Desarrollo de un nuevo sensor molecular a escala chip

Muchas moléculas tales como las proteínas y farmacéuticas tienen una resonancia natural en la porción del infrarrojo medio (IR: 2 a 30 µm) del espectro electromagnético y ello propicia la necesidad de crear biosensores que usen fuentes mid-IR.

Lamentablemente hay una interacción de materia  ligera débil entre fuentes mid-IR y moléculas biológicas ya que la longitud de onda lasing es mucho mayor que el tamaño de las moléculas que se están probando.

Diseño de redes de telecomunicaciones para aplicaciones críticas

El avance en las tecnologías de comunicaciones ha supuesto la irrupción de muchas opciones que permiten integrar en los procesos una gran variedad de sistemas de transmisión de datos. Pero la elección de la plataforma más conveniente en cada caso no es una cuestión sencilla. Vamos a hablar en este artículo del diseño de redes de telecomunicaciones integradas en aplicaciones especiales como las que se requieren en los ambientes industriales o en los sistemas de distribución de energía. Nos referimos en particular al diseño de redes de comunicaciones en ambientes o situaciones donde vamos a requerir prestaciones adicionales a las que necesitamos en las redes de comunicaciones comerciales convencionales.

Los supermotores que llegan

Después de décadas de planificación y diseño, motores reales que usan elementos semiconductores han sido ensayados por la U.S. Navy. American Superconductor Corporaton y su socio Northrop Grumman. Estos motores han sido probados a plena carga en el motor de propulsión de un barco a 36,5 MW. Los denominados High-temperature superconductor (HTS) transportan 150 veces más energía que los conductores de cobre de tamaño similar. Incluso su tamaño es menos de la mitad de los nuevos motores de los destructores de misiles guiados DSG-1000 de la armada de Estados Unidos. Los HTS se descubrieron en 1986. Los conductores libres de resistencia que están hechos de materiales cerámicos que exhiben propiedades semiconductores a altas temperaturas entre – 250 º y -150 ºC (en contraste con los superconductores de baja temperatura, que operan por debajo de – 262 ºC. Ambos tipos de superconductores tienen que enfriarse a temperaturas criogénicas en orden de exhibir la propiedad de superconductividad, pero los sistemas HTS requieren sistemas de enfriamiento menos caros que los superconductores de baja temperatura. El nitrógeno líquido a – 200 ºC puede usarse para algunas aplicaciones HTS. Los detalles del sistema de refrigeración para el motor de 36,5 Mw no fueron desvelados, pero se cree es similar a un prototipo anterior con un sistema de refrigeración que usaba cash helio en un bucle cerrado para mantener el devanado del campo HTS a temperatura criogénicas. Las aplicaciones de estos motores son sobre todo los grandes motores navales. Construir un motor convencional para un destructor requiere un motor cuatro o cinco veces más pesado. El motor HTS opera a 120 rpm y a una temperatura de aproximadamente 32K, es decir – 241 ºC. El consumo del sistema de enfriamiento criogénico es inferior a un 1 % de las pérdidas totales de la máquina.

Bibliografía: Big Superconducting Motor Passes Its First Tests. Control Engineerign Europe July 2009

Palabras clave: High-temperature superconductor (HTS)

Nueva tecnología para separar componentes químicos

Para separar dos componentes con volatilidad diferente, suele usarse típicamente la destilación extractiva, en la que se usa un solvente no volátil de alto punto de vaporización (superior a 150 ºC) para romper el azeotropo. Se trata de un proceso que es intensivo en consumo de energía y a menudo implica el uso de disolventes peligrosos. En un esfuerzo para reducir los requerimientos de energía y evitar el uso de disolventes peligrosos usados en la destilación extractiva, se está desarrollando una nueva tecnología llamada difusión friccional (FricDiff). El proyecto lo lleva a cabo un consorcio holandés de socios académicos (TU Delft y TU Eindhoven) y socios industriales (Akzo Nobel, Shel Global Solutions, Bodec, FIB Industtriële Bedrijven BV y Purac), con soporte financiero de Senter-Novem. FricDiff se basa en la diferencia en la capacidad de difusión de dos componentes cuando se difunden a través de un tercer componente (gas de barrido). En una unidad FricDiff, la mezcla de vapor fluye a través del lado de un tubo de un cilindro de acero inoxidable, a la vez que el gas de barrido fluye en contracorriente en el lado de la carcasa. Debido a los componentes más pesados en la alimentación se experimenta más fricción con el barrido del gas en el lado poroso, los componentes más ligeros se difunden en mayor grado en el lado de la carcasa. Como resultado, el vapor que emerge del lado del tubo está enriquecido con componentes pesados. El enriquecimiento de 65-70 % se alcanza en una unidad FricDiff de tubo único por una mezcla de isopropanol-agua y argón-helio; sin embargo, “el equilibrio entre enriquecimiento y recuperación es un desafío principal en la investigación. Simulaciones por computador establecidos por TU Eindhoven indican que es posible un enriquecimiento del 90 % cuando se opera con una sobrepresión del gas de barrido.

Palabras clave: Frictional diffusion (FricDiff)

Resolución de problemas eléctricos con imágenes térmicas

Hace tan solo cuatro o cinco años que el uso de las imágenes térmicas comenzó a popularizarse en la industria. Pero hoy, con esta tecnología se producen imágenes vivas de alta calidad que muestran el calor que desprenden los equipos. Son fáciles de usar y mucho más manejables que hace tan solo unos años. Todo ello conlleva que esta solución sea altamente práctica y efectiva en costes para el mantenimiento eléctrico diario. Para usarla, un técnico cualificado o un electricista simplemente se apunta al equipo en cuestión, rastrea el área inmediata para localizar puntos calientes no esperados, y por último aprieta el disparador para capturar una imagen específica. Cuando se completa la inspección, la imagen salvada puede descargarse a un computador para un análisis más detallado, elaborar informes y detectar tendencias futuras.

Si bien las imágenes térmicas son simples de operar, son más efectivas en manos de un técnico cualificado que comprende bien las mediciones eléctricas y los equipos inspeccionados. Para quien use este tipo de rastreador de imágenes, los siguientes puntos son especialmente importantes:

• Punto 1: Carga. El equipo eléctrico inspeccionado debe estar al menos por debajo de un 40 % de la carga nominal en orden de detectar problemas con imágenes térmicas. Las condiciones de carga máxima son ideales, si es posible.
• Punto 2: Seguridad. Los estándares de seguridad de medición eléctrica se aplican todavía bajo NFPA 70 E[1]. Permanecer frente de un panel eléctrico activo requiere equipo de protección personal (PPE). Dependiendo de la situación y el nivel de energía incidente del equipo que se está rastreando. Esto puede incluir:
  • Vestuario resistente a la llama.
  • Guantes de piel sobre goma.
  • Botas de trabajo de piel.
  • Pantalla frontal para la protección del arco eléctrico.
• Punto 3. Emisividad. La emisividad describe la capacidad para emitir energía infrarroja o calor. Esto afecta a lo bien que puede medirse la temperatura de la superficie de un objeto. Diferentes materiales emiten energía infrarroja en diferentes modos. Cada objeto y material tiene una emisividad específica que va en una escala de 0 a 1.0. La emisividad más alta corresponde a reproductores de imágenes térmicas que informan temperaturas exactas. Los objetos que tienen alta emisividad emiten energía térmica y usualmente no son muy reflexivos. Los materiales que tienen baja emisividad son usualmente bastante reflexivos y no emiten bien energía térmica. Esto causa confusión y análisis incorrecto de la situación si el usuario no es cuidadoso. Un reproductor de imágenes térmicas puede calcular la temperatura superficial de un objeto si la emisividad del material es relativamente alta, y/o el nivel de emisividad del reproductor de imágenes se próximo a la emisividad del objeto. La mayoría de los objetos pintados tienen una emisividad alta de aproximadamente 0,90 a 0,98. Los materiales cerámicos, goma y la mayoría de las cintas eléctricas y el aislamiento del conductor también tienen emisividad relativamente alta. Los conductores de aluminio, cobre y algunos tipos de acero inoxidable, sin embargo, son muy reflexivos. La buena noticia es que las inspecciones térmicas realizadas para propósitos de inspección son procesos cualitativos o cualitativos. Los usuarios típicamente no necesitan mediciones específicas de temperatura. Lo que se hace es buscar un punto que sea más caliente que otro de un equipo similar que está bajo las mismas condiciones de carga.

Sistemas eléctricos problemáticos: Hay varias cosas específicas a controlar cuando se controlan problemas en seccionadores o asuntos de rendimiento de carga. Una vez que se completen las reparaciones, puede tomarse otra imagen térmica. Si la reparación es exitosa, el punto caliente detectado habrá desaparecido.

• Desequilibrio trifásico: Captura de imágenes térmicas de todos los paneles eléctricos y otros puntos de conexión de alta carga tales como transmisiones, desconectadores, controles y así sucesivamente. Donde se descubran altas temperaturas, se seguirá el circuito y examinarán los ramales y cargas asociadas. Se compararán todas las fases lado-por-lado y controlarán para detectar diferencias de temperatura. Un circuito más frío de lo normal puede indicar que falla un componente. Las fases más cargadas aparecerán más calientes. Los conductores calientes pueden estar subdimensionados o sobrecargados. Sin embargo, ya que una carga desequilibrada, una sobrecarga, una mala conexión y los armónicos todos pueden crear modelos similares, es importante continuar con medidas de calidad que ayuden a diagnosticar con exactitud el problema (Nota: Las caídas de voltaje a través de los fusibles e interruptores también pueden hacer aparecer un desequilibrio en el motor y calor en exceso en los puntos problemáticos. Antes de asumir que se ha encontrado la causa debe realizarse un doble control, por una parte con un generador de imágenes y por otra con un medidor de corriente).
• Conexiones y cableado: Búsqueda de conexiones que tienen temperaturas más altas que otras conexiones similares bajo cargas similares. Esto puede indicar conexiones sueltas, sobreajustadas o corroídas con resistencia incrementada. Los puntos calientes relacionados con la conexión usualmente – pero no siempre – aparecen más calientes en el punto de resistencia, enfriamiento con distancia de ese punto. En algunos casos, un componente frío es anormal debido a que la corriente se transmite en paralelo desde la conexión de alta resistencia. También pueden encontrarse conductores subdimensionados o rotos, o aislamiento defectuoso. Las guías de NETA (Inter-National Electrical Testing Association) dicen que cuando la diferencia de temperatura entre componentes similares bajo cargas similares excede de 15 ºC, se llevarán a cabo inmediatas reparaciones.
• Fusibles: Si un fusible muestra puntos calientes, puede estar próximo a sus capacidades de corriente. No todos los problemas son por calor. Si se funde un fusible, por ejemplo, producirá una temperatura más fría de lo normal.
• Centros de control de motores (MCC): Para evaluar un MCC bajo carga, se abrirá cada compartimento y compararán las temperaturas relativas de componentes claves: barras de bus, controladores, arrancadores, contactores, relés, fusibles, seccionadores, desconectadores, alimentadores y transformadores.
• Transformadores: Para transformadores de aceite, se usará un generador de imágenes térmicas y se buscarán conexiones bushing externas, tubos de enfriamiento, ventiladores de enfriamiento y bombas, además de las superficies de transformadores críticos.

Bibliografía:

• Solving electrical problems with thermal imaging. Maintenance World December 2008.
• PPE guidelines, reference NFPA (National Fire Protection Association).

Palabras clave: Motor control centers (MCC)

La influencia de la mecatrónica en el diseño de nuevos productos

Desde el desarrollo de productos estrictamente mecánicos (tales como engranajes y frenos) a sistemas eléctricos de control del movimiento lineal, el paisaje ha cambiado dramáticamente para los ingenieros de diseño que se encargan de llevar nuevos productos al mercado. Los fabricantes tienen que responder a estos cambios cuando continúan desarrollando nuevos productos para resolver problemas de control del movimiento rotatorio o lineal. Las soluciones de automatización de hoy necesitan ser más rápidas, más inteligentes, y comunicar mejor.

Actuadores lineales

Si nos centramos para empezar con los actuadores lineales, un posible componente de un sistema mecatrónico, podemos platearnos qué tipos de consideraciones de diseño o restricciones del sistema son los más destacables en los nuevos actuadores. Al respecto podemos decir que el mayor desafío es la vida útil. Los suministradores de actuadores lineales se enfrentan con el desafío de conseguir la máxima capacidad con el tamaño más pequeño posible. Todos los elementos de un actuador lineal deben ser lo bastante robustos como para cumplir su tarea y además de proporcionar una vida útil significativa. Esto tiene un influencia directa en la envolvente física del actuador y en el coste del mismo. Cuando existen condiciones ambientales específicas tales como temperaturas extremas, contaminación, requerimientos de lavado o ambientes muy limpios, determinar la vida y coste del actuador es incluso más complejo. Cada uno de estos factores puede requerir una selección de componentes diferente. El suministrador del actuador lineal necesita comprender estas variables en orden de recomendar la solución apropiada. Los suministradores de actuadores lineales que son capaces de proporcionar un sistema que incluya todos los elementos mecánicos y eléctricos, también tendrán entre los desafíos el protocolo de comunicaciones.

Disciplinas de ingeniería más importantes en el diseño

Los ingenieros necesitan tener una buena comprensión de sus aplicaciones y del comportamiento de los componentes lineales seleccionados. Todos los parámetros de aplicación dinámica y estática deben estar definidos con exactitud para conseguir el éxito al aplicar un actuador lineal. Otro consejo para los ingenieros de diseño que subcontratan el desarrollo de sistemas de control del movimiento mecatrónicos es que los parámetros deben estar muy bien definidos. Posteriormente se buscará un suministrador que tenga la capacidad para proporcionar los componentes del sistema y ser realista sobre el rendimiento del sistema y presupuesto. La búsqueda de proveedores debe realizarse en fases bien tempranas del proyecto. Este importante trabajo debe ser hecho para obtener consejo del suministrador sobre las posibilidades de sus productos en el sistema mecatrónico.

Bibliografía: Mechatronics and new product design. Linear Actuator. May 2009

La influencia de la mecatrónica en el diseño de nuevos productos

Desde el desarrollo de productos estrictamente mecánicos (tales como cajas de engranaje o frenos) hasta sistemas de control de movimiento lineales eléctricos, las situación ha cambiado profundamente para los ingenieros de diseño que buscan traer nuevos productos al mercado. Los fabricantes están respondiendo a estos cambios desarrollando nuevos productos para solucionar problemas de control de movimiento rotatorio o lineal. La integración de dispositivos mecánicos, eléctricos, control y software (básicamente el concepto de mecatrónica), está afectando los procesos de diseño de hoy. Los recientes avances en mecatrónica han proporcionado nuevas capacidades en las tareas del ingeniero de diseño de desarrollar nuevos productos. Hoy en día, las posibilidades de elección son enormes para facilitar el diseño de sistemas o máquinas. Velocidades lineales más altas, menores dimensiones físicas, alto grado de repetibilidad posicional, capacidades mecánicas más altas, vida útil mayor, facilidad en la programación, comunicaciones más flexibles y más fáciles, y muchos otros atributos son ahora la norma y no la excepción. Estas posibilidades permiten libertad sustancial en el diseño para alcanzar la mejor solución posible que se ajuste al proceso, productividad y presupuesto. Los suministradores de componentes de control de movimiento proporcionan también excelentes herramientas para seleccionar componentes. Por ejemplo, el software de de dimensionamiento de una instalación asiste a los ingenieros en la selección de componentes para una instalación exitosa basada en parámetros de aplicación específicos. Algunas de estas herramientas estiman también la vida útil del componente. Si utilizamos como ejemplo la selección de un actuador lineal, la vida útil es el principal desafío. Los suministradores se enfrentan con el desafío de ofrecer productos con la máxima capacidad en el menor espacio posible. Si el actuador debe guiar o sostener, también se requiere que sus elementos sean lo suficientemente robustos como para cumplir estas tareas adicionales. Cuando existen condiciones ambientales específicas tales como temperaturas extremas, contaminación, agua o ambientes muy limpios, determinar la vida útil y los costes de un actuador lineal es más complejo.

Bibliografía: The influence of mechatronics on new product design. Mechatronics May2008

Palabras clave: linear actuator

Desarrollada la cámara infrarroja más pequeña y ligera del mundo

Las cámaras de infrarrojos, que actúan con rayos de luz en el espectro infrarrojo, tienen unas interesantes aplicaciones en la industria. Ya hablaremos de ellas en detalle, especialmente de la utilización de la termografía en mantenimiento predictivo, servicios públicos, diagnóstico de edificaciones, producción, fenomenología de rangos, ciencia, I+D, ensayos, automatización y OEM. Pero en esta ocasión, nos hacemos eco de un nuevo desarrollo de uno de los grandes de la tecnología de infrarrojos, Flir System. Esta compañía acaba de lanzar al mercado su modelo i5, con un coste de 1990 libras esterlinas. La verdad es que cuando vemos estos precios nos damos cuenta de que ya tenemos esta tecnología casi al mismo precio que una cámara digital convencional. Aconsejamos a ingenieros y gestores industriales que estudien esta tecnología, porque seguro que con una inversión mínima van a sacarle partido y podrán realizar trabajos de calidad impensable hace tan solo cuatro años. Hoy en día, que la eficiencia energética empieza a ser tan importante, la tecnología de infrarrojos podrá ayudarnos a acometer acciones de inspección de instalaciones existentes con gran facilidad. Con esta de cámara, podremos obtener imágenes térmicas de una resolución de 80 x 80 pixels, y de esta forma identificar fallos en procesos industriales complejos. Un componente que esté dando problemas aparecerá en nuestra imagen térmica, porque seguro que se está produciendo calor. Llegamos a una simplificación tal de esta tecnología que el usuario simplemente apunta, dispara y detecta problemas térmicos en cualquier tipo de instalaciones. Destacamos por ejemplo su uso para estudiar de una forma complicada instalaciones eléctricas inadecuadas, tan frecuentes en los entornos industriales donde se tiran líneas de baja tensión sin mucho control, y donde equipos eléctricos de todo tipo pueden estar funcionando mal y por ello consumiendo energía de forma insatisfactoria. La termografía ya está aquí, y a buen precio.

Bibliografía: Infrared camera is smallest an lightest. Manufacturingtalk 20 may 2008

La última etapa de los sistemas mecatrónicos

En este artículo vamos a hablar de la mecatrónica y sus últimas tendencias, una idea cuyo concepto parece complicado, pero que como siempre trataremos de hacerlo sencillo. La mecatrónica no es un concepto reciente, ya que fue desarrollado en pleno boom de la tecnología japonesa, y su introducción vino de la mano de Yaskawa Electric Corp., un fabricante japonés dedicado al control del movimiento, la robótica y la ingeniería de sistemas. Como siempre se hace en el Japón obsesionado por las patentes, Yaskawa registró la marca en 1970, pero en 1987 renunció a ella. La mecatrónica se convirtió en una disciplina industrial. La mecatrónica es un concepto o diseño de ingeniería que funde la ingeniería implicada en la mecánica (o mecanismos) con la ingeniería implicada en la electrónica. Es por lo tanto máquina+control. Esta disciplina profundiza en todos los solapamientos existentes entre máquinas, computadoras, controles y electrónica. Actualmente, todas las tecnologías que entran en la mecatrónica aporten conceptos y productos que acaban añadiendo más complejidad. Por todo ello, el diseño de máquinas que utilice conceptos mecatrónicos puede requerir contribución de:

• Teoría de control.
• Ciencia de computación, incluyendo programación.
• Procesado de señales digitales (DSP) y comunicaciones.
• Robótica.
• Análisis de ingeniería.
• Y un buen control en modelos matemáticos.

La mecatrónica puede ser conceptual, es decir, puede aplicarse en cualquier punto de un proceso de diseño. Los beneficios potenciales de trabajar en diseño mecatrónico integrado son sobre todo la mayor optimización en el consumo energético y una explotación más profunda de las capacidades de los componentes. O dicho de otra manera, el diseño mecatrónico nos permite conseguir aprovechar con más profundidad los atributos de materiales, motores, máquinas y controles. Los diseños mecatrónicos tienen también la capacidad de obtener una mejor optimización en el coste. En conclusión, la mecatrónica permite más posibilidades para una funcionalidad aceptable o incrementada, exactitud y/o funcionalidad incrementada, a un menor coste. Últimamente, ha sido precisamente la optimización de costes donde se están encontrando interesantes aportaciones de la mecatrónica. Los ingenieros pueden diseñar capacidades y eficiencias específicas, y resolver problemas, antes de construir una máquina.

LAS ÚLTIMAS TENDENCIAS

Las últimas tendencias en el diseño de máquinas son favorables a esta aproximación integrada entre disciplinas independientes como la mecánica y la electrónica. Por ejemplo, el progreso en el diseño de motores – especialmente servomotores – es ahora continuo. Los nuevos motores son más avanzados y con una flexibilidad incrementada en sus aplicaciones, y cada mes se comercializan un buen número de modelos nuevos. La actual tendencia es progresar en motores cada vez más pequeños pero más potentes y eficientes. Cada elemento de movimiento y cada elemento de transmisión de potencia están teniendo nuevos avances. Por otra parte, los controles continúan ganando en inteligencia, con lógica de chip e interfaces de programación capaces de dirigir mecanismos que hagan casi todo lo que el diseñador pueda imaginar. En estas últimas tendencias, los controles y procesos tienden a montarse directamente sobre los componentes que ellos controlan, la esencia misma de la mecatrónica. Cada vez más, el diseño en ingeniería mecánica comienza a ser un viaje hacia la complejidad del software, un gran número de herramientas de ingeniería emergen continuamente, se incrementa el número de cálculos, se utilizan herramientas de diseño asistido por ordenador (CAD), y el CAD se convierte en una caja de herramientas computerizada para la modelización de cualquier diseño físico.

Tecnologías inalámbricas para transmitir energía

A finales del siglo XIX, la comprensión de que la electricidad podía utilizarse para iluminar una bombilla dio inicio a una carrera para determinar la mejor forma de distribuirla. Entre los inventores que contribuyeron a difundir la electricidad destaca Nikola Tesla, con sus ideas para distribuir la electricidad a través del mundo. En aquel momento nadie podía imaginar la magnitud de los sistemas de distribución actuales. Tesla ideo la forma de transmitir energía sin necesidad de cables, pero sus ideas se desvanecieron rápidamente cuando el mundo probó las infraestructuras de cables. Hace unos pocos años, Marin Soljačić, un profesor de física en MIT (Instituto de tecnología de Massachuset), fue sacado del a cama por el sonido insistente de un teléfono móvil. “Este no para hasta que lo enchufe para cargarlo, pensó Soljačić. Medio en sueño, pensó que lo ideal sería que el teléfono empezase a cargarse nada más entrase en casa. De esta forma Soljačić comenzó a buscar formas de transmitir la energía sin cables. En vez de perseguir un esquema de larga distancia como Tesla, decidió buscar métodos de transmisión de energía de medio rango que pudiesen carga – o incluso hacer funcionar – dispositivos portátiles tales como teléfonos móviles, PDAs, y laptops. Consideró el uso de ondas de radio, que enviaban información de forma precisa a través del aire, pero encontró que la mayor parte de la energía se perdía en el espacio. Otros métodos más precisos como el láser requieren una línea definida a la vista – y pueden ser perjudiciales para todo lo que se encuentre en el camino. Por ello Soljačić buscó un método que fuese tanto eficiente – capaz de recibir energía sin disiparla en los alrededores – y seguro. Acabó probando el fenómeno del acoplamiento resonante, en el que dos objetos ajustados a la misma frecuencia intercambian intensamente energía pero interactuando solamente de una forma muy débil con otros objetos. Soljačić encontró que la resonancia magnética es un medio prometedor de transferir electricidad porque los campos magnéticos se desplazan libremente por el aire y tienen un efecto muy reducido en el medio ambiente, y a las frecuencias apropiadas, en los seres vivos. Trabajando con los profesores de física de MIT John Joannopoulos, Peter Fisher y tres estudiantes, ideó una instalación simple inalámbrica para proporcionar energía a una bombilla de 60 vatios. Tras sus investigaciones posteriores, el trabajo del MIT ha atraído la atención de las compañías fabricantes de productos de consumo y la industria del automóvil, así como del departamento de defensa. Se trata de una tecnología de lo más prometedora que puede ayudar a mejorar la productividad en múltiples campos. El artículo completo puede consultarse aquí.