Ingeniería e Investigación

Kinematics of an actuating mechanism for a telescoping antenna

In this work the position, velocity and acceleration analyses of a four-degrees-of-freedom serial manipulator are approached mainly by means of the theory of screws. Closed-form solutions are easily obtained for the displacement analysis of the mechanism owing the decoupled action of the generalized coordinates, while the input-output equations of velocity and acceleration of the manipulator are systematically obtained by means of the theory of screws. A case study is included with the purpose to exemplify the application of the method.

En este trabajo los análisis de posición, velocidad y aceleración de un manipulador serial de cuatro grados de libertad se abordan principalmente por medio de la teoría de tornillos. El análisis de posición es resuelto en forma cerrada debido a la acción desacoplada de las coordenadas generalizadas mientras que las ecuaciones entrada salida de velocidad y aceleración del manipulador son obtenidas sistemáticamente por medio de la teoría de tornillos. Con el propósito de ejemplificar el método se proporciona un caso de estudio.

Application of variable speed operation on Francis turbines

Francis turbines that are directly coupled to a synchronous generator operate at constant rotational speed around a design point characterized by a given water head, flow and guide vane aperture. When important changes occur in headwater level in power stations with large reservoirs, the turbines suffer a significant loss of efficiency. By applying variable speed technology it may be possible to adapt the runner speed and to operate with a higher efficiency over a wide range of water heads. This investigation is intended to reveal the possible benefits of using variable speed operation in regard to gains in efficiency and power output. Based on model test data it is possible to determine the characteristic curves of unitary speed and unitary flow of the respective prototype turbine for varying guide vane apertures. By varying rotor speed it is possible to maintain values that correspond to maximum efficiency. An analysis is made keeping guide vane aperture constant and introducing a proportionality factor of water flow to corresponding power output. The results show that for guide vane apertures and heads different from the design point, best efficiencies can be kept by adjusting rotor speed. At heads lower than the design head, significant efficiency gains can be achieved. Consequently, a significant proportion of the flow can be saved while generating the same amount of power.

Las turbinas Francis están acopladas directamente con sus generadores síncronos. Debido a esto la geometría de sus turbinas está diseñada para operar con velocidad sincrónica en un punto característico que corresponde al salto y el caudal de diseño con una respectiva apertura de los álabes. Para otros saltos mayores o menores al de diseño y sus correspondientes caudales la eficiencia será menor que la máxima esperada en el punto de diseño. En este trabajo se investiga la posibilidad de mantener la turbina operando en el punto de mejor eficiencia mediante la variación de la velocidad. La investigación demuestra la posibilidad de obtener beneficios aprovechando la velocidad variable en cuanto a la eficiencia y la potencia útil. Se obtienen de las pruebas de modelo las curvas características de velocidad unitaria y caudal unitario, tanto del modelo como del prototipo para diferentes aperturas de los álabes. Gracias a la velocidad variable es posible mantener los valores correspondientes a la mayor eficiencia. Se analizan para aperturas fijas de los álabes los aumentos de eficiencia para el rango de saltos y se introduce un factor de correlación entre caudal y potencia. Para saltos inferiores al de diseño, se pueden obtener aumentos de eficiencia y ahorros de caudal significativos generando la misma potencia.

Effect of particle size and addition of cocoa pod husk on the properties of sawdust and coal pellets

The continuous increase of the world energy demand, the rise of fossil fuels costs, and the strong environmental policies around the globe are some of the reasons for the wood pellets industry increase. However, there are some other available biomass feedstocks capable of being densified for energy production. Among the various options, the use of mixed biomass pellets is becoming remarkable due to the wide variety of species, although more research is needed in order to enhance the mechanical properties of these pellets. This study aims to identify the effect of particle size on the mechanical properties of sawdust and coal pellets when cocoa pod husks are used as an additive. Cocoa pod husks have a similar composition to sawdust and less sulfur and nitrogen than coal. Thus, the use of this additive might decrease the environmental impact during coal pellets combustion. Results show an attractive potential of cocoa pod husks grinds for pellet production, an increase of the durability of coal pellets mixed with this raw material, and similar performance between cocoa pod husks and sawdust pellets. The compression ratio, the compressive and impact resistance varied linearly with the addition of cocoa pod husks

El incremento en la demanda de energía a nivel mundial, el alza en los precios de combustibles fósiles y las fuertes políticas ambientales son algunas de las razones del crecimiento de la industria de los pellets de madera. Sin embargo, existen otras materias primas disponibles que pueden ser densificadas para la producción de energía. Dadas las diferentes opciones, el uso de pellets mixtos de biomasa se ha convertido en una opción favorable, a pesar de que es necesaria una mayor investigación con el fin de mejorar las propiedades mecánicas de los pellets. Este estudio tiene como objetivo identificar el efecto del tamaño de partícula sobre las propiedades mecánicas de los pellets de aserrín y carbón cuando la cáscara de cacao se usa como aditivo. Las cascaras de caco tienen una composición similar al aserrín y menos contenido de azufre y nitrógeno que el carbón. Por lo tanto el uso de este aditivo puede disminuir el impacto ambiental durante la combustión de pellets de carbón. Los resultados muestran un potencial atractivo para la producción de pellets con cacao molido, un incremento de la durabilidad de los pellets de carbón mezclados con esta materia prima y un rendimiento similar entre los pellets de cacao y aserrín. La relación de compresión, la resistencia a la compresión y al impacto variaron linealmente con la adición de cáscara de cacao.

Effect of longitudinal stiffening on bridge girder webs at incremental launching stage

Patch loading is a predominant load case at incremental bridge launching. Bridge girder webs are frequently provided with longitudinal stiffeners to increase in-service shear and bending strength, and its effect has been included in design codes. However, no straightforward rules are given to account for the influence of such stiffeners on improving the patch loading resistance. This paper presents a review of some available formulae found in the literature to estimate the girder ultimate strength including the provisions of the European, American and Colombian design codes. Additionally, a nonlinear finite element analysis is conducted on three case studies related to actual launched bridges. The case studies are also used to study the influence of the longitudinal stiffener and girder depth on the girder capacity. Different load-displacement responses are observed depending on the girder depth. Finally, the finite element analysis shows to what extent the longitudinal stiffeners can increase the patch loading capacity of bridge girder webs during launching.

Cargas concentradas son normalmente la condición de carga predominante durante el lanzamiento de puentes por empujes sucesivos, por lo cual, las almas de las vigas del puente son frecuentemente rigidizadas con placas longitudinales para incrementar la resistencia de servicio a cortante y flexión. Este efecto benéfico del rigidizador longitudinal es tomado en cuenta por varios códigos de diseño. Sin embargo, no hay normas claras que indiquen como tener en cuenta la influencia de tales rigidizadores en el incremento de la resistencia bajo cargas concentradas. Este artículo, presenta una revisión de algunas de las formulaciones disponibles en la literatura técnica para el cálculo de cargas últimas de pandeo en vigas bajo cargas concentradas incluyendo los lineamientos de los códigos de diseño Europeo, Americano y Colombiano. Adicionalmente, se presenta un análisis no lineal por elementos finitos de tres casos de estudio concernientes con el lanzamiento de puentes. Los casos de estudio son también utilizados para estudiar la influencia del rigidizador y de la profundidad de la viga en la carga última. Se observaron diferentes respuestas carga-deformación dependiendo de la profundidad de la viga y se muestra hasta qué punto los rigidizadores longitudinales pueden incrementar la capacidad de carga de vigas de puente durante su lanzamiento.

Operation parameters of a small scale batch distillation column for hydrous ethanol fuel (HEF) production

Batch distillation applied to hydrous ethanol fuel (HEF) production on a small scale still requires operating conditions that ensure optimal top product quality and productivity. The aim of this study is to statistically validate a batch still through the employment of response surface methodology (RSM). Operational and productivity parameters were formulated in order to guarantee quality compliance with the legal requirements for the top product concentration, besides providing support information to control the production of HEF on a small scale. The reboiler control and dephlegmator temperatures maintained within the range of 97.5 to 99.5°C and 60 to 70°C, respectively, combined with a variable reflux ratio, was satisfactory in obtaining a top product concentration, in accordance with legal regulations, as well as high productivity. The results of this study may contribute to the assembly of a simple and low-cost batch distillation control system.

La destilación diferencial aplicada a la producción de etanol hidratado combustible (EHC) a pequeña escala todavía requiere condiciones de operación que aseguren la calidad del producto destilado y la productividad óptimas. El objetivo de esta investigación es validar estadísticamente la destilación diferencial mediante el empleo de la metodología de superficie de respuesta (MSR). Parámetros operacionales y de productividad se han formulado con el objetivo de garantizar el cumplimiento de la calidad de los requisitos legales para la concentración del producto destilado, además de proporcionar información de apoyo para el control de la producción de EHC a pequeña escala. El control de las temperaturas del rehervidor y deflegmador, mantenidos dentro del intervalo de 97,5 a 99,5 °C y de 60 a 70°C, respectivamente, en combinación con una relación de reflujo variable fueron satisfactorios en la obtención de una concentración del producto destilado en conformidad con las normas legales, así como una alta productividad. Los resultados de este estudio pueden contribuir al montaje de un sistema de control de destilación diferencial simplificado y de bajo costo.

Dissolved Air Flotation of arsenic adsorbent particles

The removal of arsenic from synthetic effluent was studied using the adsorbent particle flotation technique (APF) and dissolved air flotation (DAF). A sample of an iron mineral was used as adsorbent particles of arsenic, ferric chloride as coagulant, cationic polyacrylamide (NALCO 9808) as flocculants, and sodium oleate as collector. Adsorption studies to determine the pH influence, contact time, and adsorbent particles concentration on the adsorption of arsenic were carried out along with flotation studies to determine the removal efficiency of adsorbents particles. The results achieved indicate that the adsorption kinetic of arsenic is very rapid and that in range of pHs from 2 to 7 the adsorption percentages remain constant. The equilibrium conditions were achieved in 60 minutes and about 95% of arsenic was adsorbed when used an adsorbent concentration of 2 g/L and pH 6.3. The maximum adsorption capacity of adsorbent particles was 4.96 mg/g. The mean free energy of adsorption (E) was found to be 2.63 kJ/mol, which suggests physisorption. The results of the flotation studies demonstrated that when synthetic effluents with 8.9 mg/L of arsenic were treated under the following experimental conditions; 2 g/L of adsorbent particles, 120 mg/L of Fe(III), 2 mg/L of Nalco 9808, 20 mg/L of sodium oleate, and 40% of recycle ratio in the DAF, it was possible to reach 98% of arsenic removal and 6.3 NTU of residual turbidity in clarified synthetic effluent.

La remoción de arsénico desde un efluente sintético fue estudiada usando la técnica de flotación de partículas adsorbentes (FPA) y flotación por aire disuelto (FAD). Una muestra de mineral de hierro fue utilizada como partículas adsorbentes de arsénico, cloruro férrico como coagulante, poliacrilamida catiónica (NALCO 9808) como floculante y oleato de sodio como colector. Fueron realizados estudios de adsorción para determinar la influencia del pH, tiempo de contacto y concentración de partículas adsorbentes sobre el porcentaje de adsorción de arsénico y estudios de flotación para determinar la eficiencia de remoción de las partículas adsorbentes. Los resultados alcanzados indican que la cinética de adsorción de arsénico es muy rápida y que en el rango de pHs desde 2 a 7 el porcentaje adsorción permanece constante. Las condiciones de equilibrio fueron alcanzadas en 60 minutos y alrededor de 95% del arsénico fue adsorbido cuando fue utilizada una concentración de partículas adsorbente de 2 g/L y pH 6,3. La máxima capacidad de adsorción de las partículas adsorbentes fue 4,96 mg/g. La energía media de adsorción (E) fue 2,63 kJ/mol lo cual sugiere que el mecanismo de adsorción es fisisorción. Los resultados de los estudios de flotación demuestran que cuando fueron tratado efluentes sintéticos con 8,9 mg/L de arsénico bajo las siguientes condiciones experimentales, 2 g/L de partículas adsorbentes, 120 mg/L de Fe(III), 2 mg/L de Nalco 9808, 20 mg/L de oleato de sodio y 40% de reciclo en la FAD, se removió 98% del arsénico y la turbidez residual en el efluente sintético clarificado fue 6,3 NTU.

Development of a system for detecting and locating damaged insulator strings with signals collected at substations

This paper presents a novel technique for remotely identifying and locating of damaged insulator strings based on an analysis of noise signals recorded on the ground connection of current transformers installed on transmission line substations. Damaged insulators usually present electrical surface activity. Surface and corona discharges may result in the generation of high frequency signals that can travel through the transmission line conductors, which are recorded by a data acquisition system. Each signal generated by the surface or corona discharge has a unique signature. This signature changes according to the position of the source, i.e., the damaged string along the line, which enables the association between the signal signature and the location of the string along the line. A method proposed to achieve this association is discussed in this paper as well as the tools and tests carried out during its development. An innovative way for capacitive coupling, which reduce detection system implementation costs is presented.

Este artículo presenta una nueva técnica para la identificación y la localización remota de las cadenas de aisladores dañadas basadas en el análisis de las señales de ruido registradas en la conexión a tierra de los transformadores de corriente instalados en subestaciones de línea de transmisión. Aisladores dañados suelen presentar actividad eléctrica superficial que pueden resultar en la generación de señales de alta frecuencia que pueden viajar a través de los conductores de la línea de transmisión y ser registrados por un sistema de adquisición de datos. Cada señal generada por la descarga superficial o corona tiene una firma única. Esta firma cambia con la posición de la fuente (aislador dañado) a lo largo de la línea, lo que hace posible la asociación entre la firma de la señal y la localización de la cadena a lo largo de la línea. Un método propuesto para lograr esta asociación se analiza en este trabajo, así como las herramientas y pruebas llevadas a cabo durante el desarrollo. Se utiliza una forma innovadora de acoplamiento capacitivo, lo que reduce los costos de implementación del sistema de detección.

Estimation of the particle size distribution of colloids from multiangle dynamic light scattering measurements with particle swarm optimization

In this paper particle Swarm Optimization (PSO) algorithms are applied to estimate the particle size distribution (PSD) of a colloidal system from the average PSD diameters, which are measured by multi-angle dynamic light scattering. The system is considered a nonlinear inverse problem, and for this reason the estimation procedure requires a Tikhonov regularization method. The inverse problem is solved through several PSO strategies. The evaluated PSOs are tested through three simulated examples corresponding to polystyrene (PS) latexes with different PSDs, and two experimental examples obtained by simply mixing 2 PS standards. In general, the evaluation results of the PSOs are excellent; and particularly, the PSO with the Trelea's parameter set shows a better performance than other implemented PSOs.

En este artículo se presenta una aplicación del algoritmo de optimización por Enjambre de Partículas (PSO) para estimar la distribución de tamaños de partículas (DTP) de un sistema coloidal a partir de los diámetros medios obtenidos por dispersión de luz dinámica a múltiples ángulos. Dado que se trata de un problema inverso no lineal en el proceso de estimación el problema es regularizado por medio del método de regularización de Tikhonov y finalmente se soluciona con diferentes estrategias del algoritmo de PSO. La evaluación del algoritmo de PSO es realizada a través de tres ejemplos simulados correspondientes a látex de poliestireno con diferentes DTP y dos ejemplos experimentales obtenidos a partir de una simple mezcla de dos estándares de poliestirenos. En general todos los resultados de estimación del algoritmo de PSO son excelentes, en particular, el algoritmo con definición de parámetros de Trelea que presenta mejor desempeño que las otras implementaciones de PSO.

Experiences with non-intrusive monitoring of distribution transformers based on the on-line frequency response

The following article presents the results obtained in experiences that use the Impulse Frequency Response Analysis (IFRA) method with a transformer in service. The IFRA method has been implemented in order to transform the transient signals to the frequency domain using Discrete Fourier Transform (DFT). However, it can be considered that the DFT is not the most suitable tool for this type of analysis, since, by definition, this tool is useful for processing stationary signals. Taking that into consideration, the analysis of transient signals could be hypothetically improved by using continuous wavelet transform (CWT), given their variable time/frequency resolution. The analysis of transient signals in Wavelet domain has improved the repeatability of the frequency response curves, as it has been observed in experimental results. The proposed on-line IFRA method, based on Wavelet transform, was validated under load and no-load conditions on a 150 kVA three-phase transformer 13200/225 Volts, in the Campus of the Universidad del Valle, Cali, Colombia.

El siguiente artículo presenta los resultados obtenidos durante experiencias donde se usa el método de análisis de la respuesta en frecuencia mediante impulso (IFRA) con un transformador en servicio. El método IFRA ha sido implementado para transformar la señal transitoria al dominio de la frecuencia usando la Transformada de Fourier (DFT). Sin embargo, puede considerarse que la DFT no es la herramienta más idónea para este tipo de análisis, ya que desde su definición esta herramienta es útil para el procesamiento de señales estacionarias y no para el análisis de la respuesta en frecuencia mediante impulso. Teniendo en cuenta esta consideración, el análisis de las señales puede ser hipotéticamente mejorado usando la Transformada Wavelet continua (CWT) dada su resolución variable en tiempo-frecuencia. El análisis de las señales transitorias en el dominio wavelet ha mejorado la repetitividad de las curvas de respuesta en frecuencia, como ha sido observado en los resultados experimentales. El método IFRA on-line propuesto, basado en la Transformada wavelet, fue validado bajo condiciones de carga y no carga en un transformador trifásico de distribución de 150 kVA, 13200/225 Volts, en el campus de la Universidad del Valle, Cali, Colombia.

Simulation of photoconductive antennas for terahertz radiation

Simulation of terahertz (THz) emission based on PC antennas imposes a challenge to couple the semiconductor carrier phenomena, optical transport and the THz energy transport. In this paper a Multi-physics simulation for coupling these phenomena using COMSOL Multi-physics 4.3b is introduced. The main parameters of THz photoconductive (PC) antenna as THz emitter have been reviewed and discussed. The results indicate the role of each parameter in the resulting photocurrent waveform and THz frequency: The radiated THz photocurrent waveform is determined by the photoconductive gap (the separation between the metallic electrodes), the incident laser illumination and the DC excitation voltage; while the THz frequency depends on the dipole length. The optimization of these parameters could enhance the emission. The simulations extend the advance of compact and cost-effective THz emitters.

La emisión de Terahertz (THz) empleando antenas fotoconductoras representa un reto de simulación en la integración de los fenómenos de transporte en semiconductores, de óptica y de transporte de energía por radiación THz. En el presente artículo se propone una simulación Multi-Física para integrar estos fenómenos utilizando COMSOL Multiphysics 4.3b. Los principales parámetros de las antenas fotoconductoras empleadas como emisores de THz son estudiados. Los resultados de la simulación demuestran cómo estos parámetros inciden en la fotocorriente generada y en la frecuencia de radiación THz: la abertura fotoconductora (la separación de los electrodos metálicos de la antena), la potencia promedio del láser incidente y el voltaje de polarización, determinan la forma de onda de la fotocorriente generada; mientras que la longitud del dipolo determina la frecuencia de radiación. La emisión de las antenas fotoconductoras puede mejorarse optimizando estos parámetros. Esta simulación es útil para el diseño e implementación de antenas fotoconductoras como emisores de THz de diseño compacto y bajo costo.

Improvement of the dynamic behavior of large-scale power systems by using robust power system stabilizers based on fuzzy logic

In this paper, the effect of fuzzy logic-based robust power system stabilizers on the improvement of the dynamics of a large-scale power system is investigated. The study is particularly focused on the Mexican Interconnected System and on adding damping to two critical inter-area system oscillation modes: the north-south mode and the western-peninsular mode. The fuzzy power system stabilizers (FPSSs) applied here are based on a significantly reduced rule base, small number of tuning parameters, and simple control algorithm and architecture, which makes their design and implementation easier and suitable for practical applications. Non-linear time-domain simulations for a set of test cases and results from Prony Analysis verify the robustness of the designed FPSSs, as compared to conventional PSSs.

En el presente trabajo se investiga el efecto de estabilizadores de sistemas de potencia (PSSs) robustos, basados en lógica difusa, para mejorar la dinámica de sistemas de potencia complejos. En particular, el estudio se enfoca en mejorar el amortiguamiento de dos modos críticos de oscilación interárea del Sistema Interconectado Mexicano. Los PSSs difusos utilizados aquí se caracterizan por una base de reglas difusas reducida, pocos parámetros de sintonización y una arquitectura y algoritmo de control simples, lo cual facilita su diseño, implementación y aplicación práctica. Simulaciones en el dominio del tiempo con diversos escenarios de prueba y la aplicación del método de Prony comprueban la robustez de los PSSs difusos en comparación con PSSs convencionales.

Recognition of highly frequented sets of tourist sites

In this paper we propose an algorithm to identify sets of the most frequently visited tourist sites. We do this by examining the trajectories followed by tourists and by considering their visits to these sites. We propose a second algorithm that recommends a specific order to visit these sites. To accomplish this task, we consider variables such as tourist preferences, departure and arrival locations, and time constraints. To validate our proposal, a prototype website application was developed, which experiments with real vehicle trajectories in Rio de Janeiro. Although more exhaustive experiments will be required to deal with different possible scenarios, preliminary results show the usefulness of our proposal for displaying sets of neighborhoods frequented by vehicles as they move about a city.

En este artículo se propone un algoritmo para identificar los conjuntos de sitios turísticos más frecuentemente visitados. Para ello se examinan las trayectorias seguidas por turistas y se consideran sus visitas a los sitios turísticos. Se propone un segundo algoritmo que sugiere el orden en el que deben ser visitados los sitios identificados por el primer algoritmo. Para lograr esto se consideran variables como preferencias turísticas, lugar de partida y de llegada y restricciones de tiempo. La propuesta se validó mediante una aplicación web prototipo y se experimentó con trayectorias reales de vehículos en Río de Janeiro. Aunque se requieren experimentos más exhaustivos y se deben considerar otros escenarios, los resultados preliminares mostraron la utilidad de la propuesta al identificar conjuntos de barrios que son frecuentados por los vehiculos a medida que estos se desplazan por la ciudad.

Basic definitions for discrete modeling of computer worms epidemics

The information technologies have evolved in such a way that communication between computers or hosts has become common, so much that the worldwide organization (governments and corporations) depends on it; what could happen if these computers stop working for a long time is catastrophic. Unfortunately, networks are attacked by malware such as viruses and worms that could collapse the system. This has served as motivation for the formal study of computer worms and epidemics to develop strategies for prevention and protection; this is why in this paper, before analyzing epidemiological models, a set of formal definitions based on set theory and functions is proposed for describing 21 concepts used in the study of worms. These definitions provide a basis for future qualitative research on the behavior of computer worms, and quantitative for the study of their epidemiological models.

Las tecnologías de la información han evolucionado de tal manera que la comunicación entre computadoras o hosts se ha vuelto algo común, hasta el punto que la organización a nivel mundial (gobiernos y grandes empresas) depende de esto; lo que pasaría si estas computadoras dejaran de funcionar por un periodo de tiempo largo es catastrófico. Desgraciadamente, las redes de hosts son blanco de ataques por malware como virus y gusanos informáticos que podrían colapsar el sistema. Esto ha servido como motivación para el estudio formal de los gusanos informáticos y sus epidemias con el fin de idear estrategias de prevención y protección; por ello en el presente artículo, y previo al análisis de modelos epidemiológicos, se proponen un conjunto de definiciones formales basadas en la teoría de conjuntos y funciones que permiten describir 21 conceptos utilizados en el estudio de los gusanos informáticos. Estas definiciones servirán de base para futuras investigaciones cualitativas sobre el comportamiento de los gusanos informáticos, y cuantitativas para el estudio de sus modelos epidemiológicos.

Design and development of an electronic device for data transmission with universal coverage

This paper presents the design and development of an electronic device with cellular and satellite coverage for localization and tracking of mobile assets in Colombia (public transport, freight, carriers, etc.). The development of this product integrates hardware, software and communication interfaces. It is aligned with a need identified in the market by the company One Solution Position: OSP LTDA. With this technology transfer we intend to improve the offer of wireless services for mobile asset tracking with a solution that covers the following features: dual operation (cellular/satellite), versatile, economical, low-power consumption, and based on international standards FCC and CE Mark.

Este artículo presenta el diseño y desarrollo de un dispositivo electrónico con cobertura celular y satelital para la localización y el rastreo de activos móviles en Colombia (transporte público, transporte de carga). El desarrollo de este producto integra hardware, interfaces de comunicaciones y software, y está alineado con una necesidad detectada en el mercado por la empresa One Solution Position: OSP LTDA. Con esta transferencia tecnológica se busca implementar mejoras en la oferta de servicios inalámbricos para seguimiento de activos móviles mediante una solución dual celular/satelital, versátil, económica, de bajo consumo y ceñida a la normatividad internacional FCC y CE Mark.