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La Revista ITECKNE, Innovación e Investigación en Ingeniería, es una publicación de carácter científico y tecnológico, editada se-mestralmente por la División de Ingenierías y Arquitectura de la Universidad Santo Tomás desde el año 2002. ITECKNE es un medio de divulgación que busca promover la publicación científica que contribuya al desarrollo de la ciencia y la industria en un contexto nacional e internacional. Todos los artículos publicados se someten a revisión de dos pares o árbitros, de conocida idoneidad en el tema.

La Revista ITECKNE publica artículos en las siguientes áreas:• Ciencias Básicas • Ingeniería Ambiental• Ingeniería Civil• Ingeniería Electrónica

• Ingeniería Industrial• Ingeniería Mecánica• Ingeniería Mecátronica• Ingeniería de Sistemas

• Ingeniería de Telecomunicaciones• Química Ambiental• Otras áreas relacionadas con la ingeniería

DIRECTIVOSfr. Samuel Elías FORERO BUITRAGO, op.Rector

fr. Mauricio CORTÉS GALLEGO, op. Vicerrector Académico

fr. Rubén DARÍO LÓPEZ GARCÍA, op.Vicerrector Administrativo y Financiero

fr. Fernando CAJICÁ GAMBOA, op. Decano de División de Ingenierías yArquitectura

DEPARTAMENTO DE PUBLICACIONESFreddy Luis Guerrero Patarroyo, MBA. Director

María Amalia García NúñezCorrección Ortográfica y de Estilo

Luis Alberto Barbosa Jaime, Pub.Diseño y Diagramación

TRADUCCIÓNSonia Bataller FusterManuel Andrés Rosero NiñoIntituto de Lenguas y Cultura Extranjeras

PORTADAImagen tomada del Banco de Imágenes http://www.ingimage.com

IMPRESIÓNDistrigraf

PERIODICIDADSemestralISSN 1692 - 1798 ISSN DIGITAL 2339 - 3483© Copyright 2015. Universidad Santo Tomás

EDITORYudy Natalia Flórez Ordóñez, Ph.D

COORDINADORA EDITORIALLizeth Johanna Alvarado Rueda, M.Sc

COMITÉ EDITORIALYudy Natalia Flórez Ordóñez, Ph.DUniversidad Santo TomásBucaramanga, Colombia

Catalina Tobón Zuluaga, Ph.DInstituto Tecnológico MetropolitanoMedellín, Colombia

Ángel Alberich Bayarri, Ph.DGrupo Hospitalario QuirónValencia, España

Héctor Esteban Gonzales, Ph.DUniversidad Politécnica de ValenciaValencia, España

Olivier Balédent, Ph.DUniversité de Picardie Jules VerneAmiens, Francia

Jaime Alberto Castillo León, Ph.DTechnical University of DemarkLyngby, Dinamarca

COMITÉ CIENTÍFICOJuan Carlos Guerri Cebollada, Ph.DUniversidad Politécnica de ValenciaValencia, España

Rudy Cepeda Gómez, Ph.DUniversidad de RostockRostock, Alemania

Leonor Yamile Vargas Méndez, Ph.D Universidad Santo TomásBucaramanga, Colombia

Ramón Gutiérrez Castrejón, Ph.DUniversidad Nacional Autónoma de MéxicoCiudad de México, México

Alberto Gonzáles Salvador, Ph.DUniversidad Politécnica de ValenciaValencia, España.

Mónica Karel Huerta, Ph.D Universidad Simón BolívarCaracas, Venezuela

Javier Baliosian de Lazzari, Ph.DUniversidad de la RepúblicaMontevideo, Uruguay

César Darío Guerrero, Ph.DUniversidad Autónoma de BucaramangaBucaramanga, Colombia

La revista ITECKNE ha sido aceptada en los siguientes índices bibliográfi cos y bases bibliográfi cas:

• Sistema Nacional de Indexación y Homologación de Revistas Especializadas CT+I-PUBLINDEX, Categoria B

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ContenidoRevista ITECKNE Vol. 12 Nº 1 Enero - Junio de 2015

EditorialRetos de la formación en Ingeniería ..........................................................................................................................5Ing. Yudy Natalia Flórez Ordoñez Ph.D

ARTÍCULOS DE INVESTIGACIÓN E INNOVACIÓN

Modelo de entrenamiento en toma de decisiones relacionadas con gestión de producción y operaciones de un sistema de fabricación de bioetanolModel training decisions relating to production and operations management system of making bioetanol .....7Jhonathan Mauricio Vargas-Barbosa, Jaime Alberto Giraldo-García

Sistema de captura de gestos con KINECT para la manipulación de robots quirúrgicos virtualesGesture KINECT capture system for virtual surgical robots manipulation ..........................................................17Juan Diego Hurtado-Chaves, Alex Aldemar Nástar-Guacales, Oscar Andrés Vivas-Albán

CFD simulation of mixing process in a large crude oil storage tank with side-entry impellersSimulación en CFD del proceso de mezcla en un tanque de almacenamiento de crudo de gran escala con agitadores de entrada lateral .......................................................................................................................... 25Diana Carolina Hernández-Jaramillo, César Nieto-Londoño, Nayith Álvarez-Sarmiento,Rigoberto Barrero, Luz Ángela Novoa-Mantilla

Síntesis y caracterización de membranas híbridas a partir de quitosan, polivinil alcohol y sílice para su aplicación en deshidratación de gasesSynthesis and characterization of hybrides membranes composed of chitosan, polyvinyl alcohol and silica for its application in dehydration of gases ............................................................................................ 33Martha Isabel Gutiérrez-Gutiérrez, Diego Francisco Morales-Mendivelso, Carlos Jesús Muvdi-Nova, Arlex Chaves-Guerrero

Producción de biodiésel por etanolisis utilizando aceites de fritura de hoteles y su uso en calderas pirotubularesBiodiesel production by ethanolysis using waste cooking oil from hotels for firetube boilers .......................... 44Edwin Alberto Bulla-Pereira, Carlos Alberto Guerrero-Fajardo, Fabio Emiro Sierra-Vargas

Delta robot controlled by robotic operating systemRobot delta controlado con sistema operativo robótico (R.O.S.) ......................................................................... 54David Raimundo Rivas-Lalaleo, Eddie Egberto Galarza-Zambrano, Diana Carolina Tumbaco-Mendoza, Wilmer Enrique Quimbita-Zapata, Omar Vinicio Galarza-Barrionuevo

Design, construction and evaluation of a dual device with cellular / satellite coverage for mobile asset tracking technology transfer throughDiseño, construcción y evaluación de un dispositivo dual con cobertura celular/satelital mediante transferencia tecnológica ........................................................................................................................................ 60Hernán Paz-Penagos, Johnny Alexander Arevalo-López, Marco Andrés Ortiz-Niño, Roberto Ferro-Escobar

Caracterización de un clúster y sus recursos en una red Ad Hoc a partir de la distribución geométrica truncadaCharacterization of a cluster and its resources in an Ad-Hoc network starting from the truncated geometric distribution .............................................................................................................................................. 68Juan Pablo Ospina-López, Jorge Eduardo Ortiz-Triviñio

Regulador de rápido transitorio de bajo diferencial de tensión en tecnología de 90 nmA fast transient low dropout regulator on 90 nm technology ............................................................................... 76Héctor Iván Gómez-Ortiz, Carlos Andrés Neira-Triana, Francisco Angarita-Cediel

CASO DE ESTUDIO

Análisis del efecto-día en el mercado accionario colombiano empleando mapas autoorganizadosAnalysis of day-effect in the colombian stock market using self-organizing maps ............................................. 84David Rene Peña-Cuéllar, Juan David Ortiz-Sandoval, Helbert Eduardo Espitia-Cuchango

Instrucciones a los autores Revista ITECKNE ........................................................................................................ 95

Instructions to authors ITECKNE Journal .............................................................................................................100

EditorialRETOS DE LA FORMACIÓN EN INGENIERÍA

La ingeniería durante años ha desempeñado un papel dinamizador en el crecimiento y desarrollo competitivo de los países, al aportar grandes avances científicos a las transformaciones tecnológicas, lo cual ha permitido fortalecer los diferentes sectores productivos de la sociedad. Sin embargo, también se ha visto enfrentada a retos que han dado origen a realizar cuestionamientos que están direccionados principalmente en los últimos años a la formación en ingeniería. Es así, que diferentes asociaciones gremiales nacionales e internacionales realizan constantemente congresos, foros y debates en torno al tema, donde representantes de la academia y sectores productivos se encuentran.

Actualmente, la ingeniería se enfrenta al principal reto, consolidar una propuesta integradora de formación que responda con conciencia ambiental, social y ética a las necesidades de la sociedad, basada en una enseñanza sólida de las ciencias básicas y aplicadas. Este reto ha llevado a transformaciones en el aula de clase, revisar las metodologías de enseñanza y aprendizaje, incrementar la formación autónoma y promover la interdisciplinariedad de la profesión.

El sector productivo no debiese ser ajeno a esta formación, es importante que la academia y la empresa continúen fortaleciendo sus relaciones con el propósito de trabajar mancomunadamente en este aprendizaje. La participación conjunta en proyectos de investigación y extensión brindan a docentes, investigadores y estudiantes un acercamiento a la realidad, permitiendo aplicar la teoría a situaciones reales, e incrementar el desarrollo de pensamiento crítico.

El desenvolvimiento histórico de las sociedades trae consigo desafíos globales y complejos que los profesionales en ingeniería deben afrontar, por tanto, es responsabilidad social de las universidades brindar contextos de aprendizaje que promuevan evolución en la manera de adquirir conocimientos, permeada por competencias transversales a la profesión.

Esta duodécima edición de la Revista ITECKNE recoge nueve artículos de investigación y un estudio de caso, en las áreas de la Ingeniería y Ciencias Básicas. El Comité Editorial de la Revista ITECKNE agradece a la comunidad académica la confianza depositada en la publicación. El propósito del equipo editorial y árbitros es continuar fortaleciendo la apertura de la publicación a contextos internacionales.

Ing. Yudy Natalia Flórez Ordoñez [email protected]

Editor

Recibido: 25/07/2014/ Aceptado: 01/12/2014/ ITECKNE Vol. 12 Número 1 • ISSN 1692 - 1798 • ISSN Digital 2339-3483 • Junio 2015 • 7 - 16

students, allowing break the space, time and cost to experiment with real systems and barriers and promote training in virtual environments is concluded learning

Keywords– Production Management and Operations, Model Decision Process Teaching / Learning, Simula-tion, Bioethanol Production System.

1. INTRODUCCIÓN

Este trabajo reporta el desarrollo de un mo-delo de decisión de soporte a un sistema de pro-ducción de bioetanol (a partir de caña de azúcar) apoyado en simulación, mediante el cual se con-trolan variables de decisión relacionadas con la GPO, que afectan el desempeño del sistema, en términos del volumen de producción de bioetanol (en litros) en un periodo de tiempo determinado. El objetivo central es entrenar a estudiantes de ingeniería química en la toma de decisiones en temas relacionados con GPO, empleando el mo-delamiento de sistemas comúnmente abordados en los currículos de ingeniería química. La idea se gesta a partir de indagaciones preliminares que revelan que alrededor del 90% de los estudiantes de esta carrera, en nuestra sede universitaria, en-cuentran dificultades en la enseñanza-aprendiza-je de este tema.

En la actualidad la generación de alternativas energéticas distintas a las ya convencionales, obtenidas principalmente de la explotación del petróleo, ha conllevado al uso de materias pri-

Resumen– El objetivo de este trabajo de investigación fue desarrollar un modelo de decisión para que estu-diantes de Ingeniería Química se entrenen en la toma de decisiones relacionadas con la Gestión de la Producción y las Operaciones (GPO). El modelo está soportado en simulación discreta, y mediante este los usuarios pue-den plantear diferentes escenarios de operación de un proceso típico abordado por la ingeniería química, como lo es la producción de bioetanol a partir de caña de azú-car, y evaluar cómo estos escenarios afectan el nivel de producción. Se espera que el modelo sea utilizado en el entrenamiento de futuros ingenieros químicos en toma de decisiones sobre GPO, para facilitar la experimen-tación con un sistema real mediante su simulación. Se concluye la importancia del uso de la simulación en los procesos formativos, mediante modelos y herramientas construidos entre docentes y estudiantes, que permitan romper con las barreras espaciales, temporales y de costo al experimentar con sistemas reales y así fomen-tar la formación en ambientes virtuales de aprendizaje.

Palabras clave– Gestión de la producción y operacio-nes, modelo de decisión, proceso enseñanza-aprendiza-je, simulación, sistema de producción de bioetanol.

Abstract– The objective of this research was to deve-lop a decision model for chemical engineering students are trained in making decisions related to the Manage-ment of Production and Operations (GPO). The model is supported in discrete simulation and through this, users can pose different scenarios of operation of a typical process addressed by the chemical engineering, such as the production of bioethanol from sugarcane and eva-luate how these scenarios affect production level. Model is expected to be used in the training of future chemical engineers in making decisions about GPO, facilitating experimentation with a real system by simulation. The importance of the use of simulation in training proces-ses, using models and tools built between teachers and

Modelo de entrenamiento en toma de decisiones relacionadas con gestión de producción y operaciones de un sistema de fabricación

de bioetanol

Model training decisions relating to production and operations management system of making bioetanol

Jhonathan Mauricio Vargas-BarbosaM. Sc (c) Ingeniería Industrial,

Universidad Nacional de ColombiaManizales, Colombia

[email protected]

Jaime Alberto Giraldo-GarcíaPh. D. Ingeniería-automatización Industrial,

Universidad Nacional de ColombiaManizales, Colombia

[email protected]

ITECKNE Vol. 12 Número 1 • ISSN 1692 - 1798 • ISSN Digital 2339 - 3483 • Junio 2015 • 7 - 168

mas naturales en la fabricación de los llamados biocombustibles, entre los cuales se destaca el bioetanol. Para Sánchez et al. [1] la produccion de energías renovables ha surgido a raíz de la necesi-dad de proteger el medio ambiente, preservar los recursos, tanto renovables como no renovables y maximizar el potencial de uso de productos agrí-colas, y en especial, de los subproductos que es-tos generan al someterlos a distintos procesos agroindustriales, cuya disposición final es un gran problema ambiental.

El proceso para la producción de etanol por vía fermentativa o bioetanol tiene dos etapas fun-damentales: la fermentación y la destilación [2]. Vázquez y Dacosta [3] definen la fermentación como una bioreacción que permite degradar azú-cares en alcohol y dióxido de carbono. Geanko-plis [4] considera la destilación como un método de separación de componentes de una solución líquida, la cual depende de la distribución de los componentes entre una fase de vapor y una fase líquida. En la Fig. 1 se muestra un diagrama sim-plificado del proceso de producción de bioetanol cuyas etapas fundamentales son la fermentación y la destilación.

Pero además de considerar los aspectos téc-nicos del proceso, estos sistemas requieren ser gestionados apropiadamente para alcanzar los niveles de producción deseados. La GPO busca continuamente la construcción y sostenibilidad de las capacidades competitivas de la unidad em-presarial, lo que implica la comprensión del rol de todas las funciones organizacionales y en espe-cial la de producción como función clave dentro del quehacer empresarial, y su contribución para enfrentar los actuales condicionamientos del en-torno [5]. Según la legislacion del Congreso de la República de Colombia [6], se define la profesión de ingeniería química como “la aplicación de los conocimientos y medios de las ciencias físicas, químicas y matemáticas, en el análisis, diseño, dirección, supervisión y control de procesos de transformacion de materias primas en productos terminados”, lo cual evidencia una relacion direc-ta entre la GPO y la ingeniería química.

Para entender esta relacion se requiere cono-cer de manera cuantificada el aspecto operativo del sistema por gestionar. La Fig. 2 muestra un esquema operacional básico de flujos de material de un sistema de producción de bioetanol en par-

ticular. A partir de un flujo de caña de 1000 kg/hora, el cual para su lavado requiere 5000 l/hora de agua para remover las impurezas que podrían contaminar los jugos azucarados en la fermenta-ción. La caña debe pasar por un proceso de mo-lienda en el que se extraen los jugos azucarados y como subproducto se obtiene bagazo, el cual en muchas plantas es utilizado para la generación de energía mediante la combustión. Se estima que por cada kilogramo de caña, el 73% representa los jugos azucarados. A estos jugos se les debe agregar algunos nutrientes y sustancias químicas para adecuar las condiciones para la fermentación donde los microorganismos digieren los azucares y los transforman en etanol; al producto de la fer-mentación se le conoce como mosto. Este último contiene etanol y otras sustancias, por tanto, es necesario separar el producto de interés (etanol) de los subproductos contaminantes, por ello se pasa esta mezcla por dos etapas de destilación. La primera separa el etanol del resto de sustan-cias hasta una concentración alrededor del 95% en volumen, el cual representa el punto azeótropo (máxima concentración de etanol en condiciones normales). Luego, se pasa a la segunda etapa de destilación donde se modifican las condiciones de temperatura y presión para obtener un pro-ducto 100% puro. Como subproducto de la des-tilación se obtienen vinazas las cuales contienen gran cantidad de materia orgánica que debe ser tratada antes de ser vertida en los afluentes. Se estima que por cada litro de etanol producido se obtienen alrededor de 9.7 litros de vinazas, las cuales representan un problema ambiental al no ser tratadas como corresponden.

Estos sistemas en el mundo real consideran múltiples maquinas/equipos, áreas de almace-namiento, recursos de transporte, diversos flujos de información y material, procedimientos y reglas de control, entre otros. Cuando estos se modelan debe procurarse representar gran parte de su es-tructura y comportamiento (lo que le da robustez al modelo), si se quieren tener modelos válidos del sistema. Con las herramientas de simulación se pueden desarrollar modelos robustos que se acercan a la realidad estudiada, cuestión que no pasa con otras herramientas de soporte a la toma de decisiones, tales como: la programación lineal o algunos métodos de solución analítica como el cálculo (diferencial e integral) y el álgebra, entre

9Modelo de entrenamiento en toma de decisiones relacionadas con gestión de producción y operaciones de un sistema de fabricación de bioetanol - Vargas, Giraldo

otros [7]. El uso de simulación está relacionado con la complejidad de los sistemas estudiados, haciendo intervenir variables controlables y no controlables, con características estocásticas y alta interdependencia entre componentes, mien-tras que con el uso de otras herramientas mate-máticas se deben proponer algunas hipótesis de simplificación, las cuales alejan el sistema estu-diado de su realidad.

Dado que el sistema para gestionar presenta comportamiento estocástico y alta interdependen-cia, Kelton y Law [7], Banks et al. [8] y Shannon [9] están de acuerdo con lo que se ha de considerar el modelamiento de sistemas complejos median-te simulación si:• No existe una formulación matemática del

problema

• Las técnicas analíticas están disponibles, pero los procedimientos matemáticos son tan complejos y difíciles que la simulación propor-ciona un método más simple de solución.

• Se desea observar el comportamiento simu-lado del sistema sobre un periodo de tiempo.

• Se requiere la aceleración del tiempo para sis-temas que exigen más tiempo para realizarse.

En la literatura se ofrecen muchas metodolo-gías aceptadas para la construcción de modelos y estudios con simulación. Giraldo [10], uno de los autores, en su libro plantea una adaptación a las metodologías propuestas por Banks et al. (2009), Kelton y Law (2007) y Harrell et al. (2004), entre otros. Esta adaptación metodológica se empleó en el desarrollo del modelo de simulación que se describe adelante.

Fig. 1. ESQUEMA SIMPLIFICADO DE PRODUCCIÓN DE BIOETANOL A PARTIR DE CAÑA DE AZÚCAR

Fuente: autores, a partir de la observacion directa en un sistema real.

Fig. 2. ESQUEMA BÁSICO DE UN SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE BIOETANOL

Fuente: autores, a partir de la observacion directa en un sistema real.


Finalmente, al hacer un corto sondeo en la lite-ratura especializada sobre simulación de sistemas de producción de bioetanol, se encuentra que auto-res como [11], [12] y [13] entre muchos otros, han realizado trabajos enfocados a la simulación de procesos de producción de bioetanol por diferen-tes medios. [11] hace un análisis de las tecnologías existentes para la obtención de etanol a partir de dos materias primas (maíz y caña de azúcar), rea-liza una simulación y valida los datos con procesos reales. Para finalizar, concluye que la simulación es una herramienta muy importante, ya que reduce costos, minimiza tiempo y permite una experimen-tación más amplia en los bioprocesos. Aunque [11] expresa las ventajas de la simulación en procesos industriales como la producción de bioetanol, no propone utilizar esta herramienta como ayuda di-dáctica. En su estudio, [12] utilizó la simulación como herramienta para estimar algunas propieda-des fisicoquímicas de las materias primas, obtener resultados del funcionamiento de la planta y esti-mar los costos energéticos. Aunque este estudio propone un proceso alterno para la obtención de bioetanol, la simulación no es utilizada con fines pedagógicos. [13] en su tratado hace un análisis de la producción de etanol por hidratación de etileno. Como otros autores, [13] utiliza la simulación para obtener resultados del funcionamiento del proce-so propuesto, estimar costos y proponer mejoras. Aunque los modelos de simulación propuestos por los autores [11], [12] y [13] entre otros, son muy útiles para el diseño y mejora de procesos, estos no están enfocados como herramientas didácticas que ayuden a los estudiantes al entrenamiento en temas relacionados con la GPO.

Motivados por lo antes expuesto, en este artí-culo se presenta un modelo de decisión soporta-do en simulación como herramienta de entrena-miento en GPO, con el fin de que estudiantes de ingeniería química estén preparados en el ámbito laboral al momento de tomar decisiones en su desempeño profesional.

2. DESARROLLO METODOLÓGICO

2. 1 Detección de dificultades en los procesos de enseñanza-aprendizaje en GPO

El aumento de estudiantes y profesionales de ingeniería química que han cursado tanto la Es-

pecialización en Dirección de Producción y Opera-ciones como la Maestría en Ingeniería Industrial (programas ofrecidos por el Departamento de In-geniería Industrial de nuestra Universidad), mues-tran la necesidad de abordar temas referentes a la GPO en el programa de Ingeniería Química. Prueba de ello es que para el 2013 se registra-ron 33 estudiantes en los posgrados referidos, los cuales son ingenieros químicos o estudiantes de Ingeniería Química que asisten a estos posgrados como opción de grado.

Para el estudio de las dificultades en los pro-cesos de enseñanza-aprendizaje de la GPO para ingenieros químicos se proponen 4 categorías de variables causa-efecto, a incluir en los instrumen-tos de recolección de datos, las cuales exploran los procesos formativos desde diferentes puntos de vista [14].• Prácticas en los procesos de enseñanza-

aprendizaje de GPO TIC.• Contexto académico en los procesos de ense-

ñanza-aprendizaje.• Características de las actividades de ense-

ñanza-aprendizaje basadas en TIC.• Presencia o ausencia de las TIC.

Se aplicaron encuestas a estudiantes y egre-sados del programa de Ingeniería Química de la Universidad Nacional de Colombia sede Maniza-les, en la que se encontró que para una muestra preliminar de 26 egresados y 17 estudiantes del programa, en función de las categorías citadas, el 77% de los estudiantes encuestados conside-ran necesario el uso de las TIC en los procesos de enseñanza-aprendizaje y específicamente en temas referentes a la GPO y enfocando estos procesos formativos al uso de casos de estudio soportados con TIC. En el instrumento aplicado a los egresados, este grupo resalta la falencia que encontraron en sus procesos formativos, donde las TIC no hicieron parte fundamental en el aprendizaje de la GPO. El 77% de los encues-tados consideran que las TIC en su pregrado no aportaron a la preparación y desempeño en te-mas referentes a la GPO. También, se encuen-tra que el 85% de los egresados encuestados ha considerado profundizar en temas referentes a la GPO, ya sea por interés propio o porque en su campo laboral han encontrado la necesidad de profundizar en dichos temas. Igualmente, el


100% de los egresados consideran importante el uso de las TIC como soporte en sus procesos formativos, de los cuales el 62% considera que las herramientas y temas vistos no están enfoca-dos al contexto colombiano. Por otra parte, todos los estudiantes encuestados consideran que el uso de las TIC aporta a los procesos formativos. También en diálogos sostenidos con egresados del programa se ha evidenciado la necesidad e importancia de temas como la distribución en planta, localización, planeación y programación de la producción entre otros temas, para su de-sarrollo profesional.

Tanto los egresados como los estudiantes destacan entre las muchas características de las TIC, el amplio acceso a la información, la no existencia de barreras espaciales para acceder al proceso formativo, la interacción virtual entre diferentes sujetos involucrados en los procesos

de enseñanza-aprendizaje y la facilidad para ac-ceder a la información desde cualquier lugar y en cualquier momento. Ahora, desde la enseñanza, los docentes del programa de Ingeniería Quími-ca recalcan también la importancia de la GPO en el ámbito profesional, considerando importante abordar los procesos de enseñanza-aprendizaje soportados en TIC y contextualizando el conoci-miento en el ámbito nacional y regional (para ver los resultados de las encuestas, visitar el sitio http://modelogpoeniq.wordpress.com/).

2. 2 Conceptualización del modelo de decisión

El planteamiento del modelo de decisión se describe en (1) cuyas variables de decisión xi presentan una relación lógico-matemática con la variable respuesta y descrita por la función f(xi). Los componentes de entrada/salida del modelo se describen en la Tabla I.

TABLA I.

COMPONENTES ENTRADA-SALIDA DEL MODELO DE DECISIÓN

Variable Descripción de la variable Unidad de medida

X1 Coordenada x zona de almacenamiento de caña Metros (m)

X2 Coordenada y zona de almacenamiento de caña Metros (m)

X3 Coordenada x zona de lavado de caña Metros (m)

X4 Coordenada y zona de lavado de caña Metros (m)

X5 Coordenada x zona de almacenamiento de bagazo Metros (m)

X6 Coordenada y zona de almacenamiento de bagazo Metros (m)

X7 Capacidad molienda Kilogramos (Kg)

X8 Capacidad zona lavado de caña Kilogramos (Kg)

X9 Tiempo de molienda según distribución de probabilidad Horas (h)

X10 Tiempo lavado de caña según distribución de probabilidad Horas (h)

y Variable respuesta, producción de etanol en un periodo de tiempo dado Litros (L)

f(xi) Modelo de simulación

Se tiene que las variables X1 a la X6 son coorde-nadas en un plano cartesiano y las variables X7 a la X10 representan parámetros de operación de las zonas de molienda y lavado de caña, cuyos valo-res pueden ser determinísticos o aleatorios.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Para Fredes et al. [15], la simulación al propi-ciar un ambiente virtual puede ser una herramien-ta muy útil al momento de situar a los estudiantes en escenarios prácticos, que para el caso lo cons-

tituye la toma de decisiones en GPO, ya que pue-den acceder a modelos de sistemas productivos reales y modificar algunas condiciones de opera-ción, las cuales en el mundo real no lo pueden hacer, por razones que van desde el costo hasta el riesgo de ser sancionados ante pobres decisio-nes. En la misma vía, López y Saiegg [16] señalan que se puede utilizar la simulación de eventos dis-cretos en los procesos de aprendizaje como una herramienta de experimentación, mejorando la forma en que los alumnos aprenden, permitiendo a estos trabajar con sistemas complejos y que


difícilmente puedan ser estudiados de forma di-recta.

Consecuente con lo antes expuesto, se desa-rrolló un modelo de decisión basado en simula-ción discreta (ver su representación gráfica en la Fig. 3 y conceptual en la Fig. 4) como herra-mienta de soporte al proceso enseñanza-apren-dizaje de la GPO empleando el software de si-mulación Flexsim. El empleo de este software obedece a que es un programa de simulación que ha tenido una constante y rápida evolución

(una nueva versión en promedio cada 2 años), además de permitir el modelamiento discreto-fluido de forma completamente gráfica. Me-diante el modelo de simulación desarrollado se permite al usuario final ingresar los valores de las variables de decisión Xi , evaluar cómo se comporta el sistema y cómo estas variables de decisión afectan la producción de bioetanol. Los valores de las variables de decisión son in-gresadas empleando la interfaz gráfica de usua-rio mostrada en la Fig. 5.

Fig. 3. REPRESENTACIÓN GRÁFICA DEL MODELO DE SIMULACIÓN

Fuente: autores.

Fig. 4. REPRESENTACIÓN CONCEPTUAL DEL MODELO DE SIMULACIÓN

Fuente: autores a partir de simbología propuesta por Flexsim Inc.


Fig. 5. INTERFAZ GRÁFICA DE INTERACCIÓN USUARIO Y MODELO DE SIMULACIÓN

Fuente: autores.

Con el fin de exhibir las potencialidades del modelo de decisión, se plantean 4 escenarios que se muestran en la Tabla II. Las coordenadas x, y son relativas al punto (0,0) mostrado en la Fig. 3 y los valores de las demás variables de decisión se dan en las unidades de medida referenciados en la Tabla I. Los tiempos de molienda y lavado de caña se muestrean según una distribución de probabilidad normal (al ser posible utilizar otra distribución de probabilidad). Cabe destacar que la posibilidad de escenarios es tan grande como las que imagine el experimentador. Los resultados de la experimentación de estos 4 escenarios se pueden ver en la Fig. 6. Los datos en los que se basan los gráficos pueden ser consultados en el sitio http://modelogpoeniq.wordpress.com/.

La Fig. 6, el gráfico 1 muestra claramente que los escenarios 2 y 4 alcanzan el más alto nivel de producción de bioetanol, mientras que los esce-narios 1 y 3 son los peores. El gráfico 2 muestra el comportamiento del nivel de producción de etanol a través del tiempo. Dada la robustez de los mo-delos de simulación discutida anteriormente, es posible que el usuario obtenga otras mediciones del desempeño del sistema. Así, por ejemplo, el gráfico 3, muestra que los escenarios 2 y 4 son los que logran una mayor tasa de utilización de la zona de molienda y el gráfico 4 señala que en los escenarios 1 y 3 el transportador recorre mayores distancias.

Parte de la robustez del modelo de simula-ción desarrollado se refleja en el modelamiento de algunas variaciones no controlables como las paradas de los transportadores de caña, las cua-les presentan un carácter aleatorio tanto por fre-cuencia de ocurrencia como duración. También se modelan ocurrencias como paradas totales de la planta para mantenimiento, estas paradas tienen una mayor duración y afectan la producción total de bioetanol. El modelo se desarrolló con estas condiciones, pues se busca representar fielmente el proceso productivo real. Los lectores que estén interesados en conocer y descargar el modelo de simulación desarrollado lo pueden hacer del sitio: http://modelogpoeniq.wordpress.com/

Con fines de experimentación, se utiliza una longitud de corrida de 720 horas (1 mes), pudien-do el usuario modificar esta longitud de corrida según sus propios criterios. En pruebas prelimina-res se evidencia un periodo de calentamiento de 100 horas donde el sistema comienza a presentar una variación estable en los resultados. Se reali-zan 5 réplicas por escenario planteado para una simulación piloto, esto con el fin de conocer la va-riabilidad de los resultados del modelo. Con los valores recolectados se puede proponer un núme-ro de réplicas según el nivel de confianza con el que se diseñen cada una de las experimentacio-nes tal como lo expresa Giraldo [10].


En síntesis, los resultados de la simulación muestran cómo para los escenarios planteados las variables de decisión relacionadas con la dis-tribución en planta tienen un gran efecto en la va-riable resultado, esto se corrobora con el gráfico 4 de la Fig. 6, en el cual los escenarios que pre-

sentaron menor desplazamiento son los mismos escenarios donde la producción de bioetanol es mayor.

Con el fin de que el lector vea otros resultados y compruebe de nuevo la robustez del modelo, en el sitio http://modelogpoeniq.wordpress.com/

TABLA II.

ESCENARIOS DE SIMULACIÓN PLANTEADOS

Escenario 1 Escenario 2 Escenario 3 Escenario 4X Y X Y X Y x y

Almacenamiento caña -70 0 -46 0 -70 0 -46 0Lavado caña -54 0 -45 2 -54 0 -45 2Acopio bagazo -34 -20 -44 -2 -34 -20 -44 -2Capacidad molienda 1000 1000 1000 1000Capacidad lavado de caña 1000 1000 2000 2000

Tiempo moliendaDist. normalMedia 1 hDesv. 0.1 h

Dist. normalMedia 1 hDesv. 0.1 h



Tiempo lavado de cañaDist. normalMedia 1 hDesv. 0.1 h




Fig. 6. RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN DE 4 ESCENARIOS A 5 RÉPLICAS

Fuente: autores.


encontrará los resultados de simular otros 4 esce-narios que miden el desempeño en términos de producción de bioetanol, tasa de utilización de la zona de lavado de caña y el transportador. Ade-más, en el sitio referenciado, mediante el enlace Encuesta de Satisfacción, los estudiantes pueden calificar su experiencia en el uso del modelo en términos de: comprensión del modelo, aporte a su formación, cumplimiento de expectativas, en-tre otros.

4. CONCLUSIONES

La cualidad más importante del modelo de-sarrollado es la posibilidad de representar la alta variabilidad e interdependencia de los sistemas, como el de producción de bioetanol. Como se pudo comprobar, esta variabilidad se representó muestreando tiempos de proceso con distribucio-nes de probabilidad. La interdependencia se re-presentó incluyendo del sistema real sus compo-nentes principales y comportamiento entre estos.

El modelo de decisión desarrollado permite a los estudiantes de Ingeniería Química entrenarse para la toma de decisiones en temas relacionados con la GPO, dado que la simulación permite expe-rimentar con una abstracción de un proceso real sin afectarlo ni correr con los riesgos y costos que esto conlleva.

Dado la robustez del modelo planteado, un estudio y análisis con otras herramientas, tales como la programación lineal (la cual supone que el comportamiento del mundo real es lineal), ge-neraría resultados alejados de la realidad.

Igualmente, es posible con los resultados de producción de bioetanol efectuar análisis de va-rianza (ANOVA), a fin de determinar estadística-mente que variables de decisión tienen un impacto importante en el nivel de producción de bioetanol. Dado el alto volumen de escenarios posibles (210), se sugiere emplear diseños fraccionados, según se considera en diseño experimental 2k.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen a la Universidad Na-cional de Colombia Sede Manizales, a través de la Dirección de Investigaciones (DIMA) y al De-partamento de Ingeniería Industrial por su apoyo institucional al desarrollo de esta investigación (proyecto: Modelo de soporte al proceso ense-

ñanza-aprendizaje de la gestión de la producción y operaciones basado en TICS. Aplicación al pro-grama de Ingeniería Química, Código Hermes: 21817) el cual hace parte de la tesis de Maestría del coautor Jhonathan M. Vargas.

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Resumen– Este artículo presenta la aplicación de un sistema de captura de gestos con el fin de manipular dos robots quirúr-gicos virtuales. El sistema de captura de gestos se realiza por medio de un dispositivo Kinect, el cual detecta el movimiento de las manos del usuario con el fin de mover los robots quirúr-gicos, y de su rodilla derecha, utilizada para cambiar los ins-trumentos quirúrgicos de cada robot. Este sistema de captura con interfaz natural se prueba en un simulador quirúrgico para operaciones de laparoscopia, el cual consta de un robot porta endoscopio que se manipula con un joystick, y los dos robots quirúrgicos cuyos órganos terminales son guiados a partir de las señales captadas por el dispositivo Kinect, las cuales son transformadas en movimientos articulares de los robots debido al modelo cinemático. El sistema se prueba en una rutina de extracción de vesícula (colecistectomía) robotizada, permitien-do al usuario un mejor manejo gracias al uso de esta interfaz natural.

Palabras clave– Dispositivo Kinect, interfaces naturales, ro-bots quirúrgicos, simuladores quirúrgicos.

Abstract– This article presents a gesture capture system for manipulating two virtual surgical robots. Gesture capture uses Kinect device to detect the movement of the user´s hand to move the surgical robots, and his right knee to change the needed surgical tools. This natural interface capture system is proved on a surgical simulator for laparoscopic, that has a holder endoscopic robot manipulated by a joystick, and two sur-gical robots that are guided by the Kinect device. Kinematics model is used to transform Kinect captured signals to articular movements for the robots. System is tested on a robotic chole-cystectomy, allowing a more natural manipulation to the user.

Keywords– Kinect device, natural interfaces, surgical robots, surgical simulator.

1. INTRODUCCIÓN

La cirugía laparoscópica ha significado una im-portante revolución en la práctica quirúrgica. Ini-ciada hace casi tres décadas, esta permite operar en la zona abdominal sin necesidad de grandes aberturas. El procedimiento consiste en abrir tres o cuatro pequeños orificios en el abdomen del paciente, uno de los cuales lleva un endoscopio o cámara que transmite a los cirujanos el video del interior del abdomen, mientras que por los restantes se introducen los instrumentos quirúrgi-cos, con el fin de realizar la operación [1], [2]. Las ventajas de la laparoscopia son evidentes: menor trauma para el paciente, menor tiempo de recu-peración, menor dolor, menor uso del sistema de salud y menores cicatrices. Sin embargo, aunque el paciente ha ganado muchísimo, para el ciruja-no ha significado un gran reto. Esto se debe a la difícil posición que él debe asumir durante toda la intervención (codos levantados) que genera fá-cilmente temblor en sus manos, a la difícil coordi-nación ojo-mano, ya que los instrumentos deben pasar por un punto fijo (trocar) en el abdomen, a la pérdida de visión en tres dimensiones y, en general, al complejo entrenamiento al que debe someterse un cirujano debutante en este tipo de prácticas.

Sistema de captura de gestos con KINECT para la manipulación de robots quirúrgicos virtuales

Gesture KINECT capture system for virtual surgical robots manipulation

Juan Diego Hurtado-ChavesIng. en Automática Industrial.

Universidad del Cauca. Popayán, Colombia

[email protected]

Alex Aldemar Nástar-GuacalesIng. en Automática Industrial.


[email protected]

Oscar Andrés Vivas-AlbánPh. D. en Robótica,


[email protected]

18 ITECKNE Vol. 12 Número 1 • ISSN 1692 - 1798 • ISSN Digital 2339 - 3483 • Junio 2015 • 17 - 24

La tecnología ha venido produciendo solucio-nes a estos nuevos desafíos, principalmente con los robots asistentes, quienes ayudan al cirujano a realizar su intervención eliminando gran parte de los inconvenientes nombrados anteriormente. Los mayores exponentes de esta tecnología son el robot Zeus [3] (discontinuado desde 2003), y el robot Da Vinci [4]. Para el caso de este últi-mo, el cirujano está cómodamente sentado so-bre una consola manejando dos dispositivos tipo joystick, por medio de los cuales manipula los tres o cuatro brazos del robot Da Vinci, el cual puede hallarse en la misma habitación o a ki-lómetros de distancia. A pesar de su costo, que está cerca al millón de dólares, este robot ha al-canzado bastante popularidad, con más de mil quinientas unidades en uso en el mundo entero, entre ellas 13 en Latinoamérica [5].

Poco después de la aparición de los robots asistentes quirúrgicos surgieron los simulado-res quirúrgicos, es decir, complejos sistemas software cuyo fin era ayudar a los cirujanos en el entrenamiento de las nuevas técnicas quirúr-gicas robotizadas [6]. Existen muchos tipos de simuladores quirúrgicos, que van desde los si-muladores físicos (en donde el cirujano se entre-na frente a una maqueta real) [7], [8], hasta las complejas versiones comerciales exhibidas en [9], [10]. Los simuladores o entrenadores quirúr-gicos se han convertido en un dinámico campo de investigación dada la importancia que han ido adquiriendo en la práctica quirúrgica, no obstan-te, la compleja tarea que implica programar en ellos procedimientos con gran realismo (defor-mación de órganos, sangrado, humo producto de cauterizaciones, entre otros) requiere importan-tes recursos del computador.

La Universidad del Cauca ha incursionado en este campo desde hace algunos años; diseñó un primer robot quirúrgico llamado Lapbot [11] y un primer robot porta endoscopio llamado Hibou [12]. Con base en ellos se construyó en 2013 un simulador quirúrgico con el fin de que los inge-nieros interesados en la robótica quirúrgica pu-dieran comprender y probar estos robots en un procedimiento de colecistectomía (extracción de la vesícula biliar). Este simulador, llamado Robo-Surgery [13] permite manipular estos robots por medio de un dispositivo joystick.

Aun así el manejo de robots o instrumentos quirúrgicos por medio de un joystick no es una tarea sencilla. Es por eso que el uso de interfa-ces naturales, tecnología reciente que ha venido despertando gran interés en los últimos años, se perfila como una nueva vía de manipulación y, por ende, de entrenamiento de estos robots asis-tentes. El presente artículo muestra el funciona-miento del software RoboSurgery para manipula-ción de dos robots quirúrgicos virtuales, pero en este caso comandados por los movimientos de las manos del usuario, captados por medio de un dispositivo Kinect.

2. SOFTWARE DE SIMULACIÓN ROBOSURGERY

El software de simulación quirúrgica Robo-Surgery involucra dos tipos de robots. Primero, el robot porta endoscopio Hibou, diseñado para soportar la cámara o endoscopio en el interior del abdomen del paciente. Este robot posee siete gra-dos de libertad, con todas sus articulaciones rota-cionales, de las cuales cinco poseen motor y dos son articulaciones fijas. Las articulaciones fijas permiten mantener un punto fijo sobre la cavidad abdominal, punto por donde pasarán los instru-mentos quirúrgicos, el cual es llamado trocar. Una figura de la arquitectura del robot Hibou se mues-tra a continuación.

Fig. 1. ARQUITECTURA ROBOT HIBOU

Fuente: autores.

19Sistema de captura de gestos con KINECT para la manipulación de robots quirúrgicos virtuales - Hurtado, Nástar, Vivas

El otro robot involucrado es el robot Lapbot, robot quirúrgico propiamente dicho. Este robot posee nue-ve grados de libertad, con seis articulaciones activas o motorizadas y tres articulaciones pasivas. La Fig. 2 muestra la arquitectura de este robot, en la que se aprecia que la primera articulación es prismática mientras las demás son de tipo rotacional.

Fig. 2. ARQUITECTURA ROBOT LAPBOT

Fuente: autores.

RoboSurgery permite realizar dos tipos de inter-venciones en el abdomen del paciente. Primero, una laparoscopia diagnóstica, donde solo actúa el robot porta endoscopio Hibou, el cual es manipulado por el usuario utilizando para ello un joystick. El software posee una cámara virtual que muestra en todo mo-mento el interior de la cavidad abdominal, imagen que cambia a medida que el usuario mueve el joys-tick (Fig. 3). La otra intervención y más completa es la laparoscopia quirúrgica, en la que actúan tres ro-bots: un robot porta endoscopio Hibou, que enfoca el área a ser operada; y dos robots Labpot que portan los instrumentos quirúrgicos necesarios (bisturí, gra-padora, pinzas). El software permite realizar paso a paso la extracción de una vesícula enferma (colecis-tectomía), la cual se verá en la sección siguiente.

Fig. 3. LAPAROSCOPIA DIAGNÓSTICA EN ROBOSURGERY

Fuente: autores.

3. DISPOSITIVO KINECT Y SU INTERACCIÓN CON ROBOSURGERY

El Kinect es un dispositivo periférico desarro-llado en 2010 por Microsoft para la consola de juego Xbox 360, el cual ha dado gran impulso a las interfaces naturales de usuario [14]. El dispo-sitivo Kinect utiliza una cámara capaz de medir distancias, leer cuerpos y reconocer sus gestos, y un chip capaz de procesar datos de profundidad a 30 imágenes por segundo. Su diseño se sopor-ta en un vástago horizontal de 23 centímetros de largo, donde se ubican los sensores, reposando sobre una base rectangular con un eje de rotación (Fig. 4). Es de notar que aunque este dispositivo fue el primero en salir al mercado, actualmente esta tecnología está en plena expansión con va-rias propuestas comerciales de otros fabricantes cuyos productos compiten con el Kinect.

Fig. 4. COMPOSICIÓN DEL SENSOR KINECT

Fuente: página web Microsoft [http://www.microsoft.com/en-us/kinect-forwindows/]

Desde su lanzamiento el dispositivo Kinect ha generado muchas expectativas en cuanto al uso de una interfaz natural para interactuar con el mundo real o simulado. Los primeros usos de este dispositivo para tareas ajenas a su concepción ini-cial de instrumento para video juegos, se dieron en sistemas de reconocimiento de gestos de manera general ([15], [16], [17], [18]). Posteriormente se empezó a utilizar el dispositivo en diversas aplica-ciones, entre ellas la replicación de movimientos en robots ([19], [20]), la rehabilitación de pacien-tes [21], [22] y, finalmente, su uso como interfaz natural para el control de dispositivos quirúrgicos, como el caso del uso del Kinect para reconocer un protocolo de gestos en la inserción de guías dentro del paciente [23]; la evaluación del mismo dispositivo como generador de movimientos en un


simulador quirúrgico [24], o el uso del Kinect para el reconocimiento de un protocolo de gestos en una biopsia cerebral [25]. El mayor aporte de este proyecto es la utilización del Kinect para mover dos robots quirúrgicos en operaciones de laparoscopia.

En este proyecto se realizó la integración del software de simulación quirúrgica RoboSurgery con el dispositivo Kinect, con el objetivo de que los dos robots quirúrgicos Lapbot fueran manipulados por el movimiento de las manos del usuario. El es-quema general del sistema se muestra en la figura (Fig. 5), donde puede verse que el robot porta en-doscopio Hibou es manipulado por el joystick para mover y fijar la imagen de la cámara en el interior del paciente, mientras que los dos Lapbot serán movidos por las manos del usuario captadas a tra-vés del dispositivo Kinect. Fig. 5. COMPONENTES DEL SISTEMA DE CAPTURA DE MOVIMIENTOS CON

KINECT

Fuente: autores.

RoboSurgery fue implementado en C++ sobre la plataforma Visual Studio. Utilizó las librerías de código abierto QT para la confección de botones y VTK para el renderizado gráfico, además de otros programas de libre uso como Blender, CMake, Make Human, GIMP y SDL [13]. Sobre este progra-ma se construyó la funcionalidad que debía incluir el uso del Kinect para interactuar con el progra-ma. Aunque existen varias opciones para realizar esto se utilizó el SDK de Windows, versión 1.6, con el fin de enlazar el simulador quirúrgico con el dispositivo, bajo la plataforma Visual Studio 2010.

3. 1 Pruebas y calibración del sistema

Para conocer el funcionamiento del Kinect dentro del lenguaje de programación C++, se rea-lizaron una serie de pruebas extrayendo las coor-denadas x, y, z de la mano derecha en diferentes

movimientos. Estos movimientos realizados en el espacio cartesiano fueron convertidos al espacio articular del robot mediante el modelo geométrico directo de este, y de ahí pasados directamente al movimiento de cada articulación de los robots en la herramienta. Con los datos guardados en un archi-vo de texto se procedió a graficar y analizar estos movimientos en Matlab. Inicialmente se realizaron líneas rectas de aproximadamente 0.5 metros de largo, utilizando para ello un vidrio marcado como guía (Fig. 6). Luego, se siguió un círculo de 0.2 me-tros de radio (Fig. 7) sobre los tres planos, y se ob-tuvo el respectivo error cartesiano. Como ejemplo se muestra la figura obtenida con la consiga circu-lar (Fig. 8) y su respectivo error cartesiano en el pla-no YZ (Fig. 9). Estas pruebas permitieron configurar el dispositivo y calibrar el sistema, escalando las medidas tomadas de forma real al ambiente más reducido del simulador quirúrgico.

Fig. 6. SEGUIMIENTO Y CAPTURA DE DATOS SOBRE UNA LÍNEA RECTA

Fuente: autores.

Fig. 7. SEGUIMIENTO Y CAPTURA DE DATOS DE UN CÍRCULO EN EL PLANO YZ

Fuente: autores


Fig. 9. ERROR CARTESIANO OBTENIDO EN EL PLANO YZ

Fuente: autores.

Fig. 8. TRAYECTORIA CIRCULAR DESEADA Y OBTENIDA EN EL PLANO YZ

Fuente: autores.

ticas quirúrgicas, lo cual muestra la simplicidad de uso desde el punto de vista del usuario. Para inicializar el programa se levanta la mano iz-quierda con el fin de ingresar al entorno virtual, mientras que los instrumentos utilizados (pinza, bisturí, grapadora) se cambian levantando la ro-dilla derecha (Fig. 10), la cual debe elevarse más de 0.60 metros para que el dispositivo acepte el movimiento.Fig. 10. GESTOS PARA INICIALIZACIÓN DEL SISTEMA Y PARA EL CAMBIO

DE INSTRUMENTOS

Fuente: autores.

Los efectores finales de los dos robots se mue-ven de acuerdo a como se mueven las manos del usuario. La Fig. 11 muestra como al cruzar los bra-zos los efectores finales forman una cruz.

Obsérvese que el error obtenido en la mayor par-te del recorrido de la trayectoria circular generada por la mano es un poco más de un centímetro. Este error tiene dos fuentes bien diferenciadas. Primero, la resolución del dispositivo Kinect, la cual depende de la distancia del usuario al dispositivo, además de que el dispositivo toma como base el centro de la palma de la mano, centro que en ocasiones puede tener ligeras variaciones. Y segundo, al hecho de que los seres humanos no somos capaces de realizar un círculo en el espacio tridimensional con absoluta precisión. No obstante, estas dos fuentes de error al cambiar a la escala del programa RoboSurgery, que es claramente más pequeña, se obtienen buenos re-sultados como se verá en la siguiente sección.

De otra parte, las señales en tres dimensiones captadas por la interfaz natural son convertidas a los movimientos articulares de cada una de las seis articulaciones activas de los robots Lapbot, utilizan-do para ello el modelo cinemático directo. Detalles del cálculo de cada una de las seis ecuaciones que describen este modelo pueden verse en [11].

4. RESULTADOS

El sistema fue probado por los mismos desa-rrolladores, quienes no son expertos en las prác-


Fig. 11. CAPTURA DE LA POSICIÓN EN CRUZ PARA LOS DOS ROBOTS LAPBOT

Fuente: autores.

4. 1 Simulación de una extracción de vesícula utilizando Kinect

La extracción de vesícula (colecistectomía) consta de cinco pasos fundamentales [26], [27]:

a) Exposición del conducto y arteria císticos: procedimiento por medio del cual se tira de la vesí-cula de manera que quede expuesto el tejido que cubre tanto el conducto como la arteria císticos.

b) Disección del triángulo de Calot: se abre el tejido sobre el triángulo de Calot y se exponen tanto el conducto como la arteria císticos.

c) Sección del conducto y la arteria císticos: se colocan clips con una grapadora al inicio y al fi-nal, tanto del conducto como de la arteria císticos, para posteriormente cortar con un bisturí en medio de los clips colocados.

d) Disección de la vesícula del lecho hepá-tico: se separa la vesícula del lecho hepático por medio de un electrocauterio.

e) Extracción de la vesícula biliar: finalmente se extrae la vesícula biliar a través del trocar practi-cado en la cavidad abdominal.

Dado que RoboSurgery en su primera versión no dispone de la funcionalidad de deformación de órganos, el programa solamente tiene imple-mentados los pasos a), c) y e). Estos pasos serán simulados utilizando el dispositivo Kinect para el movimiento de los robots Lapbot.

4.1.1 Exposición del conducto y arteria císticos

Para exponer tanto el conducto como la ar-teria císticos, se lleva el robot Lapbot izquierdo cargado con el instrumento “pinzas” (accionan-do el menú respectivo con la rodilla) y se toma con él la vesícula, órgano en verde, con el fin de dejar expuestos los conductos que van a la vesí-cula (Fig. 12).

4.1.2 Sección del conducto y arteria císticos

Se carga el instrumento “grapadora” en el ro-bot Lapbot derecho (accionando el menú respec-tivo con la rodilla), y se lleva a la arteria con el fin de colocar las respectivas grapas, el programa lo hace de forma automática una vez se detecte la colisión entre la grapadora y el conducto (Fig. 13).

4.1.3 Extracción de la vesícula biliar

Finalmente, se carga el instrumento “bisturí” en el robot Lapbot derecho (accionando el menú respectivo con la rodilla), y se corta el conducto, el cual pasa a color rojo una vez se detecte la res-pectiva colisión. Entonces, con el Lapbot izquier-do, el cual tiene la “pinza”, se jala hacia afuera y la vesícula desaparece (se simula la extracción de ella por el orificio abdominal). Esto se mues-tra en la Fig. 14.

Se observa que el programa RoboSurgery en su primera versión tiene aún muchos aspectos por mejorar (inclusión de los otros dos pasos en la colecistectomía, deformación de órganos, mayor realismo, entre otros), los cuales no eran el objetivo de este trabajo. Sin embargo, dichas mejoras no son incompatibles con la ventaja que ofrece al usuario el uso de esta interfaz natural para mover los robots virtuales en vez de utilizar el joystick.


Fig. 12. TOMA DE LA VESÍCULA BILIAR

Fuente: autores.

Fig. 13. COLOCACIÓN DE GRAPAS EN EL CONDUCTO

Fuente: autores.

Fig. 14. EXTRACCIÓN FINAL DE LA VESÍCULA BILIAR

Fuente: autores.

5. CONCLUSIONES

Este artículo presentó un sistema de captura de gestos utilizando el dispositivo Kinect con el fin de mover dos robots quirúrgicos virtuales en el marco de una operación de extracción de vesícu-la (colecistectomía). El simulador virtual involucra tres robots: un robot porta endoscopio llamado Hibou, y dos robots quirúrgicos llamados Lapbot. Dicho simulador, al cual se le ha dado el nombre de RoboSurgery, permite seguir los pasos básicos de la colecistectomía, utiliza para ello un joystick con el que se manejan los tres robots y se cam-bian los instrumentos necesarios (pinzas, bisturí, grapadora).

Sin embargo, un nuevo dispositivo ha sido adi-cionado con el fin de que el uso del simulador sea más sencillo e intuitivo para el usuario. Se trata del Kinect de Microsoft, con el cual se detecta en tiempo real el movimiento de las palmas de las manos (para mover los dos robots quirúrgicos La-pbot) y una de las rodillas del usuario (para cam-biar los instrumentos utilizados). Las pruebas del sistema se realizaron con personal no médico, evi-denciándose la simplicidad en su manejo. El robot porta endoscopio Hibou se sigue moviendo con el joystick hasta ubicar el área de intervención, mo-mento en el que se deja fijo el endoscopio. Una vez pasada la fase de adecuación del dispositivo al software RoboSurgery, se pudo constatar el correcto funcionamiento de la herramienta junto con el dispositivo Kinect: las manos del usuario reproducen los movimientos necesarios para mo-ver los dos robots y llevar a cabo la extracción de la vesícula, al tiempo que la pierna derecha se uti-liza para cambiar el instrumento que porta cada robot. El error cartesiano del sistema se ubica en poco más de un centímetro, suficiente para una primera versión de un simulador quirúrgico.

Trabajos futuros incluirán los pasos de la co-lecistectomía que no han sido incluidos en Ro-boSurgery, así como la adición de algoritmos de deformación, con el fin de otorgar mayor realismo a la simulación. Además, la prueba del mismo di-rectamente con cirujanos con el fin de apreciar su posible utilidad potencial.

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Abstract– This work presents the study of the flow dis-tribution in a crude oil storage tank of 36.5 m of diame-ter. The tank is equipped with two side-entry impellers placed at 90° and 45° mounting angle. Computational fluid dynamics (CFD) is used to simulate the tank con-ditions with 7.7 m of filling level. In addition, it is per-formed a homogenization time analysis of two different crude oils, for the case of mounting angle of 45°. A two-phase model (Volume of fluid, VOF) is used to simulate the mixing process. The rotation of the impellers is mo-deling by Multiple Frames of Reference (MFR). The phe-nomenon is resolved using the RNG version of the k-ε turbulence model.

Keywords– Side entry impeller, mixing, storage tank, computational fluid dynamics.

Resumen– En este artículo se presenta el estudio de la distribución del flujo en un tanque de almacenamiento de crudo de 36.5 m de diámetro. El tanque está equipa-do con dos agitadores mecánicos de entrada lateral ubi-cados a 90° y 45° de ángulo de montaje. Se emplea la dinámica computacional de fluidos (CFD) para simular las condiciones del tanque a 7.7 m de altura de llenado. Adicionalmente, se realiza el análisis del tiempo de ho-mogenización de dos crudos de diferentes propiedades para el caso de los agitadores a 45°. Se emplea el mo-delo de dos fases (Volume of fluid, VOF) para el proceso de mezclado, la rotación de los agitadores se simula con

múltiples marcos de referencia (MFR) y se resuelve el fenómeno utilizando la versión RNG del modelo de tur-bulencia k-ε.

Palabras clave– Agitadores de entrada lateral, mezcla, tanque de almacenamiento, dinámica computacional de fluidos.

1. INTRODUCTION

Mechanical agitators are used in the oil indus-try in mixing processes and sediment suspension in storage tanks. There are several studies on the process of homogenization and mixing in tanks with vertical top entry agitators including compu-tational analysis and experimental tests. In the case of the horizontal side entry agitators, the stu-dies found are few and are based on the analysis of flow behavior for one or more agitators, which are installed near the bottom of the tank, creating a spiral flow dragging the sediments that have ac-cumulated.

Dakhel and Rahimi [1] analyze the homogeni-zation time of two phases of oil in a storage tank

CFD simulation of mixing process in a large crude oil storage tank with side-entry impellers

Simulación en CFD del proceso de mezcla en un tanque de almacenamiento de crudo de gran escala con agitadores de

entrada lateral

Diana Carolina Hernández-JaramilloIng. aeronáutica. Grupo de Energía y Termodinámica,

Universidad Pontificia Bolivariana.Medellín, Colombia

[email protected]

César Nieto-LondoñoPh. D. Ingeniería. Grupo de Energía y Termodinámica,

Universidad Pontificia Bolivariana.Medellín, Colombia

[email protected]

Nayith Álvarez-SarmientoM. Sc. Ing. química. Ecopetrol S.A., Instituto Colombiano del Petróleo.

Piedecuesta, [email protected]

Rigoberto BarreroIng. químico. Ecopetrol S.A.,

Instituto Colombiano del Petróleo.Piedecuesta, Colombia

[email protected]

Luz Ángela Novoa-MantillaIng. química. Ecopetrol S.A.,

Instituto Colombiano del Petróleo.Piedecuesta, Colombia

[email protected]


of 19000 m3 with a floating roof and a side entry impeller. They used multiple frame of reference model (MFR) to simulate the rotation of the agita-tor, and the renormalization group version (RNG) of k-ε turbulence model for the solution of the con-tinuity and the transport of momentum Reynolds-average Navier-Stokes (RANS) equations. They determined that the predominant flow, which is generated by marine type propellers, is axial. Fluid movement goes from the impeller to the opposite wall, where it is distributed towards the sides and towards the top of the tank to continue the recir-culation.

In a subsequent study, Rahimi [2] analyzes the effect of the location of the agitators in the homo-genization time in the storage tank using 2, 3 and 5 side entry mixers, in different arrangements. To accomplish the study, the continuity and the trans-port of momentum RANS equations were solved with the RNG version of the k-ε turbulence model. The MFR model was used to simulate the agita-tor rotation. The author could observe that when the agitators are located on one side of the tank, the flow streams are mutually reinforcing, this makes the fluid reaches the opposite wall and be distributed axially, circumferentially and radially. If the agitators are located on opposite sides, the flow streams reach each other in the middle of the tank resulting in a high speed region and an upward flow.

In a recent study a characterization of the mi-xing process using side entry agitators is made; Wu [3] employed the Realizable k-ε turbulence model and the MFR approach to simulate the rotation of the agitator; he studied six crude oil mixture cases in cylindrical tanks and a mixing wastewater in a rectangular gap, where the vertical and horizontal inclination angles of the agitator were varied; he concluded that increasing the angle of horizontal inclination of the agitator creates high tangential velocities, which improves the mixed along the ho-rizontal plane.

Castro, et al. [4] analyze computationally the homogenization of the mixture of two hydrocar-bons with different properties in a storage tank, and compare the results with experimental tests performed with the same conditions. The turbu-lence model used is the RNG k-ε, and they kept the y+ between 30 and 300 in order to use a stan-dard wall function to treat viscous effects for the

turbulence boundary layer. To simulate the agita-tor rotation they used the Sliding Mesh method. Finally, they were able to predict the homogeniza-tion time and the mixing properties.

2. METHODOLOGY AND SIMULATION MODEL

For the CFD simulations were solved numerica-lly the continuity and the transport of momentum equations (RANS). The model is turbulent, therefo-re, the equations are solved using the RNG (Renor-malization group) version of the k-ε turbulent mo-del, in which two additional transport equations are solved, one for the turbulence kinetic energy k, and one for the turbulent dissipation rate ε [5]. The RNG k-ε model [6] is derived using statistical methods and solve a differential equation for tur-bulent viscosity. The storage tank in which was performed the analysis has a floating roof, thus, the model multiphase VOF (Volume of Fluid) was used to represent the free surface of oil [7] [8] [9].

Then the equations used in the model are as follows:

Continuity equation

where Ui is the ith component of the fluid velo-city

Momentum equation

Where ρ is the fluid density, p is the pressu-re, and the terms are called the Reynolds stresses. gi is the gravitational force and Fi repre-sent other generalized forces (source terms).

Transport equation for the turbulent kinetic energy k

Transport equation for the turbulent viscosity ε

where, C1, C2, σε, and coefficients are empirical constants. Gk is the term for the turbulence gene-ration which depends on velocity gradients and turbulent viscosity μt.

27CFD simulation of mixing process in a large crude oil storage tank with side-entry impellers – Hernández, Nieto, Álvarez, Barrero, Novoa

Modeling of flow patterns was performed in a crude storage tank of 36.5 m in diameter and 7.7 m filled level, with two mechanical mixers 29” dia-meter (0.7366 m). The impellers are located op-positely. The first case was analyzed with a mou-nting angle of 90° with respect to a line tangent to the circumference of the tank, and the second case with an angle of 45°.

For the computational analysis, the impeller geometry was made in Solid Edge ® (Fig. 1), and was imported to the design modeler of ANSYS ®, where the geometry of the entire tank was com-pleted. To simulate the rotation, the MFR model (Multiple Frames of Reference) was used, it was determined a cylindrical volume that would rotate at the angular velocity of the actual impeller, while in the model, it is at rest as well as the rest of the tank. The agitators were placed at 0.6 m from the base of the tank, it was simulated with the maxi-mum filled level, 7.7 m, and an area of 0.2 m of air left at the top to represent the floating roof. The results presented in this work with 90° and 45° of mounting angle configurations were obtained after 30 minutes of mixing.

Fig. 1. IMPELLERS GEOMETRY A. FRONT VIEW, B. LATERAL VIEW

(a) (b)

Source: authors.

3. RESULTS

In some studies flow pattern is analyzed with velocity vectors to show flow direction and velocity field [10] [11] [12]. In Figure 2 the velocity vectors are shown in two horizontal planes, the first at the agitator’s level and the second at the tank surfa-ce. The Fig. 2a shows that the flow is directed from the agitator towards the tank center, where the two opposite flows, and redistributed into four sec-tions. In the tank walls speeds reached are 0.125 m/s approximately. A lot of areas is also observed

with speed lower than 0.1 m/s (dark blue). In Fig. 2b the velocity vectors are shown at the top of the tank where the same four sections are identified with velocities below 0.1 m/s.

The stream lines in a vertical plane through the central axis of the agitators are presented in Fig. 3, which shows how the flows meet each other in the center of the tank and generate an upward re-circulation. Speeds above 0.1 m/s are given only in the bottom of the tank, while the top is not in-fluenced by the vertical component of flow.


FIG. 2. VELOCITY VECTORS IN HORIZONTAL PLANES (TOP VIEW) (90 °) A. PLANE AT THE LEVEL OF THE AGITATORS, B. PLANE ON THE UPPER SURFACE OF THE TANK

(a) (b)

Source: authors.

values of velocity are obtained in areas close to the impellers and decreases as the flow approaches the center of the tank to the point at which the two opposite flows meet.

Figure 4b represents the tangential velocity component (x-axis) along the line through the two agitators. It has a value of almost zero at all points of the line, except in the vicinity of the agitators, and at the point where the two opposite flows meet. In Fig. 4c axial velocity component (y-axis) has values close to zero throughout the trajectory, except in the center of the tank, where has increased due to the impact of the meeting of the observed two flows. The radial component is shown in Fig. 4d, showing a similar behavior to the magnitude of the axial ve-locity, presenting a decrease as it approaches the center of the tank where the velocity has a chan-ge of direction and the radial component becomes zero. This component is dominant in this configura-tion.

Fig. 3. STREAM LINES IN A VERTICAL PLANE (90 °)

Source: authors

The tank presents velocities below 0.1 m/s (69.42% of its volume), where 39.72% are lower than 0.05 m/s and only 30.58% of the tank is abo-ve 0.1 m/s, which is concentrated around each im-peller. The low velocity zones represent the 9.33% with velocities below 0001 m/s. At the level of the agitators only 41.35% have velocities above 0.1 m/s, where included areas are near the agitators and the walls. About 1.35% are values with veloci-ties below 0001 m/s, very close to zero. At the top of the tank, the case is different, speeds are not higher than 0.1 m/s. Most of the oil in this plane have speeds below 0.05 m/s.

Authors [1] [13] [14] studied flow pattern com-paring velocity components in charts. Fig. 4 shows diagrams of the magnitude and velocity compo-nents on a horizontal line passing through the cen-tral axis of the two agitators. It can be seen in Figure 4a that velocity behavior matches the flow pattern presented in Fig. 2 and Fig. 3, where the highest


Fig. 4. MAGNITUDE OF VELOCITY ON A LINE PASSING THROUGH THE CENTRAL AXIS OF THE IMPELLERS. A. MAGNITUDE OF VELOCITY, B. X COMPONENT OF VELOCITY (TANGENTIAL),

C. Y COMPONENT OF VELOCITY (AXIAL), D. Z COMPONENT OF VELOCITY (RADIAL)

(a) (b)

(c) (d)

Source: authors.

Fig. 5. VELOCITY VECTORS IN THE HORIZONTAL PLANE AT THE LEVEL OF THE IMPELLERS (TOP VIEW) (45°)

Source: authors.

The tank has 83.25% values greater than 0.1 m/s, against a 30.58% reported in the previous

The second case was analyzed with a mounting angle of 45° from a line tangent to the circumfe-rence of the tank. The simulation was conducted under the same conditions above. Fig. 5 shows the results for the velocity vectors in a horizontal pla-ne through the central axis of the agitator. Is evi-dent that no longer flows collide as in the previous case. With this configuration a circular pattern is formed, where the higher velocities are near the agitators and the tank wall. The magnitude of ve-locity decreases towards the center. The circular pattern is repeated at the crude oil surface inter-face, in which the periphery velocity is 0,225 m/s approximately, this value decreases towards the center of the tank. The speed reached at the sur-face is greater than that achieved in the previous case, in which no more than 0.1 m/s was reached.


case. This is because, when the two flows impact each other in the center there is a loss of power and flow are counteracted, while in circular pat-tern mutually reinforcing flows and higher speeds are achieved. It can be compared the amount of areas with very low speeds and in the case of the setting to 45° these areas represent only 7.08% of the tank, while at 90°, low speed zones represent a 9.33% the entire tank. Thus, it can be concluded that with the mounting angle 45° fewer areas of low speed is achieved through the stor-

age tank. In the diagrams of Fig. 6 the magnitude of velocity and its components along a line pass-ing through the base of the agitator is presented. In the diagram of Fig. 6a, it is observed that the speed at the beginning and end of the graph is much higher and rapidly decreases towards the center where the speed becomes almost zero. For this configuration, the tangential component, see Fig. 6b, which is the most influence due to the cir-cular pattern generated while the axial and radial components are almost zero along the line.

Fig. 6. MAGNITUDE OF VELOCITY ON A LINE PASSING THROUGH THE CENTRAL AXIS OF THE IMPELLERS (45°). A. MAGNITUDE OF VELOCITY, B. X COMPONENT OF VELOCITY (TANGENTIAL),

C. Y THE SPEED COMPONENT (AXIAL), D. Z COMPONENT OF VELOCITY (RADIAL).

a b

c d

Source: authors.

Finally an analysis of homogenization time of a mixture of two different fluids with impel-lers at 45° was carried out. For this case, the domain was divided into three volumes. The first for the heavier crude oil would be at rest in the bottom of the tank, above this a volume of naphtha was placed, representing 8% of the tank volume. A third volume was placed on top to simulate the free surface between the oil and the air to represent the floating roof of the tank. In Fig. 7 a contour of the density difference be-

tween the naphtha and oil is presented. This figure shows that after 4.5 hours of operation adequate mixing between the two fluids is not given. In this case the crude has a density and a viscosity greater than the crude oil of the two cases above. Therefore, the speeds reached with the conditions of the mixture are lower, and there is an 11.52% of zones with less than 0.001 m/s over the entire volume of the tank. These areas are located in the center of the tank and walls.


Fig. 7. DENSITY CONTOUR OF CRUDE-NAPHTHA MIXTURE

Source: authors.

A comparison of the velocity values in percen-tage terms between values found in the literature and the data obtained in this analysis is shown in Table I. In the literature a tank of 13 m and 44 m in diameter located at a refinery in Kermanshah, Iran [1] is analyzed. The tank has an impeller dia-meter of 0.65 m rotating at 450 rpm. The case

for a single impeller was analyzed with 13072 m3 of crude Asmary and 6536 m3 of crude Naftshahr (the name of the crude is due to the location of reservoirs), while for configurations of two impe-llers simulations were performed with two crude oils with equal volume [2] [15].

Results show that higher velocities and shorter homogenization time with two impellers are achie-ved instead of a single one. In addition [2] shows that when the two impellers are located opposite way, flows are offset, whereas if the two agitators are located on one side of the tank (22.5° apart), flows are mutually reinforcing, increasing the spe-ed and reducing the homogenization time.

The difference between results of the literature and those found in the analysis of this case are because the different conditions in the size of the tank and impeller, as well as the characteristics of the fluids and the oil volumes used. However, a match is found in the flow patterns and behavior of the velocity with different configurations.

TABLE I

COMPARISON OF RESULTS VELOCITY AND HOMOGENIZATION TIME

No de agitadores Distribución Ángulo de montaje V>0.1 m/s Tiempo de homogenización Referencia

1-- 90° 29% 3.5 h [1]

2 180° 90° 48.8% t>3.5 h [2]

2 22.5° 90° 54.2% 3 - 3.5 h [2]

2 180° 90° 30.58% -- (Ecopetrol)

2 180° 45° 83.25% -- (Ecopetrol)

2 180° 45° 41.57% t>4.5 h (Ecopetrol)

4. CONCLUSIONS

According to the results it can be concluded that the 90° configuration distributes the flow into four sections, where the predominant component of velocity is the radial, and the axial component generates an upward recirculation.

An angle of 45° produces a circular pattern where the tangential velocity prevails. With this configuration walls speed is higher than in the center where velocity is near zero. The 45° mou-nting angle generates higher speeds through the

tank that the 90° angle, which has great influence on the efficiency of mixing.

According to the flow patterns and the litera-ture, when flows collide in the middle of the tank are offset, while the circular pattern obtained with 45° angle mutually reinforcing flows reaching hig-her velocities and fewer areas with low speed.

REFERENCES

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Resumen– Los sistemas de membranas son una tecno-logía atractiva aplicada a procesos de separación. Por décadas se ha estudiado la síntesis y caracterización de sus propiedades enfocadas al desarrollo de sistemas de membrana eficientes y competitivos. En este sentido, con el fin de estudiar la factibilidad de sintetizar mem-branas híbridas para su aplicación en procesos de des-hidratación de gases, se elaboraron membranas densas de quitosan, polivinil alcohol y sílice por medio del mé-todo solution casting, a diferentes composiciones y es-pesores evaluando su capacidad de permeado de vapor de agua. Se encontró así que la cantidad de quitosan (CTS) es la variable que favorece de manera más signi-ficativa el permeado. Adicionalmente, se evaluó la in-fluencia del tiempo y la concentración de glutaraldehído en el entrecruzamiento. Los resultados experimentales mostraron que los parámetros escogidos no repercuten sobre transporte de vapor de agua, sino únicamente so-bre las características fisicoquímicas de la membrana. Finalmente, las membranas se caracterizaron por tres métodos: (1) Espectroscopia infrarroja (FTIR), muestra cambios en la estructura interna de las membranas. (2) Calorimetría diferencial de barrido (DSC), evidencia cambios en las transiciones térmicas y (3) Análisis ter-mogravimétrico (TGA) que muestra las temperaturas de degradación de las membranas.

Palabras clave– Membranas, entrecruzamiento, deshi-dratación, permeación.

Abstract– the membrane systems are an attractive te-chnology applied to separation process. For decades, the synthesis and characterization of its properties have

been studied focusing its development of efficient and competitive membrane systems. In order to study the fe-asibility of the utilization of synthesized hybrids membra-nes to the process of gases dehydration, dense membra-nes composed of chitosan, polyvinyl alcohol and silica were elaborated applying the solution casting method, considering different compositions, thickness and stu-dying its permeability of water vapor. It was found that chitosan (CTS) quantity is the variable that affects more significantly the permeated. In addition, the influence of the time and the glutaraldehyde concentration in the crosslinking process was evaluated. The experimental results showed that selected parameters do not have in-fluence on permeate, only physical-chemical features of the membrane. Lastly, the membranes were characteri-zed with three methods: (1) Infrared Spectroscopy (FTIR) that show internal structure changes with the crosslin-king, (2) Differential scanning calorimetry that evidence changes in the thermal transitions and (3) Thermogra-vimetric Analysis (TGA) that show the temperatures of degradation of the membranes.

Keywords– Membranes, crosslinking, dehydration, per-meation.

1. INTRODUCCIÓN

Los sistemas de membranas han sido una tec-nología atractiva aplicada a procesos de separa-ción [1]. Por décadas se ha estudiado la síntesis y la caracterización de sus propiedades enfocadas

Síntesis y caracterización de membranas híbridas a partir de quitosan, polivinil alcohol y sílice para

su aplicación en deshidratación de gases

Synthesis and characterization of hybrides membranes composed of chitosan, polyvinyl alcohol and silica for its

application in dehydration of gases

Martha Isabel Gutiérrez-GutiérrezIng. química,

Universidad Industrial de Santander Bucaramanga, Colombia.

[email protected]

Diego Francisco Morales-MendivelsoIng. químico,

Universidad Industrial SantanderBucaramanga, Colombia.

[email protected]

Carlos Jesús Muvdi-NovaPh. D. de Procesos,

Universidad Industrial de SantanderBucaramanga, Colombia.

[email protected]

Arlex Chaves-GuerreroPh. D. en Ingeniería Química,

Universidad Industrial de Santander.Bucaramanga, Colombia.

[email protected]


al desarrollo de sistemas de membrana eficientes que puedan competir con las tecnologías tradicio-nales tanto operacional como económicamente.

El primer paso para el desarrollo de esta tec-nología, desde un nivel de escala de laboratorio a un proceso industrial, se presentó en 1960 con el desarrollo de las membranas Loeb-sourirajan, anisotrópicas, libres de defectos y con capacidad de manejar altos valores de flujo. Luego, en 1980, las membranas fueron involucradas por primera vez en procesos a gran escala para la separación de hidrógeno y años más tarde, se implementaron los primeros sistemas de membranas de acetato de celulosa para la remoción de CO2 del gas na-tural [1], [2]. En los últimos años se han imple-mentado membranas poliméricas en procesos de separación de gases en operaciones de endulza-miento y deshidratación del gas natural, procesos fundamentales para la seguridad y eficiencia de los gasoductos [3]. Específicamente, el uso de membranas poliméricas se ha considerado en el proceso de la deshidratación de gas natural. La remoción del vapor de agua en el gas natural es crucial ya que este disminuye considerablemente su poder calorífico. Además, causa problemas de corrosión por la formación de ácidos y la obstruc-ción en válvulas y tuberías debido a la formación de hidratos como resultado de la reacción de los ácidos con gases ligeros [4].

La aplicación de sistemas de membranas en procesos de separación de gases es contemplada como una opción viable, Tabla I. Estos sistemas son atractivos comparados con otros métodos de separación porque son modulares, simples, de bajo costo, operables a condiciones atmosféricas, de dimensiones moderadas y bajos consumos de energía [5], [6], [7]. Sin embargo, el diseño en muchas de sus aplicaciones deberá ser exhausti-vamente mejorado y optimizado en su capacidad de operación y selectividad, con la finalidad de generar sistemas competitivos que alcancen los sistemas tradicionales [8], [9]. En este sentido, es necesario llevar a cabo estudios de cinética de permeado en nuevos materiales para desarrollar sistemas de membranas eficientes, con mayor vida útil y con capacidad de operar en mezclas de gases a diferentes condiciones de operación.

Teniendo en cuenta lo anterior, el principal ob-jetivo de este proyecto es estudiar la factibilidad de sintetizar membranas densas a base de ma-

teriales poliméricos tales como quitosan (CTS), polivinil alcohol (PVA) y sílice para aplicaciones de separación de gases.

TABLA I

PRINCIPALES APLICACIONES DE MEMBRANAS EN LA SEPARACIÓN DE

GASES

Separación de gas Aplicación

O2 / N2 Generación de gas inerte [1]

H2 / Hidrocarburo Recuperación de hidrogeno refinado [1]

H2 / N2 Gas amonio de purga [6]

H2 / CO Gas de síntesis [6]

CO2 / CH4 Endulzamiento de gas natural [10]

H2 / CH4 Deshidratación de gas natural [1]

H2S / CH4 Tratamiento de gas amargo [11]

He / N2 Recuperación de Helio [6]

Hidrocarburo / Aire Control de polución, recuperación [6]

H2O / Aire Deshumidificación de aire [6]

Este estudio es importante ya que suministra información valiosa necesaria para la realización de membranas que sean comercialmente com-petitivas en la deshidratación de gases; especial-mente para la deshidratación de gas natural.

1. 1 Marco teórico

Los sistemas de membranas aplicados a los procesos de separación de gases permiten el per-meado de ciertos compuestos de la corriente de gas, y obstruyen el paso de otros dependiendo de la selectividad y afinidad de estos con la membra-na. Dichos sistemas están constituidos por mem-branas isotrópicas o anisotrópicas (membranas de composición homogénea o heterogénea, res-pectivamente) ya sean densas, porosas o eléctri-camente cargadas, dependiendo de su aplicación [2], [7].

En el permeado de gases se emplea una mem-brana polimérica como barrera semipermeable entre el alimento y el permeado. En membranas densas este mecanismo se conoce como mode-lo de solución-difusión. En este modelo, la fuerza impulsora para el permeado es el gradiente de potencial químico establecido por la diferencia de presiones parciales o concentración del compo-nente de interés a través de ella [12], [13]. Como consecuencia, los compuestos se disuelven en la superficie de la membrana y luego se difunden a

35Síntesis y caracterización de membranas híbridas a partir de quitosan, polivinil alcohol y sílice para su aplicación en deshidratación de gases – Gutiérrez, Morales, Muvdi, Chaves

través de ella hacia el permeado [12], destacán-dose el proceso por solución-difusión como el ideal para el permeado de vapor de agua en condi-ciones de baja presión y poca área de transferen-cia. Específicamente, las membranas poliméricas densas separan del gas, por permeabilidad selec-tiva, uno o varios de sus componentes mediante una fuerza impulsora de presión o concentración. Los compuestos se difunden a través de la mem-brana de acuerdo con la relación de difusividad y solubilidad de estos con el material del que está compuesta [5], [11].

Las membranas densas son elaboradas a pe-queña escala por el método de síntesis solution casting. En este método, la solución de polímero se extiende sobre una superficie plana horizontal permitiendo la evaporación del solvente y obte-niendo una membrana polimérica delgada y uni-forme [14], [15]. En la solución, el solvente debe diluir el polímero deseado y ser moderadamente volátil tal que se evapore a una velocidad que pre-venga condiciones indeseables tales como preci-pitación y gelatinización del polímero a causa de extensos o cortos tiempos de evaporación [16].

La elección del material usado en la síntesis de membranas dependerá principalmente de las condiciones del sistema y del grado de permea-bilidad y selectividad que se requiera de acuerdo con su aplicación. Para el transporte de vapor de agua, son necesarios materiales hidrofílicos que sean estables química y mecánicamente [11]. De acuerdo con esto, este trabajo de investigación propone la elaboración de membranas densas a partir de polivinil alcohol (PVA), quitosan (CTS) y sílice. Las membranas de polivinil alcohol son potencialmente interesantes en procesos de des-hidratación [9]. Este polímero es altamente hidro-fílico, con un alto potencial de resistencia química, mecánica y térmica. Además, su estructura quími-ca altamente polar, minimiza la tendencia al ensu-ciamiento, ya que este es principalmente estable en superficies no polares por interacciones hidro-fóbicas. Con el fin de aumentar el rendimiento de las membranas de PVA, se adiciona un segundo polímero que mejore sus propiedades [17], [18]. Para este fin se considera al quitosan, un políme-ro que por su estructura química es insoluble en medios acuosos permeando aun así la humedad [19]. Las membranas en mezcla CTS/PVA (Fig. 1), aumentan su temperatura inicial y máxima

de descomposición y reducen significativamente la pérdida de peso final debido al aumento de la temperatura. Lo que traduce en mayor estabilidad térmica en comparación con membranas com-puestas de solo PVA [20]. Además, el CTS mejora el flujo a través de la membrana al reducir la cris-talinidad del PVA sin comprometer su selectividad [21]. Del mismo modo, se evalúa la sílice como un tercer componente, ya que es un polímero al-tamente higroscópico que podría mejorar la per-meabilidad de las membranas [22].

En el proceso de deshidratación de gases es necesario asegurar que las membranas conser-ven su integridad física y química en las condicio-nes de presión y temperatura de trabajo del siste-ma de interés. Dentro de esta perspectiva, en la síntesis de membranas, el proceso de entrecruza-miento es un método de modificación y reacomo-damiento de las cadenas poliméricas que permite aumentar su estabilidad física y mecánica [23].

Este proceso puede llevarse a cabo por méto-dos de enfriamiento, tratamiento con calor, irra-diación y tratamiento químico.Fig. 1. ESTRUCTURA QUÍMICA QUITOSAN (CTS), POLIVINIL ALCOHOL (PVA)

Y MEZCLA CTS/PVA

Fuente: adaptación autores: Anjali Devi, Smitha, Sridhar, & Aminabhavi, 2006 [21].

Este último, es el más usado ya que no se le atribuye entrecruzamiento parcial, ni hincha-miento de la membrana en comparación con los métodos de enfriamiento e irradiación, respec-tivamente [24], [25]. En cuanto a los materiales


propuestos, el polivinil alcohol reticulado minimi-za su tendencia a la dilución e hinchamiento en aplicaciones con soluciones acuosas, mientras que el quitosan podría llegar a reducir su capa-cidad de absorción de humedad como lo ha sido reportado por Baroni et al. [25]. La permeabilidad de vapor de agua y apariencia de las membranas depende también de su grado de entrecruzamien-to, el cual a su vez es influenciado por la concen-tración del reticulante y el tiempo de exposición [14], [24]. Por tal razón, es importante evitar tiem-pos prolongados de reacción que causen rigidez, complejidad y resistencia a la difusión de vapor en la red polimérica [18]. Para reticular membranas de CTS/PVA en este trabajo se empleó glutaralde-hído, un dialdehído reticulador, común a los dos polímeros, que no genera terceros compuestos indeseados y que actúa sobre los grupos –OH y NH2 de la membrana, como se puede ver en las Fig. 2 y Fig. 3.

Fig. 2. ESTRUCTURA QUÍMICA DEL QUITOSAN RETICULADO CON GLUTA-RALDEHÍDO

Fuente: adaptación autores. P. Baroni, 2008 [26].

Fig. 3. ESTRUCTURA QUÍMICA DEL POLIVINIL ALCOHOL RETICULADO CON GLUTARALDEHÍDO

Fuente: adaptación autores. T. Y. Hsien, 1997 [27].

Finalmente, para poder aplicar un sistema de membranas es necesario conocer sus propieda-

des térmicas y estructurales. Por tal razón, a las membranas obtenidas les fueron realizadas prue-bas de espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), análisis termogravimétrico (TGA) y calorimetría diferencial de barrido (DSC).

2. METODOLOGÍA

2. 1 Materiales

Los reactivos usados en la síntesis de las mem-branas fueron polivinyl alcohol (PVA) con peso mo-lecular promedio de 60.000 g/mol e hidrolizado en un 98% (Merck), quitosan (CTS) suministrado por France Chitin y sílice amorfa precipitada con temperatura de fusión mayor a 1.600oC (Sigma-aldrich). Como disolventes se utilizaron ácido acético al 100% (Merck) y agua destilada. Como agente reticulante se usó glutaraldehído para sín-tesis al 25% (Merck). El material empleado como soporte membranario fue tela asfáltica no tejida.

2. 2 Protocolo de elaboración de membranas densas

Este protocolo se definió a partir de pruebas preliminares realizadas en el marco de este pro-yecto y consta de los siguientes pasos: 1) Se pre-para una solución de CTS al 10% p/p utilizando una solución de ácido acético al 10% v/v, a tem-peratura ambiente y se deja en reposo durante un día para permitir su completa disolución. El PVA se disuelve en agua destilada a una temperatura entre 70 - 90ºC y una concentración del 15% p/p. 2) Los polímeros se mezclan de acuerdo con las proporciones requeridas y se deja la mezcla en reposo durante 3 días para eliminar las burbujas de aire formadas durante la mezcla. 3) La mezcla se adecua al soporte (tela no tejida) y se insta-la en el sistema de secado con el fin de permitir la evaporación del solvente (ácido acético/agua). Este proceso se realiza a temperatura ambiente y tardará entre 2 a 4 días (depende de la cantidad de mezcla).

2. 3 Montajes

El montaje mostrado en la Fig. 4 permite la evaporación del disolvente presente en la mezcla de polímero y a la vez moldea la membrana en forma circular. El sistema de secado consiste en una base niveladora de vidrio que reduce las va-


riaciones de espesor en las membranas elabora-das, un soporte donde reposa la mezcla, un anillo y una pieza tubular de acero inoxidable. La mezcla de polímero es introducida dentro del montaje y el sistema de fijación lo mantiene dentro. Las piezas tubulares permanecen abiertas en su parte su-perior, lo que permite que el solvente se evapore progresivamente.

Fig. 4. SISTEMA DE SECADO DE LAS MEMBRANAS

Fuente: autores.

Por otra parte, las pruebas de permeabilidad de vapor de agua se realizaron en un sistema constituido por dos celdas en acero inoxidable de igual volumen (1591.2 cm3), intercomunicadas entre sí por un orificio de 19.63 cm2 de área. Una celda estuvo en condiciones de alta humedad (humedad relativa > 58%) y fue llamada celda de alimento. Una segunda celda denominada de per-meado, inicialmente se mantuvo a una humedad relativa no mayor a 23%, Fig. 5.

Fig. 5 CELDAS DE PERMEABILIDAD

Fuente: autores.

Previo a cada prueba, para establecer condi-ciones de baja humedad, se introduce sílice durante aproximadamente 24 h en el interior de cada celda. Pasado este tiempo, en la celda de alimento se introduce agua destilada en un vaso de precipitado como agente humidificante. Para las pruebas de permeabilidad, las membranas se instalan entre las dos celdas como lo indica la

Fig. 5. La permeabilidad se calcula a partir de la ganancia de humedad en el tiempo, midiendo la humedad relativa y la temperatura de bulbo seco durante la prueba experimental. Las mediciones se realizaron con un termohigrómetro durante 10 h, tomando datos cada dos horas.

2. 4 Etapa 1. Estudio de la influencia de las condiciones de elaboración sobre las características de las membranas

El principal objetivo de esta etapa fue determi-nar la influencia de la composición y espesor de las membranas sobre la capacidad de absorción de humedad de estas. Por lo anterior, se planteó elaborar membranas con las siguientes caracte-rísticas:1. Composición CTS/PVA: 80/20, 50/50 y

20/80 (p/p).2. Cantidad de mezcla (variable que define el es-

pesor de la membrana): 0.5; 0.75 y 1.0 g.3. Porcentaje de sílice en la mezcla 0,30% y 50%

(p/p).Los valores de composición y cantidad de mez-

cla polimérica fueron establecidos de acuerdo con una etapa de experimentación preliminar, donde inicialmente se resolvieron problemas con rel-ación a formación de burbujas, tiempo de secado y condiciones de entrecruzamiento.

En esta etapa se trabajó inicialmente con los factores CTS/PVA y cantidad de mezcla. El número de experimentos se definió bajo la configuración de un diseño factorial 3k, siendo k el número de variables involucradas (k=2), para un total de di-eciocho membranas diferentes por elaborar (du-plicados incluidos). Estas membranas se instal-aron en las celdas mostradas en la Fig. 5 para la evaluación de la permeabilidad. Para la medición del espesor de las membranas se utilizó un mi-croscopio óptico (Hirox), resolución x140, realizan-do 20 mediciones para cada muestra.

A partir de los resultados obtenidos, se se-leccionó la membrana que presentó mejores características estructurales. Posteriormente, a partir de la formulación escogida, se elaboraron membranas adicionando la sílice como tercer componente; para un total de cuatro membranas adicionales por elaborar (duplicados incluidos). Las membranas obtenidas se caracterizaron tal como se planteó para las pruebas anteriores. Fi-


nalmente, se eligió la membrana que mostró las mejores características de permeabilidad y que mediante una inspección cualitativa presentó las mejores características físicas.

2. 5 Etapa 2. Análisis de la influencia del entrecruzamiento sobre las características de la membrana

Esta etapa permitió determinar el nivel de in-fluencia del proceso de entrecruzamiento sobre la capacidad de permeación de humedad de la membrana, teniendo como agente reticulante el glutaraldehído a distintas concentraciones y tiem-pos de reacción [14].

Sobre la membrana elegida en la Etapa 1, se llevó a cabo el proceso de entrecruzamiento a concentraciones de 0.18 y 0.37% v/v de glutaral-dehído en solución acuosa, manejando tiempos de reticulado de 5, 15 y 30 minutos. Estas condi-ciones fueron escogidas como resultado de prue-bas preliminares realizadas en el marco de este proyecto; valores de concentración y de tiempos mayores afectan las características estructurales de las membranas a causa del alto grado de en-trecruzamiento. Tal y como se planteó en el nume-ral anterior se trabajó con un diseño experimen-tal factorial multinivel, para un resultado de doce membranas (duplicados incluidos). Al igual que en la etapa inicial, se evaluó la densidad de flujo del vapor de agua permeado para cada membrana.

Finalmente, para verificar la efectividad del en-trecruzamiento se realizó una prueba de solubili-dad. Para esto se preparó una solución al 10% v/v de ácido acético en la que fue sumergida durante 12 horas una sección de cada membrana obteni-da en esta etapa.

2. 6 Métodos de caracterización de membranas densas

Espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR): el espectro infrarrojo se utilizó para identificar la presencia de grupos funcionales de las membranas. El espectro se obtuvo en modo transmitancia y en un rango de 4000 a 600 cm-1 con un equipo FTIR-8400S (Shimadzu).

Calorimetría diferencial de barrido (DSC): el análisis de DSC permite identificar los posibles cambios de fase (cristalina) en la estructura de las membranas que se puedan presentar en un

rango de temperatura de interés, endotérmico o exotérmico. Estas pruebas se realizaron en un equipo DSC- 2010 (TA Instrument). El peso de la muestra fue de aproximadamente 10 mg, el rango de temperatura estudiado fue de 25 a 400 oC y la velocidad de calentamiento de 10 oC/min.

Análisis termo gravimétrico (TGA): se realiza con el fin de verificar si el entrecruzamiento indu-ce a modificaciones en el comportamiento térmi-co de las membranas mediante el cálculo de la velocidad de cambio de su peso en función del aumento de temperatura en una atmósfera con-trolada. Este análisis procede aumentando la tem-peratura a una rapidez de 10 oC/min dentro de un rango de 25 a 800 oC y en una atmósfera inerte de nitrógeno. El equipo utilizado fue un analizador TGA 2050 (TA Instrument).

3. RESULTADOS

3. 1 Etapa 1. Influencia de la composición y cantidad de polímero en las membranas sobre la permeabilidad de vapor de agua

Se encontró que la humedad relativa de la celda de permeado para la mayoría de las mem-branas es linealmente creciente en las primeras seis horas de las pruebas de permeabilidad. Para tiempos posteriores, en algunos casos, tiende a ser estable. Debido a la variabilidad de los datos se decide tomar la hora seis de la prueba como un tiempo de referencia, con el fin de comparar la permeabilidad de las membranas. En la Tabla II se muestran los valores del Flux de vapor de agua calculado a las seis horas de prueba, adicional-mente se reportan los espesores medidos obteni-dos para cada una de las membranas elaboradas.

Una primera evaluación sobre los datos obte-nidos no muestra variaciones significativas en el flujo de agua, con la variación de estos paráme-tros. En virtud de lo anterior, se realizó un análisis de varianza (ANOVA) utilizando Statgraphics Cen-turion XVI.I™ para encontrar la significancia de las variables. De este análisis, solo la variable canti-dad de quitosan (composición) es influyente en el flux de vapor de agua de las membranas (signifi-cancia Pvalor = 0,0306).

También se concluyó, según este análisis, que la variable cantidad de mezcla no influye significa-tivamente (Pvalor = 0,0718) en la permeabilidad


de las membranas bajo las condiciones estudia-das. Sobre este aspecto Baker et al. [15] relacio-nan el espesor de la membrana con el flux de per-meado, encontrando que al reducir la cantidad de polímero en la elaboración de las membranas se disminuye el espesor de las mismas, y con ello la resistencia al flujo de vapor de agua a través de la membrana.

TABLA II

RESULTADOS PRUEBA DE PERMEABILIDAD ETAPA 1

Composición CTS/PVA

Cantidad de Mezcla

[g]Espesor [µm]

Flux de vapor de agua [Kg/

m2h]

80/20

0,5 310,93±25,5 0,2428±0,019

0,75 443,60±42,07 0,2108±0,064

1,0 451,64±12,47 0,2199±0,026

50/50

0,5 298,18±12,61 0,2542±0,014

0,75 346,17±148,22 0,1454±0,058

1,0 517,89±30,83 0,1220±0,02

20/80

0,5 263,41±21,72 0,1323±0,003

0,75 398,14±32,32 0,1468±0,06

1,0 492,91±42,07 0,1869±0,008

Fuente: autores.

En la Tabla II se puede observar que las mem-branas de menor espesor (cantidad de mezcla más baja) poseen los flux de vapor más altos, ex-ceptuando las membranas de composición CTS/PVA 20/80, las cuales mantienen un flux casi en un mismo nivel sin importar la cantidad de mez-cla. Esto confirma que la velocidad de transporte de una especie es inversamente proporcional al espesor de las membranas por lo que deben fa-vorecidos los bajos espesores. En virtud de lo an-terior, se realizó un análisis estadístico por medio de un análisis de Pareto, con el fin de determinar la significancia de las variables en el espesor de las membranas.

En el diagrama estandarizado de Pareto de la Fig. 6., se observa que tanto la cantidad de mez-cla como la cantidad de quitosan sobrepasan la línea de significancia, por lo que estas dos varia-bles afectan de manera significativa el espesor de la membrana. Siendo la cantidad de mezcla, la variable que estadísticamente afecta de mane-ra más notoria el espesor de las membranas. Por otro lado, se puede observar que el efecto combi-nado de estas variables no ejerce un cambio que estadísticamente sea relevante sobre el espesor, ya que su efecto está bajo la línea de significancia.

Fig. 6. DIAGRAMA DE PARETO PARA EL ESPESOR

Fuente: autores.

Adicionalmente, se observó que cantidades equivalentes de PVA y CTS hacen que la membrana presente mayor estabilidad. Mientras que el CTS proporciona a la membrana resistencia a la dilu-ción en medios acuosos, el PVA incrementa su re-sistencia térmica y estructural. Por tal razón, se eli-gió la membrana de composición CTS/PVA 50/50 y peso de 0.5 g (membrana de menor espesor) para continuar con la experimentación, Fig. 7.

Fig. 7. MEMBRANA ESCOGIDA EN LA ETAPA 1

Fuente: autores.

En la Fig. 8 se observa como al adicionar sílice como tercer componente la densidad de flujo de vapor de agua cambia de acuerdo con la cantidad utilizada.

Fig. 8. FLUX DE VAPOR DE AGUA AL CABO DE 6 HORAS DE MEMBRANA DE COMPOSICIÓN CTS/PVA/SÍLICE

Fuente: autores.


La membrana con 30% (p/p) de sílice muestra una reducción significativa en la densidad de flu-jo comparada con la membrana sin sílica. Ulutan et al. [27] resalta la gran capacidad de adsorción de la sílica, pero así mismo concluye que esta no tiene efecto sobre la permeabilidad; la reducción en el flux de la membrana con sílica con respec-to a la membrana sin sílica se debe al aumento de resistencia al flujo por parte del tercer compo-nente. Por el contrario, los resultados evidencian un aumento del flujo de humedad a través de la membrana preparada con 50% (p/p) de sílice res-pecto al de la membrana de 30%. Este hecho se atribuye al aumento de la capacidad de desorción de la membrana debida al incremento de sílica Ulutan et al. [27].

3. 2 Etapa 2. Influencia del proceso de entrecruzamiento sobre las características de la membrana

En esta etapa de la experimentación se encon-tró que los tiempos de entrecruzamiento usados no afectan significativamente la capacidad de permeado de vapor de agua de la membrana, Fig. 9, sin embargo, sí se observó un efecto sobre la estructura química de la membrana como se dis-cutirá en la próxima sección.

Fig. 9. FLUX DE VAPOR DE AGUA PERMEADO AL CABO DE 6 HORAS TENIENDO EN CUENTA LAS VARIACIONES DE CONCENTRACIÓN Y TIEMPO

DE ENTRECRUZAMIENTO

Fuente: autores.

Por otra parte, se verificó la efectividad del entrecruzamiento en la prueba de solubilidad, debido que se demostró la insolubilidad de las membranas reticuladas en presencia de solucio-nes acuosas ácidas. Lo contrario ocurrió con las membranas no reticuladas. El quitosan no reticu-lado es soluble en presencia de soluciones ácidas débiles. Esta prueba se realizó durante 72h.

3. 3 Espectroscopia infrarroja FTIR

La Fig.10 muestra los espectros FTIR obtenidos para las membranas CTS/PVA 50:50 a distintos tiempos de entrecruzamiento. De los espectros se observan las modificaciones químicas del quito-san y del polivinil alcohol durante el proceso de entrecruzamiento. En el espectro FTIR se obser-van picos de absorción de aminas primarias NH2 a una frecuencia de 1560 cm-1, haciéndose menos evidente para las membranas reticuladas. Con-forme aumenta el tiempo de entrecruzamiento, se incrementa la intensidad de los picos relacio-nados con los aldehídos libres (1735-1.725 cm-1) que no reaccionaron con los grupos aminas del quitosan. De igual forma, se presenta un aumento en la intensidad de los picos característicos para los enlaces C-O-C en 1100 cm-1 que hacen refe-rencia al aumento del nivel de entrecruzamiento con el tiempo.

Fig. 10. ESPECTRO INFRARROJO PARA MEMBRANAS CTS: PVA, 50:50: (A) SIN TRATAMIENTO CON GLUTARALDEHÍDO, (B) TIEMPO DE RETI-

CULADO 5 MIN, (C) TIEMPO DE RETICULADO 15 MIN, Y (D) TIEMPO DE RETICULADO 30 MIN

Fuente: autores.

3. 4 Calorimetría diferencial de barrido (DSC)

Se realizaron ensayos de calorimetría de barri-do diferencial con el fin de determinar las transi-ciones térmicas que se presentan para membra-nas con diferentes niveles de entrecruzamiento.

La curva de DSC obtenida para la membrana de CTS/PVA reticulada en una solución 0.18% de glutaraldehído se muestra en la Fig. 11. En esta se observa un pico endotérmico en 116 oC, que es atribuido al proceso de disociación por el inter-cambio de enlaces hidrógenos en las cadenas de quitosan de acuerdo con Yang et al. [20]. Así mis-


mo, los primeros picos endotérmicos –para todas las membranas– hacen referencia a la evapora-ción de agua presente en la muestra, resultados según Baroni et al. [26].

La intensidad de los primeros picos se traduce en la energía requerida para evaporar la humedad ligada a la estructura de la membrana. De acu-

erdo con esto, se observa que las membranas entrecruzadas tienen menor cantidad de grupos hidrógenos ligados a su estructura. Por otra parte, no se observa un cambio significativo en la tem-peratura de transición vítrea en las membranas entrecruzadas con respecto a la membrana sin reticular, esta cambia de 92 ºC hasta 87 ºC.

Fig. 11. TERMOGRAMA DSC PARA MEMBRANAS DENSAS CTS/PVA

Fuente: autores.

3. 5 Termogavimetría (TGA)

Las curvas representativas del TGA para las membranas CTS/PVA se muestran en la Fig. 12. Inicialmente, se evidencia pérdida de peso para todas las membranas asociadas con la evapo-ración de humedad ligada y no ligada hasta 155 ºC.

Fig. 12. CURVAS TGA PARA MEMBRANAS DENSAS CTS/PVA: (A) QUITO-SAN 50% SIN TRATAMIENTO CON GLUTARALDEHÍDO

Fuente: autores.

Desde 155 ºC hasta 245 ºC se desprenden grupos laterales de la cadena principal. Y en adel-ante, inicia la etapa de degradación térmica hasta alcanzar la temperatura de 455 ºC sobre la cual no hay un cambio de peso evidente.

4. CONCLUSIONES

Según las pruebas experimentales los pará-metros composición y cantidad de mezcla que permitieron obtener las mejores características en las membranas fueron CTS/PVA 50/50% p/p y 0.5 g, respectivamente. De igual manera, para el proceso de entrecruzamiento con tiempos menores a 15 min se logra obtener membranas complemente reticuladas y con excelentes car-acterísticas estructurales, para cualquiera de las concentraciones estudiadas. En esta propuesta de investigación, los estudios de permeabilidad de vapor de agua realizados a las membranas de polivinil alcohol, quitosan y sílice en condiciones normales de operación –presión atmosférica y temperatura ambiente– arrojan resultados con-cluyentes que evidencian que la composición de CTS y PVA influye de manera estadísticamente significativa en la densidad de flujo de vapor de agua. La cantidad de sílice influye directamente en la porosidad de la membrana afectando los compuestos que puede permear. En este sentido,


solo se debe usar la cantidad de sílice necesaria para obtener membranas densas.

La pérdida de peso para la membrana CTS/PVA sin reticular y la expuesta a 5 min de entre-cruzamiento es del 18% mayor comparada con el 11% de peso que pierden las reticuladas a 15 y 30 min. Esto infiere mayor presencia de humedad en las muestras con menos grado de entrecruza-miento, ya que su estructura es más hidrofílica. En general, el tratamiento con glutaraldehído no cambia el rango de temperatura para la descom-posición térmica de las membranas entrecruza-das con respecto a la que no tiene tratamiento.

El entrecruzamiento con glutaraldehído de las membranas CTS/PVA en las condiciones de concentración y tiempo propuestas fue exitoso. Aunque existen cambios en la capacidad de ligar humedad a la estructura de la membrana (eviden-ciados en las pruebas de caracterización), no hay influencia relevante en la capacidad de perme-ación de humedad de las membranas. Para las membranas PVA/CTS, el entrecruzamiento con glutaraldehído no influye en variaciones térmicas importantes. Las pruebas de caracterización con-cuerdan con los resultados esperados en cuanto a termoestabilidad de otros autores con otros agen-tes reticulantes [20]. Para todas las membranas la temperatura de desprendimiento de humedad ligada y no ligada es invariante de 155 ºC al igual que la temperatura de inicio y máxima de descom-posición térmica.

AGRADECIMIENTOS

Se agradece a la Corporación CDT de Gas, Col-ciencias y la Universidad Industrial de Santander por el apoyo para la realización del presente tra-bajo.

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[25] P. Baroni, R. Vieira, E. Meneghetti, M. d. Silva and M. Beppu, “Evaluation of batch adsorption of chromium ions on natural and crosslinked chitosan membra-nes,” Journal of Hazardous Materials, vol. 152, pp. 1155-1163, Aug. 2008.

[26] T.-Y. Hsien and G. L. Rorrer, “Heterogeneous Cross-Linking of Chitosan Gel Beads: Kinetics, Modeling, and Influence on Cadmium Ion Adsorption Capacity,” Industrial Engineering Chemical Reserch, vol. 36, no 9, pp. 3631-3638, Aug. 1997.

[27] S. Ulatan and D. Balköse, “Diffusivity, solubility and permeability of water vapor in flexible PVC/silica com-posite membranes,” Journal of Membrane Science, vol. 115, pp. 217-224, Jun. 1996.


Resumen– La producción de biocombustibles a partir del aceite usado de fritura (AUF) es una importante al-ternativa para utilizarse en la generación de biodiésel, además su uso contribuiría en la reutilización de un producto altamente contaminante. Este trabajo busca determinar el mayor rendimiento del proceso de pro-ducción de ésteres etílicos a partir de los parámetros: relación molar AUF/etanol (1:5 – 1:7), porcentaje de catalizador en peso (0,5 – 0,7%wt), temperatura de re-acción (50 – 60 °C) y como agente de lavado (agua a 40 °C – ácido acético). El proceso de producción se realizó en dos etapas, la primera es una esterificación con ca-tálisis homogénea ácida (H2SO4) y, la segunda, de tran-sesterificación con catálisis alcalina (NaOH). El proceso utiliza una temperatura de reacción de 60 °C, relación molar AUF: etanol de 1:7 y agua como agente de lavado. El biodiésel producido posee características fisicoquími-cas según los norma ASTM D 6751, y un rendimiento de ésteres etílicos de ácidos grasos (FAEE) del 93,5%. Las condiciones óptimas encontradas en el biocombustible permiten el uso en “calderas” que funcionan con diésel.

Palabras clave– Aceites usados de fritura, biodiésel, esterificación, transesterificación.

Abstract– Biofuel production from waste cooking oil (WCO) is an important alternative for using in genera-ting biodiesel also it helps in the reuse of a pollutant. This work seeks to determine the best performance of the production process of ethyl esters from the parame-ters: molar ratio WCO/ethanol (1: 5-1: 7), percentage of catalyst by weight (0.5 to 0.7%wt), reaction temperatu-re (50-60 °C) and washing agent (40 °C Water - acetic acid) using the transesterification process by homoge-neous catalysis alkaline (NaOH). The process was ca-rried out in two steps, the first stage of esterification

and other one transesterification with a reaction tempe-rature of 60 °C, molar ratio WCO: ethanol 1: 7 and water as washing agent. The biodiesel produced possesses physicochemical characteristics according to ASTM D 6751 standard and 93.5% yield of ethyl esters. The opti-mal conditions enable the use in biofuel “boiler” which functional diesel.

Keywords– Oils for frying, biodiesel, esterification, tran-sesterification.

1. INTRODUCCIÓN

Actualmente el 81% de la energía mundial con-sumida es proporcionada por combustibles de ori-gen fósil, el petróleo aporta el 32,4%, el carbón el 27,3% y el gas natural provee el 21,4%. El sector del transporte emplea el 57,7% de la energía pro-ducida actualmente en el mundo. El consumo y aumento en el empleo de los combustibles fósiles en los diferentes sectores económicos está crean-do grandes cantidades de gases efecto invernade-ro. En las dos últimas décadas se produjeron 32 Gt/año de CO2 [1], además de otros gases tipo in-vernadero (NOx, CO, PM, HC, O3, CH4) que generan graves problemas medio ambientales [2], y afec-tan especialmente el calentamiento global, según pronósticos para el 2040 el sector industrial cre-cerá anualmente un 1,8% [3], al considerarse una demanda total de energía en el mundo para este mismo año de 20664 Mtoe [1]. Este consumo au-

Producción de biodiésel por etanolisis utilizando aceites de fritura de hoteles y su uso en calderas

pirotubulares

Biodiesel production by ethanolysis using waste cooking oil from hotels for firetube boilers

Edwin Alberto Bulla-PereiraM. Sc. Ingeniero mecánico.

Universidad ECCI.Bogotá, Colombia

[email protected]

Carlos Alberto Guerrero-FajardoPh. D Ingeniería Química y Química Catálisis.

Universidad Nacional de Colombia.Bogotá, Colombia

[email protected]

Fabio Emiro Sierra-VargasPh. D. Ingeniería Mecánica.

Universidad Nacional de Colombia.Bogotá, Colombia

[email protected]

45Producción de biodiésel por etanolisis utilizando aceites de fritura de hoteles y su uso en calderas pirotubulares – Bulla, Guerrero, Sierra

mentará los problemas del medio ambiente debi-do al volumen de producción de los gases arroja-dos a la atmósfera del planeta. Para satisfacer la demanda de energía y disminuir las dificultades ambientales se requiere un mayor uso, investi-gación y desarrollo de las energías renovables y, en especial, de los biocombustibles, debido a la utilización de estos en varios sectores económi-cos de cada país. El biodiésel es una excelente fuente de energía renovable que contribuye con la mitigación en las emisiones de los gases efecto invernadero y contribuye con la disminución de la dependencia hacia los combustibles fósiles. En la Fig. 1 se observa la reducción porcentual de las emisiones de gases tipo invernadero a partir del empleo de biodiésel.Fig. 1. REDUCCIÓN PORCENTUAL DE EMISIONES DE GASES TIPO INVER-

NADERO

Fuente: [4].

La Sociedad Americana de Ensayos y Materia-les (ASTM) define al biodiésel como ésteres mo-noalquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivados de insumos grasos renovables, como los aceites vegetales o grasas animales [5] o acei-tes usados de fritura (AUF). Actualmente se pro-ducen 154 millones t/año en el mundo [6]. Este biocombustible tiene propiedades fisicoquímicas similares al diésel, aspecto que permite el uso en motores de combustión interna, calderas u otros equipos industriales que empleen el combustible fósil como fuente de energía. La producción del biodiésel emplea el procedimiento de la esterifi-cación o transesterificación. (1) Reacción de tran-sesterificación que se genera en la producción del biodiésel.

El proceso de transesterificación se puede efectuar por una reacción sin catalizador (condi-ciones súper críticas para el metanol) y una reac-ción catalizada [7] que emplea para su proceso algunos de los tres tipos de catalizadores: hete-rogéneo, enzimático u homogéneo [8]. El proceso transesterificación en reacción catalizada junto con los catalizadores homogéneos se emplea actualmente en la producción industrial. Estos procesos se pueden obtener de manera discon-tinua o batch (lotes) o de forma continua [9]. La producción promedio del biodiésel en Colombia es, en la actualidad, de 44214 t/mes [10]. Pro-ducción relativamente baja con respecto a pro-nósticos de demanda requerida en el país. Estos aspectos mencionados hacen viable realizar una investigación en la determinación del mayor ren-dimiento del proceso de producción de ésteres etílicos, establecido en las mejores condiciones de producción utilizando el proceso de transeste-rificación de AUF de hoteles mediante hidróxido de sodio (NaOH). Con las máximas condiciones de la producción de biodiésel se diseña y construye una planta de producción en proceso tipo Batch y el biocombustible obtenido se emplea en una cal-dera pirotubular, con el fin de obtener datos que permitan establecer características en el uso del biocombustible en equipos industriales.

2. MATERIALES

2. 1 Reactivos

La calidad de los reactivos es un factor que afecta el rendimiento del proceso y calidad del producto. Para este trabajo se emplearon los si-guientes reactivos: etanol (C2H6O2) con el 96% de pureza (alquímicos), NaOH en escamas con una pureza del 98% (alquímicos), ácido sulfúrico (H2SO4) del 98% (químicos Campota), ácido acéti-co (C2H4O2) glacial del 99% (alquímicos) y aceite usado de fritura de soja (AUFS) suministrado por el sector hotelero.

3. DISEÑO EXPERIMENTAL

3. 1 Producción de biodiésel

La producción de los FAEE se plantea a par-tir de la ecuación (2). El catalizador empleado es (H2SO4) para la etapa de esterificación y NaOH


para la etapa de transesterificación. En este es-tudio la variable de temperatura de reacción se establece en 50 y 60 °C (X3). La cantidad de eta-nol necesaria se establece a partir de la relación molar AUFS:etanol de 1:5 y 1:7 (X1). Un porcentaje en peso de catalizador (0,5 – 0,7) (X2) es disuelto en el etanol. Esta mezcla es vertida en 200 mL AUFS filtrado previamente. El porcentaje del ren-dimiento se determina con la ecuación (2) [11].

Los experimentos se llevan a cabo a escala de laboratorio. Las reacciones se producen en un re-actor enchaquetado de 500 mL en vidrio con cua-tro bocas, equipado con un condensador lineal, un termómetro, un agitador magnético y un baño ter-mostático con controlador. El reactor se mantiene a la temperatura de reacción, una velocidad de agi-tación de 200 RPM, a presión atmosférica y tiempo de reacción de 1 h. Finalizado el tiempo se adiciona al reactor un volumen de ácido acético agitándolo por 15 min. La solución obtenida es vertida a un embudo separador de 500 mL a temperatura am-biente por un tiempo de 12 h. Los productos ob-tenidos por el proceso de decantación (biodiésel y glicerina) son depositados cada uno en embudo de 500 mL. Para la purificación y lavado del biocom-bustible producido se emplearon dos agentes de lavado (agua a 40 °C – ácido acético) (X4).

3. 2 Proceso de optimización

La optimización del proceso de transesterifica-ción se lleva a cabo a través de un experimento con 4 factores, en el cual se examinan los efectos que tienen los parámetros relación molar (RM) de acei-te/etanol, temperatura de reacción (T), porcentaje de catalizador (%p/p C) y el agente de lavado (AL). Para la determinación del rendimiento de ésteres de etilo se empleó un diseño central compuesto (DCC). El DCC consta de 31 unidades experimenta-les con las cuales se debe obtener la información suficiente para permitir un modelo polinómico de segundo orden. El punto axial tuvo un α = 1. Los valores centrales (nivel cero) elegidos para el ni-vel DCC fueron: relación molar aceite/etanol 1/6, concentración de catalizador 0,6%, temperatura de reacción de 55 °C y agua a temperatura ambiente como agente de lavado. La Tabla I muestra los ni-veles y el símbolo de codificación utilizados para cada factor. Para evitar los errores experimentales

se efectuaron las corridas experimentales en orden aleatorio como se muestra en la Tabla I. El software empleado fue Minitab 16 en el que se obtuvieron la regresión y gráfico de los datos adquiridos.

Los datos experimentales presentados en la Tabla I se analizan mediante el procedimiento de regresión de superficie de respuesta (RSR). El pro-cedimiento RSR utiliza un análisis canónico para estimar los valores para cada uno de los factores [12]. Usando el modelo ajustado de la superficie de respuesta se construyen gráficas para cada par de factores que se estudian mientras se mantiene el factor del rendimiento constante en su punto es-tacionario estimado.

3. 3 Análisis de FAEE con cromatografía de gases

Los FAEE se analizaron usando cromatografía de gases (CG). El equipo empleado es marca Hewlett Packard Serie II referencia 5890. La temperatura del inyector fue de 350 °C y la del detector fue 390 ºC. El gas portador fue nitrógeno con un flujo de 8 mL/min. Los datos son obtenidos con el programa Cerity QA/QC versión A.04.05.

3. 4 Planta piloto de biodiésel

Para desarrollar la planta piloto de biodiésel es necesario determinar el mayor rendimiento del pro-ceso de producción de ésteres etílicos basado en las mejores condiciones de operación obtenidas en las pruebas de laboratorio. El proceso de la planta para su desarrollo y construcción fue de tipo Batch, con una capacidad de 150 L/Lote. El montaje se efectúo en el Laboratorio de Biocombustibles del Departamento de Química de la sede Bogotá de la Universidad Nacional de Colombia. La etapa expe-rimental en la planta se desarrolló a partir de varias fases: Análisis del balance de masa por operación del proceso de producción, selección de equipos, desarrollo y planteamiento de la planta, está última fase se desarrolló en tres partes. La primera, cons-trucción y diseño de un diagrama de flujo del proce-so (PFD). La segunda, fue la caracterización física de los equipos de la planta para realizar los planos de despiece, montaje y explosivo del diseño en el espacio asignado para el montaje. La última etapa consistió en la construcción y puesta a punto de la planta piloto para la implementación en la produc-ción de biodiésel con los parámetros establecidos en el laboratorio.


TABLA I

MATRIZ DEL DISEÑO CENTRAL, COMPUESTO DE LAS CUATRO VARIABLES CON SUS SÍMBOLOS DE CODIFICACIÓN, NIVELES Y % DE LOS RENDIMIENTOS

Orden de Corrida X1 ; (RM) X2 ; (%p/p C) X3 ; (T) X4 ; (AL) % Rendimiento

1 -1 ; (1:5) 0 ; (0,6) 0 ; (55) 0 ; (Agua) 79,6

2 1 ; (1:7) 1 ; (0,7) 1 ; (60) 1 ; (Agua a 40 °C) 88,1

3 0 ; (1:6) 1 ; (0,7) 0 ; (55) 0 ; (Agua) 85,7

4 0 ; (1:6) 0 ; (0,6) 0 ; (55) 0 ; (Agua) 87,9

5 0 ; (1:6) 0 ; (0,6) 0 ; (55) 0 ; (Agua) 88,1

6 1 ; (1:7) -1 ; (0,5) 1 ; (60) -1 ; (Ácido acético) 74,4

7 0 ; (1:6) -1 ; (0,5) 0 ; (55) 0 ; (Agua) 85,7

8 0 ; (1:6) 0 ; (0,6) 0 ; (55) 1 ; (Agua a 40 °C) 77,3

9 -1 ; (1:5) 1 ; (0,7) -1 ; (50) 1 ; (Agua a 40 °C) 78,6

10 -1 ; (1:5) 1 ; (0,7) 1 ; (60) 1 ; (Agua a 40 °C) 74,3

11 -1 ; (1:5) -1 ; (0,5) -1 ; (50) 1 ; (Agua a 40 °C) 76,8

12 0 ; (1:6) 0 ; (0,6) 0 ; (55) 0 ; (Agua) 88,5

13 1 ; (1:7) -1 ; (0,5) -1 ; (50) 1 ; (Agua a 40 °C) 80,1

14 0 ; (1:6) 0 ; (0,6) 0 ; (55) 0 ; (Agua) 88,9

15 -1 ; (1:5) -1 ; (0,5) 1 ; (60) -1 ; (Agua a 40 °C) 80,8

16 -1 ; (1:5) -1 ; (0,5) 1 ; (60) 1 ; (Agua a 40 °C) 78,9

17 0 ; (1:6) 0 ; (0,6) 0 ; (55) 0 ; (Agua) 75,6

18 0 ; (1:6) 0 ; (0,6) 1 ; (60) 0 ; (Agua) 81,9

19 1 ; (1:7) -1 ; (0,5) -1 ; (50) -1 ; (Ácido acético) 78,5

20 1 ; (1:7) 1 ; (0,7) 1 ; (60) -1 ; (Ácido acético) 80,0

21 1 ; (1:7) 1 ; (0,7) -1 ; (50) -1 ; (Ácido acético) 71,9

22 -1 ; (1:5) 1 ; (0,7) -1 ; (50) -1 ; (Ácido acético) 84,6

23 0 ; (1:6) 0 ; (0,6) 0 ; (55) 0 ; (Agua) 75,2

24 1 ; (1:7) 0 ; (0,6) 0 ; (55) 0 ; (Agua) 79,8

25 0 ; (1:6) 0 ; (0,6) -1 ; (50) 0 ; (Agua) 81,8

26 -1 ; (1:5) -1 ; (0,5) -1 ; (50) -1 ; (Ácido acético) 74,1

27 0 ; (1:6) 0 ; (0,6) 0 ; (55) 0 ; (Agua) 89,1

28 0 ; (1:6) 0 ; (0,6) 0 ; (55) -1 ; (Ácido acético) 77,5

29 1 ; (1:7) -1 ; (0,5) 1 ; (60) 1 ; (Agua a 40 °C) 80,7

30 1 ; (1:7) 1 ; (0,7) -1 ; (50) 1 ; (Agua a 40 °C) 68,5

31 -1 ; (1:5) 1 ; (0,7) 1 ; (60) -1 ; (Ácido acético) 76,8

piloto. Una de estas fue la prueba a la llama, para esto se emplea un mechero Bunsen, un soporte de acero, un triángulo de porcelana y un crisol. Otra prueba fue la evaluación de la combustión con el quemador de la caldera, en la cual se anali-zan el consumo, la eficiencia energética y las emi-siones producidas a cinco muestras de biodiésel

3. 5 Experimentación en caldera pirotubular

La experimentación se realiza en una caldera vertical pirotubular ubicada en los laboratorios del patio de mecánica de la Universidad Nacional de Colombia (Fig. 2). No obstante, anteriormente a las pruebas en caldera se realizaron otras prue-bas con el biocombustible obtenido en la planta


obtenido en la planta piloto. Los parámetros anali-zados fueron: volumen de biocombustible alimen-tado, tiempo de encendido del quemador y análi-sis de gases de la combustión. Experimentación que hace posible observar el comportamiento del quemador de la caldera al emplearse una canti-dad determinada de diésel comercial (B10) y una de biodiésel producido en la planta piloto (B100). Para las pruebas se construyó un equipo con una estructura en acero, recubierto en su interior por ladrillos refractarios y en un extremo se acopló

el quemador de la caldera vertical pirotubular. El quemador tiene un motor bifásico de 110 V/60Hz de 0,5 HP, con un sistema de alimentación de aire de 3450 RPM y una ignición mediante chispa eléctrica a 10000 V. Este pulveriza el combustible para generar un proceso de combustión con llama no premezclada. Durante las pruebas realizadas se emplea un flujo de aire igual a 0,123 m3 /s, el consumo de combustible para una mezcla B10 es igual a 0,342 L/min y para el B100 es igual a 0,282 L/min. (Fig. 2).

Fig. 2. CALDERA PIROTUBULAR VERTICAL (IZQ) - BANCO DE PRUEBAS DE COMBUSTIÓN (DER)

Fuente: autores.

4. RESULTADOS

4. 1 Proceso de transesterificación en dos etapas

Pruebas de índice de acidez (IA) a muestras del AUFS dieron como resultado un promedio de 7,65 mg KOH/g aceite. Este resultado determina una proporción muy alta de AGL en el aceite. La literatura reporta que una materia prima (aceite) ideal tiene un VA < 1 mg KOH/g aceite aunque investigaciones establecen una tolerancia entre (<0,5 – 2,2 % p/p). Este exceso de AGL en el AUFS plantea una alta condición de hidrolisis [13]. Este establece que para reducir estas proporciones de AGL se debe aplicar un proceso de esterificación al AUFS para reducir la reacción de neutralización de los AG o la reacción de saponificación [14]. A partir de la ecuación 2 se constituye que en la etapa de esterificación el rendimiento de la fase esterificada es cercano al 70% y en la segunda etapa del proceso de transesterificación, la con-centración de ésteres etílicos de ácidos grasos es

de 90% p/p y un 10% p/p del glicerol con otros compuestos. El mejor rendimiento obtenido de las unidades experimentales fue del 88,9%, logrado en el laboratorio a partir de las condiciones de operación de relación molar aceite:alcohol de 1:7, % p/p catalizador de 0,7, temperatura de 60 °C y agente de lavado agua a 40 °C.

4. 2 Análisis del método de superficie de respuesta de la transesterificación

La transesterificación mediante catálisis ho-mogénea alcalina se realiza utilizando el pretra-tamiento de las muestra con un índice de acidez 4,3 mg de KOH/g. Con el fin de buscar las condi-ciones óptimas para la síntesis de biodiésel, los experimentos se realizan de acuerdo con la matriz de DCC (Tabla I). Las respuestas observadas de la conversión de biodiésel se muestran también en la Tabla I. A partir del análisis de regresión múltiple de los datos experimentales se obtiene la siguiente ecuación polinómica de segundo orden (3).


Donde Y, es la respuesta, es decir, la conver-sión a biodiésel, de las variables codificadas X1, X2, X3 y X4, es decir, de la relación molar aceite/etanol, concentración de catalizador, tiempo de reacción y temperatura, respectivamente.

El análisis de la varianza (ANOVA) de los resulta-dos del modelo de superficie de respuesta revela que este modelo es adecuado para expresar la re-lación real entre la respuesta y las variables plan-teadas, con un coeficiente de determinación (R2 = 0,8842), lo que indica que el 88% de la variabilidad en la respuesta puede ser explicada por la ecua-ción polinómica de segundo orden establecida (3). Los perfiles de las superficies de respuesta de la producción óptima de rendimiento basado en la ecuación 3, se muestran en la Fig. 3, con los pará-metros fijos de tiempo de reacción de 1 h, velocidad de agitación de 200 rpm y presión atmosférica. La Fig. 3-A muestra que la cantidad de catalizador es muy importante en relación con la temperatura de reacción en la producción del biodiésel a partir de AUF, porque el mayor rendimiento se observa a 0,7 %p/p de catalizador y una temperatura de 60 °C, ya que cualquier cantidad por debajo muestra una disminución en el rendimiento del biodiésel. La Fig. 3-B representa la interacción entre la relación mo-lar AUFS:etanol y el agente de lavado. El mejor ren-dimiento del producto se consigue en una relación molar 1:6 y agua como agente de lavado, obtenién-dose un rendimiento aproximado del 83% en peso. La interacción de la relación molar AUFS:etanol en la producción del biodiésel se presenta en la Fig. 3-C, esta muestra que la máxima relación molar y la máxima temperatura planteada en el estudio son factores que tienen efectos significativos en el porcentaje del rendimiento. La superficie de la Fig. 3-D establece que hay una interacción mutua entre el agente de lavado (agua) y la temperatura a 60 °C, definiendo que la temperatura más ade-cuada está alrededor de 60 °C. El aumento de la producción del FAEE se favorece cuando se emplea un alto porcentaje de catalizador; sin embargo, re-laciones molares menores a 1:6 con concentracio-nes de catalizador en el punto central (0,5 %p/p) dan lugar a la producción de emulsiones que difi-culta la separación de las fases, disminuyendo la

conversión alrededor del 82%, como se observa en la Fig. 3-E. El rendimiento obtenido alrededor del 87% aproximadamente de biocombustible se logra con el mayor porcentaje de catalizador (0,7 %p/p) y el nivel central empleado en la variable del agen-te de lavado, porque con los factores empleados por debajo de los parámetros mencionados ante-riormente se obtienen rendimientos por debajo del 75% de producción del combustible; como se pue-de observar en la superficie de la Fig. 3. Los valores óptimos de las variables de prueba en las unidades experimentales son los siguientes: Relación molar AUFS/etanol 1:7, %p/p catalizador de 0,7; tempe-ratura de reacción de 60 °C; agua como agente de lavado, con el correspondiente Y = 88,9%.

4. 3 Análisis de las propiedades del biodiésel

Las composiciones de las muestras de biodié-sel son analizadas por cromatografía de gases. Los datos obtenidos del cromatograma muestran que el 96,4% de la composición del biodiésel obtenido son ésteres etílicos de ácidos grasos (FAEE), esta-bleciendo que los triglicéridos (aceite) reaccionaron para formar FAEE, MG y DG. De acuerdo con la nor-ma EN 14105 y ASTM D6584 el contenido máximo de MG, DG y TG presente en el biodiésel debe ser 0,8%, 0,2%, 0,2%, respectivamente [15]. Los resul-tados muestran que el contenido de MG no cumple con el parámetro, porque supera en 2,8% al están-dar de la norma, aspecto que se refleja por la pre-sencia de agua en el biodiésel, debido a tiempos muy cortos en el proceso de separación entre las fases, pero si los DG y TG cumplen las condiciones de normatividad. Otras de las propiedades evalua-das en el combustible se establecen en la Tabla II.

4. 4 Planta piloto

El proceso que se empleará en la planta para su desarrollo y construcción es de tipo Batch, esta tendrá una capacidad de 150 L/Lote. El montaje se efectuará en el Laboratorio de Biocombustibles del Departamento de Química de la sede Bogotá de la Universidad Nacional de Colombia. A partir de las variables obtenidas en el proceso de opti-mización que se efectuó el diseño de la planta. La Fig. 3 muestra el diseño de montaje realizado en el software Solidworks y el montaje de la planta en el laboratorio (Fig. 4). El diseño del equipo se estable-ció con siete subsistemas (Tabla III).


Fig. 3. TRAZADO DE SUPERFICIES DE RESPUESTA DEL PORCENTAJE EN PESO DEL RENDIMIENTO DEL BIODIÉSEL OBTENIDO ENTRE LOS EFECTOS EN LA: CONCENTRACIÓN DEL CATALIZADOR VS TEMPERATURA (A); RELACIÓN MOLAR AUFS/ETANOL VS AGENTE DE LAVADO (B), RELACIÓN MOLAR AUFS/ETANOL

VS TEMPERATURA (C), TEMPERATURA VS AGENTE DE LAVADO (D), RELACIÓN MOLAR AUFS/ETANOL VS CONCENTRACIÓN DE CATALIZADOR (E), CONCENTRA-CIÓN DE CATALIZADOR VS AGENTE DE LAVADO (F)

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

Fuente: autores.

TABLA II

PROPIEDADES DEL BIODIÉSEL OBTENIDO CON LAS MEJORES CONDICIONES DE OPERACIÓN

Parámetro Valor obtenido Unidad Norma

Densidad a 15º C 899 kg/m3 EN ISO 12185

Viscosidad a 40º C 4,45 mm2/s ASTM D445

Contenido de cenizas 0,057 %(m/m) ASTM – D 6751

Índice de acidez 0,39 mg KOH/ g aceite EN 14104

Punto de nube 4,0 °C ASTM-D 2500

Contenido de agua 0,056 % ASTM-D 130

Masa molar 303,15 g/mol [16]

Monoglicéridos 3,59 %(m/m) EN14105

Diglicéridos 0 %(m/m) EN14105

Triglicéridos 0 %(m/m) EN14105


TABLA III

SUBSISTEMAS DE LA PLANTA PILOTO DE BIODIÉSEL

Subsistema Nombre del subsistema de la planta

1 Sistema de calentamiento de agua (CA)

2 Sistema de reacción-reactor tipo Batch

3 Sistema de alimentación del aceite usado (AU).

4 Sistema de recuperación de alcohol (RA)

5 Sistema de transesterificación y esterificación (STE)

6 Sistema mezclador catalizador-alcohol (SC)

7 Sistema de refrigeración (SR)

Fig. 4. PLANO DE MONTAJE DE LA PLANTA PILOTO DE 150 L/LOTE EN 3D (IZQ) - MONTAJE DE PLANTA DE BIODIÉSEL DE 150 L/LOTE EN EL EDIFICIO DE QUÍMICA DE LA UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA, SEDE BOGOTÁ (DER)

Fuente: autores.

TABLA IV

ENSAYOS DE CONSUMO DE COMBUSTIBLE EN LA CALDERA VERTICAL PIROTUBULAR

Ensayo Consumo (L/min)

1 19,44

2 31,57

3 33,04

4 17,76

5 21,73

Durante las pruebas realizadas a las 5 mues-tras de la combustión del biodiésel se encontró que el promedio del consumo estuvo alrededor de 24,71 L/min, asimismo, el biocombustible tiene una fácil ignición y mantiene una llama constante de color amarillo, condiciones que logran mante-ner una combustión uniforme en el quemador. Al obtener el set point de la caldera (40 psi) se ob-tienen temperaturas de 4°C (agua) - 37°C (vapor)

4. 5 Pruebas con biocombustible en la caldera pirotubular

Uno de los objetivos principales de esta inves-tigación era el obtener un biodiésel que se im-plementará en equipos industriales –calderas–. Por lo cual se analizó el biodiésel obtenido en la planta piloto sin un postratamiento, es decir, un biodiésel de una menor calidad que cumple con algunos parámetros de la norma. Con base en esto se realizaron ensayos en la caldera vertical pirotubular de la Fig. 2, para identificar aspec-tos importantes, como el consumo, eficiencia energética y emisiones generadas. Para evaluar el consumo de la caldera se tomó el tiempo que dura el quemador prendido y el volumen de com-bustible alimentado antes de alcanzar la presión de operación (50 Psi), iniciando a una presión de 25 Psi la operación, los resultados se presentan en la Tabla IV.


a la entrada y 63°C (agua) - 77°C (vapor) en las salidas. En el caso de las emisiones generadas se empleó un analizador de gases marca Bacharach, modelo 300 con rangos de oxigeno 0 – 25 %v/v y precisión de +/- 6%, para el caso del monóxido de carbono tiene unos rangos de medición de 0 – 3000 ppm con una precisión de lectura del +/- 5%, con los datos obtenidos en el equipo se pudo establecer una reducción en el CO2 del 2,3% y 84 ppm de CO entre las muestras analizadas de dié-sel y el biodiésel producido en la planta piloto. Es-tos aspectos permiten que el biodiésel elaborado en la planta piloto de 150L/Lote a partir de AUFS sea un combustible alternativo que pueda imple-mentarse para su uso en calderas u otros equipos a nivel industrial, permitiendo una disminución en las emisiones de gases efecto invernadero, como en la dependencia con respecto a los combusti-bles fósiles.

5. CONCLUSIONES

Las propiedades del biodiésel son altamente influenciadas por la composición del índice de acidez (7,65 mg KOH/g aceite), viscosidad (25,65 mm2/s) y densidad 921,5 Kg/m3) del aceite usado de fritura empleado como materia, porque a partir de la metodología de RSR mostraron más venta-jas que las propiedades del biodiésel (Viscosidad 4,45 mm2/s, densidad 899 Kg/m3, índice de aci-dez 0,39 mg KOH/g aceite).

Los rendimiento obtenidos de los etil-ésteres de ácidos grasos según los análisis cromatográ-ficos son del 96,4 %p/p, con unos rendimientos en peso del biodiésel con respecto a la cantidad inicial de aceite del 90% a nivel de laboratorio.

El biodiésel logrado en la planta piloto de 150L/Lote con AUFS y etanol a partir de los proce-sos de esterificación - transesterificación obtuvo un máximo rendimiento de 93,5% de FAEE produ-cido con una relación molar de 1:7 aceite: alco-hol, 0,7 % p/p de NaOH, tiempo de reacción de 60 min, temperatura de reacción de 60 °C, cataliza-dor el NaOH y velocidad de agitación de 200 RPM.

El producto obtenido posee características ade-cuadas para su uso como combustible en caldera, porque el comportamiento del biocombustibles lo-gra y mantiene las condiciones de operación de la caldera para el uso en procesos industriales, y permite una disminución del 2,3% de CO2.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen el apoyo de los grupos de investigación: Mecanismos de Desarrollo Lim-pio y Gestión Energética y Aprovechamiento Ener-gético de Recursos Naturales, con el programa del Sistema de Información de la Investigación (Her-mes) de la Universidad Nacional de Colombia por la financiación de proyecto 14354.

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Abstract– Parallel robots, which are faster and more ro-bust than serial robots, use servomotors for movement generation on each of their joints, which are indepen-dently controlled. This control is usually addressed by wi-red connections, which increases the fail probability and has an effect on the actuation speed. In this work, we pro-pose to implement a wireless control system for parallel robots, based on RS-232 interface. We used Robotic Ope-ration System (ROS) for controlling the joint actuators, and a Python developed algorithm supported by OpenCV libraries. Experiments in a drawing application with bidi-mensional plots showed that the network implementa-tion and the control algorithm provide us with increased robustness, response velocity and reliability (lower fail probability), thanks to the reduction of connection points.

Keywords– ROS; Delta Robot; Python; OpenCV; Ubuntu.

Resumen– Los robots paralelos, son más rápidos y más robusto que los robots tipo serie, se utilizan servomoto-res para la generación de movimiento en cada una de sus articulaciones, que son controlados de forma inde-pendiente. El control y conexión de los actuadores se lo realiza mediante buses de comunicación con la fina-lidad de reducir las probabilidades de fallos. . En este trabajo, se propone implementar un sistema de control para robots paralelos, basado en la interfaz RS-232. Se utilizó el Sistema Operativo Robótico (ROS) para con-trolar los conjuntos de actuadores, y un algoritmo de-sarrollado Python apoyado por las bibliotecas OpenCV. Los experimentos en una aplicación dibujo con gráficos bidimensionales mostraron que la implementación de la red de actuadores y el algoritmo de control proporcio-nan robustez, velocidad de respuesta y fiabilidad (infe-rior fallan probabilidad), gracias a la reducción de los puntos de conexión.

Palabras clave– ROS; Delta Robot; Python; OpenCV; Ubuntu.

1. INTRODUCTION

Mechatronics is an Engineering branch com-bining several knowledge areas, including Me-chanics, Electronics and Computer Science, and supported by Mathematics, Physics, Artificial Inte-lligence, Manufacturing, Metrology, and Robotics, among others [1]. As a result of this integration of a number of disciplines, it allows to develop prototy-pes in relatively short periods, hence reducing the developing time for products.

The Robotic Operating System (ROS) is a flexi-ble framework for control algorithm development in robots, which allows to operate, to control and to simulate the automata movements in a virtual and controlled environment [2]. ROS consists of tools, li-braries, and conventions aimed to simplify the task of creating complex and robust algorithms for con-troling a number of robotic platforms [3].

Parallel robots of Delta type are mechanisms consisting of a mobile platform and a fixed platform, both interconnected by at least two cinematic cha-ins, where a cinematic chain is given by the union of two or more stains [4]. The number of degrees of freedom of the robot usually equals to the number of its cinematic chains, given that each of them is governed by an actuator [5]. The advantages of Del-ta robots with respect to anthropomorphic robots include the former are more robust, faster, and more accurate. As a set of disadvantages we can

Delta robot controlled by robotic operating system

David Raimundo Rivas-LalaleoM. Sc. Telecomunicaciones,

Universidad de las Fuerzas Armadas ESPESangolquí, Ecuador

[email protected]

Eddie Egberto Galarza-ZambranoM. Sc. Ingeniería Electrónica,

Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE. Sangolquí, Ecuador

[email protected]

Diana Carolina Tumbaco-Mendoza Ing. Mecatrónica,


[email protected]

Wilmer Enrique Quimbita-Zapata Ing. Mecatrónica,

Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE. Sangolquí, Ecuador

[email protected]

Omar Vinicio Galarza-BarrionuevoIng. Mantenimiento,


[email protected]

Robot delta controlado con sistema operativo robótico (R.O.S.)

55Delta robot controlled by robotic operating system – Rivas, Galarza, Tumbaco, Quimbita, Galarza

cite their reduced working area and their number of mechanical singularities [6].

Delta robots have supported many kind of pro-jects since mid 70’s, including the development of several flight simulators. Many of these former studies were theoretical ones [7], until ABB Com-pany introduced the IBR 360 Flexpicker model for practical or commercial use from the industry [8]. The most usual applications of parallel robots in the industrial sector are flight simulators, 2D-pieces mechanization, automobile handling, surgery and rehabilitation in medicine and health, and training in education, [9], [10].

For manipulation purposes, this kind of robots is widely used for object positioning and orientation. However, their control is usually addressed by wired connections, which increases the fail probability and has a noticeable effect on the actuation speed. In this work, we propose to implement a wireless control system for parallel robots, based on RS-232 interface.

For this purpose, is a Delta robot developed in ROS, as a part of an experimental platform with the aim of helping and empowering the teaching on parallel robots, cinematic and dynamic control, advanced systems for control and tele-operation, by means of modelling and simulation. Specifica-lly, we developed a Delta robot with capabilities for making plots, diagrams or graphics on smooth sur-faces. The Delta robot actuators are interconnected by a RS-232 network with the computer, where the control algorithm is running on ROS. This imple-mentation was shown to improve the robustness, speed, actuator coordination and reliability (redu-ced fail proability).

The draw of the paper is as follows. Section II describes the fundamentals of Delta robots that are relevant to this work. Section III summarizes the programming and implementation issues of the robot, whereas Section IV includes the obtained results and benchmarking for the implemented system. Finally, in Section V, conclusions are sum-marized.

2. SYSTEM DEVELOPMENT

2. 1 Robot description

Figure 1 shows a diagram of a Delta-type robot, which consists of three arms and two

platforms: first, the fixed platform, in which the actuators are located; and second, the mobile platform, carrying the robot end effector.

The robot arms are interconnected by three closed kinematic chains, and each arm is con-nected to an actuator, being separated 120° from each other. As seen in the figure, the robot consists of two links, and in turn, a pair of para-llel bars comprises the lower link. This configura-tion restricts the movements of the end effector to three possible translations, according to the X, Y, and Z axis.

Fig. 1. SCHEME OF THE USED DELTA ROBOT

Source: authors.

The motors are mounted on the fixed platform, and they transfer the movement to each arm by means of a rotational joint.

2. 2 Inverse Kinematics

Next, the principles of the inverse kinematics will be used, in order to find the angle of each of the actuators by knowing the position of the end effector. According to the robot design (Fig. 2), the joint F1 J1 can only rotate in the YZ plane, hence con-figuring a circle with center point on F1 and radius rf. On the contrary, F1, J1 and E1 are called universal joints, which means that E1 J1 can freely rotate rela-tive to the point E1, hence forming a sphere cente-red at E1 and with radius re.

The intersection between the circle and the sphere occurs at two points, and the point with the lower value on the Y coordinates is taken as the solution point. By determining the position of the point J1 we can get the angle θ1 for the actuator.


Figure 2a shows the rotation characteristics in the YZ plane, and Fig. 2b shows the geometrical parameters for the calculation of the coordinates.Fig. 2. CHARACTERISTIC OF THE PLANE ROTATION FOR X,Y,Z. (a) ARTICU-

LATION F1J1, (b) LATERAL GEOMETRIC ANALYSIS VIEW

a

bSource: authors.

The obtained coordinates for the point Eo, E1, F1

y E'1 allow us to make a replacement in the follow-ing equation,

The above data provide the coordinates as fol-lows,

With the coordinates of the points described above, a system of two nonlinear equations allows us to find the position of point , which allows us to calculate the angle of the arm with the horizontal plane, thus obtaining the expected solution for the following equation system.

The solution of this system yields the following quadratic equation, which defines the solution:

where the values of a, b and c are

and whose overall solution is as follows,

This solution only makes sense when the ar-gument of the squared root is positive, hence bet-ween the two possible solutions, the smallest of both is used.

The value of the angle of the arm 1 is calcula-ted using the next equation,

For the remaining arms, the rotation matrix is used with an angle of 120° for arm 2, and an an-gle of 240° for arm 3. This rotation matrix allows rotating the coordinate system in such a way that the solution described can be used to calculate the remaining angles.

2. 3 Programing and simulation in ROS

All the elements in ROS programming were developed in Python. For the inverse kinematics, equations that define the robot were used, which were already developed. In terms of the simula-


tion, the 3D visualization tool used was Rviz from ROS. We decided to use Markers for its simple shapes (arrows, cubes, spheres, text, and so on). Figure 3 represents the components of the robot, which was used for its movement simulation.

Fig. 3. GRAPHICAL ROBOT STRUCTURE FOR SIMULATIONS

Source: authors.

To work with ROS, a workspace was created where we can create a package and build pro-gram scripts. The first script contained delta robot kinematics, so-called cinematica.py, whereas the second script, so-called construccion_delta.py, was a single file consisting of 3 functions, namely: crear_simulacion, which was responsible for crea-ting the model of the robot; colocar_pisicion_ini-cial, which made an initial position to the model and allowed to move the model to the desired positions; and mover_simulacion_al_punto, (x, y, z, simulationMarkerArray) which can be used to update the position of the entire model element by leaving the terminal in the position where the 3 arms are crossing at the desired point.

In the same script we also imported the library cinematica.py, already created, which can be applied to inverse kinematics for the total configu-ration of the robot according to the target position.

2. 4 Creating the aplication

For creating this application we used the ROS package interface with OpenCV, a library of pro-gramming functions for real time computer vision. Inside the package there are two scripts. The first

one is so-called drawing.py, where the select option is handled. If the image is vectorized (decomposed in geometrical figures which in turn are expressed as mathematical equations) or rasterized (genera-ting a matrix to determine presence or absence of color), the points obtained with OpenCV are stored in the file Ptos_Dibujo.txt. The second script is ro-bot_delta_dibujador.py, which is responsible for drawing each of the points in the desired position, and where we can change the scale of these points, hence making possible the control of the print qua-lity of the image and the size of the print.

The delta robot prototype should draw any ima-ge in JPG (Fig. 4a) or PNG (Fig. 4b) formats, and it must be of acceptable quality, but necessarily it must pass through the image processing, to adapt and reduce its complexity; Image Vectorization (Fig. 4c); Image Vectorization (Fig. 4d) and Image raste-rization (Fig. 4e). Fig 4. APPLICATION EXAMPLES. FORMATTED IMAGES WITH PNG (a) AND JPG (b) JPG. IMAGE PROCESSING: (c) IMAGE VECTORIZATION; (d) IMAGE

VECTORIZATION; (e) IMAGE RASTERIZATION

(a) (b)

(c) (d)

(e)

Source: authors.


2. 5 GUI for vectorization and rasterization processes

The graphical interface (Fig. 5) was built to automatically process the selected image each time the user changes a parameter processing. This display is the same image that is saved in the file as Ptos_Dibujo.txt points, which are sent to the robot simulation when we start the drawing process.

The parameters width, gamma, smooth, aper-ture, low Threshold, and high Threshold, directly affect the speed of the robot when drawing. For example, by adjusting the parameters in such way to get more quality, more segments can be drawn and it will take longer to draw them.

2. 6 Electronic and electrical implementation

The position control is done automatically by the PID (Proportional Integral Derivative). This con-trol is used Kp, Ki, and Kd for configurating the speed and stability of the system. It also allows an efficient laser control from Arduino Uno card, which is also integrated to the ROS developed control algorithm by means of its rosserial library ros_lib, which is also included in the Arduino IDE. This library allows the communication with ROS. Figure 6 shows the communication system.

3. RESULTS

By using the implemented techniques, it was accomplished for the delta robot to do pencil drawings (Fig. 7). The plot quality was determined by the motors speed. The vectorization process, with appropriate configuration of these parame-ters, obtained an improvement of 20% in terms of speed, with respect to the serial robot.

For the etching and cutting processes in soft materials, as seen in Fig. 7(a), the quality of the product was determined by the speed of the move-ment of the motors in relation to the power of the laser. This is because, when the system passes too quickly, it just does not realizes the graph, and more, long pauses affect the quality of the finis-hed product. Improvements in speed with respect to the serial robot was 18%. After finishing the pro-cess, the final product allows to see the cutting edges and recorded surfaces, which have been detailed in the rasterization process. Figure 7(b) shows a detail of the finished sample.

Fig 5. CONNECTION DIAGRAM FOR THE DELTA ROBOT

Source: authors.

Fig. 6. VECTORIZED IMAGE AND PENCIL DRAWING

Source: authors.

Fig. 7. IMAGE AFTER RASTERIZED AND DRAWN WITH LASER

(a)

(b)

Source: authors.


4. CONCLUSIONS

It has been demonstrated the utility that can be deployed by delta robots implemented with in-verse kinematics techniques for automated recor-ded on different surfaces.

Among the problems that we have identified, a relevant one is the fact that the robot is not able to lift the pointer when it has to jump from line to line, which significantly affects the accuracy and quality of the results.

For future works, we propose to make program-ming changes to allow it jumping between line changes in order to improve the accuracy.

ACKNOWLEDGMENTS

Thanks to Dr. José Luis Rojo-Álvarez, Prometeo Researcher at Department of Electric and Electro-nic Engineering (funded by Secretariat for Higher Education, Science, Technology, and Innovation of the Republic of Ecuador), for his support.

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Abstract– This paper presents the design, construction and evaluation of the wireless device OSP cellular and satellite coverage for localization and tracking of mobi-le assets in Colombia (public transport, freight, carriers, etc.). The development of this product integrates hard-ware, software and communications interfaces, and it is aligned with a need identified in the market by the com-pany One Solution Position: OSP LTD. With this techno-logy transfer is to improve in offering wireless services for mobile asset tracking using a dual cellular/satellite, versatile, economical, low-power, limited only internatio-nal standards FCC and CE Mark.

Keywords– GPRS technology, satellite device, location, tracking, mobile assets.

Resumen– Este artículo presenta el diseño, construc-ción y evaluación de un dispositivo inalámbrico de co-bertura celular y satelital para la localización y el ras-treo de activos móviles en Colombia (transporte público, transporte de carga). El desarrollo de este producto inte-gra hardware, interfaces de comunicaciones y software, y está alineado con una necesidad detectada en el mer-cado por la empresa One Solution Position: OSP LTDA. Con esta transferencia tecnológica se busca mejorar mediante una solución dual celular/satelital, versátil, económica, de bajo consumo y ceñida a la normatividad internacional FCC y CE Mark, la oferta de servicios ina-lámbricos para seguimiento de activos móviles.

Palabras clave– Activos móviles, dispositivo satelital, localización, seguimiento, tecnología GPRS.

1. INTRODUCTION

Colombian telecommunications is a dynamic sector (continual growing of users and new ser-vices), that offers multiple opportunities to the electronic engineering for the development of per-tinent solutions from the tracking technological transfer.

In that perspective, it was identified that wire-less communication market, specifically in techno-logical solutions for tracking and following of mo-bile asset, offers GPRS transmission equipment with cellular coverage. In [1] explains the politics of this services in Colombia; the limitation of this kind of solutions is that information flux is main-tained while antenna connection exists; however, the communication get lost in remote regions. Re-cently, user enterprises that possess GPRS devi-ces, and need to guarantee the continual service, must replace their modules with dual techno-logi-cal solutions that combine land transmission mo-des (GPRS) and satellite (GPS). However, most of the enterprises do not have de disposition to make new inversions due to the high costs.

In that context, Electronic Engineering program of the Colombian School of Engineering Julio Gara-

Design, construction and evaluation of a dual device with cellular / satellite coverage for mobile

asset tracking technology transfer through

Diseño, construcción y evaluación de un dispositivo dual con cobertura celular/satelital mediante transferencia tecnológica

Hernán Paz-Penagos Ph. D. Education.

Colombian School of Engineering Julio Garavito. Bogota, Colombia.

[email protected]

Johnny Alexander Arevalo-LópezElectronic Engineer,

Colombian School of Engineering Julio Garavito. Bogotá, Colombia.

[email protected]

Marco Andrés Ortiz-NiñoElectronic Engineer,

Colombian School of Engineering Julio Garavito. Bogotá, Colombia

[email protected]

Roberto Ferro-EscobarElectronic Engineer,

Francisco José de Caldas Distrital UniversityBogotá, Colombia

[email protected]

61Diseño, construcción y evaluación de un dispositivo dual con cobertura celular/satelital mediante transferencia tecnológica – Paz, Arevalo, Ortiz, Ferro

vito (performer entity) and OSP (benefactor entity) combined efforts for the design and build of dual device with cellular/satellital coverage, for forward references OSP/Satellite device, that takes exis-tent GPRS units (Syrus and skypatrol TT8750) and makes them compatible with a satellite device, with the purpose of guarantee to the user the lo-calization (by GPS coordinates) and the tracking mobile asset with universal coverage, versatile, to a lower cost that other types of solutions offered in the market, with low consumption and built under international standards.

In this article, it is presented the experience of designing and building of OSP/satellite device; be-sides, the results of working evaluation is presen-ted, by transmission of test data.

2. THEORETICAL FRAMEWORK

GPRS (Global Packet Radio Service) is a stan-dard that shares the frequency range of the GSM network using data transmission in “clusters”. This standard can be consulted in [2]. In this te-chnology, communicative channels are shared between different users dynamically. In [3] is con-tained the detailed procedure of this dynamic pro-cess. The principal advantage of this technology is the possibility of having a permanent terminal plugged, checked only for the volume of data send and received, and no for the connection time as happens in the transmission by circuit commu-tation. All concepts, procedures and services of GSM technology can be consulted in [4].

Even when data transference rate of Syrus® y skypatrol®, re-used object (115,2kbps), may seem like obsolete for internet navigation, it is not for the development of this research, due to the information transmission speed for needs of loca-lization and tracking of mobile asset if low.

About the satellite device, it is a technology that works with a satellite network in low orbit that spin generally bellow 5035km. This information can be consulted in [5]. Its functionality goes beyond trac-king and following mobile assets, they also allow data transfer in simplex and/or duplex mode with low latency and global coverage. In [6] there are detailed information of GPS services. This servi-ce is provided now by different companies such as Iridium®, Globalstar®, OrbComm®, that have their own satellite constellation LEO and of satelli-

te modems Directly in [7]-[9] are the detailed infor-mation of the infrastructure of these companies.

In this days exist diverse wireless communica-tions systems for tracking and/or control of mobi-le assets (vehicles, buses, etc.) of local or regio-nal coverage by GPRS (Sony/Ericsson®, Enfora® GSM2218, Hunter Pro®, Syrus® y Skypatrol®), of national or universal coverage by satellite mo-dems (EIT ®, Iridium®, Glob-alstar®, Inmarsat®, Orbcom®) and duals, that combines both techno-logies (Matrix®, Todoelectrónica®, etc.). Anyway, a wide and varied offer of solutions for tracking and following of mobile assets in real time is evi-dent and can be detailed in [10]. All of them are international and of high costs.

Referent to the current normativity for Colom-bia, in the telecommunication sector, its policy is to regulate guideline for services and not for tech-nology. With that sight, it was necessary to check international normativity’s founded; FCC in [11] and CE Mark in [12], with the main goal of guide the design and building of the OSP/Satellite devi-ce with international standards.

Normativity FCC refers to the correct use of frequencies and electromagnetic wave emission without interferences. For compliance of FCC nor-mativity in the development of the OSP/Satellite device parts 15 and 25 that refer to unintentional radiations, intentional radiation and restrictions over any kind of satellite communications were followed.

With the CE MARK normativity, that regulates the production, distribution and commercializa-tion of electronic devices for the European Union, other points are required: design and build the de-vice that it can operate in an assigned band, give the device specifications to the client in a sheet and use minimal quantities of dangerous substan-ces (cadmium, lead, mercury, polybromophenyls, etc.), that can affect the environment and human health. For the latter purpose there is RoHS (Res-triction of Hazardous Substances) certification, also specified in [12].

3. METHODOLODY

Design and building of the OSP/Satellite de-vice that allows tracking and following of mobile assets, will imply the precise knowledge of its rela-tive location coordinates and the monitoring of va-


riables of the mobile active that are of interest for the final user, and that will be transmitted towards a register center for control, logistic, administra-tion and auditory of the information.

To be pertinent to the specific information ne-eds of the user (variables to count), it was applied a questionnaire survey that had two parts and six open questions with short answers. The survey was answered for five enterprises that are users of the AVL units specified in the table I.

TABLE I

CONSULTED ENTERPRISES AND TYPE OF AVL UNITS (AUTOMATIC VEHICLE LOCATION) USED

Consulted enterprise AVL unit used

Impel Enfora

Kenssey Sky Patrol

Rastrack Enfora

Roca Enfora

Securitas Syrus

Source: OPS and ECITONICA.

In general polled people in the enterprises coincide in affirm that variables of interest for their respective enterprises are these pointed in Fig. 1.

Fig. 1. TYPE OF VARIABLES OF INTEREST FOR THE POLLED ENTERPRISES

Source: ECITRONICA Group.

The OSP/Satellite device pertinent to the ne-cessities of the user enterprises considered the development of hardware, communication interfa-ces and software for its performance in the opera-tive stage that is shown in the fig. 2.

Fig. 2. WIRELESS COMMUNICATION SYSTEMS WITH CELLULAR AND SATELLITAL COVERAGE


This electronic engineering work also had in mind the following market requirements: 1) Pos-sibilities of universal coverage; however, it was implemented to reach national and regional co-verage that comprehends Andean zone countries; 2) From the monitoring center, the offering of re-gular location uploads of the mobile actives; 3) The GPRS modem will work with low frequencies respect de 3G and 4G technologies, which gua-rantees a low battery consume. 4) The low bat-tery consume will be guaranteed by the following strategies: STX-2 deactivation when it is not trans-mitting, PWM signal for LED’s visualization feed and change the microcontroller to hibernation status when it is not transmitting; 5) The appro-


ximate dimensions of the OSP/Satellite device are: 9.2x6.3x4.0cm; approximate weight: 400g; Satellital Antenna: 5m of wire; 6) The OSP/Sate-llital broadcast RF power levels allowed, to avoid electromagnetic interferences; 7) This device will operate with GLOBALSTAR® satellital network, in low orbit to 1414km, Band L, F=1616.25MHz, BW=7.5MHz; 8) Maximum of sending information capacity: 16 messages (144 bytes), compatibility: Syrus, Skypatrol: TT8750; 9) The OSP/Satellital will be feed with a range of voltage that will osci-llate between 2.7V and 5.5V, with a Imax of 1.1A. In the same way, it will have a 3.7V – 1000mA/h lithium internal battery. Charge time: 4h. Recep-tion sensibility: -93dBm; 10) this device will have an integrated smart Bluetooth terminal to 2.4GHz and transmission power from 0dBm to -23dBm.

3. 1 Hardware modeling of the OSP/satellite device

As it is shown in Fig. 3, the design of the hard-ware of the OSP/Satellite device consist of internal modules, ports for external modules, Bluetooth, STX-2 satellital and microcontroller.

Fig. 3. BLOCKS DIAGRAM FOR THE OSP/SATELLITE DEVICE


3. 2 Modeling of the communication interfaces

The design of the communication interfaces with serials SPI (Serial Peripheral Interface) and asynchronous UART (Universal Asynchronous Re-ceiver-Transmitter) for the interconnection of the circuit blocks (hardware), will allow the ensemble (OSP/Satellite device) the transmission of satellital information over the coordinates of the mobile as-set and values of the electrical variables captured by the GPRS existent system (sensors module).

Internal modules are communicated with each other by inter-faces that are shown in Fig. 4. These show the way that follows the information flux.Fig. 4. INTERFACES OF COMMUNICATION AND CIRCUIT BLOCKS THAT ARE

INTERCONNECTED


As shown in Fig. 5, the information captured by the sensors external module and saved in the mi-crocontroller can also be received in a smartphone, tablet or laptop with Bluetooth communication.

Fig. 5. INTERFACES OF COMMUNICATION INVOLVED IN THE LINK BE-TWEEN SENSORS EXTERNAL MODULE AND A BLUETOOTH TERMINAL



The firmware was programmed in C language using PICC compiler and development interface MPLABX. The firmaware was developed with the purpose of setting the OSP/Satellite device to be versatile, to fulfill the standards and operate with lower power consumption. Programming logic that was followed for software development at reception shown in the following flowchart of Fig. 6.

Fig. 6. FLOW CHART OF THE SOFTWARE


The reception software was developed in pro-gramming language Python that will be executing in a machine with an operative system Ubuntu 14.4 and which main goal is to detect the moment in which a satellital message is received in the server, capture the information contained in the message, decoding it and give it in an e-mail.

For the management of the socket a script was made, that initially was been executed in the server of the benefactor enterprise OSP, in order to receive satellite connection sent by the OSP/Satellite devi-ce (located in the Colombian Engineering School)

To check the working of the OSP/Satellite de-vice the next steps were followed: 1) Install a FTP service on the server, that al-lowed the reception of XML files, that for the first test were sent from GLO-BALSTAR to an e-mail, with the information required of the satellite message. 2) A script was developed which could make the following activities pat the same time:• Get connected to an e-mail• Make a directory event notifier that when va-

lidating the creation of new XML files in a specified route, opens them, ex-tracts the in-formation, decoding and after sends to the development engineers’ e-mail the decoding information with the XML file attached.

4. RESULTS

The designed and built OSP/Satellite device had the technical specifications described in the following Table II.

From the first and only test some fractions were received on the e-mail with content such as what is shown in the Fig. 7. With the basis of this information the XML file was created.

Once the XML file was created, the script auto-matically opens it to make the decoding.

Created file is decoding by script, which is exe-cuted in the reception server, and a new e-mail message is sent to the development engineer for information validation.

In the content of the mail it is shown the unders-tandable information that has the following data:• Date• Hour• Latitude


TABLE II

TECHNICAL SPECIFICATIONS OF THE OSP/SATELLITE DEVICE

Dimensions

SizeSatellital Antenna: 8.4cm X 7.5cm X 4cmDevice: 10.5cm X 9.5cm X 4cm

PesoSatellital Antenna: ~180 g Device: ~300 g

Environmental toleranceCharging temperature -5°C a +55°C

Operative temperatureSatellital transmitter: from -5°C to +55°CAntenna: from -5°C to +55°C

Relative humiditySatellital Transmitter: 85 %Antenna: 85 %

Electric surrounding IP 65, NEMA 12Electric tolerance

Incoming voltage 10 VDC a 30 DC

Current consumeIn satellital transmission: min 650 mAMax: 1 AAt inactivity : 15 mA

Protection

Voltage peak suppressorInverse polarity voltageOvercurrentHigh (55°C) and low (-5°C) thermic temperatures

Coupling pluginDevice: DB9 nut with connection to existent GPRS Satellital Antenna: SMA NutDispositive: Male connector for external module of sensors.

Battery voltage 3.7 VDCCharge current (battery) 700 mAh

SatelliteVersion Globalstar STX-2

Transmission frequency 1611.25 MHz a 1618.75 MHzTransmission power 18 dBm +/- 2dB

Mode SimplexAntenna Type: Patch. Connector: SMA Nut

GPS - GSM/GPRS Existents

CompatibilitySyrus DCTEnforaSkypatrol TT8750

InterfacesRS232. Duplex communication. Default Baud Rate: 115200. SPI. Molex 4 inputs / outputs configurable. Duplex communication. Master Mode. Transmission rate until 4 MHz

BluetoothVersion 4.0 Bluetooth Smart

Frequency 2.402 GHz to 2.480 GHzModulation GFSK

Transmission Power +0 dBmReceiver sensibility -93 dBm

Reach and line of sight 100 metersMode Duplex

CertificationsSatellital Inmarsat ISATM2M Regulator FCC, CE

ProcessingProcessor Microchip 18lf26k22

Flash Memory 64 kBSRAM 3896 Bytes

Satellital messages

PlotMessage size of 9 bytesMax 16 messages



• Longitude• Event• Orientation• Speed• Hexadecimal representation• Binary representation• Google-maps link to see the coordinates in a

mapBesides, the mail contains the XML file atta-

ched to verify the information.

4. 1 Data analysis

A challenge that is presented in the design of an OSP/Satellite device is that the integrated circuit STX2, that is used in the project and is commercialized by GLOBALSTAR®, counts with a transmission mode of simplex information, without detection and errors correction over the sending of the data to the final customizer. This in-formation can be founded in [13]; in consequence, it is not guaranteed the reliability of the transmitted data. To solve this issue techniques that allow error correction in the receptor without retransmission of the original information were applied (FEC: Forward Error Correction).

GLOBALSTAR® satellites network, that will faci-litate to the OSP/Satellite device its universal cove-rage, presents availability between 90% and 95%, with a delay of the communications of 20µs, appro-ximately.

Due to the OSP/Satellite device user is not dis-posed to pay more money than to the send of the

message, it is necessary the compression of the information of the locate coordinates of the mobile asset and analogic entrances or digitals that inform about the driver behavior and gas consumption, (these information cannot exceed a 9 bytes mes-sage).

The protocol for the serial communication RS-232 between the conventional AVL devices (com-mercialized in Colombia) and the OSP/Satelital, ba-sed in ASCII, generates processing consumption in the microcontroller of both devices [14], [15]. This procedure could be made in the software and so reducing the size in firm-ware.

5. CONCLUSIONS

The dual solution will allow the transference of data between the final user and its following asset that will be made by the use of GPRS technology for zones in Colombia that have cellular network coverage and with satellite communication mo-dem LEO for those zones that do not have GPRS coverage.

Design of any electronic product with compli-ment of an international standard can be perfor-med from two perspectives: starting of zero and guide the design process (stage by stage) with the compliment of the respective recommendation [16]; or start from the selection of the elements of the desired certification. In that case it is wished to compile the standard related to the integration and performance of the device in general.

Transmission rates of the OSP/Satellite device to the final user must be adjusted in a way that data flow between modules is appropriate, does

Fig. 7. SATELLITAL MESSAGE CONTENT



not rewrite the information and neither generates unnecessary energy consumption.

ACKNOWLEDGMENTS

For the contributors of valuable comments and hosting this research, the engineers Nestor Gue-rrero and Juan Pablo Londoño of One Solution po-sition LTDA.

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Resumen– Una de las propiedades esperadas en las redes ad hoc es la capacidad de aumentar su tamaño recibiendo nuevos nodos y configurando nuevas aplica-ciones sin afectar la calidad de los servicios ofrecidos. Esta propiedad, llamada escalabilidad se ve afectada por la naturaleza descentralizada de las redes ad hoc y hace necesario desarrollar mecanismos que le permitan a un gran número de nodos trabajar de manera conjunta sin afectar el rendimiento de la red. En este trabajo, pro-ponemos un modelo estocástico basado en la distribu-ción geométrica truncada, el cual permite caracterizar el nivel de recursos en una arquitectura jerárquica, para luego establecer una relación adecuada entre el nivel de recursos de dos capas sucesivas de la red.

Palabras clave– Redes Ad Hoc, Escalabilidad, Modelo Estocástico, Distribución Geométrica, Arquitectura de red.

Abstract: One of the expected properties of the ad hoc networks is the ability to increase its size to receive new nodes and configure new applications without affecting the quality of services. This property, called scalability is affected by the decentralized nature of ad hoc networks making it necessary to develop mechanisms that allow a large number of nodes work together without affec-ting network performance. In this paper, we propose a stochastic model based on the geometric distribution, which allows to characterize the level of resources in a hierarchical architecture and then establish an appro-priate relationship between the level of resources of two successive layers of the network.

Keywords– Ad hoc Networks, Scalability, Stochastic Model, Geometric Distribution, Network Architecture.

1. INTRODUCCIÓN

Las redes ad hoc son un paradigma totalmen-te distinto a las redes tradicionales, carecen por completo de una infraestructura fija, dan com-pleta autonomía a los nodos para configurar su participación en la red. Esta naturaleza descen-tralizada trae consigo la aparición de propiedades emergentes y genera la necesidad de incorporar en los nodos ciertas características que les permi-tan configurarse e integrarse como parte de la red sin afectar su rendimiento.

Una de las propiedades esperadas en las re-des ad hoc es la capacidad de aumentar de ta-maño al recibir nuevos nodos y configurar nuevas aplicaciones sin afectar la calidad en los servicios ofrecidos. Esta propiedad denominada escalabili-dad, es uno de los principales desafíos en el dise-ño de protocolos y una característica fundamental para lograr redes ad hoc con una alta capacidad de despliegue. En el siguiente artículo se propone un modelo basado en la distribución geométrica truncada, el cual permite caracterizar los recursos de una red bajo una arquitectura jerárquica y, pos-teriormente, establecer una función que permita obtener la relación adecuada entre el nivel de re-cursos de dos capas sucesivas de la red.

El artículo está organizado de la siguiente for-ma: primero, se hizo una breve revisión sobre las principales características de las redes ad hoc;

Caracterización de un clúster y sus recursos en una red Ad Hoc a partir de la distribución

geométrica truncada

Characterization of a cluster and its resources in an Ad-Hoc network starting from the truncated geometric distribution

Juan Pablo Ospina-LópezM. Sc. (c). Ingeniería de Sistemas y Computación

Universidad Nacional de ColombiaBogotá, Colombia

[email protected]

Jorge Eduardo Ortiz-TriviñioPh. D. Sistemas y Computación

Universidad Nacional de ColombiaBogotá, Colombia

[email protected]

69Caracterización de un clúster y sus recursos en una red Ad Hoc a partir de la distribución geométrica truncada – Ospina, Ortiz

luego se describen los factores que afectan de manera significativa la escalabilidad de la red, así como los resultados obtenidos para diferentes ar-quitecturas y, finalmente, se hará la descripción del modelo propuesto.

2. CARACTERÍSTICAS DE LAS REDES AD HOC

Las redes ad hoc son sistemas computaciona-les auto-organizados, formados por un conjunto de nodos que se comunican entre sí a través de enlaces inalámbricos y que no dependen de una infraestructura preexistente para funcionar. Cada nodo configura su participación en la red de forma autónoma, conociendo únicamente la información de los vecinos que se encuentran en su radio de transmisión. Entre sus principales características se encuentran [1], [2]:

Funcionamiento autónomo: las redes ad hoc son adaptativas y tienen la capacidad de configu-rarse así mismas sin ningún tipo de control exter-no.

Topología dinámica: la capacidad de los nodos para desplazarse de forma aleatoria puede gene-rar cambios en la topología y causar fallas en las comunicaciones [3], [4].

Necesidad de cooperación: el objetivo de la cooperación entre nodos es buscar un equilibrio que permita operar de manera distribuida, com-partir recursos y maximizar el rendimiento de la red [5], [6].

Administración de la energía: los dispositivos inalámbricos funcionan a través de baterías con capacidades limitadas. Un manejo eficiente de la energía garantiza el funcionamiento de los nodos por el mayor tiempo posible [7].

Nodos heterogéneos: los nodos generalmente presentan diferentes niveles de recursos (capa-cidad de almacenamiento, grado de movilidad, capacidad de procesamiento, energía disponible), haciendo posible clasificarlos según sus caracte-rísticas individuales.

a. Arquitectura de redLa arquitectura de red describe las posibles

configuraciones de los nodos especificando su diseño, su organización funcional así como el con-junto de protocolos necesarios para su funciona-miento. Generalmente las redes ad hoc presentan dos tipos de arquitecturas [8]:

Arquitecturas planas: en una arquitectura pla-na los nodos de la red realizan el enrutamiento y el envío de paquetes de forma independiente y sin ningún tipo de control externo. La falta de un en-rutador por defecto hace necesario utilizar nodos intermedios para lograr las comunicaciones [9].

Arquitecturas jerárquicas: estas arquitecturas son generadas a partir de algoritmos de agrupa-miento, creando grupos de nodos geográficamen-te adyacentes y conectados entre sí, llamados clúster, estos grupos se forman dinámicamente y pueden ser adaptados para mejorar el enruta-miento, disminuir el consumo de energía o mejo-rar la cooperación entre los nodos.

3. ESCALABILIDAD EN REDES AD HOC

El uso masivo de dispositivos inalámbricos hace necesario desarrollar en las redes ad hoc la capacidad de reaccionar adecuadamente al au-mento en el número de nodos sin perder calidad en los servicios ofrecidos. Lograr escalabilidad es uno de los grandes retos en el diseño de proto-colos y una de las propiedades necesarias para lograr redes ad hoc con una alta capacidad de despliegue. Entre los factores que afectan la es-calabilidad en las redes ad hoc se encuentran:

Enrutamiento: la escalabilidad está direc-tamente relacionada con los algoritmos de en-rutamiento, pero incluso con un algoritmo de enrutamiento ideal, la limitación principal es la naturaleza multisalto de las comunicaciones. La necesidad de utilizar nodos intermedios hace que el tamaño de tablas de enrutamiento sea propor-cional al número de nodos en la red [9].

Redes heterogéneas: la existencia de nodos heterogéneos, sumado a la necesidad de coope-ración hace necesario garantizar que las tareas que se asignan a un nodo no estén por encima de su nivel de recursos (capacidad de memoria, procesador, disponibilidad), de lo contrario se pueden generar retrasos en las comunicaciones.

Competencia por los recursos: el aumento en la racionalidad de los nodos trae como conse-cuencia la aparición de comportamientos egoís-tas. Como una respuesta a esta nueva dinámica aparece la teoría de juegos al ser una herramienta para analizar formalmente los procesos de deci-sión que implican los modelos de cooperación, la


competencia por recursos y el aumento en la ra-cionalidad de los nodos [5], [6].

a. Escalabilidad en arquitecturas planasLas arquitecturas planas presentan problemas

de escalabilidad, debido a que el tamaño de las tablas de enrutamiento es proporcional al número de nodos en la red, sin embargo, funcionan ade-cuadamente en redes pequeñas, donde el enruta-miento y consumo de energía es bajo [9].

En los resultados obtenidos por Gupta y Kumar [12] es posible observar que una red con n no-dos, la escalabilidad de la red disminuye en cuando el número de nodos aumenta. Estos re-sultados son independientes de los protocolos de enrutamiento del acceso al medio de transmisión y cualquier otro protocolo de control, al ser la prin-cipal limitación a la hora de diseñar redes de gran tamaño con arquitecturas planas.

b. Escalabilidad en arquitecturas jerárquicasLa escalabilidad en una arquitectura jerárqui-

ca está relacionada con el nivel de recursos dis-ponibles en una capa de la red y las tareas que los nodos deben realizar. Las capas superiores deben estar en la capacidad de soportar la carga de trabajo adicional que implica servir como inter-mediarios en las comunicaciones de la red [16], [17], [10].

Existen dos formas de lograr escalabilidad en una arquitectura jerárquica [18]:

Escalabilidad horizontal: la red escala horizon-talmente si se agregan nuevos nodos a una capa de la red con el fin de ayudar a manejar el aumen-to en la carga de trabajo, esto mejora la estabili-dad y el desempeño general del sistema.

Escalabilidad vertical: una red escala verti-calmente cuando se añaden más recursos a un nodo en particular (procesador, memoria, energía disponible), este mejora el rendimiento de la red ayudando a centralizar la carga de trabajo sobre ese nodo.

Las arquitecturas jerárquicas surgen como res-puesta a los problemas de escalabilidad presen-tados en arquitecturas planas, este tipo de organi-zación aumenta la capacidad de la red al mejorar la calidad en las comunicaciones, el enrutamiento y el control de la topología, convirtiéndose en una buena alternativa para lograr escalabilidad en las redes ad hoc. [8], [19], [10].

c. Arquitecturas planas vs arquitecturas jerár-quicas

El escenario de simulación propuesto es de-sarrollado en el software para simulación de re-des NS3 y busca comparar el rendimiento entre una arquitectura plana tradicional y una arqui-tectura jerárquica de dos capas compuesta por varios clúster conectados entre sí. El escenario de simulación consiste en un espacio geográfico de 1000m x 1000m, bajo un modelo de tráfico Poisson [20], el protocolo de enrutamiento OLSR (Optimized Link State Routing) y el modelo de mo-vilidad random waypoint utilizando una velocidad uniformemente distribuida entre 0-1 m/s y donde los nodos nunca se detienen durante su recorrido. En la Tabla I es posible observar un resumen de los parámetros de configuración utilizados en la simulación.

TABLA I

PARÁMETROS DE SIMULACIÓN

Arq. Plana Arq. Jerárquica

Número de nodos 36 6 Clúster (6 nodos

por clúster)

Propagación NS3Friss NS3Friss

Pérdida ns3 Constante ns3 Constante

Tráfico Poisson Poisson

Movilidad Random Way Point Random Way Point

Dos medidas de desempeño se evaluaron en ambos escenarios de simulación:• Rendimiento del sistema (throughput): volu-

men de información entregada correctamente a su destino (en Mb).

• Paquetes perdidos: (lost packets): Número total de paquetes perdidos durante las comu-nicaciones.

Para evaluar el rendimiento de la red en am-bos escenarios de simulación, se realizaron ex-perimentos variando el tamaño de los paquetes desde 0.2 Mb hasta 2 Mb, para intentar conseguir resultados más claros sobre el comportamiento de una red bajo diferentes arquitecturas.


Fig. 1. RENDIMIENTO DEL SISTEMA ARQUITCTURA PLANA VS ARQUITECTURA JERÁRQUICA

Fuente: autores.

Fig. 2. PAQUETES PERDIDOS ARQUITECTURA PLANA VS ARQUITECTURA JERÁRQUICA

Fuente: autores.

En los resultados de la simulación es posible verificar que una red bajo una arquitectura jerár-quica presenta un mejor rendimiento en términos de los parámetros evaluados en comparación con una arquitectura plana. Al observar las Fig. 1 y 2, se evidencia una diferencia significativa en el ren-dimiento del sistema entre ambas arquitecturas, así como una menor pérdida de paquetes bajo una arquitectura jerárquica.

Teniendo en cuenta el mejor rendimiento pre-sentando por las arquitecturas jerárquicas, así como el hecho de que los nodos en las capas superiores deben contar con los recursos nece-sarios para servir como intermendiarios en las comunicaicones de la red, se propone un mode-lo basado en la distribución geométrica truncada

que permite caracterizar el nivel de recursos de un clúster.

4. MODELO ESTOCÁSTICO PARA LA CARACTERIZACIÓN DE UN CLÚSTER Y SUS

RECURSOS

Cuando se genera una arquitectura jerárqui-ca, el nivel de recursos en las capas superiores debe ser lo suficientemente grande para soportar la carga de trabajo adicional que implica adminis-trar las comunicaciones de la red, y lo suficien-temente pequeño para optimizar la utilización de los recursos. Encontrar la relación adecuada en el nivel de recursos de dos capas sucesivas de la red, hace necesario realizar una caracterización de los clústers que servirá para representar la dis-tribución de recursos en los nodos. A continuación se presenta un modelo basado en la distribución geométrica truncada, que permite realizar una ca-racterización de un clúster a partir de sus niveles de recursos disponibles.

a. Familia geométricaSea X~G(p) una variable aleatoria con distri-

bución geométrica y función de densidad de pro-babilidad determinada por la ecuación (1) con pa-rámetro pϵ (0,1) y dominio xϵℕ= 1,2,3,....

Vale la pena mencionar que esta distribución es al mundo discreto lo que la distribución expo-nencial es al mundo continuo, esto derivado del hecho de ser la única distribución discreta con la propiedad de pérdida de la memoria [20].

b. Familia geométrica truncadaComo se dijo anteriormente, el dominio de una

variable aleatoria geométrica es el conjunto ℕ. Sin embargo, para los propósitos de esta investi-gación es necesario restringir, por razones que se mencionarán más adelante, su dominio a un sub-conjunto A⊆ ℕ. En consecuencia, es necesario ajustar la estructura probabilística de la variable aleatoria a ese subconjunto.

Si Y representa una variable aleatoria con una forma funcional geométrica, con parámetro p, pero truncada a un subconjunto A, entonces:


Donde IA se define como la función indicadora del conjunto A y donde P(A) puede calcularse de la siguiente forma:

c. Caracterización de un clústerTradicionalmente la familia geométrica ha ser-

vido como un modelo para representar el número de ensayos de Bernoulli antes del primer éxito. Sin embargo, en este artículo se propone como mode-lo para describir el porcentaje de recursos con los que cuenta un nodo en relación con el total de los recursos del clúster. Por ejemplo, si el 100% de los recursos en un clúster X se supone bajo una forma funcional geométrica X~G(p), entonces, el porcentaje de recursos con los que cuenta el x-ési-mo nodo estará determinado por la ecuación (1).

Debido a que una red ad hoc puede estar con-formada por más de un clúster, es posible definir un conjunto de variables aleatorias que pertene-cen a la familia geométrica para modelar el total de clústers en la red. Sea Xi con i ∈ ℕ un con-junto de variables aleatorias discretas con función de densidad determinada por la ecuación (4) con parámetro pi∈(0,1), y un dominio xi∈ ℕ.

Debido a que un clúster cuenta con un núme-ro posiblemente grande, pero finito de nodos, es conveniente modelar el porcentaje de recursos de un nodo a través de un conjunto de variables alea-torias que pertenezcan a la familia geométrica truncada. Sea Yi con i∈ ℕ un conjunto de varia-bles aleatorias discretas con función de densidad determinada por la ecuación (5) con parámetro pi∈ (0,1), y truncada a un subconjunto Ai ⊆ ℕ que representa el total de nodos en el clúster. Donde Yi será la variable aleatoria asociada a un clúster i de tamaño Ni = ||Ai|| y donde representa el porcentaje de recursos del nodo yi en el clúster.

Se tendrán las siguientes consideraciones:• Cada clúster Yi tendrá asociado un valor pi y

una función de densidad .

• Los nodos en el clúster estarán representa-

dos por el valor yi en .• El total de nodos en un clúster Yi es represen-

tado por un conjunto Ai donde ||Ai|| = Ni

El valor de probabilidad obtenido al evaluar para un nodo yi representa el porcenta-

je de recursos del nodo en comparación con el 100% de recursos en el clúster.

En las Fig. 3 y Fig. 4 se muestra la caracte-rización de los clúster Y1, Y2 a partir de la distri-bución geométrica truncada con N1= 5, N2 = 3 y

funciones de densidad asociadas. En el clúster Y1 se observa una gran variación entre los recursos, disponibles por los nodos. Esta representación es adecuada para clústers hetero-géneos donde se encuentra una diferencia signi-ficativa entre las características de cada nodo. En el clúster Y2 se observa una variación casi nula en los recursos. Esta representación es adecuada para clústers homogéneos donde los nodos tienen aproximadamente las mismas características.

Fig. 3. CLÚSTER Y1 , P = 0.7

Fuente: autores.

Fig. 4. CLÚSTER Y2 , P = 0.1

Fuente: autores.


d. Cantidad de recursos esperada en un clústerDebido a que los valores de yi representan

los nodos en un clúster, es necesario utilizar una función h(·) que permita asociar un nodo yi con su nivel de recursos disponibles, de esta forma h(yi) servirá para representar la cantidad de recursos disponibles en el nodo yi. Teniendo en cuenta lo anterior, es posible calcular la cantidad esperada de recursos en un clúster Yi como:

La función h(·) puede ser construida a partir de algoritmos de agrupamiento similares al WCA [11], o cualquier algoritmo que permita reunir los elementos más significativos en el funciona-miento de un nodo (ancho de banda, grado de movilidad, energía disponible, número de veci-nos, capacidad de procesamiento).

Teniendo en cuenta la información anterior vale la pena mencionar lo siguiente:• Cada clúster Yi tendrá asociado un valor cons-

tante pi que representa el grado de heteroge-neidad en los nodos en el clúster. Valores de pi cercanos a 1 servirán para modelar clúster donde los nodos presentan una alta variación en su nivel de recursos, y valores de pi cerca-nos a 0 servirán para modelar clúster donde los nodos tienen aproximadamente los mis-mos recursos.

• La familia geométrica truncada permite mo-delar el nivel de recursos en un clúster y su grado de heterogeneidad con respecto a la red.

• El valor esperado representa la canti-dad esperada de recursos en el clúster Yi.

En una arquitectura jerárquica los nodos de las capas superiores deben contar con los recur-sos suficientes para servir como intermediarios en las comunicaciones de las capas inferiores, lo que genera el siguiente interrogante ¿Es posible establecer una función a partir de la cantidad de recursos de las capas inferiores que permita de-terminar el nivel de recursos necesarios en las capas superiores? A continuación se intenta dar respuesta a esa pregunta utilizando la familia

geométrica truncada como una forma de caracte-rizar el nivel de recursos de un clúster.

e. Factor de crecimientoEs razonable suponer que a medida que se

agregan nuevas capas a la red, los recursos ne-cesarios para mantener un nivel en la calidad de los servicios ofrecidos por el sistema deben au-mentar, formalmente si μi representa el 100% de los recursos en la capa i de la red, entonces en la siguiente capa i+1 debe ocurrir que:

Donde g: ℝ+→ℝ+ es una función creciente que permite estimar en qué medida deben aumentar los recursos en la capa i+1 para mantener un ni-vel mínimo en la calidad de los servicios. Varias posibilidades para g(·) pueden explorarse; sin em-bargo, en este artículo se supondrá un crecimien-to proporcional. Ver ecuación (8).

Existen dos escenarios límite en la relación que puede existir entre el nivel de recursos de dos capas sucesivas de la red:

Recursos ilimitados: si fuera posible tener una capa de la red con recursos ilimitados, la diferen-cia entre los recursos sería lo suficientemente grande para no tener problemas que afecten la calidad de los servicios. Este escenario es poco factible desde el punto de vista de diseño, ya que implica una asignación de recursos más allá de las necesidades de la red generando costos inne-cesarios.

Recursos iguales: si las capas de la red cuen-tan con aproximadamente los mismos recursos, es posible que la carga de trabajo adicional que deben realizar las capas superiores estén más allá de sus capacidades, en consecuencia es posi-ble que exista una disminución en el desempeño de la red aumentando los retrasos y la pérdida de paquetes.

Teniendo en cuenta lo anterior, es posible ob-servar que la relación adecuada entre los recur-sos disponibles por dos capas sucesivas de la red debe ser un valor intermedio a estos dos escena-rios. Lograr que nodos ubicados en las capas i e i+1 de la red puedan mantener un nivel mínimo en la calidad del servicio, implica que el nivel de recursos esperado en la capa i+1 deba ser un va-lor que relaciona los recursos disponibles en la capa i con un factor de crecimiento que indicará


en que medida los recursos en i+1 deben ser ma-yores en comparación con i. Para encontrar esta relación se propone (8), donde μi representa la cantidad esperada de recursos en la capa i de la red y donde k será un factor de crecimiento que representa la relación adecuada entre los recur-sos de las capas i e i+1.

Teniendo en cuenta que puede existir más de un clúster en una capa de la red se utilizará la siguiente notación:

Sea el j-ésimo clúster en la capa i de la red. Cada clúster i tiene asociada una función

de densidad que pertenece a la familia geométrica truncada y que caracteriza la distribu-ción de recursos disponibles en ese clúster.

En la Fig. 5 se observa un ejemplo para una red con dos capas:

Fig. 5 ARQUITECTURA JERÁRQUICA DE DOS CAPAS

Fuente: autores.

• La primera capa de la red, es decir, i = 1 está formada por los clústers Y1

(j) con j∈1,2,3. • La segunda capa de la red, es decir, i = 2

está formada por el clúster Y2(1)

Partiendo de la topología de red presentada en la Fig. 5 es razonable suponer que el nivel mínimo de recursos disponible en el clúster Y2

(1) para ser-vir como intermediario en las comunicaciones de Y1

(1), Y1(2) y Y1

(3) puede calcularse de la siguiente forma:

• Se debe calcular y que

representa el nivel esperado de recursos dis-ponible en cada uno de los clústers de la pri-mera capa.

• El total de recursos esperados en la pri-mera capa puede calcularse como

• Para estimar el nivel mínimo de recursos en la siguiente capa de la red μ2 puede utilizarse la ecuación (8). Luego, el valor μ2=kμ1 represen-ta en qué medida los recursos de la segunda capa de la red deben aumentar con respecto a la primera para mantener un mínimo en la calidad de los servicios ofrecidos.

5. CONCLUSIONES

Debido al uso masivo de dispositivos inalámbri-cos, es necesario generar en las redes de comu-nicaciones la capacidad de reaccionar adecuada-mente al crecimiento de la red sin perder calidad en los servicios ofrecidos. Lograr escalabilidad en las redes ad hoc es uno de los grandes retos en el diseño de protocolos y una de las propiedades necesarias para lograr redes ad hoc con una alta capacidad de despliegue.

Las arquitecturas jerárquicas surgen como una respuesta vertical a los problemas de esca-labilidad presentados en las arquitecturas planas. Siendo una buena alternativa para lograr escala-bilidad en redes ad hoc.

En este artículo se ha explorado la familia geométrica como una forma de obtener una ca-racterización de los recursos de la red bajo una arquitectura jerárquica, suponiendo una relación proporcional entre el nivel de recursos de dos capas sucesivas de la red. En el trabajo futuro propuesto para esta investigación se espera en-contrar un valor de k (factor de crecimiento) que permita determinar en escenarios específicos la cantidad de recursos necesarios en las capas su-periores de la red para lograr escalabilidad.

La función h(·) debe ser construida teniendo en cuenta los elementos más significativos en el funcionamiento de un nodo (ancho de banda, gra-do de movilidad, energía disponible, capacidad de procesamiento), adicionalmente, debe contar con la flexibilidad para ajustar sus parámetros a las necesidades de la red, al ser este otro un elemen-to que se plantean como trabajo futuro en esta investigación.


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Resumen– En este trabajo se presenta el diseño de un regulador lineal de bajo diferencial de tensión para apli-caciones portátiles. El circuito propuesto consiste de un esquema simple de amplificación con una etapa de ganancia más el transistor de potencia. Además, utiliza un espejo de corriente para sumar parte de la transcon-ductancia de entrada a la salida y aumentar la ganancia sin carga de corriente. Las simulaciones realizadas en SYNOPSYS para una tecnología de 90 nm para el circui-to diseñado muestran un desempeño robusto a variacio-nes de proceso, tensión y temperatura con un tiempo de establecimiento menor a 1µs. Además, la respuesta en frecuencia evidencia que se tiene una ganancia mínima de 43 dB y un rechazo a las variaciones de la fuente de entrada de -25 dB a 100 KHz. El consumo de potencia sin carga fue de 14 µA y puede entregar una corriente máxima de 25 mA.

Palabras clave– Rápida respuesta transitoria, regula-dor lineal, robusto, sin condensador de salida.

Abstract– This paper presents the design of a low dro-pout linear regulator for portable applications. The pro-posed circuit consists of a simple amplification scheme with a single gain stage plus the power transistor. Mo-reover, the circuit uses a current mirror to add part of in-put transconductance to the output, increasing the gain without load current. The simulations performed for the designed circuit in SYNOPSYS for a 90 nm technology show a robust performance to process, voltage and tem-perature variations with a settling time of 1µs. Also, the frequency response shows the minimum gain of 43 dB and a power supply rejection of -25 dB at 100 KHz. The power consumption without load current was 14 µA and it can deliver a maximum load current of 25 mA.

Keywords– Fast transient response, linear regulator, output capacitor less, robust.

1. INTRODUCCIÓN

El suministro y acondicionamiento de energía son funciones fundamentales en un sistema eléc-trico. Aplicaciones como un celular o un nodo sen-sor inalámbrico necesitan una fuente de alimen-tación que sea estable para poder desempeñarse adecuadamente. Fuentes de alimentación como transformadores, generadores y baterías incurren en cambios sustanciales de tensión y corriente a través del tiempo y sobre un amplio rango de con-diciones de operación. Estas fuentes son ruidosas no solo por su naturaleza inherente sino también por la conmutación de circuitos digitales como unidades de procesamiento central (CPU) o pro-cesadores digitales de señales que usualmente son parte de la carga de las fuentes. Esto causa caídas de tensión indeseadas y frecuencias espu-rias donde se supone debería existir solo corriente continua (DC). El papel de un regulador de tensión es convertir estas impredecibles y ruidosas fuen-tes a unas estables, constantes e independientes de la carga, atenuando estas fluctuaciones a más bajos y aceptables niveles [1].

La función de regulación es muy importante en aplicaciones de alto desempeño donde los sistemas son altamente integrados y complejos. Una solución de un sistema en un solo integrado (SoC), incorpora muchas funciones que conmutan simultáneamente con el reloj, demandando alta energía y un rápido tiempo de respuesta. Una res-puesta lenta a estas fluctuaciones en la corriente

Regulador de rápido transitorio de bajo diferencial de tensión en tecnología de 90 nm

A fast transient low dropout regulator on 90 nm technology

Héctor Iván Gómez-OrtizPh.D (c) Ingeniería

Fundación Universitaria de San Gil, UNISANGIL San Gil, Colombia.

[email protected]

Carlos Andrés Neira-TrianaIng. Electrónico (c).

Fundación Universitaria de San Gil, UNISANGILSan Gil, Colombia.

[email protected]

Francisco Angarita-CedielIng. Electrónico (c).

Fundación Universitaria de San Gil, UNISANGILSan Gil, Colombia.

[email protected]

77Regulador de rápido transitorio de bajo diferencial de tensión en tecnología de 90 nm – Gómez, Neira, Angarita 77

de carga hace que los condensadores de almace-namiento deban alimentar la carga por completo al generar variaciones transitorias considerables en la fuente [1].

Las referencias de tensión, al igual que los reguladores generan y regulan su tensión de sa-lida a valores estables, los cuales son robustos a variaciones en la fuente de entrada, condiciones ambientales y varias condiciones de operación. Pero a diferencia de los reguladores, las fuentes de referencia no pueden proporcionar grandes cantidades de corriente continua (DC). En la prác-tica, una fuente de referencia proporciona una corriente máxima de 1 mA, mientras que los re-guladores entregan una corriente de 5 mA o más.

Este trabajo se enfoca en el diseño de un re-gulador, específicamente lineal, de baja caída de tensión (LDO), ya que este tipo de circuitos pro-veen una fuente confiable de alimentación en aplicaciones portátiles y además ofrece un bajo consumo de potencia. En la sección 2 se revisa la teoría básica de un regulador lineal y se expo-ne una breve revisión del estado del arte; al final de esta sección se describe el circuito propuesto. Los resultados de simulación se presentan en la sección 3 y, finalmente, en la sección 4 se extraen algunas conclusiones de este trabajo.

2. REGULADORES DE TENSIÓN

Generalmente un regulador está conforma-do por una tensión de polarización (generado por una fuente de referencia) en cascada con un amplificador operacional conectado en reali-mentación paralela. Dado el amplio espectro de posibles corrientes de carga, en una idea básica, los reguladores se pueden clasificar en lineales y conmutados. Los reguladores lineales, también llamados reguladores serie, modulan linealmente la conductancia de un interruptor serie de paso conectado entre la fuente DC de entrada y la sa-lida regulada para asegurar que la salida de ten-sión es una razón predeterminada de tensión de polarización de referencia, como se muestra en la Fig. 1. El término serie se refiere a el elemento de paso (o dispositivo interruptor) que está en serie con la fuente no regulada y la carga, que a nivel circuito es conocido como el transistor de poten-cia. Puesto que el flujo de corriente y su control son continuos en tiempo, el circuito es lineal y de

naturaleza analógica, y debido a que solo puede proporcionar energía a través de un control lineal en serie, la tensión de salida no puede exceder la entrada no regulada.

Fig. 1. ESQUEMA DE UN REGULADOR LINEAL

Fuente: [1].

Un regulador conmutado por su parte, dada su naturaleza de conmutación, tiene la capacidad de hacer conversiones de tensión AC-AC, AC-DC, DC-AC Y DC-DC, ya que puede manejar tanto corriente alterna como continua (o directa). Sin embargo, dentro del contexto de los circuitos integrados los conversores DC-DC predominan, debido a que a un circuito integrado se le proporciona energía a partir de una batería, mientras que a los converso-res AC-DC se alimentan fuera de línea, y la mayoría de las aplicaciones de carga en integrados y afue-ra de ellos exigen alimentaciones de tipo continuo para operar. No obstante, dada su capacidad de conversión AC-DC, los reguladores conmutados son también llamados conversores conmutados, incluso si solo realizan funciones DC-DC. Se pue-de decir que la principal diferencia entre un regu-lador lineal y uno conmutado es que este último trabaja en modo mixto con componentes analógi-cos y digitales en su lazo de realimentación.

Dado que el interés de este trabajo son las aplicaciones portátiles, los reguladores lineales son los más usados, especialmente si son regu-ladores de baja caída de tensión, ya que permiten operar con baja tensión de alimentación, con una diferencia entrada-salida de 200mV en general y debido a sus características de bajo consumo de potencia, bajo ruido y alta velocidad de respuesta


[2]. A continuación se presenta una breve revisión del estado del arte.

2. 1 El regulador lineal de baja caída de tensión (LDO)

La administración de potencia en cualquier circuito integrado siempre comprende una tarea de cuidado, de la cual depende ampliamente el adecuado desempeño de este. Si la aplicación es de tipo portátil, aumentar la vida útil de la batería es un fin fundamental en cualquier sistema de ad-ministración de potencia. Por otra parte, en siste-mas como los de identificación por radiofrecuen-cia (RFID) es necesario poder regular la tensión que se recibe de la fuente o antena de la forma más eficiente posible. Cualquiera de estas aplica-ciones requiere el uso de reguladores, especial-mente reguladores lineales LDO por su bajo con-sumo de potencia. Un regulador LDO tiene como característica que su tensión de salida tiene una diferencia pequeña en relación con la tensión de entrada, de alrededor de 200 mV, permitiendo de esta forma operar con tensiones de alimentación bajas y asegurando un bajo consumo de potencia con mediana eficiencia. Sin embargo, hay un gran número de propuestas para la implementación de un regulador de este tipo y depende principalmen-te de la aplicación y las especificaciones desea-das.

Por ejemplo, hay dos tendencias bien marca-das en el enfoque para la compensación en fre-cuencia de un regulador. Por una parte, cuando se tiene la facilidad de utilizar condensadores exter-nos o discretos, el diseño del regulador se enfoca en ubicar el polo dominante de este a la salida, utilizando el condensador externo, mejorando el rechazo a las variaciones de fuente (PSR) en alta frecuencia y reduciendo los sobrepicos de tensión generados por el cambio en la corriente de car-ga. Por otra parte, si se desea un sistema total-mente integrado, un condensador discreto debe ser descartado, por lo que el diseño del regulador se enfoca en estabilizarlo desde el lazo de reali-mentación pensando en tener condensadores integrados pequeños o, simplemente, los conden-sadores parásitos generados por la física de las interconexiones.

Aunque la tendencia es evitar la utilización de condensadores discretos, se encuentran diferen-tes trabajos que usan esta forma de compensa-

ción y que resulta en enfoques interesantes. Se pueden identificar a su vez dos estructuras, las cuales se enfocan en el transistor de potencia o en el amplificador de error. En [3] y [4] el desarro-llo fuerte está en el amplificador de error, donde en [3] se utilizan etapas de baja ganancia en cas-cada para ubicar los polos no dominantes lejos de la frecuencia de ganancia unitaria, facilitando la compensación en frecuencia y logrando una mejo-ra en el PSR del regulador. Por su parte, [4] busca mejorar el PSR del regulador usando un amplifica-dor de nuevo con etapas de baja ganancia, pero utilizando como última etapa una resistencia de carga para llevar las variaciones de la fuente de ali-mentación directamente a la salida, pero con sig-no contrario a las que lleva asociadas el transistor de potencia y de esta forma anular esta variacio-nes. En otro trabajo con enfoque similar, [5]”type” : “paper-conference” , “uris” : [ “http://www.men-deley.com/documents/?uuid=68981512-91de-4d4a-b1b6-f1577276a72d” ] ], “mendeley” : “previouslyFormattedCitation” : “[5]” , “proper-ties” : “noteIndex” : 0 , “schema” : “https://github.com/citation-style-language/schema/raw/master/csl-citation.json” propone utilizar un multiplicador de capacitancia para mejorar la compensación en frecuencia utilizando condensa-dores de bajo valor.

Cuando el enfoque ha sido el transistor de po-tencia el uso del circuito flipped voltage follower (FVF) es muy común. Para generar la tensión de control, utilizan el esquema propuesto por [6], el cual es un amplificador realimentado muy simple. El desarrollo fuerte está en mejorar el desempeño del FVF, principalmente en disminuir la impedan-cia en el nodo de salida del regulador, al aumentar la ganancia de lazo como es el caso de [2] y [7], en especial este último agrega un seguidor de im-pedancia para detectar los cambios en la carga y aumentar la velocidad de respuesta.

El otro gran enfoque es la eliminación del capa-citor discreto como medio de compensación. En este caso, se tienen también diferentes propues-tas en las que aparece de nuevo el uso de FVF como alternativa. Por ejemplo [8] y [9] proponen esquemas de polarización dinámica para mejorar la respuesta transitoria, sin degradar la estabi-lidad del regulador. En [10] se enfocan en la re-ducción del valor del “undershoot”, utilizando un circuito y operando en subumbral, mientras que

79Regulador de rápido transitorio de bajo diferencial de tensión en tecnología de 90 nm – Gómez, Neira, Angarita

[11] mejoran la respuesta transitoria reduciendo los sobrepicos debido a los cambios en la carga.

Otros trabajos como el de [12] desarrolla un esquema de compensación para evitar el uso de condensadores externos, mientras que [13] se en-foca en la robustez del circuito, reduciendo la sen-sibilidad del regulador a variaciones de fuente de alimentación y temperatura. Por último, se tiene el uso de un FVF como transistor de potencia en el que se detalla como se proponen modificaciones para mejorar el desempeño de este en el regula-dor. En el caso de [14], para mejorar la respuesta transitoria se agrega un condensador que afecta principalmente la respuesta transitoria de forma que hace simétrico el comportamiento del circuito a los aumentos o disminución de la corriente de carga y mejora su velocidad de respuesta, mien-tras que [15] propone un FVF optimizando la ga-nancia de lazo y agrega un esquema de compen-sación interno para mejorar la estabilidad.

La revisión de las implementaciones actua-les permite identificar que si se utilizan muchas etapas de amplificación el circuito tiene muchos problemas de compensación en frecuencia y que no es deseable compensar el regulador usando condensadores externos, ya que dificulta tener un sistema completamente integrado. A continuación se presenta el regulador propuesto, el cual utiliza únicamente dos etapas incluyendo el transistor de potencia, por lo que es muy sencillo de com-pensar y no hay necesidad de utilizar condensa-dores externos.

2. 2 Circuito propuesto

En general, los reguladores que se encuentran en la literatura constan de complicadas redes de compensación en frecuencia para asegurar la es-tabilidad. Además, utilizan polarizaciones dinámi-cas y circuitos reductores de los picos de tensión generados en el estado transitorio del regulador. En consecuencia, la adición de esta circuitería ocasiona una mayor dificultad en el diseño e im-plica, en la mayoría de los casos, el aumento no solo del consumo de potencia si no también del área o tamaño del circuito.

El regulador propuesto se aprecia en la Fig. 2. Como se puede observar es un circuito sencillo, lo que hace fácil su diseño. Además no contiene redes de compensación en frecuencia adicio-

nales. El circuito consiste de un amplificador de error compuesto por un par diferencial M1 y M2 con carga activa ML. Luego se tiene el dispositivo de paso o transistor de potencia MP que es el que se encarga de suministrar la corriente a la carga respectiva. Además, está la red resistiva de reali-mentación que consiste en las resistencias R1 y R2 que se encargan de fijar el valor de tensión regula-do con base en (1). Donde Vref es una tensión que proviene de una fuente de referencia de tensión necesaria para obtener la tensión deseada.

Fig. 2. REGULADOR PROPUESTO

Fuente: autores.

Por último, se tiene el transistor MC, que por medio de M3 y M4 copia parte de la trasnconduc-tancia del par diferencial a la salida, aumentan-do la ganancia sobre todo en condición de baja corriente de carga, asegurando que el regulador sea estable. CL corresponde a la capacitancia de carga que en el circuito propuesto va de 0 a 20 pF, pero no hace parte de la compensación, como se estaba buscando. Al evitar el uso de capacitan-cia de compensación a la salida se logra que el regulador sea completamente integrable, ya que generalmente esta es del orden de los µF [4]. CC corresponde a la única compensación interna uti-lizada y para este diseño se utiliza de 2 pF.

El objetivo de este trabajo es obtener un regu-lador con un consumo de corriente de menos de 20 µA dada la baja complejidad del circuito, con un valor de tensión regulado de 1V y una corriente de carga máxima cercana a 20 mA. Por tanto, se


tiene un diferencial de tensión de 200 mV, ya que la alimentación típica de la tecnología es 1.2 V. Además, para asegurar que el comportamiento transitorio sea el deseado, se ajustan las dimen-siones del transistor de potencia o de paso de forma que pueda operar adecuadamente bajo las diferentes condiciones de operación. Para estas condiciones, se elijen los valores de las resisten-cias R1 y R2 de 53 kΩ y 210 kΩ, respectivamente, para una tensión de referencia de 0.8 V. Este tra-bajo no se enfoca en cómo generar el tensión de referencia, solamente se usa.

3. RESULTADOS DE SIMULACIÓN

Las simulaciones fueron realizadas con el soft-ware de SYNOPSYS en una tecnología de 90 nm de longitud de canal. La fuente de alimentación típica es 1.2 V y se tienen disponibles 5 esquinas de proceso que corresponden al caso típico, caso FF que es cuando los dos transistores PMOS y

NMOS son rápidos, SS cuando ambos transisto-res son lentos y las cruzadas FS y SF. Además, la temperatura se toma en un rango de -40 a 120 oC, asumiendo el caso típico de temperatura de 60 oC.

Las simulaciones para el caso típico en la res-puesta en frecuencia con un condensador de sa-lida de 20 pF se presentan en la Fig. 3. Se puede ver que para el caso sin carga o baja corriente de carga se tiene una ganancia de 52 dB (línea con-tinua) y una frecuencia de ganancia unitaria de 4 MHz, mientras que para carga completa o 25 mA se tiene 43 dB (línea punteada) debido a la dismi-nución de la impedancia de salida y una frecuen-cia de ganancia unitaria de 2.3MHz. Para los dos casos el margen de fase es mayor a 80 grados, lo que asegura la estabilidad del regulador. Además, cuando no se tiene condensador a la salida el margen de fase mejora sobre todo para condición sin carga.

Fig. 3. RESPUESTA EN FRECUENCIA

Fuente: autores.

El PSR del regulador se puede observar en la Fig. 4. Nuevamente el mejor escenario se presen-ta para baja condición de carga con valores meno-res a -48 dB (línea continua) a baja frecuencia. Sin embargo, para una frecuencia de 100 KHz tiene un valor de -30 dB y para el caso de máxima carga se tiene -25 dB (línea punteada), muy similar dado a la poca variación del ancho de banda. En máxi-

ma carga, debido a la disminución de la ganancia en baja frecuencia, se tiene un PSR de -39 dB.

Para verificar el comportamiento en frecuen-cia, ahora se analiza la respuesta transitoria. La Fig. 5 muestra la respuesta de línea para valores de tensión de 1.2 V y 1.7 V. La simulación con-siste en cambiar bruscamente la tensión de en-trada en los rangos mencionados y observar cómo


se comporta la tensión regulada. En la Fig. 5 se puede apreciar cómo, a pesar de los cambios de la tensión de entrada, la tensión regulada se esta-blece en menos de 1 µs para tiempos de subida y bajada de 500 ns, mostrando la estabilidad del regulador.

Para el caso de la regulación de carga se tiene una transición en un rango 0.1 a 25 mA en la co-rriente de carga; donde inicialmente se tiene una corriente de 0.1 mA y bruscamente se cambia a 25 mA y, luego, se regresa a 0.1 mA, utilizando tiempos de transición de 500 ns nuevamente. Para esta simulación se utilizan todas las esqui-nas del proceso con el rango de temperatura men-cionado, y para tensiones de entrada de 1.2 V y 1.7 V, simulaciones que son denominadas varia-ciones de proceso, tensión y temperatura (PVT).

La Fig. 6 muestra la respuesta de línea para la primera transición y todas las esquinas de si-mulación posibles. De nuevo se observa que el regulador responde correctamente y se estabiliza en 1 µs para el peor caso con una caída máxima de 80mV.

En la Fig. 7 se observa la respuesta para la segunda transición donde nuevamente se estabi-liza, incluso en menos de 1 µs para el peor caso, pero esta vez con un pico de tensión de 120 mV. En todos los casos el regulador mantiene la esta-bilidad. Por último, se realiza una simulación de la regulación de carga para un condensador a la salida de 20 pF, donde nuevamente el regulador muestra su estabilidad con muy pocas variacio-nes tanto en los picos máximos como en los tiem-pos para estabilizarse.

Fig. 4. PSR DEL REGULADOR PARA CARGA MÁXIMA Y MÍNIMA

Fuente: autores.

Fig. 5. REPUESTA DE LÍNEA DEL REGULADOR PARA CL=20PF

Fuente: autores.

Fig. 6. TRANSITORIO DE CARGA DE 0.1 A 25 MA

Fuente: autores.

Fig. 7. TRANSITORIO DE DESCARGA 25 A 0.1MA

Fuente: autores.


La Tabla I resume las especificaciones obteni-das en este trabajo y presenta algunos trabajos encontrados en la literatura. Como se espe-raba, el regulador propuesto logra mantener un consumo de potencia menor a los 20 µA dado el bajo número de transistores utilizados y la no utilización de condensadores externos para compensación. También, la baja capacitancia interna de compensación reduce la corriente necesaria para el circuito y permite una integración completa del regulador, aumentando también la

velocidad de respuesta. La desventaja que pre-senta el circuito propuesto, es la degradación del PSRR, ya que utiliza como carga un transistor co-nectado como diodo, el cual permite que se aco-plen las variaciones de la fuente de alimentación, lo cual se ve reflejado a la salida. Finalmente, fue necesario reducir la capacidad de entrega de cor-riente (25mA máximo) para por medio del diseño únicamente lograr mantener la estabilidad del cir-cuito con baja complejidad.

TABLA I

RESUMEN DE ESPECIFICACIONES

Especificaciones [4] [3] [15] Este trabajo

Corriente de salida [mA] 0-150 0-50 0-50 0-25

Consumo en estado estable [µA] 20 9.3 13.2 14

Condensador de salida [pF] 1.000.000 1.000.000 10-100.000 No necesita (0-20)

Compensación interna [pF] 3 0 10 2

Regulación de línea [mV/V] 0.5 14 217 2@Io=25mV y 20pF

Regulación de carga [mV/µA] 39 82@Vin=1.2V 133 260 @ Vin=1.2V

Velocidad de respuesta [µs] 20 1 0.925 1

PSR [dB]@100KHz -37.9 -54 - -25

4. CONCLUSIONES

En este trabajo se presenta un esquema sim-ple para implementar un regulador LDO. El circui-to propuesto se basa en un amplificador de error de una etapa, más la etapa del transistor de po-tencia y usa un espejo de corriente para sumar parte de la transconductancia del par diferencial a la salida y aumentar la ganancia para poca car-ga de corriente manteniendo la estabilidad. Las si-mulaciones realizadas con SYNOPSYS, en una tec-nología de 90 nm de longitud de canal muestran que el regulador tiene un comportamiento robusto a variaciones PVT donde mantiene la estabilidad para cualquier caso, y tiene un tiempo de esta-blecimiento menor a 1 µs, con picos de tensión máximos de 120 mV. El regulador consume 14 µA en condición estable o sin carga y puede entregar una corriente máxima de 25 mA. Además, los re-sultados muestran que no necesita un condensa-dor externo y funciona bien para una carga hasta de 20 pF, manteniendo un margen de fase mayor

a 80 grados y un PSR de -25dB a una frecuencia de 100KHz.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen a UNISANGIL y, espe-cialmente, al Departamento de Investigación por proporcionar la financiación que permitió realizar este proyecto.

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Recibido: 15/08/2014/ Aceptado: 09/12/2014/ ITECKNE Vol. 12 Número 1 • ISSN 1692 - 1798 • ISSN Digital 2339-3483 • Junio 2015 • 84- 94

Resumen– En este artículo se presenta un modelo de mapa autoorganizado de Kohonen (SOM), para encon-trar una relación entre el día de la semana de la primera y segunda quincena del mes con el valor COLCAP, el cual corresponde al índice de referencia del mercado accio-nario colombiano. Adicionalmente, se describen los da-tos empleados, la configuración del SOM y los resulta-dos de su entrenamiento. Utilizando la visualización por componentes del SOM se revelan gráficamente, respec-to al día semanal en cada quincena, las predominancias que existen en el valor del retorno del índice COLCAP.

Palabras clave– Mapas autoorganizados, mercado ac-cionario colombiano, quincena, retorno diario.

Abstract– In this article is presented a model of Kohonen’s Self-Organizing Map (SOM), used to find a relation between weekday in the first and the second fortnight with the daily return of index COLCAP, the refe-rence index of Colombian stock market. In addition it is described data used, the configuration used in the SOM and its training results. Using visualizations by SOM components it is revealed graphically, regarding week-day on each fortnight, the existing predominances in the return value of COLCAP index.

Keywords– Colombian stock market, daily return, fort-night, self-organizing maps.

1. INTRODUCCIÓN

En los mercados accionarios es posible en-contrar anomalías en el comportamiento de los precios, producidas por factores exógenos, lo que muestra ineficiencia en el mercado, lo cual lo lleva

a declararse como ineficiente según la Hipótesis de mercados eficientes [1], la cual establece que en un mercado eficiente es imposible predecir los movimientos de los precios a partir de un conjun-to de información disponible del mercado, ya que esta se incorpora instantáneamente al mercado, imposibilitando aprovechar algún tipo de arbitraje existente. El efecto día de la semana [2], [3] es una anomalía de tipo calendario que indica que existe una relación entre los precios del mercado accionario con el día de la semana, al ser este, junto con la quincena del mes, los factores exóge-nos involucrados.

La importancia de estudiar la posibilidad de que existan anomalías como el efecto día, radi-ca en conocer la influencia del día semanal en la dinámica de compraventa de títulos accionarios por parte de inversionistas en el mercado. Existen estudios previos sobre esta temática en el mer-cado accionario colombiano. Villalobos y Mendo-za [3] identifican por medio de un modelo lineal la influencia del día de la semana en la variación de los retornos del Índice General de la Bolsa de Valores de Colombia (IGBC) (datos desde julio de 2001 a septiembre de 2009). Los resultados indi-caron que existen diferencias en la variación por-centual de los retornos a través de la semana, de acuerdo con la aproximación de los coeficientes del modelo, asumiendo que los retornos presen-

Análisis del efecto-día en el mercado accionario colombiano empleando mapas autoorganizados

Analysis of day-effect in the colombian stock market using self-organizing maps

David Rene Peña-CuéllarIng. de sistemas (c),

Universidad Distrital Francisco José de Caldas.Bogotá, Colombia

[email protected]

Juan David Ortiz-SandovalIng. de sistemas (c),


[email protected]

Helbert Eduardo Espitia-CuchangoM. Sc, Ingeniería


[email protected]

85Análisis del efecto-día en el mercado accionario colombiano empleando mapas autoorganizados – Peña, Ortiz, Espitia

tan una distribución normal. Los coeficientes del modelo para los días miércoles, jueves y viernes resultaron positivos y significativamente diferen-tes a cero, indicando que existen en esos días los retornos esperados y que son positivos compara-dos con los días restantes.

Montenegro [4] utiliza un modelo econométri-co de dos ecuaciones. Una ecuación de modelo GARCH para explorar la presencia del efecto día en la variación de los retornos simples del IGBC (datos desde enero de 2002 a marzo de 2007), junto con una ecuación de proceso auto-regresivo AR para estudiar el mismo efecto en el valor espe-rado de los mismos retornos. Los coeficientes del modelo determinan la significancia de cada día semanal y a través del ajuste del modelo se de-muestra que para la ecuación AR los coeficientes de los días finales de la semana (jueves y viernes) resultaron significativamente diferentes a cero y positivos. Para los días iniciales de la semana los coeficientes son negativos.

Otro estudio del efecto día para retornos y vo-latilidad fue realizado por Rivera [5]. Mediante la estimación de un modelo GARCH que utiliza los datos históricos del IGBC (desde julio de 2001 hasta julio de 2006) se concluye que los retornos observados son más altos en los días viernes y más bajos en los días lunes, martes y miércoles, resaltando que los días martes han sido los más perjudiciales para los retornos. Con ello se ha de-mostrado ineficiencia en el mercado colombiano, ya que la hipótesis de mercados eficientes afirma esencialmente que cualquier estrategia es inútil para predecir movimientos de precios, al mismo tiempo en que se incorpora nueva información al entorno accionario de parte de los participantes del mercado [6], impidiendo así cualquier intento de obtener retornos excesivos al momento de la inversión.

Efectos calendario sobre los precios acciona-rios han sido estudiados previamente. Uno de ellos realizado por Hensel y Ziemba [7], muestra un fenómeno de incremento de los retornos ocu-rrido entre 1928 y 1993 en el índice S&P500, en el periodo comprendido entre el último día bursá-til del mes y los cuatro primeros días bursátiles del siguiente mes. Ogden [8] analiza el cambio de precios que ocurre en el mercado estadounidense en el cambio de mes, en el que se evidencia un aumento en el valor del retorno, especialmente

en el cambio al mes de diciembre. En el estudio de Ariel [9] para el mercado estadounidense se muestra que los retornos en la primera quincena del mes junto con el último día bursátil del mes inmediatamente anterior son mayores que en la segunda quincena del mes, excluyendo el último día bursátil, entre los años 1963 y 1981, donde también se encuentra un acumulado histórico positivo del retorno, mientras que la segunda por-ción del mes presenta un acumulado histórico negativo. Jaffe, Westerfield y Ma [10] analizan el comportamiento negativo en el retorno del índice S&P500 y en los índices respectivos de Canadá, Australia, Inglaterra y Japón, con el fin de estudiar por qué en promedio el retorno en el día lunes es negativo, y esto se debe a que existe una relación con una caída del mercado en la semana previa.

El objetivo de este trabajo es realizar un estudio de la serie de tiempo de retornos diarios del índice COLCAP, para lo cual se agrupan los retornos dia-rios en dos conjuntos de patrones, el primero de ellos contiene los retornos de las primeras quin-cenas y el segundo conjunto contiene los retornos de las segundas quincenas. Para ello se propone utilizar mapas autoorganizados de Kohonen (Self Organizing Maps o SOM) [11-13], un modelo de red neuronal artificial de tipo no-supervisado. La ventaja de emplear SOM es su habilidad para en-contrar relaciones subyacentes en los datos a tra-vés de una etapa de entrenamiento, con el fin de describir las predominancias de un conjunto de datos por medio de gráficas bidimensionales.

El algoritmo de SOM ha sido aplicado en la identificación de patrones en series de tiempo, como menciona Barreto [14], donde se presenta una revisión a modelos de SOM y se considera una serie de tiempo caótica de la cual se confor-man unos patrones de entrada con valores auto-regresivos para entrenar el modelo, con el que se obtienen buenos resultados en cuanto a la aproxi-mación de la serie objetivo.

En el estudio realizado por Silva y Marques [15] se implementa un SOM para estudiar la vola-tilidad a corto plazo del índice SX5E (índice de re-ferencia de la Eurozona), identificando dos grupos diferenciados de patrones del histórico de precios del índice que permitieron concluir que los precios no siguen una distribución normal. Los mismos autores en [16] utilizaron los históricos de precios de 49 acciones pertenecientes a la Eurozona para

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identificar grupos de acciones que se comporta-ron de manera similar entre 1998 y 2009, donde se encontró también una relación del comporta-miento presentado con el sector industrial al que pertenecía la acción de su respectiva compañía.

Así, se plantea revelar comportamientos que no se han estudiado en trabajos previos del mer-cado accionario colombiano, esta vez analizando los retornos del COLCAP en las primeras y segun-das partes del mes. Si bien se ha proporcionado evidencia importante para la identificación del efecto día en el mercado accionario colombiano mediante modelos econométricos, con ellos se asume que los retornos se comportan como va-riables normalmente distribuidas, lo que conlleva a menospreciar en el análisis a los eventos extre-mos que pueden ocurrir en comportamiento de los retornos (ganancias y pérdidas excesivas), ya que en el ajuste del modelo se asigna una proba-bilidad de ocurrencia del mismo valor tanto para eventos extremos como también para eventos comunes (retornos cercanos a 0), con lo cual se puede subestimar el riesgo de inversión [15], [17].

La motivación en el uso de los SOM radica en que a través del entrenamiento no supervisado se

pueden descubrir rasgos y características relevan-tes en los datos de estudio de manera autónoma sin especificar un modelo de probabilidad en par-ticular que deban seguir los datos [18], siendo de utilidad para la detección de patrones desconoci-dos en grandes conjuntos de datos [19].

2. MAPAS AUTOORGANIZADOS DE KOHONEN

El mapa autoorganizado de Kohonen (SOM) es una red neuronal feed-forward de entrenamiento no-supervisado. Esta red neuronal tiene la capaci-dad de representar la estructura de los datos de entrada por medio de la autoorganización de sus neuronas (Fig. 1). La primera capa lleva los datos a la segunda capa de procesamiento y salida, que se conforma de neuronas ubicadas en una malla rectangular [20]. Cada neurona tiene conexión a todos los elementos de entrada por medio de pe-sos sinápticos [18]. Las neuronas se activan co-lectivamente con cierta intensidad ante patrones de entrada, describiendo relaciones subyacentes que existen en ellos. Tal intensidad es representa-da por los valores de los pesos que las neuronas ajustan a través del entrenamiento.

Fig. 1. DESCRIPCIÓN GRÁFICA DE UN SOM

Fuente: autores.

Los SOM han sido aplicados en situaciones de clasificación de patrones, cuantificación vectorial, reducción de dimensiones, extracción de rasgos, monitorización de procesos, análisis exploratorio, visualización, minería de datos [14], [21], y bio-informática [13].

El proceso donde el SOM imita la estructura de los datos se conoce como aprendizaje o entrena-miento, de tipo no supervisado y competitivo. Se presenta un patrón entrada x de tamaño k a la neurona ij, la cual calcula la similitud entre su vec-tor de pesos wij y el vector de entrada por medio


de una función de distancia (1). Las neuronas de la capa de procesamiento compiten entre sí para activarse ante un patrón [18]. Usualmente se usa la distancia euclidiana como medida de cálculo para determinar la cercanía de la neurona a las entradas. La neurona cuyos pesos sean más pa-recidos al patrón de entrada se determina como neurona ganadora g (Best Matching Unit o BMU), la cual es la menos distante a x.

La actualización de pesos se hace mediante la ecuación (2), donde se indica que en la iteración t+1 del entrenamiento el vector de pesos w neu-rona ij en su componente k se ajusta con base en su valor previo en la iteración t, al calcular la diferencia existente entre el patrón de entrada y los pesos de la neurona, donde hrg(t) es la función de vecindad y α (t) es el ritmo del entrenamiento.

Los pesos de las neuronas vecinas a la BMU se modificarán si la neurona r está contenida en el radio de vecindad de la BMU y eso se determina por la función de vecindad mencionada anterior-mente y descrita en la ecuación (3). La función ve-cindad hrg(t) es simétrica, decreciente y centrada en g, comúnmente de tipo gaussiano y determina qué tan cerca se ubican las neuronas vecinas a la ganadora, a partir de un rango de vecindad varia-ble, dado por (4). Además, la función de vecindad es cambiante a través del entrenamiento, lo que muestra que la vecindad inicia con un número definido y amplio de neuronas para afectar varias de ellas en cada iteración y así lograr imitar en las primeras instancias del entrenamiento carac-terísticas generales que presentan los datos de entrada.

Las neuronas más cercanas a g tienen mayo-res cambios en sus pesos que las más alejadas. Además, se inicia con un radio que agrupa varias neuronas, disminuyendo hasta ser de una sola neurona en la última etapa del entrenamiento.

Previamente mencionado, el parámetro α (t), una variable que indica el ritmo en el cual las neu-ronas son organizadas (5). El valor es menor a 1 y a medida que transcurren las épocas de entre-namiento se va acercado a un valor final de 0.01 buscando que se produzcan al inicio cambios fuertes y que progresivamente los cambios sean más suaves y sutiles.

El aprendizaje de un SOM está dividido en dos fases, una de ordenamiento y una de convergen-cia. En la primera los valores iniciales del radio de vecindad y del ritmo de aprendizaje son grandes para que las neuronas se distribuyan rápidamen-te a través de los datos de entrada. Al terminar la primera fase, se inicia una segunda para ajus-tar una neurona por iteración, en la cual el radio de vecindad es igual a 1 y el ritmo de aprendizaje de 0.01. Ambos parámetros se mantienen cons-tantes durante la convergencia produciendo una distribución más suave que en la primera fase. La etapa de convergencia tiene muchas más épocas de entrenamiento que la fase de ordenamiento [11].

La eficiencia de un SOM entrenado se puede evaluar utilizando la medida de error de cuanti-ficación promedio (Average Quantization Error o AQE) [22]. En la ecuación (6), el AQE, en síntesis, es la distancia promedio entre los vectores de entrada y los pesos sinápticos de las respectivas neuronas BMU. El objetivo del entrenamiento es ajustar los valores de Wg para que el valor de AQE sea minimizado, considerando que los patrones de entrada x se distribuyan de acuerdo con una función de densidad de probabilidad p(x).

Normalmente se emplean visualizaciones bidi-mensionales mediante una escala de color, que pueden ser usadas para interpretar los patrones de datos imitados por el SOM [16], [20]. El SOM puede ser visualizado por cada uno de los com-ponentes de los vectores de pesos, utilizando la técnica de Component Planes (C-Planes) median-te una escala de color, donde los colores claros representan pesos positivos y colores oscuros representan pesos negativos. Por ejemplo, si las


neuronas tienen asociado un color oscuro se debe a que estas en el entrenamiento buscaron imitar los valores negativos existentes en los patrones de entrada, caso contrario cuando se visualizan con un color claro que indica que buscaron imitar valores positivos.

3. CONTEXTO DE ESTUDIO

El COLCAP es el índice de capitalización bursá-til que refleja las variaciones de los precios de las 20 acciones más líquidas de la Bolsa de Valores de Colombia, en el que la participación de cada acción en el índice está determinada por el corres-pondiente valor de la capitalización bursátil ajus-tada, limitando la participación individual a máxi-mo de 20%, y solo incluye un tipo de acción por empresa. Se trata básicamente de un valor que indica la realidad general del mercado accionario colombiano.

Las acciones partícipes del COLCAP correspon-den a las empresas privadas, públicas y mixtas de los sectores destacados de la economía nacional, donde se encuentra el sector financiero, petrole-ro, alimentario, industrial y energético. En un pro-ceso conocido como recomposición, realizado el último día hábil de octubre, se seleccionan las 20 acciones que conformarán el índice para el perio-do anual siguiente a la recomposición [23].

En primera instancia se recolectan datos his-tóricos del valor del COLCAP para calcular el re-torno simple diario formando patrones semanales y quincenales. El SOM se inicializa con los pará-metros necesarios que definen la estructura to-pológica y las características del entrenamiento. Seguidamente se evalúa la eficiencia del SOM con el índice de error AQE. Finalmente, se realizan los respectivos análisis de las visualizaciones bidi-mensionales que resultan del proceso de entre-namiento para identificar las predominancias que se presentan según el día semanal por quincena del mes.

4. DATOS

Los datos históricos del valor del índice COLCAP fueron tomados desde el 14 de enero de 2008 (fe-cha de inicio del cálculo del índice) hasta el 31 de mayo de 2014 (fecha de adquisición de los datos para la elaboración del estudio). Estos datos se

encuentran disponibles en el sitio web de la Bolsa de Valores de Colombia [24].

En total son 1560 valores históricos, los cuales se conforman en 5 columnas de datos (una por cada día semanal) y, posteriormente, se utiliza la fecha del valor del COLCAP para determinar a qué quincena pertenece el dato, conformando así dos grupos de patrones para el entrenamiento. Segui-damente se calculó el retorno simple diario (7), lo que permite obtener una serie de datos que repre-sentan la variación porcentual entre el valor del índice de un día accionario y su valor finalizando el siguiente día bursátil anterior. Los días “no-bur-sátiles”, como los días festivos, no existe valor del retorno, con lo cual el valor se declara como vacío. La elección de este método de cálculo de retornos se justifica con lo dicho por Forero [17], donde se menciona que el cálculo simple evita subestimar el valor de los retornos frente al alternativo cálcu-lo logarítmico, ya que este proporciona ventajas para otras aplicaciones financieras diferentes a los propósitos de este trabajo.

5. MODELADO

El modelo de SOM fue implementado en el entorno MATLAB®, por medio del SOM Toolbox 2.0 [25] desarrollado en el Laboratorio de Com-putación y Ciencia de la Información de la Univer-sidad Tecnológica de Helsinki (de uso libre y dis-ponible para su descarga en [26]).

La configuración del mapa se toma de tipo hexagonal [12], lo que implica que cada neurona tiene máximo 6 neuronas adyacentes. Las neu-ronas se ubican en una malla rectangular donde uno de sus costados debe ser un 30% mayor en cantidad de neuronas que el costado menor [22]. Como experimentación se seleccionaron 15 neu-ronas para el costado menor y 20 neuronas para el costado mayor, siendo en total 300 neuronas que se ubican en la malla del SOM. Posterior-mente, se da la inicialización de los pesos neuro-nales de tipo lineal, como sugiere Kohonen [13], para agilizar la convergencia del modelo.

Para la vecindad se utiliza una función de tipo gaussiana con radio inicial de 7 y final de 1, cor-respondiente a la fase de ordenamiento [11]. En


la fase de convergencia se usó un radio fijo de 1. Respecto a las épocas de entrenamiento, como parte de la experimentación se seleccionaron 100 y 40000 épocas para cada fase de entrenamien-to, considerando lo recomendado en [21]. En las fases el ritmo de aprendizaje está dado por una función inversa que inicia con un valor de 0.9 en la fase de ordenamiento, mientras que en la fase de convergencia inicia en 0.01 [11]. Se utiliza también la medida de distancia euclidiana para la identificación de las neuronas BMU.

6. ANÁLISIS DE RESULTADOS

Se entrenaron dos modelos de SOM, el primero de ellos utilizó los retornos de la primera quincena y el segundo los retornos de la segunda quincena. Las siguientes 5 figuras muestran la visualización de C-Planes del SOM, para apreciar visualmente cómo este responde ante los datos de la primera quincena por cada día semanal. En las visualiza-ciones se muestra una malla rectangular de uni-dades hexagonales que representan las neuronas del modelo. Cada unidad tiene asociado un color para caracterizar el valor de la ponderación que todas las neuronas presentan ante cada compo-nente del vector de entrada, en este caso, cada uno de los cinco días de la semana. El propósito de la visualización por los días de la semana es identificar predominancias que el modelo de SOM genera al interpretar los retornos diarios en el entrenamiento, en especial, grupos visualmente conformados de neuronas con valores similares, ya sean superiores o inferiores a 0.

Las visualizaciones fueron ajustadas en su co-dificación de color para mostrar dos colores, blan-co para indicar los pesos de signo positivo y negro para indicar los pesos de signo negativo, ya que esto facilita la identificación de una predominan-cia positiva/negativa. Además, cada visualización difiere en la escala de medida aplicada, ya que el modelo de SOM responde de diferente forma ante cada componente de entrada, lo cual implica que se visualiza en la escala un rango de valores correspondientes a los pesos adquiridos por cada componente de manera individual. Con ello tam-bién se facilita comprender el rango de valores que ha generado el SOM en respuesta a los datos de entrada.

6. 1 Modelo de SOM entrenado con los retornos de la primera quincena

Se observa que en los días lunes (Fig. 2), miér-coles (Fig. 4) y viernes (Fig. 6) de la primera quin-cena no se muestra una predominancia clara de valores positivos o negativos, a diferencia de los días martes (Fig. 3) y jueves (Fig. 5), donde se vi-sualiza un predominio de valores de pesos positi-vos de forma más clara. Se destaca también que en los días martes, los valores son los más extre-mos en la porción positiva, superiores a 6. Por el contrario, los viernes es cuando se presentan los valores más negativos de todos los días de la pri-mera quincena, con valores inferiores a -4.Fig. 2. C-PLANE DEL SOM ENTRENADO, CORRESPONDIENTE AL VECTOR

DE PESOS PARA EL DÍA LUNES DE LA PRIMERA QUINCENA

Fuente: autores.

Fig. 3. C-PLANE DEL SOM ENTRENADO, CORRESPONDIENTE AL VECTOR DE PESOS PARA EL DÍA MARTES

DE LA PRIMERA QUINCENA

Fuente: autores.


Fig. 4. C-PLANE DEL SOM ENTRENADO, CORRESPONDIENTE AL VECTOR DE PESOS PARA EL DÍA MIÉRCOLES DE LA PRIMERA QUINCENA

Fuente: autores.

Fig. 5. C-PLANE DEL SOM ENTRENADO, CORRESPONDIENTE AL VECTOR DE PESOS PARA EL DÍA JUEVES DE LA PRIMERA QUINCENA

Fuente: autores.

Fig. 6. C-PLANE DEL SOM ENTRENADO, CORRESPONDIENTE AL VECTOR DE PESOS PARA EL DÍA VIERNES DE LA PRIMERA QUINCENA

Fuente: autores.

En la Tabla I se muestran los datos referentes a los valores de pesos por cada día de la semana que las 300 neuronas adquirieron en el entre-namiento. Es de notar el comportamiento en los días martes, donde en su mayoría las neuronas tienen pesos positivos y además se encuentra el valor más alto de todos los días. A pesar de que la visualización no es clara en los casos de los lunes y viernes, se evidencia que en ambos casos existe un predominio de pesos negativos (además de un promedio negativo) y los valores más bajos en ambos días de la semana. En sín-tesis, los días martes y jueves se señalan como días favorables en la primera quincena del mes, mientras que los lunes y viernes se presentan como desfavorables.

TABLA I

DESCRIPCIÓN DE LOS PESOS EN EL MODELO DE LA PRIMERA QUINCENA

Día de la semana Cantidad de pesos positivos Cantidad de pesos negativos Valor mínimo Valor máximo Promedio

Lunes 131 169 -3.3767 2.4084 -0.1239

Martes 183 117 -2.9542 6.4319 0.2097

Miércoles 167 133 -3.0993 2.9641 -0.0234

Jueves 166 134 -3.2320 1.9946 0.0341

Viernes 143 157 -5.1962 3.4287 -0.0489

6. 2 Modelo de SOM entrenado con los retornos de la segunda quincena

Se evidencia una predominancia de valores positivos en los días martes (Fig. 8) y jueves

(Fig. 10). En el caso de los lunes (Fig. 7) no se aprecia una predominancia clara, sin embargo, es cuando se presentan los retornos negativos más extremos. En los miércoles (Fig. 9) tam-poco se logra concluir una predominancia clara,


además que la escala muestra que los pesos, tanto los positivos y los negativos, guardan una magnitud similar. En los días viernes (Fig. 11) la visualización tampoco indica una predominancia clara.

Los lunes es cuando también se nota que los pesos alcanzan los valores más negativos en toda la segunda quincena y donde se encuentra la escala más amplia numéricamente indicando mayor variabilidad de los pesos, mientras que los martes y jueves, los pesos son los más po-sitivos.

Fig. 7. C-PLANE DEL SOM ENTRENADO, CORRESPONDIENTE AL VEC-TOR DE PESOS PARA EL DÍA LUNES DE LA SEGUNDA QUINCENA

Fuente: autores.

Fig. 8. C-PLANE DEL SOM ENTRENADO, CORRESPONDIENTE AL VECTOR DE PESOS PARA EL DÍA MARTES SEGUNDA QUINCENA

Fuente: autores.

Fig. 9. C-PLANE DEL SOM ENTRENADO, CORRESPONDIENTE AL VECTOR DE PESOS PARA EL DÍA MIÉRCOLES SEGUNDA QUINCENA

Fuente: autores.

Fig. 10. C-PLANE DEL SOM ENTRENADO, CORRESPONDIENTE AL VECTOR DE PESOS PARA EL DÍA JUEVES SEGUNDA QUINCENA

Fuente: autores.

Fig. 11. C-PLANE DEL SOM ENTRENADO, CORRESPONDIENTE AL VECTOR DE PESOS PARA EL DÍA VIERNES SEGUNDA QUINCENA

Fuente: autores.


En la segunda quincena, de acuerdo con la Tabla II, existe un predominio de valores positivos con notoriedad martes y viernes, aunque para estos últimos la visualización de tal predominio no fue evidente. Se destaca también que en los días lunes predominan los pesos negativos y se presenta un promedio también negativo. Aunque

en la visualización de los días miércoles no se evidenció un comportamiento claro, los valores de los pesos muestran un promedio positivo. En los días viernes aparece el mayor promedio frente a los días restantes, acompañado de un notable predominio positivo.

TABLA II

DESCRIPCIÓN DE LOS PESOS EN EL MODELO DE LA SEGUNDA QUINCENA

Día de la semana Cantidad de pesos positivos Cantidad de pesos negativos Valor mínimo Valor máximo Promedio

Lunes 136 164 -5.3979 2.4894 -0.0492

Martes 181 119 -2.4323 3.8403 0.0737

Miércoles 158 142 -3.2311 3.3239 0.0714

Jueves 156 144 -3.0293 3.8522 0.0460

Viernes 167 133 -2.8963 2.1376 0.0865

6. 3 Comparación de los modelos

La Tabla III resume lo explicado anterior-mente para los dos modelos desde un aspecto cuantitativo. Al comparar los resultados de am-bos SOM, se puede encontrar la similitud de los días martes y jueves, donde en ambas quince-nas presentan en su mayoría pesos positivos. A pesar de que se fijó la misma cantidad de épocas de entrenamiento para ambos SOM, se obtuvo un AQE, el AQE del segundo SOM es menor al AQE del primer SOM, lo que indica que el segundo SOM obtuvo un mejor desem-peño en el entrenamiento. Se puede también mostrar que los retornos de la primera quincena presentan una mayor volatilidad frente a los re-

tornos de la segunda quincena, ya que el prim-er SOM trata de imitar unos retornos que tienen una mayor variabilidad y necesitaría de más épocas de entrenamiento para mejorar el AQE, es decir, sería conveniente lograr definir una cantidad de épocas de acuerdo con la variabi-lidad que presenten los datos para lograr que los modelos entrenados logren imitar de mejor manera los patrones de entrada y así obtener mayor precisión en los análisis subsiguientes. Esto se relaciona puntualmente con el modelo para la primera quincena, donde en tres de las cinco visualizaciones no se identifica una pre-dominancia clara y los grupos de valores se en-cuentran bastante dispersos, dificultando com-prender las características que presentan.

TABLA III

COMPARACIÓN CADA MODELO DE SOM IMPLEMENTADO

Modelo Neuronas Épocas de entrenamiento AQEPromedio de los pesos obtenidos por componente

Lunes Martes Miércoles Jueves Viernes

Primera quincena 300 40100 0.7102 -0.1238 0.2097 -0.0234 0.0341 -0.0489

Segunda quincena 300 40100 0.6754 -0.0492 0.0737 0.0714 0.0460 0.0865

En el caso de la segunda quincena se men-cionó en el numeral anterior que no se identi-fica una predominancia definida para los días miércoles y viernes, sin embargo, al observar el promedio de los pesos se evidencia que los promedios de pesos para tales días son posi-

tivos y además son mayores en comparación con los demás días. Para subrayar finalmente, la presencia de un promedio de retornos favo-rables en los días martes y jueves en ambas quincenas del mes.


7. CONCLUSIONES

La evidencia aportada señala la existencia de ciertos arbitrajes históricamente presentes en los días de la semana, teniendo en cuenta la quin-cena del mes a la que pertenecen. Por ende, la Hipótesis de mercados eficientes no se cumple en el estudio realizado, ya que los arbitrajes podrían ser aprovechados para obtener retornos por enci-ma de lo esperado en los días de la semana men-cionados como favorables. Los estudios previos sobre la presencia del efecto-día en los retornos accionarios en Colombia contemplaban el estu-dio del índice IGBC el cual ya no es más utilizado como referencia por los agentes del mercado, con lo cual se ha demostrado que en una de las ac-tuales referencias, el índice COLCAP, se presenta anomalías en el día semanal que persisten en un periodo de análisis más reciente.

La técnica del algoritmo de SOM utilizada en este trabajo representa ventajas para compren-der visualmente las características de los retor-nos, sin embargo, en algunos casos las visualiza-ciones obtenidas no muestran con claridad algún patrón o predominio. De acuerdo con lo indicado, los valores obtenidos de AQE hacen sugerir me-jorar el rendimiento presentado, no solo en el modelo donde se obtuvo un mayor valor de esta medida y así generar un análisis más preciso para los retornos.

Se encuentran facilidades en la implementa-ción de las funciones del SOM Toolbox 2.0 para la implementación de los modelos donde fue po-sible especificar las características del modelo re-comendadas en la literatura expuesta, lo que deja abierta la posibilidad de continuar la mejora de los modelos.

Para trabajos futuros se propone realizar un análisis de las acciones que conforman la canasta del índice COLCAP, y así realizar una comparación con estos trabajos y especificar más en cada una de las acciones, buscar patrones de comporta-miento, de volatilidad para entender qué tan cam-biantes son los precios en ciertos días, además de buscar una comparación con factores externos que puedan afectar directamente o indirectamen-te, como por ejemplo, estudiar posibles correlacio-nes del comportamiento intra-diario con un índice de mercados accionarios extranjeros para cono-cer el impacto que otros mercados tienen en la

dinámica de negociación del mercado accionario colombiano.

REFERENCIAS

[1] E. Fama, “Efficient capital markets: A review of theory and empirical work,” The Journal of Finance, vol. 25, no. 2, pp. 383-417, 1970.

[2] H. Kiymaz, H. Berument, “The day of the week effect on stock market volatility and volume: International evidence,” Review of Financial Economics, vol. 13, pp. 363-380, 2003.

[3] J. Villalobos, J. Mendoza, “Efecto día en el mercado ac-cionario colombiano: Una aproximación no paramétri-ca,” Borradores de economía, Banco de la República, no. 585, pp. 1-18, 2010.

[4] A. Montenegro, “El efecto día en la Bolsa de Valores de Colombia,” Documentos de Economía, Pontificia Uni-versidad Javeriana, Facultad de Ciencias Económicas y Administrativas, no. 9, 2007.

[5] D. Rivera, “Modelación del efecto del día de la semana para los índices accionarios de Colombia mediante un modelo STAR GARCH,” Revista de economía del Rosa-rio, vol. 12, no. 1, pp. 1-24, 2009.

[6] C. Bahi, Modelos de medición de la volatilidad en los mercados de valores: Aplicación al mercado bursátil argentino, Universidad Nacional de Cuyo, Facultad de Ciencias Económicas, 2007.

[7] C. Hensel, W. Ziemba, “Investment Results from Ex-ploiting Turn-of-the-Month Effects,” Journal of Portfolio Management, vol. 22, no. 3, pp. 43-45, 1996.

[8] J. Ogden, “Turn-of-Month Evaluations of Liquid Profits and Stock Returns: A Common Explanation for the Monthly and January Effects,” The Journal of Finance, vol. 45, no. 4, pp. 1259-1272, 1990.

[9] R. Ariel, “A monthly effect in stock returns,” Journal of Financial Economics, vol. 18, pp. 161-174, 1987.

[10] J. F. Jaffe, R. Westerfield, C. Ma, “A twist on the monday effect in stock prices: Evidence from the U.S. and fore-ign stock markets,” Journal of Banking & Finance, vol. 13, pp. 641-650, 1989.

[11] T. Kohonen, “The self-organizing map,” Proceedings of the IEEE, vol. 78, no.9, pp. 1464-1480, 1990.

[12] T. Kohonen, “The self-organizing map,” Neurocompu-ting, vol. 21, 1998.

[13] T. Kohonen, “Essentials of the self-organizing map,” Neural Networks, vol. 37, pp. 52-65, 2013.

[14] G. Barreto, “Time Series Prediction with the Self-Orga-


nizing Map: A Review,” Perspectives on Neural-Symbo-lic Integration, vol. 77, pp.135-158, 2007.

[15] B. Silva, N. Marques, “Clustering stock markets values with a Self-Organized featured Map,” en 15th Portu-guese Conference on Artificial Intelligence, 2011, pp. 520-534.

[16] B. Silva, N. Marques, “Feature clustering with self-or-ganizing maps and an application to financial time-se-ries portfolio selection,” en International Conference on Neural Computation, 2010, pp. 301-309.

[17] G. Forero, “Contrastación de paradigmas de las finan-zas: Normalidad e hipótesis del mercado eficiente. Aplicaciones en MATLAB,” Observatorio de Economía y Operaciones Numéricas, vol. 5, pp. 167-227, 2011.

[18] E. Caicedo, J. López, Una aproximación práctica a las redes neuronales artificiales. Cali, Colombia: Progra-ma Editorial Universidad del Valle, 2009.

[19] G. Deboeck, “Financial applications of Self-Organizing Maps,” American Heuristics Electronic Newsletter, 1998.

[20] A. Engelbrecht, Computational Intelligence: An intro-duction, 2da edición. Chichester, Inglaterra: Wiley Pu-blishing, 2007, p. 71.

[21] B. Martín Del Brío, A. Sanz, Redes neuronales y siste-mas borrosos, 3ra edición. México D.F., México: Alfao-mega, 2007.

[22] T. Eklund, B. Back, H. Vanharanta, A. Visa, “Assessing the feasibility of self-organizing maps for data mining financial information,” en Proceedings of the Xth Eu-ropean Conference on Information Systems, Gdansk, Polonia, 2002, pp. 528-537.

[23] Bolsa de Valores de Colombia, Metodología para el cálculo del índice COLCAP, abril de 2013.

[24] Bolsa de Valores de Colombia, “Índices”. [Online]. Available: www.bvc.com.co

[25] J. Vesanto, J. Himberg, E. Alhoniemi, J. Parhankangas, SOM toolbox for Matlab, Helsinki University of Techno-logy, Helsinki, Finlandia, 2000.

[26] Universidad Tecnológica de Helsinki, Laboratorio de Computación y Ciencia de la Información, “SOM Tool-box”, 2005. [Online]. Available: www.cis.hut.fi/pro-jects/somtoolbox/download/

Instrucciones a los autores Revista ITECKNE

Con el fin de incrementar la visibilidad y la citación internacional de los autores y de la revista, ITECKNE recomienda a los autores presentar sus artículos en idioma inglés.

INSTRUCCIONES GENERALES

• Los artículos deberán ser enviados a través del gestor Open Journal System (OJS) de la biblioteca de la Universidad Santo Tomas Bucaramanga (Ingresar a través de http://revistas.ustabuca.edu.co/) donde los autores deberán registrarse. Todo artículo postulado para publicación debe ser original e inédito, y no puede estar postulado para publicación simultáneamente en otras revistas.

• Para la presentación del artículo ante la revista ITECKNE, el autor deberá enviar: CARTA DE PRESENTACIÓN del artículo, debidamente diligenciada y firmada por cada uno de los autores; manuscrito del artículo, ajustado completamente al FORMATO DE ARTÍCULOS ITECKNE. En la página web de la Revista Iteckne (http://www.ustabuca.edu.co/ustabmanga/revista-iteckne) se halla disponible los formatos de CARTA DE PRESENTACIÓN y FORMATO DE ARTÍCULOS ITECKNE.

• Solo en caso de que el artículo sea aceptado para publicación, la revista ITECKNE, solicitará a los autores le 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; a través de un documento de CESIÓN DE DERECHOS que será enviado por el comité editorial.

PROCESO DE ARBITRAJE

1. Una vez recibido cada artículo, la coordinación editorial lo registra secuencialmente en un listado sistematizado de artículos recibidos.

2. El Comité Editorial hace una primera evaluación, después de la cual, el trabajo puede ser rechaza-do 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.

3. Los trabajos pueden ser rechazados en esta primera evaluación porque no cumplen con los requi-sitos de redacción, presentación, estructura, indicados en las INSTRUCCIONES A LOS AUTORES y el FORMATO DE ARTÍCULOS ITECKNE o no son suficientemente originales y/o pertinentes con la publicación a editar.

4. Los trabajos que son aceptados en esta primera etapa, inician la evaluación mediante el proceso de “doble ciego”, los artículos 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 eva-luadores tampoco conocerán la(s) identidad(es) del(los) autor(es).


5. En cuanto se reciben los resultados de la evaluación hecha por los árbitros, el Comité Editorial defi-ne la respuesta sobre el proceso de evaluación del artículo y comunica cualquiera de las siguientes respuestas:

• Aceptado para publicación sin modificaciones: el artículo se publicara tal cual se ha recibido y solo se harán correcciones de ortografía y estilo.

• Aceptado para publicación con correcciones menores: el trabajo será publicado una vez los auto-res realicen las correcciones menores sugeridas por los evaluadores. Estas serán revisadas por el comité editorial, quienes decidirán si estas son aceptadas o no.

• Se deben realizar correcciones mayores: El artículo debe ser corregido tanto en contenido como en forma de acuerdo con las sugerencias hechas por los evaluadores. Una vez estas sean realiza-das, el artículo será sometido nuevamente a consideración de los evaluadores quienes decidirán si se atendieron correctamente las correcciones sugeridas. El Comité Editorial efectuará una verifica-ción de conformidad y tomará una decisión final sobre su publicación.

• Rechazado: El artículo es rechazado.

6. Si el trabajo es aceptado, pero con la recomendación de hacer modificaciones, se le devolverá al (los) autor(es) las recomendaciones de los árbitros para que preparen una nueva versión corregida para lo cual disponen del tiempo que le indique el Comité Editorial, en un plazo máximo de 15 días calendario. Los autores deberán remitir la versión corregida junto con el FORMATO DE CONTROL DE CAMBIOS PARA ARTÍCULOS DE LA REVISTA ITECKNE enviado por el Comité, en el que deben explicar detalladamente los cambios efectuados de acuerdo con las recomendaciones recibidas, además los autores deben resaltar en el texto del artículo los cambios realizados. El Comité Editorial deter-minara su aceptación, considerando el concepto de los evaluadores y las correcciones realizadas por el(los) autor(es).

7. 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.

8. Los integrantes del Comité Editorial y Comité de Arbitraje, no deberán evaluar sus propios produc-tos, en caso tal que actúen como autores dentro de la misma publicación.

9. Los trabajos no publicados serán archivados como artículos rechazados o en proceso de acepta-ción.

10. 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.

FORMA DE PRESENTACIÓN DE LOS ARTÍCULOS

Los autores deben ajustar completamente el artículo al FORMATO DE ARTÍCULOS ITECKNE. En la página web de la Revista Iteckne (http://www.ustabuca.edu.co/ustabmanga/revista-iteckne), puede ser consultado.

• La extensión máxima de los artículos será de 15 páginas a espacio sencillo, en castellano o en inglés, en papel tamaño carta, incluyendo en ellas el Resumen (máximo de 150 palabras) en castellano (RESU-MEN), e inglés (ABSTRACT) y las “Palabras Clave”, también en castellano e inglés (Keywords). Los artícu-los NO pueden ser notas de clase y cuando se trate de una traducción o del uso de material protegido por “Derechos de propiedad intelectual” deberá contar con las debidas autorizaciones de los autores.

97Instrucciones a los autores Revista ITECKNE

• El documento debe contener las siguientes secciones: Titulo, Title, Autor (es), Resumen, Palabras clave, Abstract, Keywords, Introducción, Contenido del documento, Conclusiones, Apéndice(s), Agradecimien-tos (Opcional), Referencias

• El tamaño de la página será carta, con márgenes superior e inferior de 20 mm; izquierdo y derecho de 25 mm. El documento debe ser enviado en única columna.

• 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 de acuerdo a la nomenclatura indicada en el FORMATO DE ARTÍCULOS ITECKNE, desde la Introducción hasta las conclusiones del documento. Los agradecimientos, apéndices y referencias bibliográficas, no son consideradas como secciones numeradas del documento.

• Las tablas, figuras, graficas y ecuaciones deben ser colocadas en el lugar que les corresponde dentro del cuerpo del artículo.

• Las tablas deben ser numeradas consecutivamente con números romanos y referenciadas dentro del texto como Tabla # ( p.ej. Tabla I); su título debe estar escrito en mayúscula sostenida, ubicado en la parte superior del cuerpo de la tabla con tabulación central, en tipo de letra Arial, tamaño 8; el contenido de la tabla en Arial 7. No se aceptaran tablas insertadas como objetos gráficos.

• Las figuras deben ser enumeradas consecutivamente con números arábigos y referenciadas dentro del texto empleando la abreviatura “Fig. #” (p.ej. Fig. 1). Los títulos de las figuras deben ser escritos en ma-yúscula sostenida, ubicado en la parte superior de la figura con tabulación central, en tipo de letra Arial, tamaño 8.

• Las figuras, fotografías e imágenes incluidas deben ser incluidas en el cuerpo del artículo y adicional-mente enviadas en archivos separados, debe incluir el número de figura correspondiente (p.ej. Figura1. jpg), con el propósito de facilitar el proceso de maquetación de la revista.

• Las ecuaciones deben ser claras, escritas preferiblemente en el editor de ecuaciones de Word en fuente Arial 10, no se aceptaran ecuaciones insertadas como objetos gráficos.

• En cuanto a las abreviaturas y símbolos, deben utilizarse solo abreviaturas estándar, evitando utilizar-las en el título y el resumen. El término completo representado por la abreviatura debe preceder dicha abreviatura o nomenclatura.

• Las viñetas usadas para señalización especial, será el punto, de fuente Symbol y tamaño 8.

• Las referencias deben ser incluidas dentro del texto; de acuerdo al manual de estilo editorial IEEE año 2015, estas se deben escribir entre corchetes cuadrados y los signos de puntuación de la frase donde se aloja la referencia deben quedar fuera de los corchetes individuales separados por comas. (p. e.j. como lo indica Brown [4], [5]; como se menciono anteriormente [2], [4]-[7]; Smith [4] y Brown y Jones [5]; Wood et al. [7]) Nota: Utilizar et al. cuando son mas de tres autores.) No se debe emplear la palabra “referencia” ni su abreviatura “ref.”

• Las referencias ubicadas al final del documento (mínimo 15), también en el formato IEEE del manual de estilo editorial IEEE del año 2015, deberán ir enumeradas consecutivamente y por orden de aparición en el trabajo y con el siguiente formato:

RevistasFormato básico:

[1] Iniciales de Nombre(es) de autor (es) . Apellido, “Nombre del artículo,” Titulo abreviado de la revista, vol. x, no. x, pp. xxx-xxx, Nombre del mes abreviado. Año


Ejemplos: [1] R. E. Kalman, “New results in linear filtering and prediction theory,” J. Basic Eng., ser. D, vol. 83, pp. 95-108, Mar. 1961.

[2] J. U. Buncombe, “Infrared navigation—Part I: Theory,” IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst., vol. AES-4, no. 3, pp. 352–377, Sept. 1944.

[3] ____, “Infrared navigation—Part II: An assessment of feasibility,” IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst., vol. AES- 4, no. 4, pp. 588–613, Nov. 1944.

[4] H. Eriksson and P. E. Danielsson, “Two problems on Boolean memories,” IEEE Trans. Electron. Devices, vol. ED-11, no. 1, pp. 32–33, Jan. 1959.

Libros Formato básico[1] Iniciales de Nombre(es) de autor (es). Apellido del Autor, “título del capítulo en el libro,” en Título del

libro, Numero de la edición. Ciudad de publicación, País; si no es Estados Unidos, Nombre abreviado de la editorial, año, No del capítulo, No de la sección, pp. xxx–xxx.

Ejemplos[1] B. Klaus and P. Horn, Robot Vision. Cambridge, MA: MIT Press, 1986.

[2] L. Stein, “Random patterns,” in Computers and You, J. S. Brake, Ed. New York: Wiley, 1994, pp. 55-70.

[3] R. L. Myer, “Parametric oscillators and nonlinear materials,” in Nonlinear Optics, vol. 4, P. G. Harper and B. S. Wherret, Eds. San Francisco, CA: Academic, 1977, pp. 47-160.

[4] M. Abramowitz and I. A. Stegun, Eds., Handbook of Mathematical Functions (Applied Mathematics Series 55). Washington, DC: NBS, 1964, pp. 32-33.

[5] E. F. Moore, “Gedanken-experiments on sequential machines,” in Automata Studies (Ann. of Mathematical Studies, no. 1), C. E. Shannon and J. McCarthy, Eds. Princeton, NJ: Princeton Univ. Press, 1965, pp. 129-153.

[6] Westinghouse Electric Corporation (Staff of Technology and Science, Aerospace Div.), Integrated Electronic Systems. Engle-wood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1970.

[7] M. Gorkii, “Optimal design,” Dokl. Akad. Nauk SSSR, vol. 12, pp. 111-122, 1961 (Transl.: in L. Pontryagin, Ed., The Math-ematical Theory of Optimal Processes. New York: Interscience, 1962, ch. 2, sec. 3, pp. 127-135).

[8] G. O. Young, “Synthetic structure of industrial plastics,” in Plastics, vol. 3, Polymers of Hexadromicon, J. Peters, Ed., 2nd ed. New York: McGraw-Hill, 1964, pp. 15-64.

Trabajos presentados en congresosFormato básico:

[1] Iniciales de Nombre(es) de autor (es). Apellido, “Titulo del trabajo,” presentado en Nombre abreviado del congreso., ciudad del congreso., País, Nombre del mes abreviado. Año

Ejemplo[1] M. Mayer, presented at the 4th Congr. Permanent Magnets, Grenoble, France, Mar. 1995.

[2] J. G. Kreifeldt, “An analysis of surface-detected EMG as an amplitude-modulated noise,” presented at the 1989 Int. Conf. Medicine and Biological Engineering, Chicago, IL.

[3] G. W. Juette and L. E. Zeffanella, “Radio noise currents on short sections on bundle conductors,” presented at the IEEE Sum-mer Power Meeting, Dallas, TX, June 22-27, 1990, Paper 90 SM 690-0 PWRS. *** PES Papers—For years prior to 1997, all Power papers were presented at a conference.***

[4] J. Arrillaga and B. Giessner, “Limitation of short-circuit levels by means of HVDC links,” presented at the IEEE Summer Power Meeting, Los Angeles, CA, July 12–17, 1990, Paper 70 CP 637. ***Preprints are available before the conference from the

99Instrucciones a los autores Revista ITECKNE

IEEE Customer Services Department, at the conference from Paper Sales, and after the conference from ASK*IEEE.**

TesisFormato básico

[1] Iniciales de Nombre(es) de autor (es). Apellido, “Titulo de la tesis,” Tesis (tipo de tesis: Maestría, Doctorado), Nombre abre-viado del departamento, de la facultad o del centro de investigación. Nombre abreviado de la Universidad. Ciudad de la universidad. Pais. Año

[1] J. O. Williams, “Narrow-band analyzer,” Ph.D. dissertation, Dept. Elect. Eng., Harvard Univ., Cambridge, MA, 1993.

[2] N. Kawasaki, “Parametric study of thermal and chemical nonequilibrium nozzle flow,” M.S. thesis, Dept. Electron. Eng., Osaka Univ., Osaka, Japan, 1993.

[3] N. M. Amer, “The effects of homogeneous magnetic fields on developments of tribolium confusum,” Ph.D. dissertation, Radiation Lab., Univ. California, Berkeley, Tech. Rep. 16854, 1995. *** The state abbreviation is omitted if the name of the university includes the state name, i.e., “Univ. California, Berkeley.”***

[4] C. Becle, These de doctoral d’etat, Univ. Grenoble, Grenoble, France, 1968.

Instructions to authors ITECKNE Journal

In order to increase the international visibility and citation of the authors and the journal, ITECKNE re-commends that authors submit their papers in English.

GENERAL INSTRUCTIONS• Articles should be sent through the Open Journal System manager (OJS) of the library of Santo Tomas

University, Bucaramanga (Login via http://revistas.ustabuca.edu.co/) where the authors must register. Every article submitted for publication must be original and unpublished, and cannot be submitted for simultaneous publication in other journals.

• For the presentation of the article before ITECKNE Journal, the author should send: an INTRODUCTORY LETTER of the article, duly completed and signed by each of the authors; manuscript of the article, fully adjusted to the ARTICLE FORMAT OF ITECKNE. The ITECKNE INTRODUCTORY LETTER FORMAT AND AR-TICLE FORMAT are available in the Iteckne Journal Website (http://www.ustabuca.edu.co/ustabmanga/revista-iteckne).

• Only if the article is accepted for publication, ITECKNE Journal will ask the authors for ownership of the copyright of their article so it can be reproduced, published, edited, set, communicated and transmitted publicly in any form or medium, as well as distributed in the number of copies necessary and publicly communicated in each of its forms, including its making available to the public through electronic, optical or other technological means, for exclusively scientific, cultural, media and non-profit purposes; through a COPYRIGHT ASSIGNMENT form to be sent by the editorial committee.

ARBITRATION

1. Upon receipt of each article, the editorial coordination registers it sequentially in a systematized list of items received.

2. The Editorial Board makes an initial assessment, after which the work may be rejected without fur-ther evaluation or accepted for evaluation by external academic peers. Therefore, the authors are not guaranteed the immediate publication of said article. The decision to reject a paper is final and cannot be appealed.

3. Papers may be rejected at this initial evaluation because they do not meet the requirements of wri-ting, presentation or structure, outlined in the ITECKNE INSTRUCTIONS TO AUTHORS and ARTICLE FORMAT or are not sufficiently original and / or relevant to the publication.

4. Papers accepted at this early stage, go through “double blind” evaluation; the articles are sent to ex-ternal academic peers (referees) expert in their respective areas, whose identities will not be known to the author, and in turn, peer reviewers will not know the identity of author(s) either.

5. As the results of the assessment by the referees are received, the Editorial Committee defines the response on the evaluation of the article and communicates any of the following:

• Accepted for publication without modification: the article is published as received and only spe-lling and style corrections will be made.

101Instructions to the authors, ITECKNE Journal

• Accepted for publication with minor revisions: the paper will be published once the authors make minor corrections suggested by the reviewers. These are reviewed by the editorial board, who will decide if they are accepted or not.

• Further corrections should be made: The article must be corrected both in content and form accor-ding to the suggestions made by the reviewers. Once these are made, the item will be resubmitted for consideration by evaluators who will decide whether the suggested corrections were addressed properly. The Editorial Committee will conduct a verification of compliance and will make a final decision on publication.

• Rejected: The article is rejected.

6. If the work is accepted, but with the recommendation to make changes, the recommendations by the referees will be sent to the author(s) so that they may prepare a new revised version for which they have the time indicated by the Editorial Board –no longer than 15 calendar days. Authors should submit the corrected version together with the ITECKNE CHANGE CONTROL FOR ITEMS FORMAT sent by the Committee, in which the changes made in accordance with the advice received should be explained in detail; additionally authors should highlight in the text the changes made. The Editorial Committee will determine its acceptance, considering the concept by the referees and the corrections made by the author(s).

7. In all cases the results of the evaluation process together with the arguments that support the decision of the Editorial Board and / or the Arbitration Committee shall be communicated to the authors.

8. The members of the Editorial Committee and Arbitration Committee shall not assess their own pro-ducts, in the eventual case that they were authors of the same publication.

9. Unpublished papers will be archived as rejected items or under acceptance process.

10. The direction of ITECKNE Journal is not responsible for the content of the articles or for their publi-cation in other media. The content of each item is the sole responsibility of its author(s) and does not bind the University.

FORMAT FOR SUBMISSION OF ARTICLES

Authors should fully adjust the work to the ITECKNE ARTICLE FORMAT available on the website of Iteckne Journal (http://www.ustabuca.edu.co/ustabmanga/revista-iteckne).

• The maximum length of the articles is 15 single-spaced, letter size pages, in Spanish or English, including the summary (maximum 150 words) in Spanish (RESUMEN), and English (ABSTRACT) and keywords also in Spanish (Palabras Clave) and English (Keywords). Articles must NOT be lecture notes and in the case of a translation or use of material protected by “Intellectual Property Rights”, they must have the appro-priate authorizations from the authors.

• The document must contain the following sections: Title in Spanish, Title in English, Author(s), Sum-mary in Spanish, Keywords in Spanish, Abstract in English, Keywords in English, Introduction, Con-tents of the paper, Conclusions, Appendices, Acknowledgements (optional) and References.

• The document must be sent in a single column in letter size paper with 20 mm top and bottom and 25 mm left and right 25 mm margins.

• The design of header and footer should be within 1 cm of the page.


• The content of the document must be typed in single space, leaving a line whenever a new paragraph begins.

• The text of the article content should be typed in Arial 10 font.

• The numbering of the document will start according to the nomenclature shown in ITECKNE ARTICLE FORMAT from the introduction to the document’s conclusions. Acknowledgments, appendices and refe-rences are not considered numbered sections of the document.

• Tables, figures, graphs, and equations should be placed in their right place within the body of the article.

• Tables should be numbered consecutively with Roman numerals and referenced within the text as Table # (i.e. Table I); the title should be written in capital letters, in the upper part of the body of the table with central tabulation, in Arial 8 font; the contents of the table in Arial 7 font. No tables inserted as graphic objects will be accepted.

• Figures should be numbered consecutively with Arabic numerals and referenced within the text using the abbreviation “Fig. # “(i.e. Fig. 1). The titles of the figures must be written in capital letters, in the upper part of the figure with central tabulation, in Arial 8 font.

• Figures, photographs and images included should be inserted in the body of the article and additionally sent in separate files, including the corresponding figure number (i.e. Figure 1. jpg), in order to facilitate the layout process of magazine.

• Equations should be clear, preferably written in the Word equation editor in Arial 10 font, no equations inserted as graphic objects will be accepted.

• Only standard abbreviations and symbols should be used, avoiding their use in the title and abstract. The full term represented by the abbreviation should precede it.

• The vignette used for special signaling will be the point in Symbol 8 font.

• References should be included within the text; according to IEEE editorial style manual 2015, these should be written in square brackets and the punctuation of the sentence where the reference is written should appear out of individual brackets separated by commas, (i.e. as indicated by Brown [4], [5], as mentioned previously [2], [4] - [7]. Smith [4] and Brown and Jones [5]; Wood et al. [7]). Note: “et al.” should be used when there are more than three authors). Do not use the word “reference” or its abbre-viation “ref.”

• The references located at the end of the document (at least 15), also in IEEE format of the IEEE editorial style manual 2015, must be numbered consecutively in order of appearance in the document and in the following format:

JournalsBasic format:

[1] Initials of the name(s) of author(s). Author’s last name, “Name of article, “Title of the journal abbreviated, vol. x, no. x, p. xxx-xxx, month name abbreviated. Year.

Examples: [1] R.E. Kalman, “New results in linear filtering and prediction theory, “J. Basic Eng., ser. D, vol. 83, p. 95-108, Mar. 1961.

[2] J.U. Buncombe, “Infrared navigation-Part I: Theory,” IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst., Vol. AES-4, no. 3, p.352-377, Sep. (1944).

[3] ____, “Infrared navigation-Part II: An assessment of Feasibility, “IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst., Vol.AES-4, no. 4 p. 588-613, Nov. 1944.

[4] H. Eriksson and P.E. Danielsson, “Two problems on Boolean memories,” IEEE Trans. Electron. Devices, vol. ED-11, no. 1 p. 32-33, Jan. 1959.

103Instructions to the authors, ITECKNE Journal

Books Basic format

[1] Initials of the name(s) of author(s).Author’s last name, “chapter title in the book,” in Book title, Number of edition. City of publication, Country; if it is not US, Abbreviated name of publisher, year, chapter No, section No. p. xxx-xxx.

Examples[1] B. Klaus and P. Horn, Robot Vision. Cambridge, MA: MIT Press, 1986.

[2] L. Stein, “Random patterns,” in Computers and You, J.S. Brake, New York Ed: Wiley, 1994, p.55-70.

[3] R.L. Myer, “Parametric oscillators and nonlinear materials,” in Nonlinear Optics, Vol.4, P.G. Harper and B.S. Wherret, Eds. San Francisco, CA: Academic, 1977, p. 47-160.

[4] M. Abramowitz and I.A. Stegun, Eds., Handbook of Mathematical Functions (Applied Mathematics Series 55).Washington, DC: NBS, 1964, p. 32-33.

[5] E.F. Moore, “Gedanken-experiments on sequential machines,” in Automata Studies (Ann. Of Mathematical Studies, no.1), C.E. Shannon and J. McCarthy, Eds. Princeton, NJ: Princeton Univ. Press, 1965, p. 129-153.

[6] Westinghouse Electric Corporation (Staff of Technology and Science, Aerospace Div.), Integrated Electronic Systems. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1970.

[7] M. Gorkii, “Optimal design,” Dokl.Akad. Nauk SSSR, vol. 12, p.111-122, 1961 (Transl.: in L. Pontryagin, Ed., The Mathemati-cal Theory of Optimal Processes. New York: Interscience, 1962, ch. 2 sec. 3, p. 127-135).

[8] G.O. Young, “Synthetic structure of the industrial plastics,” in Plastics, vol.3, Polymers of Hexadromicon, J. Peters, Ed., 2nd ed. New York: McGraw-Hill, 1964, p. 15-64.

Papers presented at conferencesBasic format:

[1] Initials of the name(s) of author(s). Author’s last name, “Title of paper,” presented at the congress name abbreviated, City of the congress, Country, month name abbreviated, Year.

Examples[1] M. Mayer, Presented at the 4th Cong. Permanent Magnets, Grenoble, France, Mar. 1995.

[2] J.G. Kreifeldt, “An analysis of surface-detected EMG as an amplitude-modulated noise,” presented at the 1989 Int. Conf. Medicine and Biological Engineering, Chicago, IL.

[3] G.W. Juette and L.E. Zeffanella, “Radio noise currents on short sections on bundle conductors,” presented at the IEEE Sum-mer Power Meeting, Dallas, TX, June 22-27, 1990, Paper 90 SM 690-0 PWRs.*** PES Papers - For years prior to 1997, all Power papers were presented at a conference.***

[4] J. Arrillaga and B. Giessner, “Limitation of short-circuit levels by means of HVDC links,” presented at the IEEE Summer Power Meeting, Los Angeles, CA, July 12-17, 1990, Paper 70 CP 637. ***Preprints are available before the conference from the IEEE Customer Services Department, at the conference from Paper Sales, and after the conference from ASK*IEEE**

ThesisBasic format

[1] Initials of the name(s) of author(s). Author’s last name, “Title of the thesis”, type of thesis: (Master’s, PhD) Thesis, Abbreviated name of the department, faculty or research center, Abbreviated name of the University, City of the University, Country, Year.

[1] J.O. Williams, “Narrow-band analyzer,” PhD dissertation, Dept. Elect. Eng., Harvard Univ., Cambridge, MA, 1993.

[2] N. Kawasaki, “Parametric study of thermal and chemical non-equilibrium nozzle flow,” M Sc. thesis, Dept. Electron. Eng., Osaka Univ., Osaka, Japan, 1993.


[3] N. M. Amer, “The effects of homogeneous magnetic fields on developments of tribolium confusum,” PhD dissertation, Ra-diation Lab., Univ. California, Berkeley, Tech. Rep. 16854, 1995. *** The state abbreviation is omitted if the name of the university includes the state name, i.e., “Univ. California, Berkeley.”***

[4] C. Becle, PhD Dissertation, Univ. Grenoble, Grenoble, France, 1968.

La Revista ITECKNE, Vol. 12 No. 1,se imprimió en los talleres Distrigraf,

de Bucaramanga, Colombia.

directivos departamento de publicaciones … · wilmer enrique quimbita-zapata, ... geométrica...

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