Tecnura

Editorial

Piezoelectric systems in the urban train of guadalajara, Mexico: entropy and negentropy

Resumen Contexto: La homeostasis del tren urbano de Guadalajara, México, experimenta entropía relativa a la conglomeración de usuarios en las denominadas horas pico. Esto conlleva un mayor consumo de energía eléctrica en los desplazamientos cotidianos; no obstante, el peso proveniente de los usuarios puede ser utilizado como negentropía termodinámica para reducir sus niveles de entropía. En este sentido, el objetivo de esta investigación determina la viabilidad de utilizar la piezoelectricidad en la obtención y consumo de energía eléctrica para la operatividad del sistema. Método: La investigación se fundamenta en datos proprocionados por el Sistema de Tren Eléctrico Urbano (Siteur) y la Comisión Federal de Electricidad (CFE). Complementariamente, esta información se triangula con datos realizados en ejercicios de campo y en función de la oferta y demanda energética; se calculan el peso aproximado de los usuarios y la energía que puede producir el sistema de generación piezoeléctrica por persona. Finalmente, es utilizado el modelo entropía-homeostasis-negentropía (EHN), para determinar el escenario de la piezoelectricidad en el consumo energético del tren eléctrico urbano de la metrópoli de Guadalajara. Resultados: La utilización de piezoeléctricidad puede lograr eficiencias significativas para la optimización energética de sistemas de movilidad urbana; inclusive de hasta un 89,7 % como en el ejemplo de la línea 2 del Siteur en Guadalajara. Esto por las condiciones homeostáticas propias de este sistema, relativas a la afluencia promedio diaria en horas pico; cuando se llega a los 83.059 usuarios. Por tanto, es posible generar negentropía termodinámica, a través de la energía eléctrica proveniente de los sistemas piezoeléctricos y el peso de los usuarios. Conclusiones: La energía autoproducida por piezoelectricidad en el sistema, mediante el aprovechamiento del peso de los usuarios puede ser almacenada para alimentar la líneas de la red del tren eléctrico urbano. De esta manera, se optimiza el consumo energético en los desplazamientos cotidianos, con ahorros económicos para la empresa y como negentropía en la reducción de la energía no utilizada para producir trabajo (entropía).

Abstract Context: The homeostasis of the Urban Train of Guadalajara (Mexico) experiences entropy relative to the conglomeration of users in the so-called rush hours. This leads to greater consumption of electrical energy in daily commutes; however, the weight coming from users can be used as thermodynamic negentropy to reduce their entropy levels. Therefore, the objective of this research is to determine the feasibility of using piezoelectricity in obtaining and consuming electrical energy for the operation of the system. Method: The research is based on the data provided by the Urban Electric Train System (SITEUR, in Spanish) and the Federal Electricity Commission (CFE). This information is triangulated along with data obtained in field exercises, and based on energy the supply and demand; then, the approximate weight of the users and the energy that the piezoelectric generation system can produce per person are calculated. Finally, the Entropy-Homeostasis-Negentropy (EHN) model is used to determine the homeostasis of piezoelectricity in the energy consumption of the urban electric train in the metropolis of Guadalajara. Results: The use of piezoelectricity can significantly improve efficiency and achieve energy optimization of urban mobility systems up to 89,7%; for example, the case of Line 2 of the SITEUR in Guadalajara. This improvement in efficiency is possible due to the homeostatic conditions of the system and the average influx during rush hours, when it reaches 83,059 users. Therefore, it is possible to generate thermodynamic negentropy through the electrical energy coming from the piezoelectric systems and the weight of the users. Conclusions: The energy produced by piezoelectricity that makes use of the users’ weight can be stored to power the lines of the urban electric train network. In this way, the efficiency of the energy consumption in daily commutes is improved, saving the company money and energy (through the reduced amount use of external energy to produce work).

Development and manufacture of a low power gas microsensor for the detection of ammonia at low concentrations

Resumen Contexto: En este trabajo se presenta el desarrollo y microfabricación de un sensor de gas cuyo funcionamiento se basa en las variaciones de su conductividad eléctrica en presencia de determinados gases. Para utilizar estos sensores en equipos portátiles, como monitores de gases, se requiere que la potencia utilizada para mantener la película sensible a la temperatura de funcionamiento sea muy baja. Los resultados de este desarrollo permiten contar además con una plataforma para la microfabricación de sensores de gas, sobre la que se pueda incorporar diversos tipos de películas sensoras. Metodología: El microsensor desarrollado está constituido por una película delgada de SnO2 depositada sobre un sustrato de silicio micromaquinado. El diseño propuesto se realizó mediante simulaciones de los comportamientos mecánico y térmico. El procedimiento incluyó operaciones de microfabricación. Posteriormente se realizó la caracterización eléctrica y se ensayó la sensibilidad frente a amoniaco gaseoso. Resultados: La microfabricación se llevó a cabo de forma satisfactoria (no se detallan todos los pasos en el presente trabajo), y se logró una alta tasa de sensores bien conformados por oblea. La caracterización del sensor frente a diferentes concentraciones de amoniaco gaseoso en aire dio como resultado una respuesta lineal para concentraciones entre 6 ppm a 50 ppm, donde este último es el límite permisible de exposición . Conclusiones: Se desarrolló un proceso para fabricar un microsensor de gas de SnO2 de bajo consumo (50 mW). Se llevó a cabo la fabricación de los microsensores de manera satisfactoria, partiendo de simulaciones previas. En relación a trabajos futuros, la plataforma micromaquinada desarrollada, con el calefactor incorporado, permitirá utilizar distintas películas sensoras.

ABSTRACT Objective: This paper presents the development and manufacture of a gas microsensor whose operation is based on variations in electrical conductivity in the presence of certain gases. To use these sensors in portable equipment such as gas monitors, the power used to keep the film sensitive to the operating temperature is required to be very low. The results of this development provide with a platform for the manufacture of gas microsensors that allow different types of sensor films can be incorporated. Methodology: The developed microsensor consists of a thin fil of SnO2 deposited on a micro-machined silicon substrate. The proposed design was carried out by simulations of mechanical and thermal behavior. The procedure included microfabrication operations, and then, the electrical characterization was performed and the sensitivity to gaseous ammonia was tested. Results: Microfabrication was carried out satisfactorily (although this work does not detail all the steps of the process), and a high rate of well-formed sensors per sheet was achieved. The behavior of the sensor in the presence of different concentrations of gaseous ammonia in air was characterized and resulted in a linear response for concentrations between 6 ppm to 50 ppm, and the latter is the permissible limit of exposure. Conclusions: A low consumption (50 mW) SnO2 gas microsensor was successfully developed based on previous simulations. In relation to future work, the developed micromachined platform with the built-in heater will allow the use of different sensor films.

Construction and evaluation of a high voltage divider for lightning impulse tests

Resumen Contexto: La medición segura y efectiva de señales de alto voltaje se ha convertido, desde hace años, en una de las mayores preocupaciones por parte de quienes realizan ensayos en alta tensión. En ese sentido, el divisor de tensión representa uno de los dispositivos de mayor importancia para la medición en laboratorio de señales como las generadas por los rayos. Sin embargo, el divisor debe contar con características adecuadas de voltaje nominal, factor de escala y respuesta en frecuencia, para que la señal registrada sea un reflejo de la señal aplicada al equipo bajo prueba. Muestra de ello son los tipos más comunes de divisores de tensión desarrollados (divisor resistivo, divisor capacitivo y divisor capacitivo amortiguado), cada uno con características propias que permiten un buen desempeño del sistema de medición y registro en alta tensión. Con el propósito de evaluar el desempeño del sistema de medición y registro, en lo referente a la etapa de conversión, en este trabajo se presentan los aspectos teóricos y prácticos relacionados con el diseño, construcción y evaluación de un divisor capacitivo amortiguado de 300 kV, usado para la medición de señales de impulso de tensión tipo rayo. Método: Para el diseño y evaluación del divisor de voltaje, se utilizaron herramientas computacionales de simulación, como Mathematica® y Pspice®, las cuales ayudaron a estimar el comportamiento de los componentes del divisor: resistor de amortiguamiento y ramas de bajo voltaje. Del mismo modo, se utilizaron equipos de laboratorio (medidor de respuesta en frecuencia y generador de impulsos de voltaje de 300 kV), para verificar el desempeño de los componentes del divisor. Los ensayos se basaron en pruebas de respuesta en frecuencia, capacidad de aislamiento y obtención de los factores de escala del divisor, de acuerdo con estándares nacionales e internacionales. Resultados: En la prueba de respuesta en frecuencia realizada al resistor de amortiguamiento, desde 20 Hz hasta aproximadamente 1 MHz, los efectos parásitos son despreciables y la impedancia del resistor se puede considerar puramente resistiva. Por su parte, en la prueba de capacidad de aislamiento, se observó que el resistor puede soportar impulsos de tensión de hasta 10 kV, sin que se produzca ruptura del aislamiento del resistor. Respecto a la verificación de los factores de escala, las diferencias porcentuales no superaron el límite de variación de voltaje pico establecido por norma. Conclusiones: Los resultados muestran que la metodología desarrollada fue adecuada para el diseño, construcción y simulación del divisor de tensión. Los modelos eléctricos propuestos en la metodología fueron suficientes para obtener resultados confiables en las simulaciones. Finalmente, las contribuciones más importantes del trabajo fueron la construcción de un resistor de amortiguamiento no inductivo y la construcción de una rama adicional de bajo voltaje.

Abstract Context: For years, the safe and effective measurement of high voltage signals has one of the major concerns of those conducting high voltage tests; in these cases, voltage divider represents one of the most important devices for laboratory measurement of signals (such as those generated by lightning). However, the divider must have adequate characteristics of nominal voltage, scale factor, and frequency response, so that the recorded signal is a reflection of the signal applied to the equipment under test. For example, the most commonly developed voltage dividers (resistive divider, capacitive divider, and damped capacitive divider) have their own characteristics that allow a good performance of the high voltage measurement and recording system. This paper presents the theoretical and practical aspects related to design, construction, and evaluation of a damped capacitive divider of 300 kV in order to evaluate the performance of the measurement and recording system in relation to the conversion stage. Method: Simulation tools such as MATHEMATICA® and PSPICE® were used for the design and evaluation of the voltage divider. These helped estimate the behavior of the divider components (damping resistor and low voltage arms). Additionally, laboratory equipment (frequency response meter and 300 kV voltage pulse generator) was used to verify the performance of the components. The experiments were based on frequency response tests, insulation capacity, and obtaining the scale factors according to national and international standards. Results: In the frequency response test performed on the damping resistor from 20 Hz to 1 MHz, the parasitic effects are negligible and the impedance of the resistor can be considered purely resistive. In the insulation capacity test, resistor can withstand voltage pulses of up to 10 kV without breaking the resistor insulation. Regarding the verification of the scale factors, the porcentage differences did not exceed the limit of peak voltage variation set by the standard. Conclusions: The results show the methodology developed was adequate for the design, construction, and simulation of the voltage divider. The electrical models suggested in the methodology were sufficient to obtain reliable results during simulations. Finally, the most important contributions of this work were the construction of a non-inductive damping resistor and the construction of an additional low-voltage branch.

Andesite rock fracture and spectral analysis of acoustic emission signals

Resumen Contexto: En las rocas sometidas a esfuerzos se producen señales de emisión acústica (EA). Esta y la información sísmica son complementarias tanto en sus aplicaciones como en su base teórica. Por ende, el estudio de frecuencias características en las señales de emisión acústica tiene relevancia para comprender la propagación de ondas sísmicas en la Tierra. Método: Se realizó un ensayo de compresión uniaxial en probetas cilíndricas de roca andesita, llevadas hasta la rotura. Se registraron las señales de EA obtenidas durante el ensayo. Un análisis de las frecuencias de estas señales cabe en el contexto de un modelo elemental de foco sísmico, el cual describe el avance y la propagación de ondas durante la fractura de un material frágil. A partir de los espectros de Fourier de las señales, convenientemente representados en escala logarítmica, se obtiene la frecuencia esquina. Este parámetro da cuenta del tamaño de las fisuras durante el avance del daño en el material sometido a esfuerzo. Resultados: En un primer análisis se determinó la frecuencia esquina. En un segundo análisis, se filtraron las señales para distintas bandas de frecuencias con transformada Wavelet y se obtuvo el Wavelet Energy b-value (bWE) correspondiente. Conclusiones: El estudio de la evolución del bWE para las distintas bandas de frecuencia permitió determinar frecuencias características que se pueden asociar a distintos mecanismos de fracturas en las rocas.

ABSTRACT Context: Stressed rocks produce acoustic emission signals. Acoustic emission and seismic information are complementary in their applications as well as on their theoretical basis. Thus, studying characteristic frequencies in acoustic emission signals is relevant to understanding the seismic wave propagation on the Earth. Method: A uniaxial compression test was performed on cylindrical samples of andesite rock, which were stressed up to breakage. Acoustic emission signals were recorded during the test. Frequency analysis in these signals may be carried in the context of an elementary seismic focus model. This model describes the fracture advance and propagation during brittle material fracture. The corner frequency is obtained from the Fourier spectrum of the signals, conveniently represented in log scale. This parameter accounts for the size of fissures as damage progresses when the material is stressed. Results: The corner frequency was determined on a first analysis. On a second analysis, the signals were filtered on different bands with the Wavelet Transform and the corresponding wavelet energy b-value was obtained. Conclusions: Studying the evolution of the wavelet energy b-value in different frequency bands allowed the determination of characteristic frequencies which can be associated with different fracture regimes in rocks.

Adjustment ANSI 24 overexcitation protection of a synchronous generator for a Siemens 7UM62 relay

Resumen Contexto: Las funciones de protección de un grupo generador-transformador deben garantizar su vida útil cuando se presenta una condición de operación anormal, de esta manera se mejora la confiabilidad del servicio de energía eléctrica en el sistema eléctrico de potencia. Cuando la relación V/Hz del grupo se incrementa puede presentarse saturación en el núcleo magnético, induciendo un flujo de dispersión en los componentes no laminados que no están diseñados para conducirlo y puede ocurrir un daño en segundos; razón por la cual, estas máquinas se protegen con la función de protección (FDP) ANSI 24. Metodología: Este artículo presenta la teoría que justifica la implementación de la FDP ANSI 24 en un grupo generador-transformador y la metodología para calcular cada uno de sus parámetros de ajuste en un relé multifuncional Siemens 7UM62. La originalidad del artículo radica en que se explica su diagrama lógico de decisión de una manera clara y detallada, identificando las señales de entrada: ajustes, analógicas y binarias, y sus señales de salida. Este diagrama lógico se organizó en 3 subdiagramas para facilitar su comprensión e identificar las causas que originan sus salidas de alarmas, arranque, disparos o bloqueo. Resultados: Se obtuvo el diagrama de decisión detallado de la FDP ANSI 24, se describieron los criterios de ajuste de entrada de cada uno de los parámetros de ajustes y un procedimiento detallado para calcular cada uno. También, se obtuvieron los resultados numéricos de todos los ajustes para el grupo generador-transformador de la Unidad 1 de la Central Hidroeléctrica de Salvajina. Conclusiones: Se recomienda para una mayor precisión en los parámetros de ajuste obtener la característica de calentamiento V/Hz real o entregada por el fabricante de los equipos a proteger.

Abstract Context: The protection functions of a generator - transformer group must guarantee its useful life when an abnormal operating condition arises, thus improving the reliability of the electric power service in the electric power system. When the V/Hz ratio of the group increases, saturation may occur in the magnetic core and induce a dispersion flow in the non-laminated components that are not designed to conduct it, and damage can occur in seconds. This is the reason why machines are protected with the ANSI 24 protection function (FDP). Methodology: This article presents the theory that justifies the implementation of the ANSI 24 protection function in a generator-transformer group, as well as the methodology to calculate each of the adjustment parameters in a SIEMENS 7UM62 multifunctional relay. The article explains the logical decision diagram in a clear and detailed way, identifying the settings, input signals (analog and binary), and output signals. The logical diagram was organized in three subdiagrams to facilitate understanding and to identify the causes that originate its alarm, start, trip, or block outputs. Results: The detailed decision diagram of the ANSI 24 protection function was obtained; the input adjustment criteria of the adjustment parameters and a detailed procedure for calculating each were described. In addition, the numerical results of all the adjustments for the generator-transformer group of Unit 1 of the Salvajina hydroelectric power station were obtained. Conclusions: The results of this research recommend obtaining the actual V/Hz heating characteristic or confirming the one delivered by the manufacturer of the equipment to be protected, so that it is possible to have greater precision in the adjustment parameters.