Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia

Editorial

Early fault detection in SiC-MOSFET with application in boost converter

ABSTRACT This paper presents the design of a fault detection circuit applied to a silicon carbide Mosfet (SiC-Mosfet). Fault detection is done by monitoring the behavior of the gate signal. The most important characteristic that has been reported in literature is quick detection since the evaluation is done while the SiC Mosfet is turning-on. With this method fast detection is allowed for short-circuit and open-circuit failure with small times for detection which prevents to spread the failure to the full system. To validate the fault detection circuit a boost converter with SiC-Mosfet was designed. Experimental results validate the reliability of the proposal.

RESUMEN Este artículo presenta el diseño de un circuito de detección de fallas aplicado a Mosfet de carburo de silicio; la detección de falla es realizada a través del monitoreo de comportamiento de la señal de compuerta. Las más importantes características que se analizaron y se reportan son: rápida detección debido a que la evaluación se realiza en la conmutación a encendido, permitiendo la detección de fallas en corto circuito y circuito abierto; tiempos rápidos de detección lo que previene difusión de la falla al sistema completo. Para validar el circuito de detección fue diseñado un convertidor boost con SiC-Mosfet. Los resultados obtenidos validan la confiabilidad de la propuesta presentada.

Latency analysis on W-band hybrid fiber-wireless link using software defined radio in real time

ABSTRACT This paper reports an experimental comparison and analysis of latency for different modulation techniques at different data rates in W-band Radio-over-Fiber (RoF) transmission links. In addition, a software defined radio called GNU-Radio is employed with Universal Software Radio Peripherals (USRP) to generate and retrieve the transmitted signals. Likewise, it is used to test the end to end latency in the W-band RoF link. Our main contribution is achieving a W-Band low-latency wireless fiber link which fits to the key performance indicators of 5G networks.

RESUMEN En este artículo se presenta un análisis y comparación experimental de la latencia para diferentes esquemas de modulación con diferentes tasas de transmisión en un enlace radio sobre fibra en banda W. Adicionalmente se usa radio definido por software en conjunto con unas tarjetas denominadas USRP para generar y recibir la señal. De igual forma, este software se usa para evaluar la latencia en el enlace previamente mencionado. La principal contribución de este artículo es que se demuestra un enlace en banda W, radio sobre fibra, el cuál encaja en los indicadores de desempeño de las redes 5G.

Clay surface characteristics using atomic force microscopy

ABSTRACT The first component for the manufacture of masonry products used in construction is clay, which provides the plasticity that facilitates the molding and handling of the product. The second component is the feldspar in form of alumina ( Al2O3 ) which is used as flux. The third one is silica ( SiO2 ) which is used as a filling material and stabilizer. These elements are determined by chemical composition using fluorescence analysis or X-ray diffraction, which is the basis of the modern classification of minerals. Thereby, the main objective of this research is to study the surface characteristics of clay samples from an industrial company producing H-10 blocks in the region of Norte de Santander, by studying the surfaces of the samples selected through the analysis by Atomic Force Microscopy, in order to compare the results with those found in the literature, and at the same time taking into account the chemical elements in their highest composition. The results show that this is a technique that allows the identification of clay components, thus validating what has been found in physical and chemical analysis, expecting to provide a scientific contribution by AFM, because there is little information related to the characterization topography of clay materials.

RESUMEN El primer componente para la fabricación de productos de mampostería para la construcción es la arcilla, la cual aporta la plasticidad que facilita el moldeo y el manejo del producto. El segundo componente es el feldespato en su formación como alúmina ( Al2O3 ) que se utiliza como fundente. La tercera es la sílice ( SiO2 ) que se utiliza como un material de relleno y estabilizador. Estos elementos se determinan mediante la composición química por análisis de fluorescencia o difracción de rayos X, la cual es la base de la clasificación moderna de los minerales. De esta manera, el principal objetivo de este trabajo es estudiar las características superficiales de muestras de arcilla de una empresa dedicada a producción de bloques H-10 en la región Norte Santandereana, mediante el estudio de las superficies de las muestras seleccionadas a través de la técnica de Microscopía de Fuerza Atómica con el propósito de comparar los resultados con los obtenidos en la bibliografía teniendo en cuenta los elementos químicos en su mayor composición. Los resultados demuestran que ésta es una técnica que permite identificar los componentes de la arcilla validando de esta manera lo encontrado en los análisis físicos y químicos, con lo cual se espera brindar un aporte científico por AFM o MFA, debido a que existe poca información relacionada en la caracterización topográfica de materiales arcillosos.

Multi-objective optimization in biotechnological processes: application to plant cell suspension cultures of Thevetia peruviana

ABSTRACT Bioprocesses productivity is a compromise between two conflicting objectives, maximization of biomass growth rate and minimization of substrate consumption. In this work, a model based multi-objective optimization problem is solved for improving the process productivity in plant cell suspension cultures of Thevetia peruviana. A solution of the multi-objective problem allowed determining the optimal initial concentrations of substrate and biomass for assuring maximal productivity. Model-based optimization is carried out using a mechanistic model, which includes a representation of the intracellular processes taking place on the plant cells. The best solutions were chosen from the Pareto front in agreement with expert criterion. Results indicate that an initial inoculum concentration of 3.91g/L and an initial sucrose concentration of 23.63g/L, are recommended as initial conditions for obtaining a biomass productivity of 1.57g/L*day with an acceptable sucrose uptake. Experimental validation of the optimal found was carried out and the productivity obtained was 1.52g/L using an initial inoculum concentration of 4.27g/L and an initial sucrose concentration of 25.44g/L. Results suggest that the proposed methodology can be extended to increase the productivity in terms of metabolite production from this plant cell cultures and other plant species.

RESUMEN La productividad de los bioprocesos es un compromiso entre dos objetivos en conflicto, la maximización de la velocidad de crecimiento de la biomasa y la minimización del consumo de sustrato. En este trabajo, se resuelve un problema de optimización multi-objetivo para mejorar la productividad del cultivo en suspensión de células vegetales de la especie Thevetia peruviana. La solución del problema multi-objetivo permitió determinar las concentraciones iniciales óptimas de sustrato y biomasa para garantizar la máxima productividad. La optimización se lleva a cabo utilizando un modelo mecanistico, que incluye una representación de los procesos intracelulares que tienen lugar en las células vegetales. Las mejores soluciones se eligieron del frente de Pareto teniendo en cuenta el criterio experto. Los resultados indican que se recomienda una concentración inicial de inóculo de 3,91g/L y una concentración inicial de sacarosa de 23,63g/L como condiciones iniciales para obtener una productividad de biomasa de 1,57g/L*día con un consumo aceptable de sacarosa. Se llevó a cabo la validación experimental del óptimo encontrado y la productividad obtenida fue de 1,52g/L usando una concentración de inóculo inicial de 4,27g/L y una concentración inicial de sacarosa de 25,44g/L. Los resultados sugieren que la metodología propuesta puede ampliarse para aumentar la productividad en términos de producción de metabolitos a partir de estos cultivos de células vegetales y otras especies vegetales.

Evaluation of the effect of the synthesis method on the performance of manganese spinel as cathode material in lithium-ion batteries

ABSTRACT Spinel-structured lithium manganese oxide (LiMn 2 O 4) has been successfully used as a cathode material for various lithium batteries. To improve the capacity and increase the discharge potential of the battery, transition metals are commonly added to the spinel as dopants or as a substitute for manganese. This can also confer stability on the structure of the cathode material. In this work, the production and performance of spinel LiMn 2 O 4 (LMO) and LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 (LNMO) by solid-state and sol-gel synthesis methods were studied. Synthetized (LMO) and (LNMO) materials were characterized by Raman spectroscopy and X-ray diffraction (XRD) to verify the formation of a spinel-like structure. It was corroborated that both synthesis methods can produce an adequate spinel structure. SEM analyses showed that in general, spinel take an octahedral form. The particle size changes according to the synthesis method used. Lower particle sizes were obtained by sol-gel. The electrochemical characterization demonstrates that solid-state synthesis generates compounds with greater purity and crystallinity, which induces a greater capacity of lithium ion intercalation. The addition of nickel to the spinel increases the discharge potential of the cathode by 0.5V.

RESUMEN Los óxidos de manganeso con estructura tipo espinela (LiMn 2 O 4) han sido utilizados con éxito como materiales de cátodo para las baterías de ion-litio. Para mejorar la capacidad e incrementar el potencial de descarga de la batería, comúnmente se han adicionado metales de transición a la espinela, como dopantes o sustituyentes del manganeso. Esto puede conferirle también estabilidad a la estructura del material de cátodo. En este trabajo se evaluó la obtención y el desempeño de las espinelas de LiMn 2 O 4 (LMO) y LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 (LNMO) obtenidas por procesos de síntesis en estado sólido y sol-gel se estudiaron. Los materiales sinterizados de (LMO) y (LMNO) se caracterizaron por espectroscopia Raman y difracción de rayos X (DRX) para evidenciar la formación de la estructura tipo espinela. Fue corroborado que mediante ambos métodos de síntesis se puede producir una estructura de espinela adecuada. El análisis SEM mostró en general que la espinela adquiere una forma octahedral. El tamaño de partícula cambia de acuerdo al método de síntesis empleado, obteniendo un menor tamaño de partícula en la síntesis por sol-gel. La caracterización electroquímica demuestra que la síntesis por estado sólido genera componentes con mayor pureza y cristalinidad, los cuales generan una mayor capacidad de intercalación de iones litio. La adición de níquel a la espinela incrementa el potencial de descarga del cátodo en 0.5V.

Evaluation of stresses and deflections in expanded metal plates subjected to transverse loading

ABSTRACT The implementation of rigid and lightweight structures that perform support functions has their main field of application in the industrial sector. These structures must satisfy all requirements of security and comfort, besides being profitable for the company using them, at the time of procurement and maintenance. This paper aims at studying the behavior of expanded metal meshes subject to transverse loading, determining the deflections produced by this type of loading. In this study, design recommendations for the use and installation of expanded metal meshes provided by Standard EMMA 557-15 are considered. Therefore, a finite element model is developed considering linear behavior of material and geometry, employing the commercial software ANSYS. Solid elements are used in the generation of the computational model where metal sheets are subject to transverse loads to determine the deflections in the mesh. Next, the influence of the following parameters is evaluated: material properties, span between structural supports, magnitude and type of the transverse load (concentrated or uniform), size of pattern, and orientation of the mesh. Finally, numerical results show that deflections found in expanded metal meshes are clearly affected by the aforementioned parameters.

RESUMEN La implementación de estructuras rígidas y livianas que cumplan funciones de soporte, tienen su principal campo de aplicación en el sector industrial. Estas estructuras deben cumplir con todos los requerimientos de seguridad y confort, igualmente, se necesita que resulten rentables para la empresa que las utilice al momento de su adquisición y mantenimiento. El propósito fundamental de este trabajo consiste en el estudio del comportamiento de mallas de metal expandido sometidas a cargas transversales, determinando las deflexiones generadas debido a dichas fuerzas. Para el desarrollo del presente estudio se tomaron en cuenta las consideraciones propuestas en el estándar para metal expandido EMMA 557-15, en el cual se hacen importantes recomendaciones para su correcto uso e instalación. Un modelo en elementos finitos es elaborado tomando en cuenta el comportamiento lineal del material y la geometría empleando para ello el software comercial ANSYS. En la generación del modelo computacional se utilizaron elementos tipo sólido. Las láminas de metal son sometidas a cargas transversales para determinar la deflexión generada. El análisis toma en cuenta los siguientes parámetros: propiedades mecánicas del material, distancia entre soportes estructurales, magnitud, tipo de cargas transversales (concentradas o uniformes), tamaño del patrón y orientación de la malla. Los resultados numéricos muestran que las deflexiones se ven afectadas por los parámetros mencionados anteriormente.

Modeling and control of processes using the EMSO simulator and SIMATIC PLC as OPC inter-face

ABSTRACT This work shows a procedure for modeling and control of level and flow processes. It uses the EMSO simulator to connect to a process by means of a SIMATIC S7-200 PLC as interface for the communication between the process instrumentation and the controller computing system. In order to supervise the variables, a SIMULINK model was connected to a laboratory process module through OPC communication. The model obtained was used in the design of controllers PID and PBSM, which were tested for step disturbances of the set point and an imposed set point trajectory.

RESUMEN Este trabajo ilustra un procedimiento de modelado y control de procesos de nivel y flujo usando el simulador EMSO acoplado al proceso con un PLC SIMATIC S7-200 como interfaz de comunicación OPC entre la instrumentación del proceso y el sistema de cómputo del controlador. Para la supervisión de las variables del proceso se utilizó un modelo en SIMULINK conectado al proceso a través de comunicación OPC. El modelo obtenido fue utilizado en el diseño de controladores PID y PBSM, los cuales fueros probados ante saltos de set point y una trayectoria de set point impuesta.

Conceptual clustering: a new approach to student modeling in Intelligent Tutoring Systems

ABSTRACT Student modeling is a central problem in Intelligent Tutoring Systems design and development. In this way, the characteristic that distinguishes this type of system is the ability to determine as accurately and quickly as possible the student's cognitive and affective-motivational state in order to personalize the educational process. Therefore, the fundamental problem is to select data structure to represent all relative information to student and to choose the procedure to make the diagnosis. This paper describes a model for knowledge engineering inherent to all intelligent tutoring system, using the LC-Conceptual clustering algorithm, from logical combinatorial pattern recognition. This algorithm builds the objects clusters based on their similarity, using a grouping criterion, and it also builds the property (or concept) that meets each group of objects.

RESUMEN El modelado del estudiante es un problema central en el diseño y desarrollo de los Sistemas Tutoriales Inteligentes. En este sentido, la característica que distingue este tipo de sistema es la capacidad de determinar con la mayor precisión y rapidez posible cuál es el estado cognitivo y afectivo-motivacional del estudiante para personalizar el proceso de enseñanza-aprendizaje. Por lo tanto, el problema fundamental está en seleccionar la estructura de datos para representar toda la información relativa al estudiante y elegir el procedimiento para realizar el diagnóstico. En este trabajo se describe un modelo para realizar la ingeniería del conocimiento inherente en todo Sistema Tutorial Inteligente utilizando el algoritmo de agrupamiento LC-conceptual del reconocimiento lógico combinatorio de patrones el cual además de construir los agrupamientos de objetos, basándose en la semejanza entre los mismos y utilizando un criterio de agrupamiento, construye la propiedad (el concepto) que cumple cada agrupamiento de objetos.

Polyurethane flexible foam recycling via glycolysis using Zn/Sn/Al hydrotalcites as heterogeneous catalyst

ABSTRACT Polyurethane is a highly versatile material used in comfort, packaging and isolation industries. The global production of polyurethane generates several million tons of non-biodegradable wastes. In this research, the chemical recovery of polyol from polyurethane flexible foam (PUF) wastes was explored. The polyol recovery from PUF was carried out via glycolysis with diethylene glycol (DEG) as a glycolysis agent, Zn/Sn/Al hydrotalcite (HTC) as a heterogeneous catalyst under inert atmosphere using several reaction conditions. The most suitable reaction conditions were achieved for 3 h of reaction, PUF/DEG mass ratio of 1.5 and HTC/DEG of 0.001. The HTC was characterized by FTIR, XRD, TEM and chemical analysis. The recovered polyol was characterized using IR, viscometry and GPC; density and water content was also determined. The recovered polyol was used in the synthesis of PUF as a partial replacement of virgin polyols, and the resultant foams were analyzed using compression tests.

RESUMEN El poliuretano es un material altamente versátil usado en la industria de aislamiento, empaque y comodidad. La producción global de poliuretano genera millones de toneladas de residuos no biodegradables. En esta investigación se exploró la recuperación por métodos químicos del poliol a partir de desechos de espuma flexible de poliuretano (PUF). El poliol se recuperó del PUF mediante glicólisis con dietilenglicol (DEG) como agente de glicólisis, la hidrotalcita Zn/Sn/Al (HTC) como catalizador heterogéneo bajo atmósfera inerte usando varias condiciones de reacción. Las condiciones más adecuadas de reacción fueron 3 h, relación másica PUF/DEG de 1,5 y HTC/DEG de 0,001. La HTC se caracterizó por FTIR, XRD, TEM y análisis químico. El poliol recuperado se caracterizó usando IR, viscosimetría y GPC; adicionalmente se determinó la densidad y el contenido de agua. El poliol recuperado se usó en la síntesis de PUF como reemplazo parcial del poliol comercial y la espuma obtenida se analizó usando pruebas de compresión.