications allows to the user the visualization of 3D
objects (basic volumes and 3D models) with stereoscopic devices in order to extend its uses to different fields,
such as: medicine, robotics (teleoperation), topography
(terrain visualization), architecture, virtual worlds and
education, etc. In addition, we show some related immersive visualization systems and improvements in our
showed systems that can be performed as a future work.
INTRODUCCIÓN
Los sistemas de inmersión para ambientes simulados permiten al usuario visualizar e interactuar con objetos virtuales, en diferentes áreas de
la ciencia y la ingeniería como la medicina, la robótica, la topografía, la arquitectura, la educación
y entretenimiento entre otros. En el campo de la
medicina podemos encontrar programas para la
simulación y el entrenamiento en operaciones quirúrgicas en donde también se involucra la robótica (operaciones quirúrgicas poco invasivas como
en laparoscopia)[26], también estos sistemas son
usados en el entrenamiento y la teleoperación
de vehículos no tripulados[23]. En topografía se
puede realizar la visualización de terrenos [15] en
estaciones fotogramétricas. Otra de sus aplicaciones es el recorrido virtual de edificaciones arquitectónicas [10,15].
Los sistemas inmersivos cuentan con una
serie componentes como equipos de computo y
comunicaciones, audio envolvente, interfaces de
de entrada-salida, equipos para el seguimiento de
posición, dispositivos de visualización inmersiva y
software de graficación; todos interactuando y colaborando de manera sincronizada [2,3].
Particularmente, los sistemas de visualización
inmersiva más usados son: el casco de realidad
virtual (HMD Head-MountedDisplay) y la caverna
Recibido: 09/12/2010/ Aceptado: 25/03/2011/ ITECKNE Vol. 8 Número 1 • ISSN 1692 - 1798 • Julio 2011 • 96 - 106
Visión estereoscópica en sistemas de visualización inmersiva – Ejemplos prácticos - Ordóñez, Quintero, Sarmiento, Cerón
de inmersión virtual (CAVE), los cuales preferiblemente deben manejar la visión estereoscopia
para permitir al usuario una mayor sensación de
inmersión en el sistema, con lo cual podrá percibir profundidad y diferenciar objetos cercanos y
lejanos, gracias a factores fisiológicos, cognitivos
y psicofísicos que involucra [21].
Teniendo en cuenta que los equipos hoy presentes en la mayoría de hogares y centros educativos (computadores personales y televisores 3D)
tienen la capacidad de presentar aplicaciones haciendo uso de la visión estereoscópica, este artículo ilustra detalles de implantación de este tipo
de tecnología, sobre los dos dispositivos de visualización inmersiva mencionados anteriormente.
Los ejemplos mostrados usan OpenGL como librería de desarrollo 3D, ya que se encuentra disponible para diferentes plataformas operativas. Este
artículo pretende mostrar cómo se puede habilitar
la visión estereoscópica en un sistema de graficas
3D, como una primera aproximación para la visualización inmersiva.
La primera sección describe los sistemas de
visión inmersiva y presenta algunos dispositivos
usados para este fin. La segunda sección explica
los conceptos generales de la visión estereoscópica y sus principales técnicas. La tercera sección
describe los equipos y el software necesario para
implementar un sistema con estas características,
presentado como ejemplo dos dispositivos particulares. La cuarta sección ilustra algunos resultados obtenidos en un software desarrollado bajo
las técnicas ilustradas y la última sección presenta conclusiones y recomendaciones finales.
los sistemas de caverna de inmersión, Cave Automatic Virtual Environment (CAVE), descritos brevemente a continuación.
A. Casco de Realidad Virtual, Head-Mounted
Display (HMD)
Este dispositivo ubica de manera frontal a los
ojos un sistema de proyección (generalmente una
pantalla LCD), que impide al usuario observar el
mundo real y lo obliga a visualizar la escena proyectada ante él. Este dispositivo se posiciona sobre
la cabeza encerrando el área de visión del usuario
con un casco. Se pueden distinguir entre tres tipos
de HMD: monocular (una sola pantalla), binocular
(dos pantallas que presentan la misma imagen a
los dos ojos) y estereoscópico (dos pantallas que
presentan imágenes independientes) [9], la Fig.
1(a) muestra una fotografía de este dispositivo.
FIG. 1. DISPOSITIVOS DE VISUALIZACIÓN INMERSIVA. (A) FOTOGRAFÍA DE
UN HMD I-GASSES PC3D PRO. (B) ESQUEMA DEL CAVE POR EL INSTITUTO
DE VISUALIZACIÓN ELECTRÓNICA DE LA UNIVERSIDAD DE ILLINOIS.
(A)
II. SISTEMAS DE VISUALIZACIÓN INMERSIVA
Un ambiente virtual de inmersión permite que
el usuario tenga experiencias visuales, audibles y
táctiles, que le permitan sentir un mundo virtual
de manera similar a como percibe el mundo real
[25].
La visualización inmersiva busca ampliar el
ángulo de visión del usuario para que este se encuentre “envuelto” por el sistema visual, por lo
que también se le denomina visión envolvente [4].
Actualmente existen diferentes dispositivos que
permiten características de visualización inmersiva, entre los cuales se destacan los cascos de
realidad virtual, Head MountedDisplay (HMD), y
(B)
Fuente: Los autores.
97
98
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B. Caverna de inmersión, Cave Automatic Virtual Environment (CAVE)
Un CAVE es un dispositivo de visualización envolvente donde una escena es graficada simultáneamente desde diferentes puntos de vista, de
forma que se observa una imagen continua. Cada
imagen generada es proyectada sobre una pared
de un recinto donde el usuario se ubica con el fin
de visualizar un mundo virtual [2][3].
En el año de 1992, el Laboratorio de Visualización Electrónica de la Universidad de Illinois
construyo el primer sistema CAVE, que constaba
de cuatro paredes: dos laterales, la frontal y el
techo [2][3], como puede observarse en la Fig.
1(b). Actualmente existen diferentes implementaciones del CAVE, por ejemplo a nivel comercial
están disponibles modelos de cuatro, cinco y seis
pantallas. A nivel de investigación se ha buscado
mejorar la calidad y resolución de las imágenes
proyectadas, recientemente el Laboratorio de Visualización Electrónica presentó su última propuesta, que ellos mismos la denominan StarCAVE,
CAVE de tercera generación, el cual está formado
por 15 pantallas distribuidas en cinco paredes alrededor de una base pentagonal [4]. Otros laboratorios han realizado propuestas que simplifican el
CAVE a solo tres o dos paredes, bajando los costos de implementación y acercando esta tecnología a aplicaciones de usuario final [8][9][10][11]
[16][18][19][24].
bién puede apuntar a cualquier punto entre éstas
dos, no necesariamente en la mitad [4].
El ángulo de convergencia es el ángulo que forman entre sí las dos imágenes monoculares que
los ojos reciben de un objeto ubicado en un punto,
y está dado por la siguiente ecuación:
α=2arctan(i/2D)
(1)
Donde, α es el ángulo de convergencia, D es la
distancia entre el observador y el objeto observado, e i es la distancia interocular [4].
En la Fig. 2,se muestra cómo cambia el ángulo de convergencia si comparamos dos objetos ubicados uno más cercano al otro (F2 y F1
respectivamente),se observa que el ángulo de
convergencia α2 que se define con respecto a los
dos ojos es mayor que α1, por lo tanto es posible
afirmar que el ángulo de convergencia es inversamente proporcional a la distancia entre el objeto y el observador. A partir de la diferencia de
los ángulos α1 y α2 se calcula la disparidad retinal
(δL y δR) o binocular, lo que le permite al cerebro
humano identificar la profundidad de cada objeto
y concluir cuál se encuentra más cercano al otro.
FIG. 2. ÁNGULO DE CONVERGENCIA DE LAS DOS
IMÁGENES MONOCULARES
III. VISIÓN ESTEREOSCÓPICA
El sistema de visión estereoscópica es inherente a los seres humanos y permite la percepción
de profundidad con la cual tenemos la capacidad
de distinguir que objetos se encuentran más cercanos que otros. En una definición más concreta,
la visión estereoscópica o estereópsis es la capacidad que tiene el ser humano para fusionar dos
imágenes ligeramente diferentes, que reciben
nuestros ojos del mundo real [21][22].
A. Dirección visual y ángulos de convergencia
La dirección visual es la ubicación que se percibe de un objeto observado, y se genera por el
ángulo entre el observador y el objeto. Se estima
que esta dirección visual tiende a apuntar al centro de las dos imágenes monoculares formadas,
sin embargo, algunos estudios indican que tam-
Fuente: Los autores.
IV. IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE
VISUALIZACIÓN ESTEREOSCÓPICA
Para la implementación de aplicaciones 3D con
características estereoscópicas es necesario tener
en cuenta que el volumen de vista (cámara) de
cada ojo se produce al desplazar i/2, a la derecha
y a la izquierda, la posición ideal del observador.
Visión estereoscópica en sistemas de visualización inmersiva – Ejemplos prácticos - Ordóñez, Quintero, Sarmiento, Cerón
Este proceso crea dos imágenes ligeramente
diferentes para cada ojo, las cuales se conocen
como pareja estereoscópica. Luego, la imagen estereoscópica final es compuesta por la unión de
la pareja generada, donde del método de composición depende del dispositivo de separación que
empleará el usuario para percibir dos imágenes
diferentes en cada ojo, este proceso se ilustra en
la Fig. 3. Entre los principales métodos de composición/separación de imágenes estereoscópica se
encuentran:
A. Técnica Anáglifo
Esta técnica separa la imagen estereoscópica
con filtros de color aprovechando las propiedades
complementarias de algunos colores con respecto a la luz blanca. El esquema preferido es rojo
– cian, y es lo que se conoce como anáglifo. En
este, si se ubica un lente de color cian para observar una luz del mismo color el ojo percibe una luz
blanca, igual fenómeno ocurre si intercambiamos
el color del lente y luz observada. Sin embrago, si
con un lente de color rojo se observa una luz cian,
o viceversa, el ojo no percibe luz alguna [13][26].
Así, para componer una imagen estereoscópica
se elimina el componente rojo de una imagen de
la pareja estereoscópica y los componentes verde
y azul (cian) de la otra, donde la imagen estereoscópica debe ser observada por gafas con lentes
de los mismos colores [10].
FIG. 3. ESQUEMA DE GENERACIÓN Y PERCEPCIÓN DE UNA IMAGEN
ESTEREOSCÓPICA
Fuente: Los autores.
B. Técnica de Polarización
Estatécnica se basa en dicho fenómeno óptico, el cual permite a una fuente de luz alinear su
perturbación electromagnética con respecto a un
único plano, cuando es previamente expuesta a
un material polarizante. Una consecuencia importante de este fenómeno es que si la luz polarizada
es observada por un lente con las mismas propiedades del material polarizante, la luz observada
es similar a la fuente de luz original. Sin embargo, si la luz polarizada es observada con un lente
cuyo ángulo de polarización es perpendicular al
del material polarizante, la luz observada es prácticamente nula. Así, para crear una imagen estereoscópica por este método, cada imagen de la
pareja estereoscópica es polarizada con ángulos
de polarización perpendiculares y luego las imágenes polarizadas son proyectadas una sobre la otra
[17]. La imagen estereoscópica debe ser observada por gafas con lentes polarizados de iguales
características, es decir que el ángulo de polarización de un lente es perpendicular al del otro [17].
Este método ha sido usado por gran cantidad de
parques temáticos y últimamente también por la
industria del cine.
C. Técnica de refresco
Esta técnica se basa en la limitante de nuestro
sistema visual para percibir de manera continua.
Así, cada imagen de la pareja estereográfica es
desplegada alternativamente a una frecuencia
mayor a 15 Hz, donde el dispositivo de separación,
de manera electrónica, muestra a cada ojo la imagen respectiva. Aquí pueden darse dos alternativas, que el dispositivo muestre cada imagen en
una pantalla independiente (como sucede en los
cascos de realidad virtual) [9], o que el dispositivo
“tape” un ojo de manera alternada (como sucede en las gafas de obturación o shutterglasses)
[27]. Actualmente estos dispositivos funcionan a
frecuencias superiores de 60 Hz, impidiendo el
uso de algunas pantallas LCD o proyectores de video de bajo costo como dispositivo de despliegue
[12]. Este método también es conocido como estéreo activo, debido a que las imágenes que cada
ojo percibe nunca se mesclan, a diferencia de los
métodos anteriores, los cuales se suelen clasificar como estéreo pasivos.
V. MATERIALES y MéTODOS
A. Hardware
Una implementación básica de un sistema de
visualización inmersiva con características de es-
99
100
tereoscopia puede realizarse con una PC estándar habilitada con una tarjeta de aceleración de
gráficos 3D, pero, el uso de hardware especializado requiere mayores requerimientos. Las pruebas
presentadas en la siguiente sección, usan un casco de realidad virtual HMD I-Glasses PC3DPro que
trabaja con una resolución nativa de 800 x 600 y
24 bits de color para una frecuencia de refresco
de 100hz y un sistema CAVE de bajo costo con
dos pantallas, de construcción propia que puede
verse en la Fig. 4. Este sistema está formado por
dos telones translúcidos, de un tamaño de 120 x
160 cm, ubicados a una altura de 230 cm, montados sobre una estructura en varilla de aluminio
(¾ y ½ de pulgadas), que permite al usuario estar
de pie en el medio de las pantallas. Este sistema
utiliza dos proyectores conectados a dos salidas
independientes de video de un mismo PC, eliminando el problema de sincronismo de sistemas
que manejan PC por cada pantalla de video. El
sistema carece de rastreo de posición del usuario,
por lo que los volúmenes de vista no cambian en
función de la ubicación del mismo [18][19].
Los dos sistemas fueron probados en un computador de escritorio Dell Precision 690 con dos
procesadores Intel Xeon de 2.33 GHz, una memoria RAM de 4 GB y una tarjeta de video NvidiaQuadro FX 3450/4000 SDI, la cual tiene salidas de
video independientes.
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ffer) o de despliegue, es el que actualmente ve el
usuario. Así, cuando se finaliza la graficación de la
escena se procede a intercambiar el búfer de despliegue por el de trabajo. Este procedimiento se repite cada vez que la escena se actualiza.
Debido a las diferencias que presentan los dispositivos elegidos es necesario usar técnicas diferentes de estereovisión en cada dispositivo, separación de frecuencia en caso del HMD y color para
el CAVE. A continuación se presentan los detalles
de implementación en software para cada uno de
los dispositivos, aclarando que en los dos casos la
distancia intraocular puede ser modificada en tiempo real para mejorar el confort visual del usuario.
FIG. 4. SISTEMA CAVE UTILIZANDO (A) ESQUEMA GENERAL Y (B) FOTOGRAFÍA DEL SISTEMA.
(A)
B. Software
De manera general un sistema de graficación
3D realiza una secuencia de pasos (conocido como
pipeline) para convertir la geometría que compone
una escena en una imagen de mapa de bits. Si se
requiere que dicho proceso se realice en tiempo
real, como es el caso de los ambientes inmersivos,
es necesario que todo o parte de él se ejecute en
la tarjeta gráfica. Actualmente solo existen dos librerías base de desarrollo que brindan dicha característica, DirectX y openGL, entre los cuales se
eligió openGL por que cuenta con un soporte más
amplio en la comunidad de desarrolladores y está
disponible para diferentes plataformas operativas,
a diferencia de DirectX que únicamente es soportada en plataformas Microsoft.
Una de las técnicas básicas usadas en graficación es uso de un doble búfer. En un primer búfer,
posterior (back buffer) o de trabajo, se realiza la
graficación de la escena; el otro, frontal (front bu-
(B)
Fuente: Los autores.
1) UMD
Una composición–separación de imágenes
estereoscópicas adecuada por frecuencia de
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despliegue requiere de una tarjeta gráfica que
soporte esta característica técnica, y una librería
de desarrollo que haga uso de ella. OpenGL cuenta con un mecanismo llamado Quad Buffer, que
maneja esta propiedad del hardware. El Quad Buffer, genera cuatro búferes para la generación de
imágenes estereográficas, usando dos para cada
ojo, así, se genera la pareja estereoscópica en
lo búferes traseros, los cuales son desplegados
y compuestos en una imagen estereoscópica al
intercambiarlos por los dos búferes frontales [7],
el proceso se ilustra en la Fig. 5.
FIG. 5. SISTEMA DE QUAD BUFFER
101
fer posterior una imagen compuesta por el canal
rojo de la imagen del ojo izquierdo y el canal cian
del ojo derecho. Sin embargo, es necesario definir
un sistema de visualización estereoscópica para
múltiples pantallas, ya que un sistema CAVE está
compuesto por proyecciones independientes de la
misma escena, dos en el caso del dispositivo de
bajo costo usado.
La Fig. 6 muestra que los dos volúmenes de vista
son complementarios y tienen el mismo punto focal,
además, como el dispositivo evaluado no cuenta
con sistema de rastreo de posición del usuario, el
punto ideal de visión se encuentra en la intersección
de las líneas de visión de las pantallas. Para lograr
que los dos volúmenes de vista se complementen
no basta con que compartan el punto focal, es necesario que su ángulo de apertura sea el adecuado.
La Fig. 6 muestra el esquema de dos pantallas en
“V“ a 90°, el cual requiere un ángulo de apertura
horizontal de 90°, y un ángulo apertura vertical de
73,7398°, para pantallas de aspecto 4/3.
VI. RESULTADOS
Fuente: Los autores
Para utilizar los cuatro búferes de graficación
es necesario indicarle a la librería mediante una
función de inicialización del modo de graficación
que se va a utilizar la estereoscopía, y adicionalmente que grafique en color RGB y con búfer de
profundidad. Una vez activa la visualización estereoscópica, se procede a la graficación para lo
cual, en primer lugar se selecciona el búfer en el
que se va a graficar (por defecto son los dos búferes traseros, o el izquierdo trasero si el Quad Buffer no está activo), luego se definen las cámaras
con una separación entre ellas igual a i (distancia
ínter ocular), y la escena se grafica para cada cámara de manera independiente.
Las imágenes mostradas en la Fig. 7 corresponden a capturas de pantalla de una aplicación
de prueba desarrollada sobre java, usando JOGL
como librería de conexión con OpenGL-GLUT. La
aplicación permite graficar objetos complejos desarrollados con un software especializado en modelado y animación 3D y guardados en formato
OBJ. Estos objetos pueden ser manipulados por
el usuario mediante una palanca ó un control de
video juegos (Joystick ó GamePad), lo que deja de
lado los modelos estáticos e incrementa la inmersión a la que está sometido el usuario mediante
otros dispositivos de interacción.
FIG. 6. ESQUEMA DE UN SISTEMA CAVE DE DOS PANTALLAS EN “V” A 90º,
EN (A) SE VE UNA VISTA SUPERIOR Y EN (B) UNA VISTA FRONTAL.
2) Sistema CAVE
El sistema CAVE de bajo costo construido no
permite usar la técnica de refresco para la estereoscopía, debido a que los proyectores usados
no manejan una velocidad de refresco necesaria
(más de 120 Hz), por lo tanto es necesario usar un
sistema composición – separación por color. Esto
es posible con el uso de máscaras adecuadas en
el momento de la graficación, definiendo en el bú-
(A)
102
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la imagen (e) fue generada sin visión estereográfica para ilustrar los volúmenes de vista que percibe un solo ojo. La imagen estereográfica para el
sistema CAVE, se muestra en (g). Para tomar esta
fotografía se ubicó una cámara en medio de los
dos telones translucidos del sistema presentado
en la sección V-A.
VII. CONCLUSIONES
(B)
Fuente: Los autores.
En el primer panel, (a), se muestra una escena
conformada por un objeto 3D en medio de dos superficies planas perpendiculares entre sí, las cuales simulan la presencia de piso y una pared de
fondo. El objeto 3D corresponde a una vaca, “cow.
obj”, modelo de libre distribución el cual puede
ser descargado desde internet. Los paneles (c) y
(d) muestran una pareja estereoscópica de la misma escena, las imágenes correspondientes a lo
observado por el ojo izquierdo y derecho. En (b)
se ilustra la estéreo imagen lograda al combinar
como un anáglifo a (c) y (b). Se aclara que por restricciones de uso de color en las figuras se ha exagerado la distancia interocular para que exponga
claramente el efecto de mezcla de la pareja estéreo puede ser descargado desde internet.
En el panel (e) se puede observar los dos volúmenes de vista complementarios, necesarios
para la visualización de la escena en el sistema
CAVE simplificado de dos pantallas. Al observar
las líneas que componen el piso y la pared frontal
se perciben las diferencias entre las dos vistas. El
panel (f) ilustra, desde una perspectiva superior,
la ubicación de los volúmenes de vista usados
para generar la imagen en (e); donde, las líneas
negras muestran el fragmento de la escena de la
vista izquierda y las líneas blancas, el fragmento
correspondiente a la vista derecha. Se aclara que
En sistemas de visualización inmersiva es común el uso de métodos de frecuencias de despliegue en generación de gráficas estereoscópicas,
debido principalmente a que estas aplicaciones
van dirigidas a usuarios específicos que pueden
contar con hardware adecuado. Sin embargo, buscando acercar esta tecnología a más usuarios, es
posible desarrollar sistemas inmersivos de bajo
costo, como el explicado en la sección V-B-1, que
debido a las limitaciones técnicas usa un esquema de estereovisión basado en color. Aunque el
sistema usado en este artículo emplea proyección
sobre telones, otra alternativa es usar monitores
planos (LCD, Plasma o LED) ubicados sobre una
mesa o soporte, es importante que la ubicación
de los monitores sea consecuente con el diseño
de los volúmenes de vista complementarios.
Estos sistemas de escritorio habían sido usados como esquemas de prueba algunos autores
los han propuesto como una alternativa para
usuario final [19,23]. Recientemente AMD ha lanzado la tecnología ATI Eyefinity, la cual permite
en una tarjeta gráfica conectar simultáneamente
hasta seis salidas de video independientes. Nvidia ha anunciado la tecnología 3D VisionSurroundTechnology, el cual es similar al de
A M D ,
pero al parecer va a incluir una fuerte integración
con estereovisión. Estas alternativas comerciales,
dirigidas principalmente a los aficionados a los videojuegos, ofrecen un sistema inmersivo casero
con monitores o televisores planos. Sin embargo,
requieren software especial avalado por los fabricantes y el hardware especifico, a diferencia del
sistema descrito en este artículo, o modificaciones con más pantallas, que puede realizarse con
cualquier tarjeta con múltiples salidas de video.
Las técnicas de estereovisión con polarización
son comunes en sistemas de entretenimiento comercial, debido principalmente a que el mercado
de proyectores con lentes polarizadas y gafas es
Visión estereoscópica en sistemas de visualización inmersiva – Ejemplos prácticos - Ordóñez, Quintero, Sarmiento, Cerón
FIG. 7. EJEMPLO DE UNA ESCENA VISUALIZADA, (A) ESCENA ORIGINAL, (B) ESCENA EN ANÁGLIFO, (C) Y (D) PAREJA ESTEREOSCÓPICA, (E) VISTAS
COMPLEMENTARIAS PARA UN CAVE DE DOS PANTALLAS, (F) DIAGRAMA DE LAS VISTAS NECESARIA PARA CREAR (E) Y (G) UNA FOTOGRAFÍA DE LA ESCENA
VISTA DESDE EL CAVE.
Fuente: Los autores.
103
104
muy limitado, especialmente en Latinoamérica.
Pero a medida que el costo de los proyectores
disminuya, éstos serán una alternativa de desarrollo de sistemas inmersivos multiusuario,
porque el costo de las gafas es más bajo que
el de sistemas de obturación, y la calidad de la
imagen visualizada es mejor que la que ofrece
un sistema de visión estéreo por anáglifo.
En sistemas de gráficos 3D el uso de visión
estereoscópica incrementa el grado de sensación apreciada por el usuario, agregando
percepción de profundidad y presentando al
usuario un ambiente más similar al real. Así,
es posible considerar que aplicaciones de gráficos 3D con visión estereoscópica son una
primera aproximación a sistemas de visualización inmersiva. Debido a las limitaciones en el
hardware que la mayoría de usuarios finales
poseen, la técnica de color ha sido la más usada para este tipo de aplicaciones. Sin embargo,
el costo cada día más bajo de dispositivos con
posibilidades técnicas para generar imágenes
estéreo por frecuencia de despliegue, vuelven
ésta alternativa viable. Un ejemplo, es la reciente introducción de televisores LED con características de visión estereoscópica, sumado
a contenido disponible para sistemas BluRay,
lo que introduce esta tecnología en el hogar,
mediante de películas producidas para cine 3d.
Es de esperar que en poco tiempo algunas consolas de video juegos ofrezcan también visión
estereoscópica, además, en un futuro cercano
estas plataformas pueden incluir desarrollos similares a AMD ATI Eyefinity o Nvidia 3D VisionSurround, llevando de manera contundente los
sistemas inmersivos a un mercado masivo.
Por último, se debe decir que la visión estereoscópica y los sistemas de visualización inmersiva no son desarrollos recientes y llevan
varias décadas evolucionando, lo que se puede
observar tanto en hardware como en software.
En latinoamericana estas tecnologías han sido
privilegios de algunos laboratorios o empresas
específicas, debido principalmente a factor de
costo. Hoy, esta tecnología es cercana y nuevos desarrollos en el campo de la visualización
inmersiva son posibles, las alternativas en
software son variadas, librerías bajo openGL o
DirectX como VTK, OpenSceneGraph u OpenSG
ya cuentan con opciones para habilitar estereo-
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visión y visión envolvente sin mayor esfuerzo
para el desarrollador. Pero algunas aplicaciones que no requieran o necesiten de librerías
complejas y pesadas también se pueden beneficiar de estas técnicas de visualización, este
artículo ha descrito la experiencia en este tipo
de desarrollos y los detalles técnicos, tanto en
software como en hardware, para que sea posible replicar, ampliar y/o modificar los desarrollos aquí presentados.
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Presence in VR: a Survey. En: Cyberpsychology
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stereo or shutter glass stereo?. En: Proceedings
106
ITECKNE Vol. 8 Número 1 • ISSN 1692 - 1798 • Julio 2011 • 96 - 106
IEEE Symposium on Visual Languages, pp 192
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and assessment of skills transfer to surgical
performance. Journal of the American College of
Surgeons: in press, 2004.
Instrucciones a los autores
Revista ITECKNE
Instrucciones Generales
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Los trabajos se aceptan para la publicación previo proceso de revisión de su calidad académica y
científica.
Todo artículo postulado para publicación debe ser original o inédito, y no puede estar postulado para publicación simultáneamente en otras revistas. En la página web de la Revista Iteckne se halla disponible la
declaración de originalidad y cesión de derechos, que los autores deberán diligenciar y enviar al Comité
Editorial, junto con el artículo. La revista Iteckne requiere a los autores que concedan la propiedad de sus
derechos de autor, para que su artículo y materiales sean reproducidos, publicados, editados, fijados,
comunicados y transmitidos públicamente en cualquier forma o medio, así como su distribución en el
número de ejemplares que se requieran y su comunicación pública, en cada una de sus modalidades,
incluida su puesta a disposición del público a través de medios electrónicos, ópticos o de otra cualquier
tecnología, para fines exclusivamente científicos, culturales, de difusión y sin fines de lucro.
El Comité Editorial hace una primera evaluación, después de la cual, el trabajo puede ser rechazado
sin evaluación adicional o se acepta para la evaluación de los pares académicos externos. Por lo anterior, no se asegura a los autores la publicación inmediata de dicho artículo. La decisión de rechazar
un trabajo es definitiva e inapelable.
Los trabajos pueden ser rechazados en esta primera evaluación porque no cumplen con los requisitos
de redacción, presentación, estructura o no son suficientemente originales y/o pertinentes con la publicación a editar. Los trabajos que son aceptados en esta primera etapa, son enviados a los pares
académicos externos (árbitros) expertos en el área respectiva, cuyas identidades no serán conocidas
por el autor y, a su vez, los pares evaluadores tampoco conocerá la(s) identidad(es) del(los) autor(es).
Si el trabajo es aceptado, pero con la recomendación de hacer modificaciones, se le devolverá al
(los) autor(es) junto con las recomendaciones de los árbitros para que preparen una nueva versión
corregida para lo cual disponen del tiempo que le indique el Comité Editorial. Los autores deben remitir la nueva versión con una carta física o correo electrónico en la que expliquen detalladamente
los cambios efectuados, de acuerdo con las recomendaciones recibidas. El Editor junto con el Comité
Editorial determinarán su aceptación, considerando el concepto de los evaluadores y las correcciones
realizadas por el(los) autor(es).
La lista de todos los árbitros se publicará en la revista, como miembros de un Comité de Árbitros, sin
anunciar el artículo calificado. Los árbitros realizarán la evaluación de acuerdo al formato correspondiente establecido por la revista y sólo serán publicados los artículos que superen en la calificación
cualitativa en la escala de 1 a 50, 35 puntos.
En todos los casos se comunicarán a los autores los resultados del proceso de evaluación con los argumentos que sustenten la decisión del Comité Editorial y/o el Comité de Arbitraje.
Un arbitro podrá calificar dos (2) artículos de diferentes autores al tiempo, de igual forma un articulo
podrá ser calificado por dos árbitros diferentes, ya sean internos, nacionales o internacionales.
Los integrantes del Comité Editorial y Comité de Arbitraje, no deberán evaluar sus propios productos,
en caso tal que actúen como autores dentro de la misma publicación.
Los trabajos no publicados serán archivados como artículos rechazados o en proceso de aceptación.
La dirección de la revista ITECKNE no se responsabiliza por el contenido de los artículos, ni por su publicación en otros medios. El contenido de cada artículo es responsabilidad exclusiva de su(s) autor(es)
y no compromete a la Universidad.
Los artículos deberán ser enviados en medio magnético (extensión .doc) a la siguiente dirección física
y/o correo electrónico
Revista ITECKNE
División de Ingenierías
Universidad Santo Tomás
Carrera 18 N 9-27
Bucaramanga, Colombia
Tel: +57 7 6800801 Ext. 1421
e-mail: [email protected]
Forma de Presentación de los Artículos.
La presentación de cada publicación estará de acuerdo con el diseño básico de la línea Editorial. Deberá
mantener, entre otros aspectos, la congruencia entre el contenido y el público al que va dirigida. Todos los
documentos postulantes a ser publicados deberán tener las partes requeridas y cumplir con los apartados
descritos a continuación:
De las partes del documento
El documento debe contener:
• Titulo
• Autor (es)
• Resumen
• Abstract
• Palabras clave
• Keywords
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•
Introducción
Contenido del documento
Conclusiones
Apéndice(s)
Agradecimientos
Bibliografía
De la redacción
Para lograr un buen estilo se recomienda respetar rigurosamente la sintaxis, la ortografía y las reglas gramaticales pertinentes. Se debe redactar en forma impersonal (la forma impersonal corresponde a la forma
reflexiva, por ejemplo: se hace, se define, se definió, se contrastó). El trabajo debe estar exento de errores
dactilográficos, ortográficos, gramaticales y de redacción. Para resaltar, puede usarse letra cursiva o negrilla.
De la Puntuación
• Después de punto seguido se deja un espacio; y de punto aparte una interlínea.
• Los dos puntos se escriben inmediatamente después de la palabra, seguidos de un espacio y el texto
comienza con minúsculas.
De los requerimientos físicos del artículo
A continuación se presentan apartados de cumplimiento general en el desarrollo del artículo:
• El tamaño de la página será carta, con márgenes superior e inferior de 20 mm; izquierdo y derecho
de 25 mm.
• El documento se desarrollará en dos columnas con separación central de 4,3 mm (ver plantilla revista
Iteckne).
• El diseño de encabezado y pie de página debe estar a un centímetro de la hoja.
• El contenido del documento debe desarrollarse a espacio sencillo, dejando una línea cada vez que se
desea iniciar un párrafo.
• El texto del contenido del artículo se formalizará con tipo de fuente Arial tamaño 10.
• La numeración del documento se iniciará desde la Nomenclatura en caso de existir una, hasta las
conclusiones del documento. Los agradecimientos, apéndices y referencias bibliográficas, no son consideradas como Secciones numeradas del documento.
• Las tablas deberán llevar numeración continua, comenzando en Tabla I., referenciando posteriormente su título, en mayúscula sostenida, ubicado en la parte superior del cuerpo de la tabla con tabulación
central, en tipo de letra Arial, tamaño 8. (Ver plantilla revista Iteckne).
• Las Figuras deberán llevar numeración continua, comenzando en Fig. 1. referenciando posteriormente su título, en mayúscula sostenida, ubicado en la parte superior del cuerpo de la figura, con tabulación central, en tipo de letra Arial, tamaño 8. Nótese que "Fig." se ha escrito abreviada y hay doble
espacio antes del texto.
• Las figuras incluidas en el contenido del artículo deben ser originales, suficientemente claras, para
facilitar la edición de la revista.
• Las tablas y figuras del documento, deberán ir referenciadas (Fuente: XXX) en el cuerpo del artículo.
Esa referencia debe ir en letra Arial tamaño 7, en la parte inferior de la figura o tabla, tabulado a la
izquierda.
• Las columnas de la última página deben ser concluidas con un largo igual o simétrico.
• Las referencias ubicadas al final del documento, deberán ir enumeradas consecutivamente (Número
entre corchetes [1], y con el siguiente formato (Ver plantilla revista Iteckne):
Artículos de revistas científicas
Autor(es), Nombre de la publicación, Título de la revista, Volumen, Número, páginas y año. Deben
ir en fuente Arial, Tamaño 7.
Ejemplo: J. F. Fuller, E. F. Fuchs, and K. J. Roesler, “Influence of harmonics on power distribution
system protection,” IEEE Trans. Power Delivery, vol. 3, no.2, pp. 549-557, Apr. 1988.
Libros
Autor, Nombre del libro, Edición, Editorial, Año, páginas.
Ejemplo: E. Clarke, Circuit Analysis of AC Power Systems, vol. I. New York: Wiley, 1950, p. 81.
•
En cuanto a las abreviaturas y símbolos, deben utilizarse solo abreviaturas estándar, evitando utilizarlas en el título y el resumen. Se deben colocar al inicio del artículo en la parte de NOMENCLATURA. El
término completo representado por la abreviatura debe preceder dicha abreviatura o nomenclatura.
En caso de no existir la parte de NOMENCLATURA, el término completo representado por la abreviatura
deberá aparecer la primera vez que aparece la abreviatura en el cuerpo del texto, a menos que se trate
de una unidad.
• Las viñetas usadas para señalización especial, será el punto, de fuente Symbol y tamaño 8.
• Los artículos deben contener el día de recepción del artículo y el día de aceptación por parte del Comité Editorial.
• En caso de que los artículos contengan fórmulas matemáticas, deben estar digitadas en fuente Arial
10, mediante el Microsoft Editor de ecuaciones.
• El diseño de la revista debe contener leyenda bibliográfica en cada uno de los artículos y en la portada
de la revista.
• El artículo deberá tener un mínimo de 4 caras de hoja y un máximo de 20 caras de hoja de contenido,
en el formato establecido por la revista.
De las referencias bibliográficas
• Para citar referencias Bibliográficas ver la plantilla de la revista Iteckne. Se recomienda a los autores
tener 10 referencias como mínimo de bibliografía consultada, debido a que la política principal de la
revista es investigación y de esta forma, se estaría promoviendo investigación en los autores de las
publicaciones de la revista ITECKNE.
INSTRUCTIONS TO THE AUTHORS,
ITECKNE JOURNAL
General instructions
•
The articles are accepted for publication after their academic and scientific quality have been reviewed.
•
All articles postulated for publication must be original or unpublished, and cannot be postulated for publication simultaneously in other journals. The declaration of originality and copyright assignment is available in
the Iteckne Journal webpage. The authors must sign it and send it to the Publishing Committee, along with
the article. The Iteckne journal requires the authors to grant the property of their author’s rights, so that their
article and materials are reproduced, published, edited, fixed, communicated and publicly transmitted in any
form or means, as well as their distribution in any required number of units and their public communication,
in each of their modalities, including putting them at the disposal of the public through electronic, optical or
any other means of technology, for exclusively scientific, cultural, broadcasting and nonprofit aims.
•
The Publishing Committee makes a first evaluation, after which the work can be rejected without any additional evaluation or accepted for evaluation of the external academic pairs. The previous statement does not
assure the immediate publication of the article. The decision to reject a work is definitive and unquestionable.
•
The works can be rejected in this first evaluation because they do not fulfill the writing requirements, presentation, structure or are not original enough and/or pertinent with the publication to be published. The works
that are accepted in this first stage are sent to the external academic peers (referees) experts in the respective area, whose identities will not be known by the author and, similarly, the evaluating peers will not know
the identity/ies of the author /s.
•
If the work is accepted, but with the recommendation to make modifications, it will be given back to the
author/s along with the recommendations from the referees so that he/they prepare a new corrected version
within the time indicated by the Publishing Committee. The authors must send the new version with a physical
letter or an e-mail in which they explain in detail the changes made, in accordance with the received recommendations. The Publisher along with the Publishing Committee will determine its acceptance, considering
the concept of the evaluators and the corrections made by the author/s.
•
The list of all the referees will be published in the journal, as members of a Referees Committee, without
announcing the described article. The referees will carry out the evaluation according to the corresponding
format established by the journal and they will only publish the articles with over 35 points in the qualitative
qualification scale from 1 to 50.
•
The authors will always be informed about the results of the process of evaluation that sustain the decision of
the Publishing Committee and/or the Referees.
•
An academic peer (referee) will be able to grade two (2) articles by different authors at once; similarly, an
article can be graded by two different referees, which can be internal, national or international.
•
The members of the Publishing and Referees Committees must not evaluate their own products, in case they
act like authors within the same publication.
•
The non-published works will be filed as rejected articles or articles in process of acceptance.
•
The editorial board of the ITECKNE journal does not take responsibility for the content of the articles, nor for
their publication in other means. The content of each article is exclusive responsibility of their authors and
not the University’s.
•
The articles must be sent electronically (extension .doc) to the following physical address and/or e-mail
Revista ITECKNE
División de Ingenierías
Universidad Santo Tomás
Carrera 18 N 9-27
Bucaramanga, Colombia
Tel: +57 7 6800801 Ext. 1421
e-mail: [email protected]
Presentation of Articles
The presentation of each publication will be in agreement with the basic design of the Publishing line. It must
maintain, among others aspects, congruence between the content and the audience at which it is aimed. All the
documents sent for publication must fulfill what it is described below:
Concerning the parts of the document.
The document must contain:
• Title
• Author/s
• Summary
• Abstract
• Key words
• Introduction
•
•
•
•
•
Content of the document
Conclusions
Appendix (s)
Acknowledgements
Bibliography
Concerning the writing.
In order to obtain a good style it is recommended to respect the syntax, spelling and grammar rules rigorously.
The article must be written in impersonal form (it corresponds to the passive form, for example: it is done, it is
defined, it was defined, it was contrasted). The work must be free of typing, orthographic, grammar and writing
errors. Italics or bold type can be used to highlight.
Concerning the punctuation.
• Leave one space after a period; and start a new line after a full-stop.
• Colons are written immediately after the word, followed by a space and the text begins with small letters.
Concerning the physical requirements of the article.
Sections of general fulfillment in the development of the article are mentioned below:
• The article must be written on letter size paper/format, with top and bottom margins of 20 mm; left and right,
25 mm.
• The document must be in two-column format with a central space of 4.3 mm (see template in Iteckne journal).
• The design of the header and footer must be of 1 centimeter.
• The content of the document must be written on single space, leaving a line when starting a new paragraph.
• The font must be Arial 10.
• The document numbering must begin with the Nomenclature, if there is one, and end with the conclusions
of the document. The acknowledgements, appendices and bibliographical references, are not considered as
numbered sections in the document.
• The tables will take continuous numbering, beginning with Table I., referencing afterwards their title, in all
caps, located at the top part of the table with center tab, in Arial 8. (see template in Iteckne journal).
• The Figures will take continuous numbering, beginning with Fig 1. referencing afterwards their title, in all caps,
located at the top part of the figure with center tab, in Arial 8. Note that " Fig." has been written abbreviated
and with double space before the text.
• The figures in the content of the article must be original, clear enough to facilitate the edition of the journal.
• Every Figure and Table included in the paper must be referred to from the text (Source: XXX). These references
must go in Arial 7, in the lower part of the figure or table, left tab.
• The columns in the last page must have an equal or symmetrical length.
• The references located at the end of the paper, must be numbered consecutively (Number between square
brackets [1], and with the following format (see template in Iteckne journal):
Articles for scientific journals:
Author/s, Name of the publication, Title of the journal, Volume, Number, pages and year. They must go in
Arial 7.
Example: J.F. Fuller, E.F. Fuchs, and K.J. Roesler, “Influence of harmonics on to power distribution system
protection,” IEEE Trans. Power Delivery, bowl. 3, no.2, pp. 549-557, Apr. 1988.
Books:
Author, Name of the book, Edition, Editorial, Year, pages.
Example: E. Clarke, Circuit Analysis of AC Power Systems, bowl. I. New York: Wiley, 1950, P. 81.
• As for the abbreviations and symbols, only standard abbreviations must be used, avoiding using them in the
title and the summary. They must be placed at the beginning of the article in the NOMENCLATURE part. The
complete term represented by the abbreviation must precede this abbreviation or nomenclature. If there is
no NOMENCLATURE, the complete term represented by the abbreviation must appear in the text the first time
it’s written, unless it is a unit.
• The bullet points used for special signaling must be in Symbol source size 8.
• The articles must contain the day of reception of the article and the day of acceptance by the Publishing
Committee.
• In case the articles contain mathematical formulas, they must appear in Arial 10, written with the Microsoft
equation editor.
• The design of the journal must contain bibliographic entries in each one of the articles and on the cover.
• The article must have a minimum of 4 pages and a maximum of 20 pages, in the format established by the
journal.
Concerning the bibliographical references.
To mention Bibliographical references, see the Iteckne journal template. It is recommended for the authors to
have a minimum of 10 references of checked bibliography, as the main policy of the journal is research and this
way, we would be promoting research among the authors of the publications for the ITECKNE journal.
La Revista ITECKNE, Vol. 8 No. 1, se terminó de
imprimir en el mes de junio de 2011 en los talleres
Armonía impresore, de Bucaramanga, Colombia.
El tiraje consta de 300 revistas.