https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20777/Ingenierias_2012_Ano_15_No_54_Enero-Marzo.pdf b49b1c9565a3922cf37c3876e454e27a PDF Text Text �54 Contenido Enero-Marzo de 2012, Año XV, No. 54 2 Directorio 3 Editorial El papel de la academia en la ciencia y tecnología Carlos E. Medina De la Garza 7 La química verde en la síntesis de nanoestructuras Pablo Salinas Estevané, Eduardo M. Sánchez Cervantes 17 Las civilizaciones y el uso de la energía Benjamin Limón Rodríguez 21 Síntesis de nanopartículas de oro empleando halloysita como soporte tubular activo Pablo A. Ruiz Flores, Selene Sepúlveda Guzmán, Virgilio A. González González 28 Control de seguimiento de la tensión de salida de un convertidor Boost Hugo Rodríguez Cortés, Miguel Francisco Escalante, Marco Tulio Mata Jiménez 37 Comparación de dos estrategias para utilizar metamodelos en optimización vía simulación Shirley Marbella Rojas Minjarez, Esmeralda Niño Pérez, María Guadalupe Villarreal Marroquín, Mauricio Cabrera Ríos 45 Formación científica de los egresados de tres programas de maestría en ciencias: Seguimiento a 10 años (1999-2009) Candeleria Ramírez Tule, Mariana L. Reyna Agreda, Aída M. García García, Xóchitl A. Ortiz Jiménez, Pablo Valdez Ramírez 54 Secado y desalado de emulsiones de petróleo mediante microondas Arturo López Marure, Ariana M. Vázquez Almaguer, Luis Javier Andrade Cruz, Adrián Vázquez Vázquez 61 Estimación instantánea de fasores oscilantes usando filtros TaylorK-Kalman José Antonio De la O Serna, Johnny Rodríguez Maldonado 74 Eventos y reconocimientos 77 Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL 79 Acuse de recibo 80 Colaboradores 82 Información para colaboradores Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 1 �Ingenierías, Año XV, N° 54, eneromarzo 2012. Fecha de publicación: 15 de enero de 2012. Revista trimestral, editada y publicada por la Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Domicilio de la Publicación: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Apartado Postal 076F, Cd. Universitaria, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, CP.66451. Telefono:+52 (81) 83294020 Ext. 5854. Impresa por: FAGSA México, Facsímil Arte Gráfico, S.A. de C.V., Félix U. Gómez Nte. 2818, Col. Cementos Monterrey, N.L., México, C.P. 64520. Fecha de terminación de impresión: 15 enero de 2012. Tiraje: 800 ejemplares. Distribuido por: Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P.66450. Número de reserva de derechos al uso exclusivo del título Ingenierías otorgada por el Instituto Nacional del Derecho de Autor: 04-2011-101411064600-102, de fecha 14 de octubre de 2011. Número de certificado de licitud de título y contenido: En trámite. ISSN: 1405-0676. Registro de marca ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial: En trámite. Ingenierías es una publicación trimestral arbitrada, editada por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, dirigida a profesionales, profesores, investigadores y estudiantes de las diferentes áreas de la ingeniería. Las opiniones y contenidos expresados en los artículos son responsabilidad exclusiva de los autores. Prohibida su reproducción total o parcial, en cualquier forma o medio, del contenido editorial de este número sin previa autorización. Ingenierías está indizada en: Latindex, Periódica, CREDI, DOAJ, Dialnet, Actualidad Iberoamericana, LivRe, NewJour. Versión en extenso en internet: http:// ingenierias.uanl.mx/ Impreso en México Todos los derechos reservados © Copyright 2012 revistaingenierias@gmail.com 2 DIRECTORIO UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Rector: Dr. Jesús Áncer Rodríguez Secretario General: M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera Secretario Académico: Dr. Ubaldo Ortiz Méndez Secretario de Investigación, Innovación y Posgrado: Dr. Mario C. Salinas Carmona Secretario de Extensión y Cultura: Lic. Rogelio Villarreal E. Director de Publicaciones: Dr. Celso José Garza Acuña FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA Director: M.C. 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Dagoberto Salas Zendejo Impresor: René de la Fuente Franco Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Editorial: El papel de la academia en la ciencia y tecnología Carlos E. Medina De la Garza Servicio de Inmunología, Facultad de Medicina, Hospital Universitario “Dr. José E. González” y Centro de Investigación y Desarrollo en Ciencias de la Salud, UANL carlos.medina@uanl.mx Durante el reciente Congreso Internacional de Biotecnología “BioMonterrey 2011”, organizado por el Consejo de Ciencia y Tecnología de Nuevo León (COCYTE) y la UANL, y realizado en el Centro de Investigación y Desarrollo en Ciencias de la Salud (CIDICS) de la UANL, tuvimos el privilegio de compartir algunas ideas en el contexto de lo que quise titular como “Responsabilidad académica pública”. Hablar del futuro de México es hablar del futuro de sus universidades, retomando una idea similar de quienes se dedican a explorar el futuro de la educación.1 Deseo volver a algunas ideas y opiniones en ese escrito.2 Las Universidades Públicas tenemos la responsabilidad de contribuir de manera específica y decidida en los procesos de cambio que necesita este país. Este cambio no se dará por sí solo, necesitamos una masa crítica de individuos pensantes y competentes para reconocer los problemas da la sociedad y usar la ciencia, la tecnología para intentar resolverlos. Necesitamos ciudadanos preparados, recursos humanos de la más alta sensibilidad social y competencia intelectual y técnica. Para ello, la misión de la Universidad es, a través de sus diferentes programas, permitir el acceso a ella a individuos de cualquier estrato social, quienes encontrarán ahí el ambiente educativo adecuado para desarrollar su talento y competitividad. PENSAR Y HACER Los problemas no se resuelven solos y las cosas no se hacen solas. En el caso de la ciencia y la tecnología no sólo se debe crear conocimiento y conceptos, sino también procurar el desarrollo de la capacidad para realizar las cosas tanto con las manos, como con la mente. Es una falacia pensar que todo se resuelve y se crea ya al momento de concebir una idea. Hay que trabajarla, hay que someterla a experimentación, hay que sacar un producto de ella y en pocas palabras, hay que hacerla realidad tangible. Quisiera expresar un cierto recelo por la idea de poner todas nuestras esperanzas de progreso científico y tecnológico en el concepto que llamamos “mentefactura”. No debemos sentirnos dueños de la mentefactura antes de haber demostrado que no sólo podemos idear las cosas, sino también hacerlas. Creo que únicamente idear puede convertirse en un error estratégico y conceptual. Las Universidades deben resistir la tentación de sentirse la panacea a la problemática Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 3 �El papel de la academia en la ciencia y tecnología / Carlos E. Medina De la Garza de competitividad científica, sin hacer el correspondiente esfuerzo intelectual y factual de contribuir a la ciencia básica y a la tecnología aplicada. Su misión incluye crear conocimiento, crear recursos humanos, crear bienestar y estabilidad social, a través de la educación. El bluff y el makebelieve que parecen crear moda, no pueden permear a la Universidad Pública si verdaderamente queremos sacar la pelota del cuadro, por usar un término coloquial y deportivo. POSGRADOS Y PROGRESO La relevancia que revisten los posgrados en la Universidad Pública reside en que en ellos esperamos se forjen los científicos y tecnólogos que el país necesita. Es precisamente en los posgrados donde hay que estar alerta y no ceder a las tentaciones clientelistas ni confundir la ciencia con la administración. Esta responsabilidad recae en la pertinencia y factibilidad de los programas de maestría y doctorado y en la solvencia académica de los profesores involucrados en los mismos. Crear la masa crítica de científicos que el país requiere solo será posible con el trabajo sistemático y bien dirigido a través de los posgrados. Tenemos que integrar cada vez más en ellos a los talentos y mentes brillantes de nuestras instituciones y de nuestra sociedad. Asimismo, para la labor científica y tecnológica, se necesita la infraestructura adecuada, sin olvidar que la infraestructura por sí misma no estudia posgrados, no hace experimentos, no hace diseños, no escribe artículos, no crea soluciones a los problemas ni solicita patentes. Son los recursos humanos capacitados, los científicos, profesores y alumnos, quienes lo hacen. Es muy importante que los profesores y los egresados de las Universidades no sólo sepan reconocer los problemas, sino que sepan el fundamento y las herramientas para resolverlos, es decir, la gente necesita saber matemáticas, física, bioquímica, fisiología. El conocimiento básico es imprescindible. Si uno desea ver más profundamente esto, sugiero estudiar la formación académica y experimentalista de algunos premios Nóbel de medicina. Es interesante ver que casi todos poseían o poseen, un profundo conocimiento de las ciencias básicas.3 Es tentador salirnos por la vía menos complicada, dedicarnos sólo a la tecnología y a la modificación de las cosas que ha hecho alguien más, la innovación. Que no 4 Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �El papel de la academia en la ciencia y tecnología / Carlos E. Medina De la Garza se malinterpreten estas palabras: un país como México necesita tanto la ciencia aplicada y la tecnología, como la ciencia básica. La Universidad Pública debe tener en sus objetivos la promoción equilibrada de estas dos áreas. Por otro lado, la educación, el trabajo y el papel del científico no son fáciles en México. Pablo Valdez-Ramírez ha plasmado en Ingenierías4 esta problemática en un artículo que es bueno leer y releer, para ayudarnos a dimensionar y resolver las dificultades que implica educar y ser un científico, en una sociedad que parece desconfiar de la ciencia y de los individuos que se dedican a ella. CÍRCULO VIRTUOSO Para terminar, es importante que de manera seria, sincera y organizada exista la colaboración entre las instancias gubernamentales, empresariales y académicas. Sugiero que el esquema de cooperación entre estas instancias incluya lo que señalo en la tabla siguiente y que he denominado las Co-Co´s, en un evidente juego de palabras y eufonía, buscando simbolizar que el conocimiento, la conciencia, la cooperación y la conectividad deben ser los pilares sobre los cuales la interacción se construye. Premisas y condiciones para el desarrollo coherente de la (Bio)tecnología. (Co-Co´s) CONOCIMIENTO • • • Ciencia Tecnología Innovación CONCIENCIA • • • • Uso de la (Bio)tecnología / Confianza Educación Ética de la (Bio)tecnología Responsabilidad COOPERACIÓN CONECTIVIDAD • • • • Gobierno Academia: Pública / Privada Empresa : Pública / Privada Sociedad En el desglose de las Co-Co´s desde el punto de vista de la Universidad, no podemos abandonar la creación de conocimiento a través de la ciencia básica ni su uso práctico a través de la tecnología y la innovación. Al hacerlo así, debemos ejercer la conciencia de ser responsables de su creación y su uso, de la educación a la población en cuanto a sus beneficios y de generar la confianza de que a través de ella podremos resolver una parte de nuestros apremiantes problemas. Esto conlleva los aspectos éticos que la Universidad no puede simplemente sobreseer. La cooperación y la conectividad, sin ánimo de ser iterativo, deben ser los elementos primordiales en el desarrollo de la tecnología por los tres actores antes mencionados. El flujo de información veraz es tan importante como el origen de la misma. El objetivo del avance científico y tecnológico del país deberá estar basado, y esto no es un secreto, en una política de estado congruente que promueva que la universidad pública y privada, las empresas y el gobierno trabajen en sinergia y acuerdo, y que el respeto y el reconocimiento sean mutuos y proporcionales, y no supeditados a supuestos prestigios o logros. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 5 �El papel de la academia en la ciencia y tecnología / Carlos E. Medina De la Garza La universidad pública tiene el compromiso de proveer a la sociedad de los mejores programas de estudio y las mejores condiciones para la creación de conocimiento. Sólo así podremos recuperar el tiempo perdido y proveer a nuestra sociedad un mejor nivel de vida. Suena difícil, porque lo es, pero se debe trabajar en ello. REFERENCIAS 1. Michavila, F. Editor. La universidad, corazón de Europa. Editorial Tecnos. 2008. Madrid. 2. Medina De la Garza, C.E. La responsabilidad académica pública. Revista Ciencia Conocimiento Tecnología 2011. 121. pp. 73-76. 3. Medina De la Garza, C.E. El trasplante y los premios Nobel. Medicina Universitaria 2001. 3.pp. 237-42. 4. Valdez Ramírez, P. Problemas en la formación de científicos en México. Ingenierías. 2009. XII. (43). pp. 12-18. 6 Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �La química verde en la síntesis de nanoestructuras Pablo Salinas-EstevanéA,B, Eduardo M. Sánchez CervantesB A B Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas, UANL Laboratorio de Energía Verde, Facultad de Ciencias Químicas, UANL eduardo.sanchezcv@uanl.edu.mx RESUMEN La química verde provee los fundamentos básicos para evitar la contaminación y hacer uso eficiente de la energía. Se ha realizado una revisión básica de solventes alternos o “verdes” (líquidos supercríticos y líquidos iónicos) y el uso de energía ultrasónica en la preparación de nanoestructuras. Así mismo se presenta el uso de diferentes líquidos iónicos en la síntesis, basada en ultrasonido de baja energía, de nanoestructuras de sulfuro de antimonio. PALABRAS CLAVE Nanomateriales, química verde, fluidos supercríticos, líquidos iónicos, sonoquímica. ABSTRACT Green Chemistry provides the basic elements to avoid the pollution and have efficient use of energy. We present a short review of alternative “green” solvents (supercritical fluids and ionic liquids) and the use of ultrasonic energy in the preparation of nanostructures. Likewise, we present the use of different ionic liquids towards the synthesis, based on low energy irradiation, of antimony sulphide structures. KEYWORDS Nanomaterials, green chemistry, supercritical fluids, ionic liquids, sonochemistry. INTRODUCCIÓN La química verde consiste en el esfuerzo colectivo para reducir al mínimo, o de ser posible eliminar por completo la contaminación producida en procesos químicos evitando al máximo el desperdicio o uso indiscriminado de materias primas no renovables, así como el empleo de materiales peligrosos o contaminantes en la elaboración de productos químicos “limpios”, que no atenten contra la salud o el ambiente. Los medios que utiliza la química verde se centran en la disminución o eliminación del uso de productos químicos tóxicos y el reciclaje de los desechos producidos por el avance tecnológico, de una manera creativa de tal forma que se consiga un mínimo impacto a los seres humanos y al medio ambiente. Todo lo anterior sin sacrificar el avance científico y tecnológico. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 7 �La química verde en la síntesis de nanoestructuras / Pablo Salinas Estevané, et al. Ahora bien no hay que confundir la química ambiental con la química verde. La diferencia es que la primera tiene como objetivo el saneamiento y remediación de los efectos en el ambiente de los procesos contaminantes, la química verde intenta prevenir la contaminación en su origen. Debido a ello existe cada vez un mayor avance en la aplicación del criterio de prevenir la contaminación antes de que ésta se produzca, en lugar de reprocesar productos para descontaminar, llevando como lema simple que es mejor prevenir que remediar. En 1990 se aprobó el Acta para Prevención de la contaminación en Estados Unidos,1 lo cual ayudó de manera importante a prevenir la generación de contaminantes a través de medios como los controles de ingeniería, el control de inventarios, la optimización de procesos y el desarrollo de la química verde. Hoy en día, Paul J. Anastas es considerado el padre de la química verde gracias a su trabajo en este campo. Anastas2 define a la química verde como aquella filosofía de trabajo que implica la utilización de herramientas y caminos alternativos que prevengan la contaminación, y en este sentido se refiere tanto al diseño de la estrategia sintética como al tratamiento de los posibles productos secundarios que se devengan de dicha ruta. Para ello, esta filosofía ha seguido unas pautas de actuación basadas en el sentido común y que, aunque complicadas de cumplir en muchos casos, sirven para minimizar los efectos nocivos derivados de la práctica de la química. A continuación se enumeran los principios básicos de la química verde: 1. Es mejor prevenir los residuos que tratarlos o limpiarlos una vez formados. 2. La ruta sintética debe ser diseñada con el objetivo de maximizar la incorporación de los materiales usados en el producto final. 3. La metodología sintética debe procurar generar el número mínimo de sustancias tóxicas para el ser humano y el medio ambiente. 4. Los productos químicos diseñados deben ser eficaces a la par que inocuos. 5. El uso de sustancias auxiliares (disolventes) debe ser evitado si es posible. 6. Los requerimientos energéticos de la ruta sintética también deben ser tenidos en cuenta y minimizados. Las reacciones deben llevarse a cabo a temperatura ambiente y presión 8 atmosférica normal cuando sea posible. 7. Las materias primas deben ser renovables cuando sea técnica y económicamente posible. 8. La formación de subproductos debe ser evitada en lo posible. 9. Los reactivos catalíticos (selectivos mejor) serán elegidos sobre los estequiométricos. 10. Los productos químicos deben ser diseñados de modo que al final de su vida útil se descompongan en compuestos inocuos. 11. La metodología analítica debe ser usada para poder controlar los procesos, evitando la formación de sustancias peligrosas. 12. Las sustancias y el estado físico de éstas deben ser elegidas con cuidado de modo que se eviten potenciales situaciones de riesgo, como explosiones o fuegos. La química, como la ciencia de la materia y de su transformación, desempeña un papel fundamental en este proceso y es el puente entre la física, las ciencias materiales y las ciencias de la vida. Solamente los procesos químicos que han alcanzado (después de la optimización cuidadosa) un máximo en eficacia llevarán productos sostenibles a la producción. Los científicos e ingenieros, que inventan, desarrollan y optimizan tales procesos desempeñan un papel dominante. Su conocimiento, creatividad y anticipación es primordial para llevar reacciones y procesos químicos a la eficacia máxima. La “Química Verde” tiene como misión el promover las tecnologías químicas innovadoras que reduzcan o eliminen el uso o la generación de sustancias peligrosas en el diseño, fabricación y uso de productos químicos. La nanociencia sigue en “fase del descubrimiento” donde se están sintetizando nuevos materiales en escala nanométrica. Típicamente, los investigadores se centran en la identificación de nuevas características y usos. Consecuentemente, la preocupación de propiedades indeseables del material se difiere a menudo. Dado el alto potencial de aplicación de los nanomateriales, se debe considerar un diseño de los procesos de producción con un impacto mínimo ambiental. Las condiciones de reacción se pueden ajustar de tal manera que es posible llegar a un producto de manera eficiente y manera benigna al medio ambiente. Las variaciones en los medios de reacción pueden implicar modificaciones Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �La química verde en la síntesis de nanoestructuras / Pablo Salinas Estevané, et al. bastante simples como la sustitución del solvente, la reducción de la temperatura y/o presión, o el uso de técnicas avanzadas que proporcionen un entorno propicio para producir productos de alta calidad. A continuación se describen los últimos avances en el uso de solventes alternativos (fluidos supercríticos y líquidos iónicos) y el uso de química ultrasónica hacia la síntesis verde o de bajo impacto ambiental de una variedad de nanoestructuras. Por último se presentan detalles del trabajo realizado por el grupo de investigación en el uso de diversos líquidos iónicos en la síntesis de nanoestructuras de estibnita. SÍNTESIS SUPERCRÍTICA Un fluido supercrítico es una substancia que se encuentra por encima de su temperatura crítica (Tc) y de su presión crítica (Pc). La figura 1 muestra el diagrama de fases uniario del CO2. En el punto crítico (Pc) se termina el equilibrio líquido-vapor y ambas fases se vuelven indistinguibles. En esta región la densidad del vapor que se ha formado y la densidad del líquido restante es la misma, obteniéndose así lo que se denomina un fluido supercrítico (FSC). Sus propiedades están entre las del vapor y las del líquido, de ahí sus ventajas y posibilidades de aplicación. La utilización de fluidos supercríticos (FSC) en la obtención de nanomateriales, presenta una serie de ventajas, relacionadas con las propiedades de solvatación y de transporte tan interesantes que poseen estos fluidos, y especialmente la posibilidad de modificarlas con pequeños cambios en temperatura y/o presión. Estas propiedades, frecuentemente denominadas como un “híbrido entre las de un líquido y las de un gas”, incluyen la capacidad para disolver solutos, miscibilidad con gases permanentes, alta difusividad, baja viscosidad, etc.3 La tabla I muestra las propiedades de los principales FSC utilizados en la síntesis de nanoestructuras donde el CO2-sc y el H2O-sc son los más utilizados por baratos, asequibles, incombustibles e inocuos. Sin embargo, el primero es relativamente más fácil de procesar. El uso de surfactantes en la preparación de nanopartículas es típico como agentes estructurantes. Sin embargo, son difíciles de remover. El uso del CO2 supercrítico permite extraer los mismos. Por ejemplo, Nguyen-Phan4 logró remover la hexadecilamina de una red mesopórica de cristales de anatasa utilizando una extracción de CO2 supercrítica del solvente con un tratamiento térmico moderado posterior. Este proceso les permitió evitar la destrucción de la nanoestructura por efecto meramente térmico de eliminación del surfactante. Lucky5 reportó la preparación de fibras de TiO2 de escala nanométrica dopadas con Fe utilizando una ruta clásica sol-gel pero utilizando el CO2-sc como solvente obteniendo una mejora en las propiedades fotocatalíticas por una mejor incorporación del agente dopante (Fe) en la estructura de la anatasa. Por otro lado, nanoesferas de TiO2 fueron obtenidas por sol-gel utilizando CO2sc6 eliminando la necesidad de solventes orgánicos. La técnica consistió en la hidrólisis controlada del precursor de titanio. SÍNTESIS U LT R A S Ó N I C A DE NANOESTRUCTURAS La sonoquímica se basa fundamentalmente en los efectos químicos producidos por la propagación de Tabla I. Valores críticos de algunos fluidos supercríticos. Sustancia Fig. 1. Diagrama de fases del dióxido de carbono indicando la región supercrítica.3 Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 Temperatura Presión crítica/°C crítica/bar Densidad crítica/g-cm-3 CO2 31.0 73.8 0.469 C2H 6 32.3 48.8 0.203 NH3 132.4 113.6 0.235 C2H5OH 240.8 61.4 0.276 H2 O 374.2 221.2 0.315 9 �La química verde en la síntesis de nanoestructuras / Pablo Salinas Estevané, et al. ultrasonido en el medio de reacción, proporcionando una activación o desarrollo de las reacciones químicas a través de la energía acústica. La mayoría de estos efectos están directamente relacionados con el fenómeno de la cavitación, donde tiene lugar la nucleación, crecimiento e implosión de burbujas. Esta elevada energía de microentorno proporcionada al medio de reacción mediante ultrasonido, junto al campo eléctrico, generan las mejores condiciones para llevar a cabo procesos que sólo podrán llevarse a cabo en condiciones extremas de presión o temperatura. El control exacto sobre las reacciones químicas es clave en la síntesis de nanomateriales. La temperatura y presión son ajustables solamente dentro de ciertos límites definidos por la fuente de energía empleada en reacciones. Cada tipo de energía tiene su propio dominio de las condiciones de reacción determinadas por sus parámetros inherentes de la reacción, según lo representado en la figura 2.7 Comparado a las fuentes de energía tradicional, la irradiación ultrasónica proporciona condiciones inusuales de reacción (tiempos extremadamente cortos para alcanzar altas temperaturas y presiones en líquidos) que no se pueden observar por otros métodos. El método de síntesis sonoquímica para la preparación de nanomateriales fue inicialmente aplicado por Suslick8 donde reportó la preparación de nanopartículas de hierro por sonificación de Fe(CO)6 en una solución ácida, obteniéndose Fe amorfo con tamaño de partícula de 10-20 nm. Así mismo, varios coloides metálicos se han preparado Fig. 2. Rango de energía-tiempo-presión aplicable en el campo de la síntesis química.7 10 vía sonoquímica; en particular, Grieser et.al.9 realizó un estudio sistemático de la reducción asistida por ultrasonido para revelar el mecanismo y entender el efecto de cada parámetro sobre tamaño y forma de partícula encontrándose una marcada interrelación entre la velocidad de reducción y frecuencia aplicada y por ende se pudo controlar el tamaño de partícula obtenido. Por otro lado, Han10 y colaboradores reportaron la irradiación ultrasónica de una solución azucarada de HAuCl4 obteniendo nanocintas de oro con una anchura de 30-50nm y una longitud de varios micrómetros. Se reportó que la irradiación aplicada aumenta el proceso de crecimiento tipo Ostwald vía la cavitación acústica inducida. De este modo, la 1-D-glucosa actúa como agente estructurante unidimensional. Una nueva estrategia es la reducción por desplazamiento metálico asistido por ultrasonido introducido por Zeng y col.11 para la síntesis de las nanopartículas de oro y platino. Aquí, los átomos de los elementos nobles son generados por la reducción de sus precursores sobre la superficie de cobre o hierro bajo irradiación ultrasónica. Un buen número de óxidos metálicos han sido preparados empleando la vía sonoquímica. Sus ventajas sobre métodos convencionales son una distribución dimensional más uniforme, mayor área superficial, tiempos de reacción más rápidos y una mayor pureza de la fase de interés. Como ejemplo de síntesis asistidas con ultrasonido se pueden mencionar las de TiO2,12 ZnO,13 V2O5,14 ZnFe2O415 entre otras. En particular Yu12 y col. encontraron que los nanopartículas preparadas de TiO2 por ultrasonido son más fotoactivas que el producto comercial (e.g., Degussa P25). Tal propiedad fue atribuida a la cristalinidad mejorada de la anatasa explicada por un aumento de la velocidad de hidrólisis en presencia de ultrasonido. Asimismo se ha logrado la síntesis de óxidos cerámicos mesoporosos utilizando la asistencia sonoquímica reduciendo sensiblemente el tiempo de reacción sol-gel a pocas horas. Gedanken y col.16 reportaron la preparación TiO2 mesopórica con una estructura tipo gusano. Para ello aplicaron ultrasonido a una solución de etanol/agua con el precursor de titanio y como agentes estructurantes Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �La química verde en la síntesis de nanoestructuras / Pablo Salinas Estevané, et al. emplearon aminas primarias de cadena intermedia. El tiempo de reacción fue disminuido dada la alta temperatura en la interface entre la burbuja colapsada y la solución, lo cual aceleró la hidrólisis y la condensación del isopropóxido de Ti. LÍQUIDOS IÓNICOS La gran mayoría de los líquidos que utilizamos comúnmente en nuestra vida cotidiana están hechos de moléculas de carácter polar o no polar. En 1980 la comunidad científica dio a conocer una clase de compuestos iónicos fundidos a temperatura ambiente comúnmente llamados líquidos iónicos (LI). El término líquido iónico se utiliza para describir sales iónicas con puntos de fusión menor a 100 °C. Los LI pueden reemplazar compuestos orgánicos volátiles dado que poseen una presión de vapor despreciable y baja contaminación atmosférica. Una gran diferencia de los LI con respecto a los líquidos moleculares es que los últimos están constituidos por iones. Los líquidos iónicos han tenido diferentes nomenclaturas entre las que podemos encontrar: líquidos iónicos fundidos a temperatura ambiente (LITA), líquidos iónicos con temperatura de fusión superior a la temperatura ambiente, líquidos iónicos no acuosos, sales fundidas, solventes diseñados. Algunas de las características que podemos citar en este tipo de compuestos son: • Poseen propiedades de solvatación y puntos de fusión que pueden ser modificados al combinar diferentes pares de cationes y aniones. • No son volátiles abriendo así la posibilidad de utilizarlos en sistemas de alto vacío. • Tienden a solvatar un gran número de sustancias orgánicas e inorgánicas y esto permite llevar a cabo la combinación de reactivos en una sola fase. • Son compuestos polares no acuosos. • Se utilizan como catalizadores activos para algunos tipos de reacciones. La gran mayoría de los líquidos iónicos poseen dos componentes a saber, catión y anión los cuales pueden combinarse de forma tal que pueden ser diseñados para satisfacer una necesidad en particular como la disolución de reactivos en una reacción o quizás para la extracción de un tipo de molécula específica en una Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 solución. De forma genérica en un líquido iónico uno de los iones es voluminoso y otro de ellos tiene baja simetría, esto tiende a reducir la energía del enrejado cristalino del compuesto y disminuye el punto de fusión de los mismos. En la figura 3 se muestran los cationes más comúnmente utilizados. Preparación de nanoestructuras usando líquido iónico asistido con ultrasonido La técnica de irradiación de ultrasonido asistida con líquido iónico es relativamente nueva para preparar nanomateriales. En la tabla II se presenta un resumen de los trabajos encontrados en literatura en función de la nanoestructura encontrada. El tipo de líquidos iónicos empleados se encuentra descrito en la tabla III. Como se puede observar, es posible preparar varios tipos de nanoestructuras de compuestos metálicos, óxidos y sulfuros inorgánicos. Se ha puesto especial énfasis en el ZnO y ZnS por sus propiedades fotocatalíticas y semiconductoras respectivamente. Por otro lado, sulfuros semiconductores como el PbS, el CuS y CdS y la clásica anatasa han sido preparados utilizando esta ruta. En particular, nuestro grupo ha trabajado en la preparación de nanoestructuras de estibnita mediante la irradiación de ultrasonido de baja potencia bajo la asistencia de los líquidos iónicos basados en imidazolio y el grupo de los fosfonios. En la figura 4 se muestra el análisis de microscopía electrónica de barrido realizado a las muestras de Sb2S3 obtenidas por tratamiento ultrasónico utilizando [BMIm]BF4 con y sin tratamiento térmico (condiciones descritas en 36 y tabla IV). En las figuras 4a-e encontramos morfologías aproximadamente esféricas y distribuidas uniformemente. El tamaño promedio de las estructuras obtenidas fue de 80 nm. En algunas regiones de Fig. 3. Cationes más comúnmente utilizados en líquidos iónicos. 11 �La química verde en la síntesis de nanoestructuras / Pablo Salinas Estevané, et al. ambas muestras es posible encontrar la formación de pequeños aglomerados de aproximadamente 1μm de diámetro, lo que lleva a pensar que estas son termodinámicamente estables dentro de las condiciones de reacción. Tabla II. Nanoestructuras preparadas con ultrasonido bajo la asistencia de líquidos iónicos. Líquido iónico Nanoestructura Compuesto [MacopMIm]MPS [EMIm]Et2SO4 Partículas [HypMIm]TFSI Ref Au [17] SnO2 [18] PbS [19] CuS [20] CdS [21] np-TiO2 [22] [BMIm]TFSI Fe [23] [BMIm]PF6 Ag [24] ZnS [25] ZnS [27] ZnO [28] ZnO [29] Esferas ZnO [30] [HyeMIm]BF4 Dendritas ZnO [31] [BMIm]Br Alambres Pb(OH)Br [32] CuO [33] ZnO [34] [BMIm]BF4 [EMIm]Et2SO4 Cristales [HMIm]TFSI [HMIm]TFSI [BMIm]Cl [BMIm]PF6 Barras MoO3 ZnO [35] En la figura 4a’ tenemos la formación de aglomeraciones de nanobarras y se observa una distribución uniforme las cuales tienen un diámetro aproximado a 60 nm y varios micrómetros de largo. La difracción de rayos-X muestra señales de la estibnita completamente definida. El incremento en la energía térmica proporcionada al material fue utilizado en crecer en diámetro y el largo de las nanobarras y fortalecer el grado de cristalinidad. Tabla III. Relación de líquidos iónicos utilizados en la síntesis de nanoestructuras. Catión Anión Acrónimo Nombre Acrónimo Nombre BMIm 1-n-butil-3metilimidazolio TFSI Bis(trifluorometils ulfonil)imida EMIm 1-etil-3-metilImidazolio EtSO4 Etil sulfato HMIm 1-hexil-bis-3metil-Imidazolio BF4 Tetrafluoroborato HyeMIm 1-(2-hidroxietil)3-metilImidazolium PF6 Hexafluorofosfato 1-(3HypMIm hidroxipropil)-3metil-Imidazolio MPS 3-Mercapto-1propanosulfonato 3-[2,3-bis[(2mercaptoacetil)MacopMIm oxi]propil]-1metil-Imidazolio Cl Cloruro Br bromuro Fig. 4. Análisis de microscopía de barrido electrónico de Sb2S3 sintetizado utilizando un líquido iónico basado en imidazolio. 12 Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �La química verde en la síntesis de nanoestructuras / Pablo Salinas Estevané, et al. Tabla IV. Condiciones experimentales de síntesis de Sb2S3 utilizando [BMIM][BF4] bajo radiación ultrasónica (70 W, 42 KHz por 24 h) a 60°C. Tratamiento Volumen Volumen de Térmico Muestra Etanol Líquido Iónico Temperatura Absoluto (mL) [BMIM][BF4] (mL) (°C), 1h a 9 1 No b 8 2 No c 7 3 No d 6 4 No e 5 5 No a’ 6 4 155 b’ 6 4 200 Tabla V. Condiciones Experimentales de Síntesis de Sb2S3 utilizando [iB3HP][BF4] bajo radiación ultrasónica. Muestra Volumen de etanol absoluto (mL) Volumen del LI (mL) [iBH3P][BF4] M 10 0 60 N 10 0 120 P 6 4 120 Temperatura (°C) En la figura 4b’, observamos cambios en la morfología en donde en algunas regiones tenemos la formación de nanoestructuras de forma cilíndrica con un diámetro aproximado entre 70-80 nm y varios micrómetros de largo. Los aglomerados en algunos casos llegan a tener dimensiones mayores de 1μm. La difracción de rayos-X muestra de nuevo la fase de la estibnita. El cambio logrado en la morfología y grado de cristalinidad se debió principalmente al cambio en la energía suministrada al material debido al tratamiento térmico a 200 °C. En la figura 4 se muestra un análisis EDS representativo en donde solamente se aprecian señales correspondientes al Sb y S y se observa además una proporción esperada de 2 a 3 entre la señal del antimonio con respecto a la del azufre. Así mismo se realizó la síntesis de nanocristales de Sb2S3 utilizando ultrasonido asistido pero ahora con un líquido iónico basado en fosfonios alifáticos (en contraste con el clásico imidazolio). El líquido seleccionado fue el tetrafluoroborato de iso-butiltri-hexil fosfonio (iB3HP]BF4)37 y las condiciones de síntesis de nanoestructuras se describen en la tabla V. Fig. 5. Análisis de microscopía de barrido electrónico de Sb2S3 sintetizado utilizando un líquido iónico basado en fosfonio. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 13 �La química verde en la síntesis de nanoestructuras / Pablo Salinas Estevané, et al. En la figura 5 se muestran los estudios de microscopía electrónica de barrido a las muestras sintetizadas. Para las muestras M y N se tienen morfologías similares las cuales son esféricas y tienden a ser irregulares en algunas regiones, en ambas se observa también la formación de algunos aglomerados, lo cual indica una estabilidad termodinámica mayor entre más pequeño sea el mismo. El diámetro de las esferas es de aproximadamente 100-200 nm. Para las condiciones experimentales de la muestra P se observa un cambio bastante significativo en la morfología donde ahora se tienen nanoestructuras unidimensionales de Sb2S3 en forma de barras. Las nanobarras tienen un diámetro aproximado de 60 nm y varios micrómetros de largo. En algunas de las regiones de la figura 5 se observa la formación de paquetes de lo cual se puede inferir estabilidad de estas estructuras aún a una temperatura (120 °C) bastante moderada. Por DRX (figura 5) tenemos que para las morfologías esféricas o irregulares se observa un grado de cristalinidad bastante reducido tendiendo a ser un material no cristalino. Sin embargo, para el caso del experimento P donde se tienen nanobarras, el grado cristalino es bastante alto, es decir el líquido iónico [iBH3P][BF4] acompañado de un moderado tratamiento térmico constituye el elemento primordial para alcanzar un grado cristalino alto y la formación de nanoestructuras unidimensionales. CONCLUSIONES La química verde provee los fundamentos básicos para evitar la contaminación innecesaria y el uso eficiente de la energía. En este trabajo se ha presentado la importancia del proceso de síntesis de nanoestructuras al utilizar solventes de bajo impacto ambiental. Se ha hecho uso de imidazolios para realizar la síntesis de nanoestructuras de Sb2S3 que tienen un alto potencial de aplicación en celdas solares. Así mismo, la adición del liquido iónico basado en fosfonio en la síntesis de la estibnita constituye una ruta favorable para la formación de nanoestructuras unidimensionales, la cual ayudó a obtener un alto grado de cristalinidad del Sb2S3 aun con un tratamiento térmico a una temperatura de solamente 120 °C. El líquido iónico [iBH3P][BF4] constituye pre-plantillas para la formación de nanoestructuras unidimensionales. 14 AGRADECIMIENTOS Los autores expresan su agradecimiento a los proyectos SEP-CONACyT #151587 y SENERCONACyT 150111. Además se reconoce el apoyo de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Monterrey, México, bajo el programa PAICyT. REFERENCIAS 1. http://www.epa.gov/greenchemistry/pubs/epa_ gc.html. (7 de diciembre del 2011). 2. Anastas, P.T.; Warner, J.C. “Green Chemistry: Theory & Practice”, Oxford University Press, Oxford, UK 1998. 3. Atkins P.W. Physical Chemistry, Oxford, University Press, Oxford, UK 1998. 4. T.-D. Nguyen-Phan, H.-D. Pham, S. Kim, E.-S. Oh, E.J. 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ABSTRACT The 2012 has been declared the “International Year of sustainable energy for all” by the United Nations, and under this context the development of the civilizations in relation to the use of energy is reviewed and the implications and importance of resolution 65/151 of the General Assembly of the UN are described. KEYWORDS Energy, sustainable, civilization, resolution 65/151, the UN. La historia de la humanidad se ha caracterizado por la creación de una estructura social y tecnológica cada vez más compleja obligada a la energía libre disponible del entorno. El incremento en el flujo energético permite a su vez el crecimiento de los asentamientos humanos. A medida que aumenta la población, la vida social se hace más densa y variada, lo cual incrementa la comunicación y promueve el avance de la cultura. Durante la mayor parte de la historia de la humanidad, el Homo Sapiens vivió una existencia de cazador-recolector y se dedicó a colectar la energía almacenada en las plantas y los animales en estado natural para su uso básico como alimento. Más adelante cuando realizó la transición de cazadores-recolectores a granjeros-ganaderos, con lo que los seres humanos estuvieron en condiciones de generar/utilizar más energía de su entorno. La domesticación de animales y plantas, le aseguraron un suministro constante y fiable de energía, y sobre todo, excedentes energéticos. El cultivo de plantas con sistemas de irrigación incrementó notablemente la producción por unidad de energía humana o trabajo realizado. Los excedentes Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 17 �Las civilizaciones y el uso de la energía / Benjamín Limón Rodríguez agrarios también liberaron a algunos individuos del trabajo en el campo y es cuando inician las jerarquías sociales y la diferenciación de las tareas, lentamente fueron apareciendo las distintas clases sociales con estructuras institucionales cada vez más complejas. Los excedentes alimentarios constituían una reserva energética que permitía mantener a una población cada vez más grande. La cosecha de los cereales hace aproximadamente 10,000 años en el norte de África y Oriente Medio, marcó un punto de inflexión para la sociedad humana. Se puede decir que los alimentos son una forma de energía biológica que utiliza nuestro cuerpo para subsistir, pero el hambre energética moderna no se refiere a éste, se refiere a la energía que se utiliza para calentar, para cocinar, para iluminar y para sostener el desarrollo industrial y de comodidad de la actualidad. El primer lugar en el que se almacenaba esta energía era en las plantas, y el fuego producido a partir de la leña puede ser la primera forma de extraer la energía de la biomasa, y posteriormente se utilizan combustibles fósiles, que es otra manera en que la naturaleza almacena la energía. El aprovechamiento de esta energía en máquinas sirvió como un sustituto mecánico de los esclavos. En Human Origins, (MacCurdy, 1924)1 describe la experiencia humana como un viaje evolutivo dirigido hacia el aprovechamiento de una cantidad cada vez mayor de la energía disponible. Según MacCurdy, “el grado de civilización de cada época, pueblo o grupo de pueblos, se mide por su capacidad de utilizar la energía para promover el progreso o satisfacer las necesidades de la humanidad”. Algunos antropólogos están de acuerdo con esta idea, White2 por ejemplo, utiliza la energía como criterio para medir el éxito de las culturas humanas. White sostiene que el nivel de desarrollo de una cultura está directamente relacionado con la cantidad de energía consumida per-cápita. La función misma de la cultura, en opinión de White y otros antropólogos, es “aprovechar y controlar la energía para ponerla al servicio del hombre”. Según MacCurdy y White, lo que llamamos el progreso humano, consiste en buena medida en el ingenio y la habilidad de las personas a la hora de utilizar las formas simbólicas, las herramientas y las estructuras 18 institucionales para capturar y utilizar una cantidad cada vez mayor de energía, para extender con ello su poder y aumentar su bienestar. No se puede comprender adecuadamente la historia de las civilizaciones humanas –desde su auge hasta su caída– sin apreciar la importancia de estos suministros de energía. Según (Odum 1980)3, el punto de partida de cualquier sociedad histórica es la disponibilidad de excedentes energéticos. Toda creatividad humana del mundo fracasará inevitablemente en su intento de mejorar el bienestar de la especie si no se dispone de reservas energéticas suficientes para su aprovechamiento y explotación. Sería igual de convincente decir que el aumento del flujo de energía en una sociedad, se corresponde también con un mayor grado de coerción y sumisión de los pueblos, así como una mayor degradación ambiental, de esto hay constancia a través de la historia, que el progreso de grandes civilizaciones se debió a los excedentes energéticos, los cuales obtenían en las cercanías de sus comunidades y cuando la cantidad de energía en sus proximidades disminuía, emprendían conquistas de nuevos territorios como fue el caso de los romanos en la antigüedad y en las civilizaciones modernas que se han caracterizado por su sentido bélico, como ha sido el caso de las guerras de fines del siglo pasado y principios del presente siglo. La falta de energéticos también originó que se perdieran grandes batallas como la fallida invasión a territorio soviético por las tropas alemanas que sufrieron un crudo invierno y la falta de energéticos para la movilización de sus tropas. El petróleo, recurso no renovable, en pocos años no podrá ser extraído con las tecnologías actuales en las reservas probadas, seguramente se descubrirán Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Las civilizaciones y el uso de la energía / Benjamín Limón Rodríguez nuevas reservas que demandarán nuevas tecnologías para su explotación, estas últimas sólo al alcance de los países desarrollados, incrementándose la desigualdad social debido a la inequidad en la distribución y en el costo de estos energéticos. Ante la preocupación de los líderes del mundo, la Organización de las Naciones Unidas ha decidido que el año 2012 se denomine “Año Internacional de la Energía Sostenible para Todos”, muy buena intención, pero sujeta a políticas internacionales sobre energéticos que son definidas por los países desarrollados, los cuales se distinguen por su alto consumo de energía. La asamblea general de Naciones Unidas en su sexagésimo quinto período de sesiones, al respecto emitió, con fecha del 20 de diciembre de 2010, la resolución 65/151, fundamentada en reuniones del consejo relativas a la Declaración del Milenio, preocupada porque en los países en desarrollo: más de 3,000 millones de personas dependen de la biomasa para cocinar y para la calefacción (aproximadamente el 45% de la población mundial), 1,500 millones de personas carecen de electricidad y millones de pobres no pueden pagar estos servicios energéticos modernos, incluso si están disponibles. Reconoce que “el acceso a estos servicios energéticos modernos... es esencial para lograr... los objetivos de Desarrollo del Milenio y el desarrollo sostenible, lo cual ayudaría a reducir la pobreza y a mejor las condiciones y el nivel de vida de la mayoría de la población mundial”. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 En esta resolución se pone de relieve “la importancia de invertir en el acceso a opciones de tecnología menos contaminante y en un futuro con capacidad de adaptación al cambio climático para todos. Así como la necesidad de mejorar el acceso a los recursos y servicios energéticos para el desarrollo sostenible que sean fiables, de costo razonable, económicamente viables, socialmente aceptables y ecológicamente racionales...”. Otro de los puntos de dicha resolución, se transcribe íntegramente por la trascendencia del mismo. “Alienta a todos los estados miembros, al sistema de Naciones Unidas y a todos los demás agentes a que aprovechen el año internacional para concienciar sobre la importancia de abordar los problemas energéticos en particular los servicios energéticos modernos para todos, el acceso a servicios de energía asequibles, la eficiencia energética y la sostenibilidad de las fuentes y del uso de la energía, con el fin de alcanzar los objetivos de desarrollo convenidos internacionalmente, incluidos los Objetivos de Desarrollo del Milenio, y asegurar el desarrollo sostenible y la protección del clima mundial, y para promover medidas a nivel local, regional e internacional”. Sin duda que las declaraciones de la ONU son alentadoras, sin embargo están sujetas a situaciones económicas y políticas de los países miembros de esta organización, pero realmente las resoluciones de organismos internacionales como la ONU, las Convenciones sobre Cambio Climático, la Declaración del Milenio ¿han logrado la equidad?, ¿ha disminuido la pobreza? 19 �Las civilizaciones y el uso de la energía / Benjamín Limón Rodríguez Las grandes economías del mundo: China, Rusia, Estados Unidos y otras naciones ricas, que son las responsables de la generación de casi un 80% de generación de gases de efecto invernadero, generalmente evitan asumir compromisos para reducir las emisiones de dichos gases, ya que consideran que esto afecta sus economías y el bienestar de sus comunidades. El tema de los energéticos requiere de un análisis holístico debido a sus relaciones directas con los temas económicos, políticos, sociales, ambientales y tecnológicos y no se pueden desligar de las relaciones internacionales y del futuro del mundo. La resolución de la ONU, alienta a los estados miembros y a otros agentes a que aprovechen el año internacional para hacer conciencia sobre la importancia del problema y abordar los problemas energéticos en particular. ¿Pero qué podemos y debemos hacer en nuestro entorno y específicamente en los campus de las universidades? Creo que las únicas soluciones eficaces y con sentido para esta crisis, suponen profundos cambios en nuestra manera de pensar, requerimos un cambio de actitud y que emprendamos programas específicos sobre la cultura del uso eficiente de la energía, requerimos de una nueva visión, de la práctica de los valores y de una nueva cultura con responsabilidad social y respeto al medio ambiente. Participemos activamente; no sólo debemos estar preocupados, sino que también debemos ocuparnos de traducir nuestros conocimientos en acciones concretas al servicio de la sociedad, desarrollando tecnologías que permitan utilizar sustentablemente las fuentes de energía disponibles y volverlas accesibles para todos. REFERENCIAS 1. G. G. MacCurdy, Human Origins:A Manual of Prehistory, Nueva York, D. Appleton and Company, 1924 2. Odum, Howard.T. Ambiente Energía y Sociedad, Barcelona, Blume, 1980 3. Withe, Leslie A., La Ciencia de la Cultura: un estudio sobre el hombre y la civilización, Barcelona Paidós, 1982. 4. Organización de las Naciones Unidas, Asamblea General. Resolución 65/151. Año internacional de la energía sostenible para todos. 69 Sesión Plenaria, 20 de diciembre de 2010. 20 Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Síntesis de nanopartículas de oro empleando halloysita como soporte tubular activo Pablo A. Ruiz Flores, Selene Sepúlveda Guzmán, Virgilio A. González González Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, UANL Centro de Innovación, Investigación y Desarrollo de Tecnologías pabloruiz@kemet.com, selene.sepulvedagz@uanl.edu.mx virgonzal@gmail.com RESUMEN Los nanocompuestos de metales con halloysita, son materiales potencialmente útiles en diversos campos de la medicina y la biología, por lo que son de gran interés actual en investigación y desarrollo. En este artículo se reporta la síntesis en el interior de los nanotubos naturales de halloysita de nanopartículas de oro por reducción con borohidruro de sodio. Para lograrlo se modificó previamente la superficie interna de la halloysita con el compuesto (3-aminopropil)-trietoxisilano. La modificación de la halloysita se corroboró mediante espectroscopía de infrarrojo y se determinó el efecto de esta modificación en la morfología del material compuesto cerámico – metálico resultante mediante microscopía electrónica. PALABRAS CLAVE Nanopartículas de oro, halloysita, funcionalización. ABSTRACT The metal/halloysite composites have potential applications in medicine and biology then they are of great actual interest in research and development. In this article a composite of gold nanoparticles obtained by reduction with sodium borohydrire into the natural nanotubes of halloysite are reported. To synthetize the composite, the internal surface was previously modified with (3-aminopropyl)-trietoxy-silane. The chemical modification of halloysite was corroborated by infrared spectroscopy and the effect of this modification on the morphology of the ceramic – metallic nanocomposite, was analyzed by electron microscopy. KEYWORDS Gold nanoparticles, halloysite, functionalization INTRODUCCION A partir del conocimiento generado en el área de la síntesis de nuevos materiales, se ha establecido que las propiedades físicas y químicas de estos se ven modificadas cuando la escala se reduce a dimensiones nanométricas.1 De ahí el interés por sintetizar y caracterizar nanomateriales, no obstante el abundante trabajo de investigación sobre el tema, aún hay mucho campo de investigación Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 21 �Síntesis de nanopartículas de oro empleando halloysita como soporte tubular activo / Pablo A. Ruiz Flores, et al. en cuanto al desarrollo de métodos de síntesis más eficientes. Al respecto, el estudio de nanopartículas metálicas, en particular las nanopartículas de oro (npAu), es un área de interés actual debido a su aplicación hoy en día en áreas como: catálisis, electrónica, biología y medicina.2 El encapsulamiento de las nanopartículas de oro en halloysita con las aplicaciones potenciales expresadas en el párrafo anterior, se ha logrado mediante un método de re-disolución/re-precipitación en condiciones supercríticas con CO2,2 en este documento se reporta la formación directa de las nanopartículas de oro en la superficie interna de los nanotubos de halloysita. Adicionalmente, cuando las npAu son dispersadas en soluciones acuosas, estas presentan una elevada actividad gracias a la alta área superficial que poseen. No obstante, construir estructuras funcionales a partir de nanopartículas es un reto, esto debido a la dificultad de manipular materia a escala nanométrica. Al respecto, variadas alternativas se han buscado, desde el auto-ensamblaje de partículas hasta el uso de soportes nano-estructurados.3 En el contexto de lo expresado en los párrafos anteriores, es interesante saber que: materiales como los nanotubos de carbono y algunas arcillas, muestran de forma natural estructuras tubulares de tamaño nanométrico, las cuales pueden ser aprovechadas como soportes para el depósito y/o síntesis de algún nano-material. Este es el caso de las halloysitas que es un filosilicato de composición química semejante a la caolinita (Al2O3▪2SiO2▪4H2O), y que puede formar nanotubos (figura 1) con un radio de 15-30 nm y una longitud de entre 0.1 a 10 μm. En esta Fig. 1. Esquema de la estructura química de los nanotubos de un mineral hipotético de halloysita. 22 configuración tubular, la superficie externa de la halloysita está compuesta por una capa de silicato con aniones que presentan un pH ≥ 2, mientras que la capa interna se compone de una capa de alúmina.4 Esta morfología ha llevado a la propuesta de aplicación de la halloysita como soporte para nanorellenos en la liberación controlada de agentes activos y en la elaboración de nanocompósitos con nanoestructuras como la representada en la figura 2, 5,6 habiéndose encapsulado aditivos para plásticos y fármacos así como elaborado nanoestructuras para la conducción y almacenamiento de energía.5-7 Otra aplicación recientemente reportada es el uso de halloysitas como soportes activos. 8,9 Hasta el momento se ha documentado la síntesis de nanopartículas de metales como paladio, 10 níquel11 y oro.12 En el caso de las nanopartículas de paladio, la síntesis se realiza sobre la halloysita usando metanol como solvente y agente reductor. A diferencia del paladio, el níquel es obtenido en forma de nanopartículas mediante un proceso de electrodeposición, usando metanol como solvente y sulfamato de níquel como electrolito; en este caso, la formación de nanopartículas es posible únicamente a través de la activación superficial de la halloysita. No obstante la investigación realizada en la preparación de nanopartículas de paladio y níquel, usando halloysita como soporte activo, el control en el tamaño de partícula obtenido sigue siendo un reto.10,11 Fig. 2. Esquema de posibles materiales nanoestructurados de un metal (esferas) en los nanotubos naturales de halloysita. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Síntesis de nanopartículas de oro empleando halloysita como soporte tubular activo / Pablo A. Ruiz Flores, et al. La síntesis de nanopartículas de oro usando soportes activos ha sido reportada ampliamente para el caso de nanotubos de carbono,7 mientras que para el caso de halloysitas, se ha reportado la obtención de npAu mediante la reducción de complejos metálicos, como HAuCl4 en soluciones diluidas, empleando agentes reductores como citrato de sodio, borohidruro de sodio, ácido tánico, ácido ascórbico, y otros.12,13 Nuestra investigación se centró en la síntesis de npAu sobre y dentro de nanotubos de halloysita que actúan como soporte activo, el precursor fue HAuCl4 y como agente reductor se utilizó borohidruro de sodio. Para promover la afinidad electrostática entre las paredes internas de la halloysita y las npAu, se funcionalizaron selectivamente dichas paredes usando un organosilano bifuncional, el (3-aminopropil)-trietoxi-silano, el cual está reportado14,15 que actúa como agente de acoplamiento en otros casos. Es de esperarse que el grupo amino interaccione con el oro y el grupo silano con la alúmina de la halloysita, esto es en la parte tubular interna de los nanotubos (figura 3). DESARROLLO EXPERIMENTAL Todos los materiales y reactivos se obtuvieron de Sigma-Aldrich, utilizándose tal como llegaron. La funcionalización de la halloysita se realizó preparando una solución 1.5 milimolar de (3aminopropil)-trietoxi-silano en 10 ml de alcohol etílico, una vez disuelto se adicionaban 0.2 g de halloysita, previamente secada a 60°C por una hora. La dispersión se dejaba reaccionar durante 7 días y posteriormente se lavaba repetidas veces con agua destilada, para posteriormente secarla durante 30 min en un horno a 150 grados centígrados. El proceso para la síntesis de npAu en halloysita fue el siguiente: 0.0125 g de halloysita funcionalizada se adicionaba a una solución acuosa de HAuCl4 0.5 milimolar, posteriormente, se adicionaba borohidruro de sodio en una proporción molar de menos de 1:10 entre la concentración de oro y del borohidruro, todo el proceso bajo agitación constante. Después de 10 minutos de agitación, se sedimentaban por centrifugación a 1,000 RPMs durante 30 min, para posteriormente remover el líquido sobrenadante, y lavar con agua destilada. Se realizaban 3 lavados con agua destilada. Y finalmente las muestras se dejaban suspendidas en 10 ml de agua. Con el fin de determinar la influencia de la funcionalización sobre la morfología resultante, el procedimiento descrito en el párrafo anterior se realizó tanto sobre halloysita sin funcionalizar como funcionalizada. La morfología de las muestras fue analizada por microscopía electrónica de barrido-transmisión (STEM) utilizando un equipo JEOL JSM-7401F y por microscopía electrónica de transmisión (TEM) empleando un microscopio FEI/Titan. Las muestras para el análisis en el TEM se prepararon depositando una gota de la dispersión en una rejilla de grafito y se dejaron secar 12 horas antes de su análisis. La distribución del tamaño de partícula se obtuvo a partir de las imágenes por TEM, mediante Fig. 3. esquema de la estructura química del (3-aminopropil)-trietoxi-silano e interacciones esperadas de acoplamiento alúmina – oro. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 23 �Síntesis de nanopartículas de oro empleando halloysita como soporte tubular activo / Pablo A. Ruiz Flores, et al. el software especializado “Image J”, en el cual la imagen es procesada digitalmente para cuantificar el tamaño de las nanopartículas. La presencia de grupos silanos, resultado del proceso de funcionalización de la halloysita se verificó mediante espectroscopía de infrarrojo con transformadas de Fourier (FTIR), utilizando un equipo Perkin Elmer Paragon 1000 preparando la muestra en pastilla de KBr. DISCUSIÓN DE RESULTADOS La figura 4 muestra la morfología de la halloysita en una imagen STEM, apreciándose tubos de diámetros externos que fluctúan entre 80 y 200 nm, diámetros internos de entre 15 y 50 nm y largos variados de entre de 0.8 a 1.5μm. Fig. 5. Halloysita (a) funcionalizada y (b) nofuncionalizada. Fig. 6. Espectros de infrarrojo de la halloysita (línea roja y la halloysita modificada (línea azul). Tabla I. Asignación de bandas a los espectros de infrarrojo de la halloysita y halloysita modificada. Posición (Cm-1) Fig. 4. Imagen por TEM de los nanotubos de halloysita empleados como plantilla para la síntesis de nanopartículas de oro. La apariencia de la muestra sin funcionalizar es la de un polvo color blanco marfil (figura 5a) que al ser funcionalizada con el silano cambia a color rosado (figura 5b). Los espectros de infrarrojo de las muestras antes y después de la modificación se muestran en la figura 6, en ellos, como se reporta en la tabla I, se aprecian las bandas típicas de la halloysita, tanto los estiramientos O-H en las paredes internas como del agua, así como los estiramientos Al – O – Si y Si – O – Si, mientras que las bandas típicas metilos y metilenos, exclusivas del organosilano, solo se presentan en el espectro de la halloysita modificada, lo que es una evidencia de su modificación exitosa. 24 Asignación Nota 3691, 3620 y 3480 Estiramientos O-H, Ambas muestras incluyendo H2O 2930 Estiramiento C-H en Solo modificada metilos (CH3) 1630 Deformación O-H Ambas muestras del agua 1460 Deformación (tijera) CH2 Solo modificada 1384 Balanceo CH2 Solo modificada 1112, 1088, 1029 Estiramiento Si-O Ambas muestras 940, 912 Deformación O-H Ambas muestras 790, 755, 790 Estiramiento Si-O Ambas muestras 536 Deformación Al-O-Si Ambas muestras 470 Deformación Si-O-Si Ambas muestras La figura 7 muestra la imagen por TEM para la halloysita no-funcionalizada. Pueden apreciarse diversos tamaños de partículas de oro con formas irregulares-ovaladas, las cuales se presentan Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Síntesis de nanopartículas de oro empleando halloysita como soporte tubular activo / Pablo A. Ruiz Flores, et al. caso de la halloysita no funcionalizada, que aunque hay abundancia de nanopartículas con diámetros del orden de los 6 nm, la distribución de tamaños es bastante ancha, habiendo un considerable número de partículas con tamaños en el orden de varias decenas de nanómetros. Fig. 7. Imagen por TEM de la halloysita nofuncionalizada. adheridas a la capa externa de los nanotubos de halloysita. Así mismo, se observan aglomerados que alcanzan hasta 30 nm en su máxima longitud. Por su parte, la halloysita funcionalizada (figura 8) muestra nanopartículas de oro de menor tamaño, con una forma cuasi-esférica y adheridas principalmente a la pared tubular interna de la halloysita. Fig. 9. Análisis de imágenes de STEM analizadas con ImageJ. Fig. 10. Distribución del tamaño de partícula para la halloysita no-funcionalizada. Fig. 8. Imagen por TEM de la halloysita funcionalizada. La figura 9 muestra la etapa del tratamiento de las imágenes mediante el software comercial Image J de donde se determinan los tamaños de partícula, los resultados estadísticos de estos tamaños se presentan en las figuras 10 y 11, apreciándose en el Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 Fig. 11. Distribución del tamaño de partícula para la halloysita funcionalizada. 25 �Síntesis de nanopartículas de oro empleando halloysita como soporte tubular activo / Pablo A. Ruiz Flores, et al. Por su parte en la halloysita funcionalizada, además de que las npAu están adheridas principalmente a la pared interna de los nanotubos, sus tamaños son más uniformes y la mayor población se encuentra a aproximadamente 4 nm. Estos resultados indican que el proceso de funcionalización tiene una influencia importante, observándose una disminución en el tamaño de partícula, se observa también que el proceso promueve la adhesión de las npAu principalmente en la parte tubular interna de la halloysita, esto seguramente debido a las interacciones de los grupos amino con el oro y las interacciones de los grupos silanos con la parte tubular interna de la halloysita. CONCLUSIONES Se ha demostrado la factibilidad de funcionalizar nanotubos de halloysita con un organosilano bifuncional ((3-aminopropil)-trietoxi-silano) lo cual permite la preparación de nanocompósitos de halloysita/Au con las nanopartículas metálicas de tamaños promedio del orden de 4 nm y distribución estrecha adheridas en las paredes internas de los nanotubos de halloysita. Para proponer estos materiales en aplicaciones en electrónica, catálisis o medicina, es necesario optimizar el proceso y evaluar propiedades específicas para dichas aplicaciones. REFERENCIAS 1. Guozhong Cao. Nanoestructures & Nanomaterials, Synthesis, Properties & Applications. Imperial College Press, London, Edición 2004, Páginas 1-418. ISBN 1-86094-415-9. 2. Marie-Christine Daniel and Didier Astruc, Gold Nanoparticles: Assembly, Supramolecular Chemistry, Quantum-Size-Related Properties, and Applications toward Biology, Catalysis, and Nanotechnology, Chem. Rev., 2004, 104 (1), pp 293–346. 3. Alessandro La Torre, Graham A. Rance, Jaouad El Harfi, Jianing Li, Derek J. Irvine, Paul D. Brown and Andrei N. Khlobystov, Transport and encapsulation of gold nanoparticles in carbon nanotubes. Nanoscale. 2010, 2, 1006-1010. 26 4. E. Joussein, S. Petit, J. Churchman, B. Theng, D. Righi and B. Delvaux, Halloysite clay minerals — A review, Clay Minerals; December 2005; v. 40; no. 4; p. 383-426. 5. Aaron L. Wagner, Sarah Cooper and Michael Riedlinger, Natural nanotubes enhance biodegradable and biocompatible nanocomposite: Nanotubes in halloysite clay may provide increased strength and new capabilities for consumer product, packaging, medical, and other applications. Industrial Biotechnology. September 2005, Vol. 1, No. 3: 190-193. 6. Yuri M. Lvov, Dmitry G. Shchukin, Helmuth Mhwald and Ronald R. Price, Halloysite Clay Nanotubes for Controlled Release of Protective Agents. ACS Nano, 2008, 2 (5), pp 814–820. 7. Sarah J. Antill, Halloysite: A Low-Cost Alternative, Australian Journal of Chemistry 56(7) 723 – 723. 8. S. Barrientos-Ramírez, E.V. Ramos-Fernández, J. Silvestre-Albero, A. Sepúlveda-Escribano, M.M. Pastor-Blas and A. González-Montiel, Use of nanotubes of natural halloysite as catalyst support in the atom transfer radical polymerization of methyl methacrylate. Microporous and Mesoporous Materials Volume 120, Issues 1-2, 1 April 2009, Pages 132-140. 9. Zhen-Yu Cai, Ming-Qiao Zhu, Huan Dai1, Yi Liu, Jian-Xin Mao, Xin-Zhi Chen, Chao-Hong He, Halloysite Nanotubes Supported Gold Catalyst for Cyclohexene Oxidation with Molecular Oxygen. Advances in Chemical Engineering and Science, 2011, 1, 15-19. 10. Fu, Yubin; Zhang, Lide; Zheng, Jiyong. In-Situ Deposition of Pd Nanoparticles on Tubular Halloysite Template for Initiation of Metallization, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, Volume 5, Number 4, April 2005 , pp. 558564(7). 11. Yubin Fua and Lide Zhanga, Simultaneous deposition of Ni nanoparticles and wires on a tubular halloysite template: A novel metallized ceramic microstructure. Journal of Solid State Chemistry Volume 178, Issue 11, November 2005, Pages 3595-3600. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Síntesis de nanopartículas de oro empleando halloysita como soporte tubular activo / Pablo A. Ruiz Flores, et al. 12. Jianjin Cao, Xianyong Hu and Dan Jiang, Synthesis of Gold Nanoparticle Using Halloysites. e-Journal of Surface Science and Nanotechnology. Vol. 7 (2009) pp.813-815. 13. Peng Liu, and Mingfei Zhao, Silver nanoparticle supported on halloysite nanotubes catalyzed reduction of 4-nitrophenol (4-NP). Applied Surface Science Volume 255, Issue 7, 15 January 2009, Pages 3989-3993. 14. Chi-Fan Chen, Shien-Der Tzeng, MengHsien Lin, and Shangjr Gwo, Electrostatic Assembly of Gold Colloidal Nanoparticles on Organosilane Monolayers Patterned by Microcontact Electrochemical Conversion, Langmuir (2006), 22, 7819-7824. 15. T. Furukawa, N. K. Eib, K. L. Mittal, and H. R. Anderson Jr., Inelastic electron tunneling spectroscopic study of the silane coupling agents: 1—Aminophenyltrimethoxysilane adsorbed on plasma grown aluminum oxide and effects of high humidity, Surface Interface Anal., 4, 240 (1982). 2 Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 27 �Control de seguimiento de la tensión de salida de un convertidor Boost Hugo Rodríguez CortésA, Miguel Francisco EscalanteB, Marco Tulio Mata-JiménezB Centro de Investigación y de Estudios Avanzados, Departamento de Ingeniería Eléctrica hrodriguez@cinvestav.mx B Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica-UANL mescalante@ieee.org, marco.matajm@uanl.edu.mx A RESUMEN En este artículo se presenta el desarrollo de un controlador nolineal para un convertidor cd-cd elevador (Boost). El controlador desarrollado no depende de los parámetros del convertidor. El desempeño del esquema propuesto es probado a través de simulaciones numéricas, así como resultados experimentales. PALABRAS CLAVE Convertidor cd-cd, control no lineal, convertidor boost. ABSTRACT In this paper the design of a nonlinear control for a dc-dc boost converter is presented. The proposed controller is independent of converter parameters. Numerical simulations as well as experimental results are presented to verify the performance of the proposed control scheme. KEYWORDS Dc-dc converter, nonlinear control, boost converter. INTRODUCCIÓN Los convertidores estáticos de corriente continua a corriente continua (cdcd) son parte esencial de la mayoría de los sistemas de alimentación de equipo electrónico. Su gran aceptación está sustentada por la eficiencia y flexibilidad que ofrecen para el control y acondicionamiento de la energía eléctrica. A través de ellos se puede obtener una tensión de salida regulada, ya sea mayor o menor a la tensión de entrada. Cuando se requiere de una tensión de alimentación mayor a la tensión disponible (por ejemplo la tensión de una batería o de una celda solar), se recurre a un convertidor estático cd-cd elevador (o Boost por su nombre anglosajón). La regulación de la tensión de salida se obtiene por medio de un esquema de control en lazo cerrado, logrando así una cierta robustez y estabilidad ante variaciones del punto de operación y de los parámetros del convertidor. El uso de controladores lineales, de tipo Proporcional-Integral-Derivativo (PID), es ampliamente usado para este tipo de sistemas. El diseño de estos controladores se basa en modelos de pequeña señal del convertidor. Sin embargo, el modelo de pequeña señal es sensible al punto 28 Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Control de seguimiento de la tensión de salida de un convertidor Boost / Hugo Rodríguez Cortés, et al. de operación del convertidor. En un convertidor reductor (Buck) la magnitud de la respuesta a la frecuencia depende del ciclo de trabajo, mientras que para un convertidor elevador (Boost), ambos polos y el cero en el semiplano derecho dependen del ciclo de trabajo. Así, los controladores lineales pueden degradar su funcionamiento cuando el convertidor presenta variaciones importantes en su punto de operación. La mejora del desempeño puede lograrse incluyendo controladores adaptativos, en cuyo caso es necesario usar técnicas de estimación para los parámetros requeridos por el controlador. Otra alternativa es el uso de esquemas de control basados en técnicas nolineales o en técnicas conocidas como de inteligencia artificial (controladores difusos, por ejemplo). A través de los primeros es posible considerar un modelo que incorpore la casi totalidad de la dinámica del sistema a regular, logrando así un controlador que es operativo en un rango de operación más amplio. Mientras que en los segundos, no es necesario el conocimiento de un modelo formal del convertidor para la síntesis de una especie de reglas o inferencias heurísticas sobre las cuales se basa el controlador. Lo que requieren estos últimos es un conocimiento preciso del comportamiento del sistema a controlar. El problema de la regulación de la tensión de salida del convertidor Boost ha sido abordada durante muchos años. Además de su importancia práctica, las dinámicas de este convertidor presentan un caso interesante desde el punto de vista teórico. Su interés reside en que se trata de un dispositivo conmutado cuya dinámica promedio es descrita por una ecuación bilineal de segundo orden con respuesta de fase no mínima. Presenta además una entrada de control saturada y una incertidumbre muy marcada en sus parámetros (la resistencia de carga por ejemplo). A la fecha, se han propuesto diferentes técnicas para abordar la regulación de la tensión de salida del convertidor Boost. Estas incluyen controladores lineales de tipo adelanto-atraso (lead-lag),1 técnicas no lineales empleando retroalimentación de estados usando modelos linealizados,2 técnicas de pasividad3 y técnicas de balance de energía.4 Sin embargo, el seguimiento de la trayectoria de una referencia sinusoidal, la cual generará una tensión alterna Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 polarizada, no ha sido abordada y no es claro cómo extender las propuestas anteriores para resolver el problema de seguimiento de trayectoria. En este caso, es claro que el punto de operación será continuamente cambiante, lo cual representa un problema para los controladores tradicionales. El problema de seguimiento de trayectoria de la tensión de salida del convertidor Boost ha sido tratado en la referencia 5 usando control por modos deslizantes y en la referencia 6 usando un controlador proporcionalintegral generalizado. Dado que la tensión de salida es una variable con fase no mínima, ésta tiene que ser controlada indirectamente por la corriente del inductor. Así, el problema a resolver es la generación de una corriente de referencia para el inductor. La solución propuesta en las referencias 5,6 se basa en conceptos de platitud (flatness). Dado que la energía total del convertidor Boost es una salida plana, entonces la tensión de salida, la corriente del inductor y el ciclo de trabajo pueden expresarse en términos de esta salida plana y sus derivadas con respecto al tiempo. Como resultado el problema de seleccionar la referencia adecuada para la corriente del inductor se resuelve seleccionando una trayectoria para la salida plana para una cierta trayectoria de la tensión de salida. La solución no es trivial, sino un algoritmo que pre-calcula la trayectoria de la salida plana para una cierta trayectoria de la tensión de salida. En este artículo se propone el diseño de una estrategia de control para resolver el problema de seguimiento de una trayectoria en la tensión de salida del convertidor Boost. Para ello se propone un controlador linealizado de alta ganancia con retroalimentación de estados entrada-salida, y un controlador indirecto para la dinámica cero del convertidor Boost. Este tipo de estrategia ha sido aplicada para el control de un convertidor de tensión trifásico de tipo ca-cd.7 El artículo tiene la siguiente organización. En la siguiente sección se presentan las ecuaciones diferenciales que describen la dinámica del convertidor Boost. Luego se aborda el diseño del controlador, y posteriormente se comprueba la eficacia del controlador a través de simulaciones numéricas y resultados experimentales. Finalmente, se presentan las conclusiones del trabajo. 29 �Control de seguimiento de la tensión de salida de un convertidor Boost / Hugo Rodríguez Cortés, et al. MODELADO DINÁMICO DEL CONVERTIDOR BOOST El modelo dinámico promediado del convertidor Boost mostrado en la figura 1 está dado por las siguientes ecuaciones: L d iL dt = −uvc + E (1) d 1 vC = uiL − vC dt R donde iL es la corriente a través del inductor, vc es la tensión del condensador. L y C representan los valores de la inductancia y de la capacitancia, respectivamente. Finalmente, R es la resistencia de carga, E es el valor de la fuente de tensión de entrada y u es una señal de control continua la cual representa el ciclo de trabajo de la señal de control modulada en ancho de pulso (PWM) que se utiliza para controlar el interruptor SW. Note que en este caso u representa el complemento de la señal de control aplicada al interruptor. Fig. 1. Convertidor Boost. Por consideraciones prácticas el vector de estado [iL vc]T está restringido al conjunto S = R >0 × R >0 por ello, en el resto del artículo se considerará de manera implícita que: [iL vL ]T ∈ S El objetivo de control es el seguimiento de una tensión de salida deseada, vd(t), en las terminales de la carga. Se demostrará que este problema puede resolverse mediante una linealización por retroalimentación y un control indirecto de la dinámica cero. DISEÑO DEL CONTROLADOR Esta sección inicia con una revisión de algunas estrategias de control existentes para la regulación de la tensión de salida del convertidor Boost. Se hace 30 hincapié en los obstáculos que enfrentan para resolver el problema de seguimiento de trayectoria. Linealización por retroalimentación de estados entrada-salida Se ha demostrado que la dinámica del convertidor Boost descrito por la ecuación (1) con salida y = iL tiene una dinámica cero estable.8 Dada esta propiedad, la tensión de salida puede ser controlada indirectamente a través de la regulación de la corriente del inductor. Para que esta estrategia sea efectiva la corriente del inductor debe llevarse a un valor determinado por la tensión de salida deseada. En el caso de una salida de tensión constante, vC* = Vd , existe una correspondencia unívoca entre la tensión de referencia, vC* , y la corriente de referencia, iL* . En este caso, la corriente de referencia del inductor está determinada por: V2 iL* = d RE Siguiendo una estrategia de control indirecta, la corriente del inductor se lleva a iL* . Definiendo el error de la corriente como: y� = iL − iL* (2) y tomando su derivada con respecto al tiempo se obtiene: 1 y�� = (−uvC + E ) L Así, definiendo la señal de control como: E + kLy� (3) u= vC se tiene que la dinámica de lazo cerrado está dada por las siguientes ecuaciones diferenciales: − ky� y�� = (4) s�� = −2 s + (E + kLiL* )y� RC Con 1 s� = s − s * ,s = CvC2 2 1 s * = CVd2 y . 2 Aplicando el teorema 4.7 de la referencia 9 se deduce que la dinámica de lazo cerrado de la ecuación (4) es globalmente estable. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Control de seguimiento de la tensión de salida de un convertidor Boost / Hugo Rodríguez Cortés, et al. Retroalimentación pasiva de la salida con dinámica exacta del error de seguimiento Esta metodología de control fue introducida en,10 la cual se deriva de una formulación particular del control basado en pasividad. En ella se explota la estructura de manejo de la energía. T Tomando en cuenta que si se define e = [ei ev ] con ei = iL − iL* , e = vC − vC* y definiendo eu = u − u * , la dinámica del convertidor Boost (1) en coordenadas del error se puede escribir como: Ae� = [J (u ) − D ]e + Beu (5) con ⎛L 0⎞ ⎛ 0 −u ⎞ A=⎜ ⎟ J (u ) = ⎜ ⎟ ⎝0 C⎠ ⎝u 0 ⎠ ⎛0 0 ⎞ ⎛ −v* ⎞ ⎟ D=⎜ B = ⎜ *C ⎟ 1 ⎜⎜ 0 ⎟⎟ ⎝ iL ⎠ L⎠ ⎝ Siguiendo una estrategia de control por retroalimentación pasiva de la salida con dinámica exacta de seguimiento del error,10 se tiene que la señal de control: u = u * − k (−vC* ei + iL* ev ) (6) logra una estabilidad globalmente asintótica de la dinámica del error (5). Para verificar esto, se considera la función de Lyapunov V = eT Ae . La derivada con respecto al tiempo de la función de Lyapunov es: ⎛ (vC* ) 2 −vC* iL* ⎞ * T * ⎜ ⎟ V� = −e D e, D = k ⎜⎜ −v* i* 1 + (i* ) 2 ⎟⎟ C L L Rk ⎝ ⎠ será definida positiva siempre que: k (v k (vC* ) 2 ) > 0, * 2 C >0 (7) R En (5)-(6) se considera que existen trayectorias suaves y acotadas de iL* y vC* para las cuales existe una señal de entrada en lazo abierto u * , de tal forma que todas las trayectorias que inician en iL (0) = iL* (0), vC (0) = vC* (0) , presentan un error de seguimiento, e, idéntico e igual a cero para todo t ≥ 0 . En particular las señales de referencia iL* , y vC* se obtienen de: d L iL* = −u *vC* + E dt (8) d C vC* dt 1 = u i − vC* R * * L Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 Suponiendo que la dinámica del convertidor Boost representa un sistema sub-actuado, la dinámica deseada (8) es equivalente a las ecuaciones siguientes: d d ⎞ ⎛ − R ⎜ LvC* iL* − CiL* C vC* ⎟ − (RE + iL* )vC* dt dt ⎠ ⎝ u* = ( R (vC* ) + (iL* ) 2 2 ) 1 * 2 (9) (vC ) R d d b = CvC* vC* + LiL* iL* con dt dt . Note que para una salida deseada de tensión constante vC* = Vd las ecuaciones (9) dan: V2 E u * = , iL* = d Vd RE b = EiL* − Interconexión y asignación de amortiguamiento Esta técnica de control se basa en las propiedades de pasividad de los convertidores estáticos. El control se diseña modificando la estructura de interconexión del sistema modelada por J(u) y la estructura de amortiguamiento modelada por R. Una estrategia de control no lineal siguiendo la metodología de interconexión y asignación de amortiguamiento está dada por: a E ⎛v ⎞ u= ⎜ C ⎟ (10) Vd ⎝ Vd ⎠ con 0 < a < 1 . Como se demuestra en la referencia 4 esta ley de control robusta, con respecto a la carga, estabiliza la salida de tensión. Note que contrario al enfoque de control indirecto el controlador (10) controla directamente la salida de tensión. Hasta este punto, se han revisado tres controladores para la tensión de salida del convertidor Boost. Dos de ellas indirectos y uno directo. Estos presentan algunas características interesantes • En la dinámica de lazo cerrado (4) la tasa de convergencia de σ está determinada por las constantes de tiempo inherentes del sistema y no es fácil modificar esta característica. En el caso de querer dar seguimiento a una tensión de salida variante en el tiempo, vd(t), no está claro como determinar la corriente de referencia del inductor, iL* . 31 �Control de seguimiento de la tensión de salida de un convertidor Boost / Hugo Rodríguez Cortés, et al. • Para la dinámica en lazo cerrado, ecuaciones (5) y (6), los parámetros del sistema están igualmente relacionados con la tasa de convergencia. Esto se da por la dependencia de R de los menores de la matriz D* (7). Con respecto al problema de seguimiento de una referencia variante en el tiempo vd(t), la corriente deseada en el inductor se obtiene de la segunda ecuación de (9), esto es: d 1 LiL* iL* = EiL* − Vd2 (t ) − CVd (t )V�d (t ) dt R Una solución al problema de fijar iL* para una salida de tensión variante en el tiempo vd(t) fue propuesta en la referencia 6 empleando el concepto de sistemas planos diferenciables. En este caso, la salida plana del convertidor Boost es la energía total:11 1 1 2 2 H = C (vC ) + L (iL ) 2 2 así, los estados del convertidor Boost se pueden expresar en términos de la energía H y potencia H totales de la siguiente forma: 2 iL = − RCE ⎛ RCE ⎞ 1 � + ⎜ ⎟ + (RCH + 2 H ) 2L ⎝ 2L ⎠ L vC = R (EiL − H� ) De las relaciones anteriores es evidente que por medio del concepto de salida plana el problema de generación de trayectoria para los estados del convertidor Boost se transforma en un problema de generación de trayectoria para la energía y la potencia totales. Desafortunadamente, el problema de la generación de la nueva trayectoria no es fácil de resolver. En la referencia 5 se usó un método de solución iterativo para resolver de manera aproximada el conjunto de ecuaciones: 2 2 1 1 H * = C (vC* ) + L (iL* ) 2 2 2 1 H * = EiL* − (vC* ) R para un valor dado de vC* . Este método pre-calcula fuera de línea la corriente deseada del inductor. En la referencia 5 este enfoque es combinado con un controlador indirecto basado en modos deslizantes para resolver el problema de seguimiento de trayectoria de la salida de tensión del convertidor Boost. Los resultados obtenidos son aceptables. • En el caso de un controlador basado en interconexión y asignación de amortiguamiento 32 (10) el obstáculo principal para abordar el problema de seguimiento de trayectoria es la ganancia limitada del controlador. Este hecho provoca que al sistema en lazo cerrado se le dificulte responder a cambios rápidos en la referencia de la tensión de salida. Controlador propuesto En esta parte se propone una solución alternativa para el problema de seguimiento de una referencia de tensión variante en el tiempo, vd(t), a la salida del convertidor Boost. Se muestra que es posible generar la referencia de corriente del inductor directamente de la salida de tensión deseada. Para ello, se considera un error de la corriente del inductor dado por la ecuación (2). Considerando que iL* es, por el momento, una función desconocida y variante en el tiempo, se tiene que: 1 d y�� = (−uvC + E ) − iL* L dt definiendo la señal de control u como en la ecuación (3) se tiene: d y�� = − ky� − iL* dt (11) 2 s�� = (E + kLy� )(y� + iL* )− (s� +s )−s� * RC Una observación importante es que iL* en (11) no está aún definida. Este hecho sugiere que la estrategia de control considere a iL* como la entrada de control para la dinámica de σ. Si consideramos 1 μ= k la primera parte de (11) puede ser reescrita como: ⎛ di* ⎞ μy�� = − y� − μ ⎜ L ⎟ ⎝ dt ⎠ di* al escoger k suficientemente grande el efecto de L dt es disminuido y tenemos y� → 0 Podemos reescribir la segunda parte de (11) como: dv 2 σ�� = CvC C = EiL* + φy� − σ� + σ* )− σ� * ( dt RC donde: φ = kLiL* + E + kLy� Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Control de seguimiento de la tensión de salida de un convertidor Boost / Hugo Rodríguez Cortés, et al. si definimo: 2 ζ=− (12) (σ� + σ* )+ φy� RC la ecuación puede reescribirse como: σ�� = EiL* − σ + ζ (t ) (13) En la ecuación anterior la corriente de referencia del inductor puede utilizarse como una entrada de control. Dada la estructura de (13) definimos el control virtual como un controlador proporcionalintegral, esto es: 1 ⎡ − k p σ� − ki η + σ* − ρ1 + β1 (σ� )⎤⎦ iL* = E⎣ (14) η� = σ� con ρ1 obtenido del siguiente sistema dinámico: ∂β1 (EiL* − σ* + ρ1 − β1 (σ� ) ) ∂σ� ∂β ρ�2 = ρ3 − β3 (σ� ) + 2 (EiL* − σ* + ρ1 − β1 (σ� ) ) ∂σ� ∂β3 ρ�3 = (EiL* − σ* + ρ1 − β1 (σ� ) ) ∂σ� bajo la suposición que ζ (3) (t ) ≈ 0 . Definiendo los errores de estimación como: z�1 = ζ (t ) − ρ1 + β1 (σ� ) z�2 = ζ� (t ) − ρ2 + β2 (σ� ) z�3 = �� ζ (t ) − ρ3 + β3 (σ� ) la dinámica de lazo cerrado en términos de las coordenadas σ, z1 es expresada por: σ�� = − k p σ� − ki η + z1 Puede verificase que al definir βi (σ� ) = ki σ� , i = 1, 2,3. el error de estimación está dado por: z1(3) − k1�� z1 − k2 z�1 − k3 z1 = 0 (15) entonces, es claro que existen ki,i=1,2,3, tal que la ecuación anterior sea exponencialmente estable y un estimado asintótico de ζ(t) es dado por ρ1-β1. ρ�1 = ρ2 − β2 (σ� ) + SIMULACIONES NUMÉRICAS El esquema de control propuesto fue primeramente probado por medio de simulaciones numéricas. El algoritmo de control fue programado usando el software de simulación MATLAB/SIMULINK, mientras que el convertidor Boost fue simulado usando el software de simulación PSIM. Ambos Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 programas de simulación trabajan en co-simulación, presentando la ventaja de que el convertidor Boost es simulado de manera mas realista con respecto al circuito real y no solo aproximado por su modelo promediado. El convertidor tiene los siguientes parámetros: L=2000 μH, C=150 μF, E=15V y R=120 Ω. La tensión de referencia se definió como vd(t)=30.0+5sin(ωt) con ω=2 (60) rad/s y f=60 Hz. Para el controlador se usaron las ganancias siguientes: k=5000, kp=-1500 y k1. Los polos de la dinámica de estimación están localizados en -20, esto es, k1=-60, k2=-1200 y k3=-8000. En la figura 2 se muestra la tensión de referencia y la tensión de salida. Como puede observarse la tensión de salida sigue muy de cerca a la tensión de referencia, lo cual muestra el buen desempeño del controlador propuesto. El error de seguimiento se muestra en la figura 3. Fig. 2. Tensiones de referencia y de salida (Simulación). Fig. 3. Error de seguimiento en % (Simulación). 33 �Control de seguimiento de la tensión de salida de un convertidor Boost / Hugo Rodríguez Cortés, et al. En la figura 4 se muestra la corriente a través del inductor y la señal de control (ciclo de trabajo) se muestra en la figura 5. Como puede observarse en estas figuras, la corriente del inductor permanece en modo continuo y la señal de control está en todo momento acotada a un valor < 1. Fig. 6. Plataforma experimental. Fig. 4. Corriente en el inductor (Simulación). La corriente del inductor y la tensión de salida del convertidor con retroalimentadas al controlar a través de sondas aisladas de corriente y tensión, respectivamente. El periodo de muestreo se fijo en 50 μs (correspondiendo a la frecuencia de conmutación utilizada). Los parámetros del controlador son los mismos usados en la simulación, y la tensión de referencia definida como con ω=2 f rad/s y f=60 Hz. En la figura 7, se muestran las principales variables del convertidor. De arriba hacia abajo: (a) Tensiones de referencia y salida, (b) Corriente del inductor y (c) Ciclo de trabajo. Como se observa en la figura 7(a) la referencia de tensión es seguida por la tensión de salida con un error de seguimiento aceptable, el cual se muestra en la figura 8. Esto demuestra que el controlador Fig. 5. Ciclo de trabajo (Simulación). RESULTADOS EXPERIMENTALES Luego de comprobar el funcionamiento del controlador propuesto a través de simulaciones numéricas se procedió a realizar pruebas experimentales. Los parámetros del convertidor Boost construido en el laboratorio tiene los siguientes parámetros: L=2000 μH, C=150 μF, R=120 Ω y E=15 V; la frecuencia de conmutación se fijó en 20 kHz. Para implementar el controlador se utilizó una plataforma basada en el sistema dSPACE. Una foto del experimento se muestra en la figura 6. 34 Fig. 7. Principales variables del convertidor (Experimentales). (a) Tensiones de referencia y de salida (trazo superior)[10 V/div], (b) Corriente del inductor (trazo medio)[1 A/div] y (c) Ciclo de trabajo (trazo inferior) [ 0.4 pu/div]. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Control de seguimiento de la tensión de salida de un convertidor Boost / Hugo Rodríguez Cortés, et al. práctica es factible usando un controlador digital. Además, de los experimentos puede deducirse que el controlador funciona adecuadamente en presencia de incertidumbres en los parámetros y ruido, lo cual no se consideró para el diseño del controlador. Fig. 8. Error de seguimiento (Experimental) en %. logra el objetivo propuesto de dar seguimiento a una referencia de tensión variable en el tiempo. Además, en la figura 7(b) puede observarse que la corriente del inductor es continua y no presenta un rizo importante. Por otra parte, el ciclo de trabajo mostrado en la figura 7(c) permanece suave y acotado, lo cual es importante para poder aplicarse en un convertidor práctico, dado que este es convertido en una señal modulada en ancho de pulso, con una frecuencia de conmutación constante (de 20 kHz en este caso). La señal de control modulada es mostrada en la figura 9, cuya frecuencia es efectivamente de 20 kHz. Los resultados experimentales demuestran que el controlador propuesto tiene un buen desempeño, pero además se demostró que su implementación Fig. 9. Resultados experimentales.(a) Tensiones de referencia y de salida (Acercamiento), (b) Corriente en el inductor (Acercamiento) y (c) Señal de control modulada en ancho de pulso (PWM). Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 CONCLUSIONES Se propuso un controlador para seguimiento de trayectoria de la tensión de salida de un convertidor cd-cd de tipo Boost. El controlador se basa en una linealización por retroalimentación de estados de entrada-salida (input–output state feedback linearization) y un control indirecto de la dinámica cero. Los desarrollos teóricos fueron verificados por medio de simulaciones numéricas y pruebas experimentales. Los resultados obtenidos demuestran que la dinámica de lazo cerrado es acotada. Una cuestión importante que queda pendiente en este trabajo tiene que ver con una prueba detallada de las propiedades de estabilidad de la dinámica de lazo cerrado. REFERENCIAS 1. Kassakian J. G., Schelecht M. and Verghese G. C., Principles of power electronics, AddisonWesley, USA, 1991. 2. Sanders R. S., Verghese G. C. and Cameron D. F., Nonlinear control laws for switching power converters, Procc. of the IEEE Conf. Decision and Control, Athens, Greece, 1986. 3. Ortega R., Sira-Ramírez H., Perez R. and Garcia M.,Passivity-based controllers for the stabilization of DC-to-DC power converters, Automatica, Vol. 39, No. 4, pp. 499-513, May, 1997. 4. Rodríguez H., Ortega R., Escobar G. and Baravanov, A robustly stable output feedback saturated controller for the boost DC-to-DC converter, Systems & Control Letters, Vol. 40, pp. 1-8, 2000. 5. Sira-Ramírez H., DC-to-AC power convertion on a “boost” converter, International Journal of Robust and Nonlinear Control 2001; 11:589600. 6. Sira-Ramírez H. and Silva-Navarro G., Regulation and tracking for the average boost converter 35 �Control de seguimiento de la tensión de salida de un convertidor Boost / Hugo Rodríguez Cortés, et al. circuit: a generalized proportional integral approach, Int. J. Control, Vol. 75, No. 13, 9881001, 2002. 7. Lee T. S., Input-Output Linearization and ZeroDynamics Control of Three-Phase AC/DC Voltage-Source Converters, IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. 18, No. 1m January, 2003. 8. Ortega R., Loria A., Nicklasson P. J. and SiraRamírez H., Passivity based control of EulerLagrange systems, Springer, New York, 1998. 36 9. Sepulchre R., Janković M. and Kokotović P., Constructive Nonlinear Control, Springer-Verlag, New York. 10. Sira-Ramírez H., Are non-linear controllers really necessary in power electronics devices ? , European Power Electronics Conference EPE, Dresden, Germany, 2005. 11. Sira-Ramírez H., Ilic M, Exact linearization in switch mode DC-toDC power converters, International Journal of Control 1991; 54(1):11134. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Comparación de dos estrategias para utilizar metamodelos en optimización vía simulación Shirley Marbella Rojas MinjarezA, Esmeralda Niño PérezB, Ma. Guadalupe Villarreal MarroquínC, Mauricio Cabrera RíosD Departamento de Ingeniería Industrial, Instituto Tecnológico de los Mochis. Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, FIME, UANL. C Department of Integrated Systems Engineering, The Ohio State University. D Industrial Engineering Department, University of Puerto Rico at Mayagüez. mauricio.cabrera1@upr.edu A B RESUMEN En optimización vía simulación (OvS) se busca obtener el mejor valor posible de una respuesta de interés a partir de la manipulación de variables de decisión asociadas con un modelo computacional del sistema bajo estudio. Una manera de lograrlo es construir un modelo empírico que represente la variación de la respuesta de interés en función de las variables de decisión para después optimizar este nuevo modelo. A un modelo empírico construido a partir de datos generados por otro modelo (de simulación), se le conoce como metamodelo. Este trabajo compara dos estrategias, en la primera se construye un metamodelo único el cual intenta representar la variabilidad global del proceso, mientras que la segunda utiliza uno que se va adaptando iterativamente y logra una alta fidelidad local. La primera estrategia es la más difundida en la práctica de OvS con metamodelos, sin embargo, este estudio apunta a que se puede lograr un mejor desempeño en optimización con la segunda estrategia. PALABRAS CLAVES Metamodelo, Optimización de Simulaciones, Redes Neuronales Artificiales. ABSTRACT In Optimization via Simulation (OvS) the aim is to obtain the best possible value of a response of interest through the manipulation of decision variables associated to the computational model of a system under study. One way to carry out OvS is to build an empirical model that maps out the response as a function of the decision variables to, then, optimize such model. An empirical model fitted to data generated by another (simulation) model, is called a metamodel. In this work, two strategies are compared, in the first a global representation is seeked through the creation of a metamodel in one iteration. In the second strategy, the focus is on the iterative construction of a metamodel with emphasis on local representation. The first strategy is the most popular way to use metamodels in OvS. The results of this study suggest, however, that the second strategy might lead to a more effective optimization. KEY WORDS Metamodel, Simulation Optimization, Artificial Neural Network. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 37 �Comparación de dos estrategias para utilizar metamodelos en optimización... / Shirley Marbella Rojas Minjarez, et al. INTRODUCCIÓN La necesidad de optimizar en el quehacer ingenieril es indudable. Diariamente se requiere tomar decisiones, preferentemente óptimas, sobre diseños, condiciones de operación, configuración de sistemas, asignación de recursos limitados, selección de equipo y materiales, entre muchas otras. Para tomar estas decisiones por lo general se requiere experimentar. Sin embargo, la experimentación dentro de sistemas industriales ya existentes es por lo general costosa y poco conveniente. Por supuesto, en sistemas que aún no están construidos, la experimentación no es ni siquiera una opción. Afortunadamente, con el desarrollo de computadoras y paquetes computacionales cada vez más poderosos se ha facilitado la creación de modelos de simulación tanto de fenómenos físicos como de eventos discretos en prácticamente todas las modalidades de la ingeniería. Es, entonces, muy conveniente utilizar estos modelos para representar y optimizar procesos y sistemas industriales. Capitalizando en las fortalezas de ambas disciplinas, optimización y simulación, es deseable conjuntar estos métodos para poder tomar mejores decisiones. El área que se ha encargado de hacer esta conjunción se denomina Optimización via Simulación (Optimization via Simulation en inglés) y a la cual se le referirá como OvS en este artículo. En este trabajo se comparan dos estrategias para OvS basadas en el uso de metamodelos. Los metamodelos son, en general, modelos empíricos creados con datos generados por modelos computacionales, esto es, son modelos de modelos. Un ejemplo de un modelo empírico es una ecuación de regresión y un ejemplo de modelo computacional, es uno de simulación por computadora de flujo de materiales. En OvS es común utilizar el modelo de simulación para tratar configuraciones determinadas por medio de variables controlables y obtener estimaciones de una medida de desempeño de interés. Al tratar varias configuraciones se generan datos con los cuales se puede ajustar un metamodelo. El uso de un metamodelo pretende facilitar la labor de optimización, que implica encontrar la configuración que provea el mejor valor posible de la medida de desempeño de interés. El objetivo de este trabajo es presentar y comparar dos estrategias de OvS para crear metamodelos que 38 sean después objeto de optimización. La primera estrategia consiste en construir un metamodelo en una sola iteración que intenta representar la variación global. La segunda estrategia involucra la construcción de un metamodelo que iterativamente aumente su complejidad apuntando hacia una alta fidelidad local. La primera estrategia es una práctica común en OvS, con un énfasis en buscar una representación fiel en todo el rango de variación de las variables de decisión y favoreciendo modelos con poca complejidad. La segunda estrategia ha sido propuesta por nuestro grupo de investigación para dar prioridad a la optimización y no a la representación. Con esta segunda estrategia es permisible tener una excelente representación local aun cuando ésta sea muy compleja y no necesariamente una buena representación a nivel global. La comparación de ambas estrategias se realiza a través de un caso de moldeo por inyección en el cual se modela la fabricación de la carátula de un teléfono celular. La calidad de los métodos se discute a la luz del valor de la solución encontrada así como en términos de la complejidad del mismo. ANTECEDENTES El objetivo de los métodos de OvS es proveer una estructura para determinar los valores de variables controlables con el fin de optimizar una función de las salidas de un modelo de simulación.2 Una rutina de optimización utiliza la salida del simulador como función objetivo dependiente de las entradas que fueron introducidas en el modelo y, en base a ésta y a evaluaciones anteriores, propone un nuevo conjunto de valores en las variables controlables. Este procedimiento continúa hasta que se cumpla un criterio de terminación.3 La figura 1 muestra un diagrama genérico de OvS. Fig. 1. Diagrama de optimización via simulación. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Comparación de dos estrategias para utilizar metamodelos en optimización... / Shirley Marbella Rojas Minjarez, et al. Existen diferentes métodos de OvS en la literatura. Estos métodos incluyen técnicas como programación no lineal, métodos de superficie de respuesta, aproximación estocástica, búsqueda aleatoria, ordenamiento y selección, metaheurísticas, entre otras. Revisiones de literatura comprensivas acerca de técnicas de optimización aplicadas a la simulación bajo diferentes enfoques se pueden encontrar en.2, 4-9 De particular interés en este trabajo son los métodos de OvS que utilizan metamodelos. Una revisión amplia del uso de metamodelos se puede encontrar en la referencia.10 La regresión lineal estándar aparece como una de las técnicas más populares para este fin. Más recientemente las Redes Neuronales Artificiales (RNAs) han ganado popularidad también.11 Buot et al.12 utilizaron una RNA dentro del problema de minimizar la ocupación de dos zonas del área de embarque de una empresa chilena; Altiparmak et al.13 construyeron una RNA para determinar el tamaño óptimo de los espacios de almacenaje en una línea de ensamble asincrónica; Martin y Simpson14 desarrollaron un método basado en metamodelos kriging adaptativos con el objeto de representar lo mejor posible toda la superficie de respuesta; Cheng y Currie15 utilizaron aproximación Bayesiana para construir una serie de regresiones cuadráticas; Moniaci y Pasero 16 utilizaron una RNA para representar la efectividad de una línea de producción. Dado el éxito del uso de metamodelos y a que hemos reportado la efectividad de usar diseño de experimentos para optimización aplicada a la simulación de fenómenos físicos y químicos en otras publicaciones,1, 17-22 se decidió hacer uso de ambas técnicas en la construcción de una estrategia de OvS en la que un metamodelo se construye iterativamente para favorecer la búsqueda de una solución óptima. Cabe mencionar que debido a que muchas de las técnicas propuestas en la literatura pueden resultar un reto para personas con conocimientos modestos de optimización y programación, se ha buscado automatizar este proceso. Actualmente varios paquetes comerciales de simulación tanto de eventos discretos como de fenómenos físicos, contienen módulos de optimización que utilizan, entre otras, estrategias metaheurísticas.11 Con estas estrategias en general se gana rapidez a un costo de perder certeza sobre la optimalidad de las soluciones encontradas. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 Estos módulos aumentan grandemente la capacidad del usuario para optimizar, sin embargo es común que no permitan la construcción de funciones objetivo o de restricciones funcionales. Creemos que la flexibilidad y transparencia de los problemas de optimización pueden contribuir mucho al proceso creativo de diseño de procesos y sistemas y que, por tanto, son características deseables en los métodos de optimización aplicada a la simulación. DESCRIPCIÓN DE LAS ESTRATEGIAS EN COMPARACIÓN Las dos estrategias de OvS basadas en metamodelos que se comparan en este trabajo se muestran esquemáticamente en las figuras 2 y 3. Fig. 2. Estrategia de OvS de una sola iteración con un metamodelo global. Estrategia 1: método de una sola iteración para construir un metamodelo que aproxime a nivel global La primera estrategia (figura 2) consiste de una sola iteración y construye un metamodelo que intenta representar la variación global. Como se puede apreciar en la figura 2, este método comienza con un diseño experimental (DOE) con n puntos experimentales (combinación de valores de variables controlables) y n evaluaciones del modelo de simulación. Después, la información del DOE (valores de variables controlables) y los resultados de la simulación (valores de función objetivo) son utilizados para aproximar la respuesta de interés de manera global por medio de un metamodelo. 39 �Comparación de dos estrategias para utilizar metamodelos en optimización... / Shirley Marbella Rojas Minjarez, et al. Estrategia 2: método iterativo para construir un metamodelo con alta fidelidad local La segunda estrategia analizada fue propuesta por Villarreal y Cabrera-Ríos1 y construye metamodelo en varias iteraciones con alta fidelidad local. La estrategia se muestra en la figura 3. Fig. 3. Estrategia de OvS desarrollada por Villarreal y Cabrera-Ríos.1 Posteriormente, el metamodelo es optimizado para encontrar una solución atractiva al problema en estudio. Y finalmente, la mejor solución es reportada al tomador de decisiones. Dada la intención de representar globalmente la variación en un diseño de experimentos, es común recurrir a metamodelos no lineales, tales como las RNAs. Se refiere al lector interesado a23 para conocer más sobre este tipo de modelos. En este trabajo dos diferentes RNAs al igual que un modelo de regresión cuadrática fueron utilizados como metamodelos. Dado que el modelo de optimización la mayoría de las veces es no convexo, un método de optimización local convergerá a una solución óptima no global. Es por esto que un método de optimización local se combina aquí con la técnica de múltiples comienzos para escapar de optimalidad local. Una ventaja que se vislumbra con la estrategia 1 es que termina rápidamente, sin embargo, una desventaja potencial es precisamente su énfasis en encontrar una representación adecuada global. 40 La estrategia se explica a continuación: Inicialización 1). DOE inicial: El método inicia con un DOE. Si las variables de decisión son pocas (menos de 10) y se tiene solamente restricciones laterales, se recomienda utilizar un Diseño Compósito Central (DCC). En cualquier otro caso, será necesario recurrir a otros diseños como el D-Óptimo. El DOE resultará en n corridas consistentes de combinaciones xi = (x1, x2, x3,…, xv)i de las v variables controlables (decisión) a incluir en el problema de optimización, así como su evaluación E[f(xi)], donde i=1,2,…,n. Si el DOE es replicado, entonces E[f(xi)] será la media de las réplicas. 2). Solución incumbente: Se selecciona la combinación del DOE con el mínimo valor de la función objetivo. Esta combinación se convierte en la solución incumbente [xk-mejor, E[f(xk-mejor)]]. También en este paso se inicializa un contador de iteraciones k:= 0. Iteración Principal 3). Actualizar contador: k = k+1. 4). Obtener metamodelo: Utilizando los puntos disponibles, se construye el k-ésimo metamodelo f̂ (⋅) k . En el caso, se utiliza un metamodelo saturado, i.e. un modelo de regresión con (n1)+(k-1) coeficientes. Las variables de entrada deberán estar escaladas en el rango [-1,1] para evitar problemas de dimensionalidad al obtener los coeficientes de regresión. 5). Optimizar metamodelo: Utilizando el metamodelo como función objetivo a ser minimizada sujeto a las restricciones pertinentes, se procede a utilizar la técnica de múltiples comienzos combinada con un optimizador local para obtener una solución atractiva, xk. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Comparación de dos estrategias para utilizar metamodelos en optimización... / Shirley Marbella Rojas Minjarez, et al. 6). Ejecutar la simulación en el nuevo punto: Estimar, vía simulación, el valor E[f(xk)] cuidando que si el DOE inicial fue replicado, en esta estimación se tenga el mismo número de réplicas y se reporte la media. 7). Evaluar si el punto nuevo es mejor que el incumbente: En este caso, evaluar si xk tiene un valor objetivo estrictamente menos a x(k-1)-mejor i.e. si E[f(xk)] < E[f(x(k-1)-mejor)]. 8). Actualizar la solución incumbente: Actualizar la solución incumbente de acuerdo a la evaluación del punto anterior. Si E[f(xk)] < E[f(x(k-1)-mejor)], entonces se asignará [xk-mejor, E[f(xk-mejor)]]:=[xk, E[f(xk)]], de otra manera, la solución incumbente no cambiará. 9). Evaluar los criterios de terminación del método: tres criterios de terminación son evaluados: determinar si (1) xk es parte del DOE inicial o de algunos de los puntos utilizados en previas iteraciones para construir el metamodelo, (2) el coeficiente de determinación, R2=1, y (3) un número máximo de iteraciones se ha alcanzado. Si alguno de los criterios de determinación se cumple, el método para y se toma la solución incumbente como la salida final. Si los criterios no se cumplen, entonces se añade xk al conjunto de puntos disponibles para construir un nuevo metamodelo, y se regresa al inicio de la iteración principal. Una estrategia de este tipo podría resultar en múltiple corridas de simulación adicionales, sin embargo, tiene la ventaja de ir añadiendo información importante para la creación de un metamodelo y favorecer así su convergencia a una solución atractiva, como se podrá apreciar en el caso de estudio que se presenta a continuación. CASO DE ESTUDIO Descripción del problema El caso de análisis para este trabajo consiste en la simulación del proceso de moldeo por inyección de una carátula de teléfono celular. Este modelo de simulación es uno de los ejemplos incluidos en el paquete computacional MoldflowTM y se muestra en la figura 4. El problema de optimización implica encontrar los valores a los que se deben fijar la temperatura del molde y la presión de empacado para Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 Fig. 4. Carátula del teléfono celular. minimizar el tiempo de ciclo. El tiempo de ciclo es la suma del tiempo de llenado, el tiempo de empacado y el tiempo de enfriamiento, lo cual se relaciona con el tiempo que utiliza efectivamente el molde en el proceso de moldeo por inyección. El material utilizado para moldear esta parte fue Petrothene GA584-000: Mellenium Petrochemical Inc. Como se mencionó anteriormente la temperatura del molde y la presión de empacado fueron las variables de decisión y fueron variadas en el rango sugerido en la base de datos de materiales de Moldflow. El rango para la temperatura del molde fue de 185°C a 225°C y para la presión de empacado de 10 MPa a 500 MPa. Con respecto a la optimización, el diseño de experimentos inicial para ambas estrategias en comparación fue un diseño compósito central (DCC) de 2 variables controlables (temperatura y presión), con 9 puntos experimentales (corridas del simulador). El diseño experimental se muestra en la figura 5 y en la tabla I. La tabla I contiene además el valor de tiempo de ciclo obtenido al correr el simulador con cada combinación de valores de las variables controlables especificado. Cabe señalar que para este ejemplo no es necesario realizar réplicas pues al no contener la simulación variables estocásticas, se obtendría, dados los mismos datos, la misma respuesta todas las veces. Fig. 5. Corridas del Diseño de Experimentos Inicial. 41 �Comparación de dos estrategias para utilizar metamodelos en optimización... / Shirley Marbella Rojas Minjarez, et al. Tabla I. Diseño experimental inicial. Temperatura (°C) Presión (MPa) Tiempo de Ciclo Simulado (seg) 185 10.0 4.06 185 500.0 3.87 195 255.0 3.76 205 132.5 4.02 205 255.0 4.02 205 377.5 4.02 215 255.0 4.16 225 10.0 4.20 225 500.0 4.20 Con la primera estrategia se construyeron 3 metamodelos a partir de los datos mostrados en la tabla I. El primero fue una regresión con términos lineales, cuadráticos e interacciones de segundo orden. El segundo fue una RNA de tres neuronas en la capa oculta entrenada solamente con 6 puntos del diseño experimental y validada con los 3 restantes. Mantener un conjunto de puntos de entrenamiento y otro conjunto de validación es común al aproximar por medio de RNAs. 23 Finalmente, el tercer modelo fue una RNA de tres neuronas en la capa oculta sin validación, entrenada con los 9 puntos del diseño experimental. Los resultados de la optimización utilizando cada uno de los metamodelos asociados con la estrategia 1 independientemente se compararon, entonces, con los resultados al aplicar la segunda estrategia como se describió en el apartado anterior. Los resultados comparativos se muestran en la tabla II para la estrategia 1 con sus tres metamodelos variantes y para la estrategia 2. Se puede observar que el menor tiempo de ciclo se obtiene con la segunda estrategia, arrojando un tiempo de ciclo de 3.76 segundos en diferentes corridas, por lo que son varias las combinaciones de tiempo y presión donde se reporta el mínimo valor en la medida de desempeño. En este caso en particular, se contó con un punto muy competitivo desde el diseño experimental inicial y, sin embargo, la estrategia 1 no pudo llegar a soluciones dentro de ese vecindario. En contraste, la estrategia 2 llegó al mejor punto que había dado el diseño inicial y, en su ejecución generó varios puntos alrededor. En la figura 6 se puede observar gráficamente la diferencia de los resultados obtenidos con los diversos métodos y se aprecia cómo los puntos obtenidos por el método propuesto por Villarreal y Cabrera-Ríos se localizan en una región de mínimo tiempo de ciclo. Se puede notar que el desempeño de la estrategia 2 tuvo el costo de hacer corridas adicionales, sin embargo, éstas se aprovecharon para establecer una zona atractiva de operación en el proceso simulado. La estrategia 2, como tal, no puede garantizar optimalidad global, lo cual quiere decir que tiene una naturaleza heurística. Por otro lado, la estrategia 1 que también es una heurística- presenta la ventaja de permitir una sola iteración, aunque el sacrificio es en términos de la calidad de la solución encontrada. Fig. 6. Tiempo de ciclo vs. presión y temperatura, obtenidos al aplicar los diferentes métodos de optimización de simulaciones en estudio. Tabla II. Resultados comparativos. Estrategia 1 Estrategia 2 Tipo de metamodelo RNA (6+3) Número de Simulaciones 9 9 9 R (último metamodelo) 76% 100% 78% Temperatura (°C) 192.9 185 185 190.38 191.04 190.21 195 Presión (MPa) 500 281.9 500 296.36 362.02 341.35 255 Tiempo de Ciclo (segundos) 4.01 3.87 3.87 3.76 3.76 3.76 3.76 2 42 RNA (9) Regresión cuadrática Polinomio con el máximo grados de libertad 15 100% Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Comparación de dos estrategias para utilizar metamodelos en optimización... / Shirley Marbella Rojas Minjarez, et al. CONCLUSIONES En este trabajo se presentó la comparación de dos estrategias de optimización vía simulación a través de la utilización de metamodelos. La primera estrategia involucra una sola iteración y construye un metamodelo global, mientras que la estrategia 2 es iterativa y construye un metamodelo con alta fidelidad local. La comparación del desempeño de ambos métodos se realizó utilizando un caso de estudio de moldeo por inyección. La estrategia 1 ha sido una práctica común en la literatura de optimización vía simulación, mientras que la estrategia 2 ha sido un desarrollo reciente. En este trabajo comparativo se empieza a vislumbrar que es posible encontrar mejores soluciones con un metamodelo construido iterativamente con un énfasis local. El punto importante es que tal estrategia no conlleve un número muy grande de simulaciones adicionales. La introducción de un modelo que utiliza todos los grados de libertad disponibles es, de hecho, lo que hace posible el balance entre la calidad de solución y una convergencia en pocas corridas adicionales en la estrategia 2. Utilizar un metamodelo complicado desde un principio, sin embargo, es una práctica poco favorecida por la teoría estadística, lo que hace que estos resultados tengan una naturaleza contraintuitiva. REFERENCIAS 1. Villarreal M.G. y M. Cabrera-Ríos. Un método adaptativo basado en metamodelos para optimización aplicada a la simulación. Memorias del IEEE 5º Congreso Internacional en Innovación y Desarrollo Tecnológico. (2007). 2. Swisher J.R., P.D. Hyden, S.H. Jacobson y L.E. Schruben. A survey of simulation optimization techniques and procedures. Proceedings of the 1994 Winter Simulation Conference. pp. 119128, (2000). 3. April J., M. Better, F. Glover y J. Kelly. New Advances and applications for marrying Simulation and Optimization. Proceedings of the 2004 Winter Simulation Conference. (2004). 4. Fu M.C.A tutorial review of techniques for Simulation Optimization. Proceedings of the Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 1994 Winter Simulation Conference. pp. 149156, (1994). 5. Andradóttir S. A review of Simulation Optimization techniques. Proceedings of the 1998 Winter Simulation Conference. pp. 151158, (1998). 6. A z a d i v a r F . S i m u l a t i o n O p t i m i z a t i o n Methodologies. Proceedings of the 1999 Winter Simulation Conference. pp. 93-100, (1999). 7. Fu M. C.Simulation Optimization. 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Castro y C.A. MountCampbell. Multiple Quality Criteria Optimization in InMold Coating (IMC) With A Data Envelopment Analysis Approach. Journal of Polymer Engineering. Vol.22, No.5, pp. 305-340, (2002). 19. Cabrera-Ríos M., K.S. Zuyev, X. Chen, J.M. Castro y E.J. Straus. Optimizing Injection Gate Location and Cycle Time for the In-Mold Coating (IMC) Process. Polymer Composites. Vol.23, No. 5, pp. 723-738, (2002). 20. Castro C.E., M. Cabrera-Ríos, B. Lilly y J.M. Castro. Simultaneous Optimization of Mold Design and Processing Conditions in Injection 44 Molding. Journal of Polymer Engineering. Vol.25, No.6, pp. 459-486, (2005). 21. Castro C.E., M. Cabrera-Ríos, B. Lilly y J.M. Castro. Optimization and Analysis of Variability in Injection Molding. Aceptado para su publicación en Journal of Polymer Engineering and Science. (2006). 22. Castro J.M., M. Cabrera-Ríos y C.A. MountCampbell. Modelling and Simulation in Re-active Polymer Processing. Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. Vol.12, pp. S121-S149, (2004). 23. Salazar M.A., M. Cabrera-Ríos. Pronóstico de demandas por medio de redes neuronales artificiales. Ingenierías. Vol. 10, No. 35, pp. 6-12, (2007). AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen las becas del CONACYT y de la AMC otorgadas a las estudiantes involucradas en este trabajo, así como al apoyo de la FIME, la UANL y el Tecnológico de los Mochis. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Formación científica de los egresados de tres programas de maestría en ciencias: Seguimiento a 10 años (1999-2009) Candelaria Ramírez Tule, Mariana L. Reyna Agreda, Aída M. García García, Xóchitl A. Ortiz Jiménez, Pablo Valdez Ramírez Facultad de Psicología, UANL pablovaldezramirez@gmail.com RESUMEN El objetivo de este trabajo fue llevar a cabo un seguimiento durante 10 años de los egresados de tres programas de Maestría en Ciencias; usando como criterio de la formación como científicos, la publicación de dos o más artículos en revistas internacionales indexadas. Se analizaron los datos de 100 estudiantes que en 1999 cursaban la Maestría en Ciencias en tres Facultades de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Se utilizaron las siguientes bases de datos: Google Scholar, Science Citation Index Expanded, Scopus y Journal Citation Reports. En 2009, 65 egresados no publicaron, 14 publicaron un artículo y solamente 21 publicaron dos o más trabajos. En conclusión, pocos egresados del posgrado en México se convierten en científicos. PALABRAS CLAVE Formación científica, ciencia, investigación, posgrado, México. ABSTRACT This is a 10 years (1999-2009) follow up study of graduates from three Master of Science programs, using the publication of two or more indexed papers in international journals as the criterion for becoming a scientist. Data were collected from 100 students enrolled in 1999 in 3 Schools of the Universidad Autónoma de Nuevo León. Bibliographic databases used were: Google Scholar, Science Citation Index Expanded, Scopus and Journal Citation Reports. In 2009, 65 students did not publish any paper, 14 published a single paper and only 21 published two or more papers. In conclusion, few graduates are becoming scientists in Mexico. KEYWORDS Scientific career, science, research, graduate studies, Mexico. INTRODUCCIÓN La ciencia es crucial para el desarrollo económico de un país.1,2 Por tanto, si un país pretende competir a nivel internacional tiene que estar a la vanguardia del conocimiento científico.3 Los hallazgos derivados de la ciencia constituyen la base para generar tecnología,4 por lo que un país que carece de ciencia se ve obligado a comprar las aplicaciones tecnológicas que producen otros países, generando Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 45 �Formación científica de los egresados de tres programas de maestría en ciencias: Seguimiento... / Candelaria Ramírez, et al. -en consecuencia- una dependencia indefinida de ellos.5 Para evitar esta situación, es necesario contar con científicos que produzcan los conocimientos necesarios para fortalecer el desarrollo tecnológico y económico nacional con calidad y eficiencia.6 Sin embargo, formar científicos no es sencillo, no existe una receta universal, ya que no se conocen con precisión cuáles son las condiciones que se requieren para la formación de científicos.7 Se ha planteado que esta formación se adquiere en el posgrado (maestría y doctorado), sin embargo la enseñanza formal es solamente una parte de las experiencias que requieren los estudiantes para formarse como científicos. Algunos autores han planteado que una forma de inducir a los jóvenes a esta actividad es exponerlos -lo antes posible- a trabajar en centros de investigación.8 De esta manera, el aprendiz puede interactuar con maestros que realizan investigación, que publican en revistas internacionales, que valoran la lectura de artículos especializados y que exponen en congresos. En este ambiente, los estudiantes pueden adoptar las normas y las actitudes específicas de esa comunidad y en consecuencia, desarrollar su vocación hacia la ciencia. Además de estos aspectos, se han considerado factores personales como la curiosidad, la perseverancia, la constancia, la resistencia al fracaso, entre otros, como elementos importantes para que una persona se forme como científico. De acuerdo con los estudios de Sociología y Psicología de la Ciencia,9,10 para la formación de científicos es necesario tomar en cuenta dos aspectos: teórico-metodológicos y humanos. Por lo tanto, es importante que el estudiante aprenda las teorías y los métodos de un campo del conocimiento, pero también es relevante que asimile las reglas de comportamiento de los científicos, esto implica aprender las normas, las reglas de grupo, el estilo de trabajo, la constancia, la disciplina, así como las actitudes de los científicos.11,12 Valdez13 propone un modelo para estudiar la formación del científico. De acuerdo con este modelo existen cuatro factores cruciales para la formación del científico: el contacto con la investigación, la interacción con los científicos, las condiciones en que se realiza la ciencia y los factores personales. Para promover el contacto con la investigación se ha recurrido frecuentemente a un sistema tutorial, el 46 cual implica que los jóvenes interesados se incorporen a un grupo de trabajo, esto es, un laboratorio, departamento, centro o clínica, donde puedan imitar a una persona experta en un área determinada.5 En el grupo de trabajo, el estudiante convive tanto con su tutor como con otros científicos. De esta forma, los estudiantes aprenden las teorías y los métodos de un campo del conocimiento, las estrategias que se usan para plantear y enfrentar problemas, para proponer hipótesis, desarrollar métodos y técnicas, redactar en el estilo de la ciencia, comunicarse con otros científicos y corregir los errores.9 Un elemento importante dentro de la interacción que propone este modelo son los tutores, quienes enseñan a sus discípulos los problemas y los métodos en un campo específico de la ciencia.5 Sin embargo, también existen tutores en el medio de la investigación que no cuentan con las características idóneas y que en lugar de estimular a los estudiantes los desalientan.14 El tercer factor de este modelo indica que es importante el ambiente de trabajo donde se valora la investigación. En este ambiente, el estudiante encuentra científicos reconocidos, además cuenta con los recursos necesarios, tanto humanos como materiales, para realizar ciencia.6 Finalmente, el cuarto factor señala que es necesario estudiar los motivos personales, las metas, prioridades, la constancia, persistencia y disciplina, así como los estilos de trabajo.5 De acuerdo con esta propuesta, contar con un lugar donde se cubran estos factores podría garantizar la formación de un científico. No obstante, existen casos en los cuales el estudiante tiene las condiciones necesarias para desarrollarse pero no concluye su formación o al finalizar la misma se dedica a otra actividad. Benitez6 señala que el formar científicos es una tarea ardua, que implica responsabilidad con la comunidad científica y con la sociedad, por tanto propone un estudio más amplio de los factores implicados en la formación del científico. Como se mencionó antes, los científicos son importantes para contribuir al desarrollo económico de un país, de ahí que en los países del primer mundo se reconoce la necesidad de formar científicos, por lo que cuentan con condiciones apropiadas para la formación de científicos. Sin embargo, en los países Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Formación científica de los egresados de tres programas de maestría en ciencias: Seguimiento... / Candelaria Ramírez, et al. subdesarrollados no existe claridad respecto a la importancia que tiene la ciencia, ni la formación de científicos, por lo que la formación de científicos en estos países implica muchas dificultades.6,15 En nuestro país, la formación de científicos se inicia en el posgrado, específicamente en las maestrías en ciencias, que se consideran una etapa de inducción, mientras que se espera que el estudiante consolide su formación en el doctorado.16 Las maestrías y doctorados en ciencias reciben apoyo por parte del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT). 17 Los alumnos inscritos en las maestrías y doctorados que cumplen con los criterios que establece el Programa Nacional de Posgrados de Calidad (PNPC) del CONACYT, reciben una beca mensual de manutención. Sin embargo, nuestro país aún no cuenta con las condiciones adecuadas para promover la ciencia y la formación de científicos.18,19 El presupuesto para la ciencia es muy limitado, es de apenas un 0.37 % del Producto Interno Bruto (PIB), mientras que en los países desarrollados esta cifra va del 2 al 3 %.20 El presupuesto real que se ejerce en la ciencia es aún más bajo, ya que se da prioridad a proyectos aplicados o de desarrollo tecnológico.21 Además, se cuenta con muy pocas personas preparadas para hacer ciencia, pues a la fecha sólo existen 0.9 científicos por cada 1,000 trabajadores, mientras que en los países desarrollados esta cifra es de 5-10. Es importante señalar que México ocupa el último lugar de los países miembros de la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos (OECD), tanto en presupuesto para la ciencia, como en el número de científicos.20 Otro aspecto relevante es que Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 la investigación se encuentra centralizada en la ciudad de México, donde se concentran aproximadamente el 50 % de los recursos destinados a la ciencia y más del 50 % de los científicos del país.17 La falta de apoyo a la ciencia en México desemboca en condiciones precarias para la formación de científicos, ya que existen pocos científicos que pueden fungir como tutores, pocos grupos de trabajo donde el estudiante pueda insertarse y convivir con varios científicos, y no se cuenta con la infraestructura adecuada para que el estudiante aprenda la ciencia.22 A pesar de los problemas de México como país en vías de desarrollo es necesario conocer el proceso de formación de los científicos para generar recursos humanos que en un futuro redunden en el desarrollo de nuestro país.8 Sin embargo, la mayor parte de las publicaciones que abordan este tema consisten en reflexiones y propuestas elaboradas a partir de la experiencia personal de algunos científicos; otros trabajos analizan la formación y las condiciones de la ciencia tomando como material de base los datos estadísticos que publican diferentes organismos, como el CONACYT, la Secretaría de Educación Pública (SEP), la OECD, etc. Para profundizar en este análisis, es necesario llevar a cabo estudios de seguimiento de los egresados del posgrado, esto nos puede dar indicios de qué tanto el posgrado está promoviendo realmente la formación de científicos en nuestro país. Un aspecto que se podría considerar como indicador de que un egresado se ha formado como científico son sus publicaciones en revistas internacionales indexadas y las citas a sus trabajos. Un criterio fundamental de que un egresado se ha formado como científico, es que haya publicado dos o más trabajos en revistas indexadas, lo que se puede documentar a través de un periodo de seguimiento de varios años, después de que egresó del posgrado. Publicar un sólo trabajo no se considera evidencia de que el egresado es un científico, ya que pudo haber sido la publicación de la tesis de maestría o doctorado. De hecho, algunos programas de doctorado establecen como requisito de egreso el que el estudiante publique un artículo en una revista indexada. En consecuencia, publicar un artículo puede implicar cumplir con el requisito del posgrado, pero no significa que la persona se siga dedicando a la ciencia. 47 �Formación científica de los egresados de tres programas de maestría en ciencias: Seguimiento... / Candelaria Ramírez, et al. El propósito de este trabajo es llevar a cabo un seguimiento durante 10 años (1999-2009) de los egresados de tres programas de Maestría en Ciencias; usando como criterio de la formación como científico, la publicación de dos o más artículos en revistas internacionales indexadas. De acuerdo con las precarias condiciones de la ciencia en México, especialmente en provincia, se plantea como hipótesis que la formación de científicos en nuestro país es muy limitada, por lo que se espera que pocos egresados del posgrado sigan dedicándose a la ciencia. MÉTODO DATOS Y ANÁLISIS Se llevó a cabo un seguimiento de 100 estudiantes (34 mujeres y 66 hombres) que en 1999 cursaban la Maestría en Ciencias en tres Facultades de la Universidad Autónoma de Nuevo León (UANL), con una edad de 26.12±4.09 (promedio±desviación estándar, rango=21-41). 31 en la Facultad de Medicina (Medicina) (16 hombres, 15 mujeres), 33 en la Facultad de Ciencias Biológicas (Biología) (20 hombres, 13 mujeres) y 36 en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (Ingeniería) (30 hombres, 6 mujeres). El seguimiento incluyó al total de alumnos inscritos en las Maestrías en Ciencias de las Facultades mencionadas. En 1999 esos programas se encontraban inscritos en el PNPC, por lo que los alumnos mencionados recibían una beca mensual de manutención del CONACYT para que pudiesen dedicarse de tiempo completo al programa de Maestría en Ciencias. Es pertinente agregar que esos programas aún se encuentran inscritos en el PNPC. Se usaron las siguientes Bases de datos: 1. Google Scholar (GS), Science Citation Index Expanded (Institute for Scientific Information) y Scopus (Elsevier). En estas bases de datos se buscaron las publicaciones indexadas de los egresados de la maestría. Solamente se incluyeron publicaciones que se encontraban indexadas en el Journal Citation Reports. 2. Journal Citation Reports (JCR) 2006 y 2008. En estas bases de datos se consultó el Factor de Impacto (Impact Factor) de la revista donde se publicaron los artículos. El factor de impacto 48 se buscó en el JCR-2008, sin embargo algunas revistas no se encontraron en la base de datos de esa fecha, por lo que se recurrió al JCR-2006. El factor de impacto es una medida de la importancia de una publicación científica. Básicamente consiste en el promedio de citas por artículo de la revista, calculado a partir de las citas que obtienen los artículos durante 2 años. 3. Catálogo Electrónico de la UANL. Mediante esta base se obtuvieron los datos de las tesis de maestría de los estudiantes que obtuvieron el grado y de los estudiantes que siguieron el doctorado en la UANL. 4. Lista de investigadores vigentes en el Sistema Nacional de Investigadores (SNI) en 2009. PROCEDIMIENTO De febrero de 2008 a marzo de 2009 se buscaron las publicaciones de los estudiantes en las bases de datos Google Scholar, Science Citation Index Expanded y Scopus, la búsqueda se llevó a cabo a partir de las siguientes combinaciones de los nombres de los estudiantes: 1. Nombre, apellido paterno y apellido materno. 2. Apellido paterno y apellido materno. 3. Nombre y apellido paterno. 4. Apellido paterno y nombre. 5. Inicial del Nombre y apellido paterno. 6. Apellido paterno e inicial del nombre. Con la finalidad de asegurarnos que las publicaciones localizadas en las bases de datos pertenecían a los estudiantes, se tomaron en consideración los siguientes criterios: 1. Se seleccionaron los artículos en el que uno de los autores coincidía con el nombre del estudiante, ya sea el nombre completo o combinaciones de sus apellidos con sus iniciales. Por ejemplo, si el nombre era: Juan Carlos López Pérez, el apellido y las iniciales deberían estar en el orden siguiente, J. C. López Pérez; Juan C. López Pérez; López Pérez J. C.; López Pérez Juan C.; J. C. López; López J. C., J. López, López J, etc. Además, las referencias se cotejaban con otros datos como: el nombre de la universidad de la cual egresó el estudiante, el lugar de nacimiento del participante, el lugar donde el estudiante cursó su licenciatura, el correo electrónico, si dentro de los coautores Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Formación científica de los egresados de tres programas de maestría en ciencias: Seguimiento... / Candelaria Ramírez, et al. 2. 3. 4. 5. 6. se encontraba el maestro responsable de su tesis o compañeros de la maestría. Se seleccionaron sólo los artículos publicados en revistas internacionales indexadas y se excluyeron los capítulos de libro, resúmenes en congresos, tesis, patentes, artículos en revistas arbitradas o en revistas de difusión. Enseguida se obtenía el número de citas que tenían cada uno de los artículos publicados. La búsqueda de citas se realizó mediante Google Scholar y Scopus. Solamente se incluyeron las citas externas, esto es, citas en las que no aparecía ninguno de los autores del artículo citado. Posteriormente, se obtuvo el número de colaboradores y la posición en la que se encontraba el egresado como coautor de cada uno de los artículos publicados. Se obtuvo la cantidad de estudiantes que pertenecían al SNI, por medio de la lista de investigadores vigentes del 2009. Se obtuvo la información de las tesis de maestría de los estudiantes titulados y de los estudiantes que siguieron el doctorado en la UANL, por medio del Catálogo Electrónico de esta institución. RESULTADOS Se encontró que 78 estudiantes obtuvieron el grado de maestría. 28 de Medicina, 22 de Biología y 28 de Ingeniería. 16 estudiantes obtuvieron el grado de doctor en la UANL. 8 en Medicina, 5 en Biología y 3 en Ingeniería. En 2009, 11 pertenecían al SNI, 9 de ellos con nivel de Candidato y 2 con nivel 1, 7 de Medicina, 2 de Biología y 2 de Ingeniería. Se encontraron diferencias significativas en la edad de los alumnos de cada Facultad (F=9.65, gl=2, p<0.001), de acuerdo con el análisis post-hoc los alumnos de Medicina y Biología tenían mayor edad que los de Ingeniería (Medicina 28.10±4.25; Biología 26.48±4.32; Ingeniería 24.08±2.63). Se encontraron diferencias significativas en el género por Facultad (Chi cuadrada=8.10, p<0.02), en Medicina no había diferencia entre hombres (n=16) y mujeres (n=15), pero en Biología y en Ingeniería había más hombres que mujeres (Biología 20 hombres, 13 mujeres; Ingeniería 30 hombres, 6 mujeres) (tabla I). Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 Tabla I. Datos generales. Facultad N Edad Género Promedio (s) F M Medicina 31 28.10 (4.25) 15 16 Biología 33 26.48 (4.32) 13 20 Ingeniería 36 24.08 (2.63) 6 30 Total 100 26.12 (4.09) 34 66 N=Número de participantes, s=Desviación estándar, F=Femenino, M=Masculino. Se encontró que 65 estudiantes no publicaron y 35 estudiantes publicaron al menos un artículo en revistas indexadas, 14 de ellos publicaron solamente un artículo y 21 publicaron dos o más artículos. Esto permitió clasificar a los estudiantes en tres grupos: Grupo P-0 (sin publicaciones), Grupo P-1 (con una publicación) y Grupo P-2 (con dos o más publicaciones) (tabla II, figura 1). En el Grupo P-0 (sin publicaciones) (n=65), 12 eran de Medicina, 23 de Biología y 30 de Ingeniería. En el Grupo P-1, 6 eran de Medicina, 4 de Biología y 4 de Ingeniería. Obtuvieron un promedio de 0.35 citas por artículo, 0.5 los de Medicina, 0.5 los de Biología y 0 los de Ingeniería (figura 2). Sus trabajos aparecieron en revistas con un promedio de factor de impacto de 1.42, en los de Medicina el factor fue de 1.65, en los de Biología de 1.46 y en los de Ingeniería de 1.03. Publicaron en promedio con 5 colaboradores, los de Medicina con 6.16, los de Biología con 5 y los de Ingeniería con 3.25. Ocuparon Fig. 1. Porcentaje de egresados con una formación científica de acuerdo con el criterio de publicar dos o más artículos en revistas internacionales indexadas. 49 �Formación científica de los egresados de tres programas de maestría en ciencias: Seguimiento... / Candelaria Ramírez, et al. Tabla II. Resultados de los grupos de acuerdo a la cantidad de artículos publicados. Grupo Medicina (N=13) Biología (N=6) Ingeniería (N=2) Total (N=21) Variable Promedio (rango) Promedio (rango) Promedio (rango) Promedio (rango) Citas por artículo 0.5 (0-2) 0.5 (0-2) 0 (0) 0.35 (0-2) Factor de impacto 1.65 (0.44-2.58) 1.46 (0.093.16) 1.03 (0.62-1.58) 1.42 (0.093.16) Colaboradores 6.16 (4-11) 5 (4-7) 3.25 (2-5) 5 (2-11) Posición como colaborador 2 (1-4) 2.75 (2-5) 1.25 (1-2) 2 (1-5) Artículos publicados 4.31 (2-12) 6.33 (2-14) 5.00 (4-6) 4.95 (2-14) Citas por artículo 3.79 (0-21) 6.49 (0-15) 3.25 (1-6) Factor de impacto 2.48 (0.32-4.95) 2.11 (1.422.66) Colaboradores 6.54 (2-15) Posición como colaborador 3.04 (1-8) U p 4.51 (0-21) 43.50 0.001 1.53 (1.32-1.76) 2.28 (0.324.95) 74.00 0.02 8.58 (5-16) 4.25 (2-6) 6.9 (2-16) 93.00 NS 2.25 (1-6) 1.5 (1-2) 2.67 (1-8) 128.00 NS P0 (Sin publicaciones) N=65 P1 (Una publicación) N=14 P2 (Dos o más publicaciones)N=21 U = U de Mann-Whitney, comparaciones entre los grupos P1 y P2, NS = No Significativo. una posición promedio de 2 como coautores, los de Medicina ocuparon una posición de 2, los de Biología de 2.75 y los de Ingeniería de 1.25. Del Grupo P-2, en el que 21 estudiantes publicaron 2 o más artículos, 13 eran de Medicina (42 % de esa Facultad), 6 de Biología (18 % de esa Facultad) y 2 de Ingeniería (6 % de esa Facultad). Publicaron un promedio de 4.95 artículos, 4.31 de Medicina, 6.33 de Biología y 5.00 de Ingeniería. Estos estudiantes obtuvieron un promedio de 4.51 citas por artículo, 3.79 los de Medicina, 6.49 los de Biología y 3.25 los de Ingeniería (figura 2). La cantidad de citas de este grupo fue mayor que las citas que obtuvieron los alumnos que solamente publicaron un artículo (U=43.5, p<0.001). Sus trabajos aparecieron en revistas con un promedio de factor de impacto de 2.28, en los de Medicina el factor fue de 2.48, en los de Biología de 2.11 y en los de Ingeniería de 1.53. Los estudiantes de este grupo publicaron en revistas 50 con un mayor factor de impacto en comparación con los alumnos que solamente tenían un artículo publicado (U=74, p<0.02). Los 21 estudiantes publicaron en promedio con 6.90 colaboradores, los de Medicina con 6.54, los de Biología con 8.58 y los de Ingeniería con 4.25. Ocuparon una posición promedio de 2.67 como coautores, los de Medicina ocuparon una posición de 3.04, los de Biología de 2.25 y los de Ingeniería de 1.50. No se encontraron diferencias entre los dos grupos que publicaron (P-1 y P-2), ni en el género, ni en el promedio de colaboradores, ni en la posición que ocuparon como coautores. DISCUSIÓN En este trabajo se encontró que 21 de los 100 estudiantes de la maestría en ciencias publicaron dos o más artículos en revistas internacionales indexadas. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Formación científica de los egresados de tres programas de maestría en ciencias: Seguimiento... / Candelaria Ramírez, et al. Fig. 2. Producción científica de los egresados de Medicina, Biología e Ingeniería. Las barras blancas representan el grupo P1 (14 % de la muestra), que incluye a los egresados que tenían solamente una publicación. Las barras grises representan el grupo P2 (21 % de la muestra), que incluye a los egresados que tenían dos o más publicaciones. El grupo P0 (65 % de la muestra) no aparece en la gráfica, ya que no tenían ninguna publicación. De acuerdo con el criterio que se usó en este trabajo, podemos afirmar que solamente estos 21 estudiantes se formaron como científicos. Congruente con este criterio, los estudiantes que publicaron solamente un trabajo tienen muy pocas citas. En cambio los 21 que publicaron varios trabajos obtuvieron un promedio de citas más alto y publicaron en revistas con mayor factor de impacto. El análisis únicamente incluyó citas externas, por lo que el aumento en el promedio de citas no se debe a auto-citas, esto sugiere que los estudiantes con dos o más trabajos tienen una mayor participación en el medio científico. Este estudio nos deja más preguntas que respuestas. Para empezar, el resultado fundamental es que solamente se forman como científicos un 21 % de los estudiantes de la maestría, ¿esta cifra es alta o baja? No conocemos cual es la tasa de formación de científicos en otros países. Sin embargo, resulta una eficiencia muy baja si tomamos en cuenta que los programas de maestría están inscritos en el PNPC, Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 esto implica que cuentan con programas de estudio dirigidos a promover la formación de científicos, profesores con doctorado, profesores miembros del SNI, además de que los alumnos contaron con una beca de manutención para dedicarse a sus estudios de tiempo completo. ¿Qué es lo que falla? ¿Por qué estas condiciones no logran formar una mayor cantidad de científicos? El problema resulta aún más grave cuando observamos que existe una gran variabilidad en los resultados por cada facultad. En Medicina se formaron 13 científicos (42 % de esa Facultad), en Biología 6 (18 % de esa Facultad) y en Ingeniería 2 (6 % de esa Facultad). Aunque en Medicina se forman más científicos, la cifra resulta también baja, pero la cifra es peor en Biología y es aún más baja en Ingeniería. ¿Qué factores promueven que se formen más científicos en Medicina, menos en Biología y solamente unos cuantos en Ingeniería? Una limitación de este estudio es que la muestra es pequeña, solamente incluye 100 estudiantes de 3 programas de maestría en ciencias. Sin embargo, constituye toda la generación que se encontraba cursando este nivel de estudios en ese momento y corresponde con la cantidad de estudiantes que se inscriben anualmente en estos programas de la UANL. A manera de reflexión, podemos plantear algunos aspectos que pueden estar involucrados con el problema de la formación del científico en México. En primer lugar, no se promueve de forma clara y sistemática la formación científica en ninguno de los niveles educativos. Prueba de ello es el bajo rendimiento en lectura, matemáticas y ciencias que se observa en los resultados de las pruebas de la OECD.23,24 Los estudiantes a nivel licenciatura carecen de nociones básicas acerca de la ciencia, por lo que la conciben como algo tedioso, alejado de la realidad y sin aplicaciones concretas en la vida real. Frecuentemente los estudiantes confunden la ciencia con los cursos de metodología, diseño de investigación y filosofía de la ciencia, materias que tienden a considerar tediosas e inútiles, lo cual contribuye a distorsionar aún más su concepción acerca de la ciencia. Son muy pocos los estudiantes que han colaborado activamente en un proyecto de investigación, bajo 51 �Formación científica de los egresados de tres programas de maestría en ciencias: Seguimiento... / Candelaria Ramírez, et al. la asesoría directa de un científico. Esta situación ocurría -algunas veces- cuando el alumno llevaba a cabo una tesis de licenciatura, sin embargo, la UANL recientemente eliminó la tesis como una opción de titulación, con lo que elevó notablemente la cantidad de egresados que obtienen el título (eficiencia terminal), pero prácticamente anuló esta vía de interacción de los alumnos con la ciencia. En síntesis, la licenciatura tampoco promueve una formación científica, sino que enfatiza la formación profesional técnica. Debido a estas condiciones son muy pocos los estudiantes que ingresan al posgrado con la meta de formarse como científicos. Algunos ingresan con la idea de que van a capacitarse mejor para el trabajo en el campo profesional. Otros, con la idea de que los grados académicos les darán acceso a un mejor salario al trabajar en el medio profesional. Otros, terminan su licenciatura y no encuentran empleo, por lo que se inscriben al posgrado para obtener un ingreso económico (beca) que les permita subsistir por algunos años. Algunos programas de posgrado invitan a los alumnos con los promedios más altos de calificaciones, esto logra atraer estudiantes entrenados a cumplir requisitos, más que estudiantes con vocación hacia la ciencia. Por otro lado, no existe continuidad real entre los programas de maestría y doctorado, por lo que podría dar mejores resultados contar con programas de doctorado de 5 años, dirigidos desde el inicio a la formación científica. Otro problema en la formación son las condiciones en que se lleva a cabo la ciencia en México, el presupuesto para la ciencia es muy bajo y hay pocos científicos que puedan fungir como tutores de los alumnos del posgrado. Los científicos que trabajan 52 en México, cuentan con poco tiempo para la ciencia y para asesorar a sus alumnos, ya que tienen que dedicarse a otras actividades. Generalmente no cuentan con un presupuesto para hacer ciencia, por lo que se dedican a buscar y gestionar constantemente financiamiento para sus proyectos de investigación. Además, la mayor parte de los científicos son profesores en las distintas universidades del país, en las que perciben salarios muy bajos. En consecuencia, para conseguir ingresos extras recurren a varios tipos de apoyo disponibles, pero ello conlleva un aumento en actividades diferentes a la investigación; como llenar solicitudes, mantener actualizado su curriculum, escribir informes, evaluar proyectos y programas académicos de posgrado. Por un lado, solicitan ser miembros del SNI, cuando obtienen este apoyo prácticamente duplican su salario base. Aplican también al “Programa de estímulos al desempeño del personal docente para el fortalecimiento de los cuerpos académicos”, si obtienen este apoyo pueden triplicar su salario base. Sin embargo, para lograr este ingreso extra el profesor tiene que aplicar a dos convocatorias: obtener una constancia de “Profesor con Reconocimiento a Perfil Deseable PROMEP” y formar parte de un “Cuerpo Académico”.25 Esto significa llenar más solicitudes y cumplir otros requisitos, como: participar en el programa de tutorías (orientación académica) para alumnos de licenciatura, elaborar programas académicos, evaluar programas de posgrado y participar en actividades administrativas en su Universidad. México cuenta con muy pocos científicos, los cuales son indispensables para desarrollar la ciencia que se requiere para promover el desarrollo económico del país. En consecuencia, es muy importante formar científicos. Este trabajo analiza cuántos científicos se forman desde que se inscriben en la maestría en ciencias, de acuerdo con las condiciones actuales de la Universidad y del país. El resultado es pobre: el posgrado en México está formando pocos científicos. Este tipo de retroalimentación puede resultar útil para establecer mejores condiciones para formar científicos. Frecuentemente se evalúan los resultados del posgrado en México por medio de correlaciones de la cantidad de egresados, con la cantidad de doctores que se encuentran trabajando en las universidades y la cantidad de miembros del Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Formación científica de los egresados de tres programas de maestría en ciencias: Seguimiento... / Candelaria Ramírez, et al. SNI. Esa estrategia de evaluación es insuficiente, el presente estudio demuestra que se requieren estudios de seguimiento, de tal forma que se pueda verificar cuantos egresados del posgrado se están formando como científicos, con criterios claros, basados en su producción dentro del campo de la ciencia. Este tipo de análisis puede resultar útil para evaluar los resultados de un programa de posgrado, en términos de su eficiencia real en la formación de científicos. AGRADECIMIENTOS Este proyecto fue financiado por el Programa de Apoyo a la Investigación Científica y Tecnológica, de la UANL, Proyecto PAICYT-UANL DS25799), agradecemos también las facilidades que nos proporcionaron las autoridades y los alumnos de las maestrías en ciencias de Medicina, Biología e Ingeniería de la UANL. REFERENCIAS 1. Morales Z.M.A. Gestión pública de la ciencia y la tecnología. Ciencia y Desarrollo, 1999, 146, 41-45. 2. Muñoz E.L.E. Reflexiones sobre la investigación científica en México. 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Paris: OECD Publishing, 2010. 21 Loyola D.R., Paredes L.O. Tecnología sin ciencia: la apuesta del Gobierno Federal. Emeequis, 2008, 145, 46-52. 22 Valdez P. Problemas en la formación del científico en México. Ingenierías, 2009, 12(43), 12-18. 23 Guichard S. The education challenge in Mexico: delivering good quality education to all. Paris: OECD publishing, 2005. 24 Hopkins D., Ahtaridou E., Matthews P., Posner C., Toledo F.D. An analysis of the mexican school system in light of the PISA 2006. Paris: OECD Publishing, 2007. 25 Carmona R., Reyes B.H. La cultura de lo aparente: las evaluaciones al mundo académico. Ciencia, 2009, 60(3), 54-58. 53 �Secado y desalado de emulsiones de petróleo mediante microondas Arturo López Marure, Ariana Margarita Vázquez Almaguer, Luis Javier Andrade Cruz, Adrián Vázquez Vázquez Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada, Instituto Politécnico Nacional, Tamaulipas, México adrianvaz@hotmail.com RESUMEN Las emulsiones en la industria del petróleo son comúnmente mezclas de crudo, agua y productos químicos, y no son deseables. Se propone la separación de emulsiones con microondas como una alternativa para la deshidratación y desalación del petróleo. Por tal motivo se diseñó un equipo que permite evaluar el comportamiento de la temperatura de una emulsión cuando se expone a tratamiento por microondas y confirmar que se deshidrata y desala. PALABRAS CLAVES Microondas, desalado, emulsión, petróleo. ABSTRACT The emulsions in the oil industry are usually mixtures of oil, water and chemicals, and are not desirable. The separation of emulsions with microwaves is proposed as an alternative to oil dehydration and desalting. Therefore a device was designed to assess the temperature behavior of an emulsion when exposed to microwave treatment and confirm that is dehydrated and desalted. KEYWORDS Microwave, desalted, emulsion, oil. INTRODUCCIÓN En los últimos 30 años se han diseñado e implementado distintos equipos para la dispersión de fases inmiscibles como las emulsiones de agua y aceite.1,2 En la actualidad existen además una amplia gama de productos e industrias que producen emulsiones, tales como las industrias de alimentos, detergentes, productos farmacéuticos, cosméticos, pesticidas, la industria del petróleo y plantas de procesamiento de petróleo. También hay situaciones en que las emulsiones no se pueden evitar y se debe recurrir a diferentes técnicas para separar las dos fases, como en el caso de los procesos de producción y extracción de petróleo.3-5 Los yacimientos petroleros se encuentran con alto contenido de agua y aceite, y el agua por lo general contiene sales disueltas formando salmueras. El aceite y el agua al pasar a través de una válvula parcialmente abierta se mezclan y se forman emulsiones estables, generalmente del tipo agua en aceite.3,5 54 Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Secado y desalado de emulsiones de petróleo mediante microondas / Arturo López Marure, et al. Los métodos tradicionales para separar estas emulsiones incluyen calentamiento, descomposición microbiana, centrifugación y químicos, muchos de los cuales sólo ofrecen una separación parcial.1,6 Se plantea que el uso de microondas es una solución alternativa efectiva, limpia y libre de químicos al problema de la deshidratación y desalado de petróleo. Se demuestra en este trabajo que es posible utilizar las microondas en el deshidratado y desalado de petróleo como se hace con tratamientos que combinan el calentamiento por convección y fuerzas centrífugas. METODOLOGÍA El área de estudio se encuentra ubicada en los campos de extracción de petróleo localizados en la ciudad de Altamira, Tamaulipas, México. Se probaron dos tipos de muestras; 100% petróleo y 50-50% crudo-agua. Las variables a considerar fueron la temperatura de la emulsión durante la irradiación de microondas y el tiempo de irradiación. Se construyó un equipo que permitiera irradiar emulsiones y medir la temperatura, en un tiempo predeterminado. Se diseñó el módulo de medición de temperatura y el módulo de disparo del magnetrón. Módulo de medición de temperatura Para medir la temperatura de las muestras de petróleo se utilizó un sensor infrarrojo (Raytek modelo RAYTXSLTCF1) (figura 1), junto con el programa DataTemp Multidrop. El cual permite medir en tiempo real la temperatura mientras se están irradiando las muestras. Cabe señalar que la ventaja principal al medir la temperatura con el sensor infrarrojo, con respecto a sensores de fibra óptica o termopares,7 es que se puede medir la temperatura a distancia sin necesidad de que el sensor esté en contacto con la muestra a medir. Módulo de disparo del magnetrón El magnetrón opera a una frecuencia de trabajo de 2.45 GHz y a una potencia nominal de salida de 950 W. El módulo de disparo del magnetrón tiene una interfaz gráfica que controla el disparo del Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 magnetrón, el tiempo de duración de la irradiación de microondas, así como el muestreo (figura 2). El circuito de disparo del magnetrón se muestra en la figura 3, y está conectado por medio de un puerto USB. Fig. 1. Sensor infrarrojo. Fig. 2. Módulo de disparo y Medición de la temperatura. Fig. 3. Circuito de control de disparo del magnetrón. 55 �Secado y desalado de emulsiones de petróleo mediante microondas / Arturo López Marure, et al. Simulación Se seleccionó el método de elementos finitos empleando el software COMSOL Multiphysics, empleando los módulos de Ondas Electromagnéticas (RF) y Convección y Conducción de Calor. Se utilizan las dimensiones de la cavidad donde se irradian las muestras de petróleo junto con las condiciones iniciales reales (figura 4). Se hicieron dos simulaciones: Crudo y Crudoagua (50-50) irradiadas durante 30 y 60 segundos cada una. La simulación fue corroborada mediante el dispositivo que se construyó y que se utilizó para hacer las pruebas. Se analizaron dos muestras de líquidos la primera crudo-agua y la segunda crudo recolectado de los campos de extracción de petróleo TamaulipasConstituciones, cada muestra de 50 ml y fue irradiada durante 30 segundos y 60 segundos y se midió su temperatura durante todo el tiempo de irradiación. Caracterización por espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier El presente análisis tiene como objetivo observar los cambios funcionales obtenidos después de irradiar muestras de crudo en el rango de microondas; es de especial interés observar el comportamiento de las resinas y asfaltenos, ya que son estos los estabilizadores naturales de las emulsiones de crudo en agua. De igual manera el grupo funcional de los OH, C=C y los C=O representan la solubilidad de los hidrocarburos con el agua tanto por los puentes de hidrógeno que suelen presentarse como su comportamiento polar frente a un campo magnético. Se ha comprobado en otros trabajos que, los asfaltenos y resinas, estabilizan las emulsiones de crudo. La estabilidad de la emulsión no solo se define por la naturaleza química de los asfaltenos y resinas presentes en los crudos que varían en relación del yacimiento petrolero de origen, sino también por la capacidad de dispersión de estos materiales y la viscosidad del crudo mismo. Siendo los crudos pesados los de mayor grado de estabilidad en las emulsiones con agua por su alto contenido de estos grupos orgánicos. RESULTADOS Muestra de crudo-agua irradiada durante 30 segundos La muestra fue tomada directamente de la cisterna de la planta de inyección del campo TamaulipasConstituciones, ver figura 5. Ésta tenía alto contenido de crudo, por lo que se diluyó a un 50 % de agua de inyección y un 50 % de crudo, teniendo una temperatura inicial de 27 °C, y se irradió durante 30 segundos llegando a una temperatura final de 42 °C (figura 6). Fig. 5. Muestras de Agua-Crudo (50-50). Fig. 4. Esquema del equipo de irradiación de microondas en COMSOL Multiphysics. 56 Muestra de crudo-agua irradiada durante 60 segundos Con una temperatura inicial de 26 °C y una temperatura final de 140 °C, se irradió una muestra durante 60 segundos (figura 7), y se observó que el Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Secado y desalado de emulsiones de petróleo mediante microondas / Arturo López Marure, et al. Fig. 6. Muestra de Agua-Crudo Irradiada durante 30 segundos. Fig. 7. Muestra de Agua-Crudo Irradiada durante 60 segundos. Fig. 8. Muestras de Crudo. Fig. 9. Muestra de Crudo Irradiada durante 30 segundos. gradiente de temperatura es de 114 °C, visualizándose un incremento considerable en la temperatura en el segundo 25. Muestra de Crudo irradiada durante 30 segundos La muestra de la figura 8, fue tomada directamente de la cisterna de la planta de inyección del campo Tamaulipas-Constituciones, no se diluyó, y se tenía una temperatura inicial de 25 °C, posteriormente fue irradiada durante 30 segundos llegando a una temperatura final de 53 °C (figura 9). Muestra de Crudo irradiada durante 60 segundos Con una temperatura inicial de 26 °C y una temperatura final de 105 °C, se irradió una muestra durante 60 segundos (figura 10), se observa que el gradiente de temperatura comparada con la muestra de crudo-agua (50-50), irradiada durante 60 segundos es de -35 °C. Con esto se puede concluir que la relación Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 Fig. 10. Muestra de Crudo Irradiada durante 60 segundos. crudo-agua tiene un papel importante en el proceso de calentamiento de emulsiones de crudo-agua y por consiguiente, en el proceso de deshidratación. En la tabla I se muestran una comparación de las diferentes muestras que fueron irradiadas observándose un incremento de temperatura mayor en la emulsión de crudo-agua (50-50), al ser irradiada durante 60 segundos y de acuerdo al perfil de temperatura de la figura 7, un cambio en las 57 �Secado y desalado de emulsiones de petróleo mediante microondas / Arturo López Marure, et al. Tabla I.- Tabla comparativa de muestras irradiadas. Muestras de 50 ml Muestra de Crudo-Agua (50-50%) Muestra de Crudo-Agua (50-50%) Muestra de Crudo Muestra de Crudo Tiempo de Temperatura Temperatura Irradiación Inicial (°C) final (°C) (s) 30s 27 42 60s 26 140 30s 25 53 60s 26 105 propiedades físico-químicas de la muestras lo cual es corroborado por FTIR en la figura 11. Espectros de FTIR Se caracterizaron las muestras por FTIR antes de ser irradiado, y posteriormente a los 30 y 60 segundos de ser irradiados. Los grupos funcionales principales de absorción para las resinas y asfaltenos son cualitativamente idénticos. En los espectros obtenidos se pueden identificar los grupos funcionales listados en la tabla II. De acuerdo con los cambios de intensidad de las bandas de absorción después de interacción con la radiación de microondas (figura 11) se puede resumir que se produce: • Un aumento en el contenido de estructuras aromáticas, que se manifiesta en una mayor intensidad de las bandas en las regiones 1600, 3040, 870, 815 y 750 cm-1. Esto también puede relacionarse con un aumento en el grado de sustitución del hidrógeno en las estructuras aromáticas. • Un aumento en el contenido de (nafténicos) alifáticos y alicíclicos principalmente a expensas de los grupos CH2, como lo indica el aumento de la intensidad de las bandas en la región 2930, 2860 y 1470 cm-1 y del doblete en 730 - 720 cm-1. Un aumento en el número de grupos CH3 se indica mediante el fortalecimiento de la banda en la región de 1380 cm-1 y un crecimiento en el “valle” en 2950 cm-1. • Un aumento importante presenta la banda del grupo funcional OH a los 3400 cm-1 y en la 58 Tabla II. Grupos funcionales orgánicos de los espectros FTIR de Crudo. 1 2 3 4 5 N° de onda 3400 cm-1 3059 cm-1 2953 cm-1 2920 cm-1 2850 cm-1 Grupo OH =CH, =CH2 CH3 =CH2 CH3 6 2732 cm-1 C-H 7 1774 cm-1 C=O 8 1642 cm-1 NH2 9 1600 cm-1 C=C 10 1455 cm-1 CH3=CH2 11 12 1375 cm-1 1308 cm-1 CH3 S=O 13 1250 cm-1 C-O 14 15 1175 cm-1 1100 cm-1 C=S C-N 16 1032 cm-1 C-N 17 949 cm-1 =CH 18 871 cm-1 =CH 19 20 21 815 cm-1 750 cm-1 720 cm-1 =CH C-H 4(CH2) Descripción Alcoholes aromáticos metilo metilenos metilo hidrógeno aldehidico esteres ácidos y anhidro ácido aromáticos compuestos aromáticos metilo y metileno metilos sulfuros ácidos carboxilicos Amina en anillo Amina aromático sustituido aeromático sustituido Alquenos aromáticos Anillo Anillo metilenos Fig. 11. Espectros FTIR de las muestras de crudo agua. región 1774 cm-1 correspondiente a C=O. Esto se atribuye a la recuperación de compuestos polares solubilizados en el agua de inyección, como lo son alcoholes ésteres, ácidos y anhídrido ácidos. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Secado y desalado de emulsiones de petróleo mediante microondas / Arturo López Marure, et al. • El aumento de las bandas pertenecientes a la región comprendida en 1350 a 1000 cm-1, se traduce como un aumento de asfaltenos recuperados del agua de inyección durante la irradiación de microondas. SIMULACIÓN Mediante los datos obtenidos en laboratorio es posible validar el modelo propuesto por el simulador. En las figuras 10 y 11 se muestra el resultado de esta simulación después de introducir todas las condiciones iniciales, tales como: Temperatura inicial, Dimensiones del recipiente, cavidad, Potencia y Frecuencia del Magnetrón, Materiales y formas geométricas de todos los elementos que integran el dispositivo. Fig. 12. Visualización en 3D de la irradiación de Crudo -Agua (50-50) durante 60 segundos. Simulación de Crudo-Agua (50-50) irradiada durante 60 segundos En la figura 12 se muestra la simulación de la irradiación de crudo-agua, se consideró una temperatura inicial de 26 °C, se irradiaron durante 60 segundos 50 ml de crudo-agua, se observa una temperatura final de 130 °C en el centro de la base del recipiente; comparándola con los datos obtenidos experimentalmente en el cual se midió una temperatura final de 140 °C (figura 7), se puede ver que el modelo que utiliza el simulador se comporta de manera similar, permitiendo predecir el comportamiento de la temperatura dentro de la emulsión para así poder simular el equipo antes de construirlo. Simulación de Crudo irradiado durante 60 segundos En la figura 13 se muestra la simulación de la irradiación de crudo durante 60 segundos llegando a una temperatura final de 100 °C, se observa que el calentamiento se comporta de diferente manera con respecto a las muestras anteriores, propagándose el calentamiento por las paredes del recipiente, esto se debe al bajo valor de la constante dieléctrica del material lo cual no permite que las microondas penetren al centro del material, calentando primeramente el líquido que se encuentra en las paredes del recipiente. Lo anterior nos dará una idea de cómo calentar el líquido dependiendo de Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 Fig. 13. Visualización en 3D de la irradiación de Crudo durante 60 segundos. su constante dieléctrica, cuál va ser la propagación de las microondas y la forma geométrica de la cavidad resonante, para obtener la mayor eficiencia energética en la separación del agua-aceite. CONCLUSIONES Mediante el módulo de temperatura y con el sensor infrarrojo se mide la temperatura en tiempo real y sin necesidad de introducir ningún sensor dentro de la muestra ya que esto contaminaría la 59 �Secado y desalado de emulsiones de petróleo mediante microondas / Arturo López Marure, et al. muestra o el crudo dañaría al sensor. Mediante este módulo se puede visualizar la señal representativa de la temperatura y hacer un historial, para ser estudiadas posteriormente. Con el módulo de disparo del magnetrón se puede programar mediante la interfaz gráfica el tiempo o los intervalos de tiempo que se quiere que las muestras sean irradiadas, y hacer un paro por emergencias si la temperatura eleva los límites establecidos previamente y así tener el proceso de calentamiento por microondas bajo control. El crudo, después de ser irradiado con microondas, cualitativamente conserva los grupos funcionales que lo integran, solo existen modificaciones cuantitativas que se asumen por la recuperación de compuestos solubles en el agua de inyección. El aumento de intensidad del grupo OH (3400 -1 cm ) y C=O (1774 cm-1) confirma la recuperación de compuestos polares solubles en el agua de inyección. Los asfaltenos, principales estabilizadores de emulsiones, presentes en el agua de inyección se recuperan. Los espectros demuestran que el tiempo de irradiación correspondiente a 30 segundos arrojó mejores resultados de recuperación de hidrocarburos disueltos. Al simular el equipo para el calentamiento de emulsiones de petróleo por medio de microondas para el deshidratado y desalado de petróleo en COMSOL Multiphysics se comprueba que el modelo matemático que implementa el simulador se comporta de forma similar al proceso real ayudándonos a entender la interacción de las microondas con los líquidos y obteniendo una herramienta imprescindible en el diseño del equipo 60 para la industria petrolera especialmente para el deshidratado y desalado de petróleo. AGRADECIMIENTOS Se agradece al Grupo de Modelación Matemática y Computacional de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) en especial al Dr. Ismael Herrera Revilla. REFERENCIAS 1. M. Clausse and P. Becher, Encyclopedia of emulsion technology. New York: Marcel Dekker Ltd., 1985. 2. M. T. Toral, Fisicoquímica de superficies y sistemas dispersos: Ed. URMO, 1985. 3. S. Kokal and S. Aramco, Crude oil emulsions: A state of the art review, in Society of Petroleum Engineers SPE 77497 paper presented at the Annual Technical Conference and Exhibition held Texas, 2002, pp. 1-11. 4. C. Vega and M. Delgado, Treatment of waste-water/ oil emulsions usign microwave radiation, in Society of Petroleum Engineers SPE 74167 paper presented at the Conference on Health Safety and Enviromental in Oil and Gas Exploration and Production held in Kulua Lumpur-Malasya 2002, pp. 1-12. 5. L. L. Schramm, Emulsions: Fundamentals and applications in the petroleum industry. Washington D.C.: American Chemistry Society, 1992. 6. P. Rajinder, Techniques for measuring the composition (oil and water content) of emulsions - a state of the art review, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, vol. 84, pp. 141-193, 1994. 7. Fabián Ortiz, Medición en línea de la temperatura de una muestra en una cavidad de microondas, 2010. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Estimación instantánea de fasores oscilantes usando filtros TaylorK-Kalman José Antonio De la O Serna, Johnny Rodríguez Maldonado Doctorado en Ingeniería Eléctrica, FIME-UANL jdelao@ieee.org RESUMEN La matriz de transición de estados que aproxima un polinomio de Taylor de orden K a la envolvente compleja y sus primeras derivadas conduce a una pluralidad de representaciones de la señal pasabanda de una oscilación en un sistema de potencia. Disponiendo del vector de estados con las derivadas del polinomio, es posible aplicar el algoritmo de Kalman a estos modelos de señal truncados y obtener observadores (filtros) capaces de estimar el fasor dinámico y sus derivadas. Las estimaciones obtenidas con esta técnica son instantáneas (sin retraso), un atributo importante para aplicaciones de control o de monitoreo síncrono. Además, las estimaciones incluyen a la frecuencia, variable crucial para determinar la inestabilidad del sistema. El nuevo filtro reduce el vector total de error conseguido con el filtro tradicional de Kalman, es mucho más estable, y con transitorios cinco veces más cortos; además mejora las estimaciones fasoriales de oscilaciones con fluctuaciones de frecuencia. PALABRAS CLAVE Fasor dinámico, filtro de Kalman, observadores, filtros digitales, estimación de estados, estimación de frecuencia, sincrofasores, protecciones, redes de área amplia. ABSTRACT The state-transition matrix of the K-th order Taylor approximation to the dynamic phasor and its first derivatives leads to a plurality of state-space representations to approach the bandpass signal model of a power oscillation. With these truncated signal models, the Kalman filter algorithm can be applied to their state vectors in order to find observers able to estimate the dynamic phasor and its first derivatives. The estimates obtained through this technique, from oscillatory signals, are not only instantaneous (no delay) but also synchronous, an important attribute for control applications. They also provide frequency estimates. The new filters reduce the total vector error achieved with the traditional Kalman filter; are much more stable, with settling times five times lower; and improve the phasor estimates of oscillations with frequency offset. KEYWORDS Dynamic phasor estimation, frequency estimation, synchrophasors, Kalman filter, Fourier filter, power system measurements and protection, wide area networks, state estimation. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 61 �Estimación instantánea de fasores oscilantes usando filtros TaylorK-Kalman / José Antonio De la O Serna, et al. INTRODUCCIÓN La estimación del fasor bajo condiciones transitorias es un tema común hoy en día debido a la reciente revisión del estándar de sincrofasores.1 Por un lado, la introducción de las condiciones dinámicas para el concepto clásico del fasor rompe con un viejo esquema fundamental y muy útil en la ingeniería de potencia. Por el otro, se carece de una teoría unificadora que explique la conducta y la relación entre las diferentes técnicas de estimación fasorial, con la cual se pueda recomendar la mejor. Hay muchos algoritmos de estimación fasorial bajo condiciones transitorias. Aun cuando la norma1 no especifica el método de estimación fasorial,2 menciona (Anexo C) tres de estos como ejemplo: El filtro de Fourier de un ciclo,3 el de respuesta plana de tres ciclos,4 y el Coseno Elevado (RCF) de cuatro ciclos.5 Los esfuerzos para mejorar el primer método bajo condiciones transitorias, y en vista de la estimación de frecuencia, se han reportado en 6,7 y 8. El concepto de fasor dinámico fue propuesto primeramente por 9 para seguir la dinámica de las desviaciones de periodicidad de señal en corriente y voltaje en los sistemas de potencia. Se define como la estimación del primer coeficiente de Fourier con la transformada discreta de Fourier de un ciclo, que utiliza el mismo modelo de señal estática del filtro de Fourier .3 Fue en 10,11 donde se sugirió una mejora de la estimación, relajando la restrictiva suposición de amplitud y fase constante del fasor estático por una función suave de banda limitada. Este relajamiento estableció un modelo de fasor de señal fluctuante. La posibilidad de aproximar el fasor dinámico con un polinomio de Taylor mediante el método de mínimos cuadrados, condujo a la inclusión de términos de Taylor en la transformada de Fourier. Esta técnica, llamada Transformada Taylor-Fourier,12 utiliza mínimos cuadrados ponderados (WLS, weighted least squares) y obtiene filtros de respuesta impulsional finita (FIR). Estos proporcionan una mejor aproximación (en el sentido de mínimos cuadrados) no sólo del fasor, sino además de sus primeras derivadas, a la mitad de la ventana temporal de observación. Este retraso de la estimación es precisamente uno de los inconvenientes de esta técnica, debido a la extensión temporal de los vectores componentes del modelo de señal. 62 La idea principal de este artículo es usar el filtro de Kalman como un observador capaz de construir (estimar) la señal de entrada con el fasor dinámico y sus derivadas en un vector de espacio de estados. La idea se basa en el hecho de que el filtro de Kalman es muy buen estimador de señal, siempre y cuando su modelo se ajuste a la señal de entrada. En nuestro caso, las estimaciones instantáneas dependen sólo del fasor instantáneo y su complejo conjugado. Y ya para el modelo de segundo orden, las estimaciones son muy buenas. El filtro de Kalman se propuso originalmente para estimación fasorial en aplicaciones de protecciones en las referencias13,14. El problema es que su uso se vinculó intrínsecamente con el viejo modelo de fasor estático, ejemplo de ello se puede confirmar en las referencias15,16,17. Esto además explica porqué las publicaciones subsecuentes18,19 se refieren al filtro de Kalman como si se tratara de uno solo. En la referencia3, por ejemplo, el filtro de Kalman se comparó con el filtro de Fourier de medio ciclo donde el ruido del sistema es nulo y el ruido en la señal es constante; y desde entonces, el filtro de Fourier prevaleció sobre el filtro de Kalman en las subsecuentes publicaciones de estimación fasorial. Pero esta comparación no toma en cuenta que las estimaciones fasoriales proporcionadas por la descomposición de señal de Fourier tienen retardo, mientras que las obtenidas por la descomposición de la señal a través de Kalman son instantáneas. Además, es bien conocido que la estimación del filtro de Kalman depende fundamentalmente del modelo en espacio de estados de la señal,20 y su extraordinario desempeño cuando éste coincide con la señal de entrada. En este artículo (cuya versión en inglés se puede encontrar en la referencia 21) se presentan los resultados del uso del algoritmo de filtro de Kalman para estimar no sólo el fasor dinámico, sino también sus derivadas. El modelo de señal en espacio de estados usado en el corazón del algoritmo de Kalman se obtiene de las derivadas del polinomio de Taylor del K-ésimo orden aproximado a la envolvente compleja de la oscilación. Esto corresponde a la aproximación de Taylor para una señal compleja pasa banda. Su modulación se obtiene mediante una simple rotación en el plano complejo a la frecuencia fundamental. Su principal contribución consiste Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Estimación instantánea de fasores oscilantes usando filtros TaylorK-Kalman / José Antonio De la O Serna, et al. en aportar la matriz de transición de estados para aproximar un polinomio de Taylor de orden K a las variaciones de amplitud y fase, entre una muestra de la señal y la siguiente, al ser procesadas por el filtro de Kalman. Esta flexibilidad dinámica le permite al filtro de Kalman estimar señales oscilatorias con gran precisión y, al mismo tiempo, proveer estimaciones instantáneas no sólo del fasor, sino también de sus derivadas, incluidas en el vector de estados. Las estimaciones obtenidas en un ejemplo real con fluctuaciones, y en las señales de prueba ilustradas en la referencia1 muestran la mejora obtenida con esta nueva técnica de estimación fasorial. La nueva aproximación es muy diferente a la reportada en7 que estima la frecuencia dinámica de dos estimaciones consecutivas del fasor usando ecuaciones diferenciales finitas. En esta solución, el error debido a las condiciones dinámicas se agrega a la gran sensibilidad del ruido de las ecuaciones en diferencias finitas. El artículo está organizado como sigue: En la sección 2, se obtiene y describe el espacio de estados del modelo de señal. Después, en la sección 3, se declaran las ecuaciones del filtro de Kalman tal como se implementaron en este artículo, junto con sus principales referencias. Finalmente, en la sección 4, se presentan y discuten los resultados obtenidos con el modelo de señal de orden cero y dos. La principal conclusión es que el filtro de Kalman es capaz de proveer buenas estimaciones instantáneas (sincronizada y sin retraso) no sólo del fasor, sino también de sus primeras derivadas. Estos resultados son prometedores y sin duda tendrán un impacto positivo sobre la conformación de la nueva norma de sincrofasores. MODELO DE SEÑAL En 10,11 se propuso el modelo de una señal pasabanda para sistemas de potencia oscilatorios: s (t ) = a (t )cos (2πf1t + ϕ(t )) (1) en donde a(t) es la amplitud y φ(t) la fase de la señal s(t). Se asume que la señal pasabanda es de banda estrecha alrededor de la frecuencia central f1. Esto significa que las variaciones de amplitud y fase son suaves con respecto a la onda cíclica. En términos de la función exponencial compleja el modelo de señal puede simplificarse como: Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 s (t ) = (p(t )e 2 1 j 2 πf1t = R{ p (t )e j 2 πf1t } + p (t )e − j 2 πf1t − T ≤t≤ ) T (2) 2 2 donde p(t)=a(t)ejφ(t) es el fasor dinámico. Es posible aproximar a la función compleja del fasor dinámico p(t), con un polinomio de Taylor de orden K centrado en t0: pK = p (t0 ) + p� (t0 )(t − t0 ) +…+ p ( K ) (t0 ) t0 − T ≤ t ≤ t0 + (t − t 0 ) K K! T (3) 2 2 La matriz de transición de estados se obtiene fácilmente derivando sucesivamente el polinomio de Taylor. Para τ=t-t0 tenemos: τ2 τK � t0 )τ + �� pK (t ) = p (t0 ) + p( p (t0 ) +…+ p K (t0 ) 2! K! p� K (t ) = p� (t0 ) + �� p (t0 )τ +…+ p K (t0 ) τ K −1 (4) ( K − 1)! pKK (t ) = p K (t0 ) Finalmente, la transición de estados es dada por: pk (t ) = Φ k (τ) pk (t0 ) (5) donde pk(t) es el vector de estados y la matriz de transición es de la forma: ⎛ τ2 τK ⎞ … ⎜1 τ ⎟ K! ⎟ 2! ⎜ ⎜ τ K −1 ⎟ ⎜ 1 τ … ⎟ ( K − 1)! ⎟ ⎜ (6) Φ K (τ) = ⎜ τK −2 ⎟ ⎜ ⎟ 1 … ( K − 2)! ⎟ ⎜ ⎜ ⎟ % # ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ 1 ⎝ ⎠ Para un orden polinomial dado, la aproximación es más exacta cuando t→t0 si p(t) es una función suave. El modelo truncado puede aplicarse en el instante de tiempo t0 con suficiente precisión a condición de que el intervalo τ sea pequeño. Esta condición se logra entre dos muestras digitales de la señal ya que generalmente se aplica un periodo de muestreo mucho más corto que el periodo fundamental T1 = 1 . En este artículo se asume que f1 63 �Estimación instantánea de fasores oscilantes usando filtros TaylorK-Kalman / José Antonio De la O Serna, et al. la señal es muestreada a N1=64 muestras por ciclo, de esta manera τ = T1 / 64 . Este es un periodo de tiempo muy corto con respecto a las fluctuaciones lentas de p(t), presentes en el sistema de potencia. El modelo truncado de señal es dado por: sK (t ) = R{hT pK (t )e j 2 πf1t } = R{hT rK (t )} (7) donde r(t) es la versión rotada del fasor dinámico y hT=[10ø...ø], con K ceros. Asumiendo t0=(n-1)τ y t=nτ, tenemos la siguiente transición de estados entre los vectores discretos rotados: rK (n) = Φ K (τ)ψ1rK (n − 1) (8) jθ1 donde ψ1 es el factor de fase ψ1=e , correspondiente a la frecuencia fundamental (θ 1=2 f 1τ=2 /N 1). Finalmente, para definir la ecuación de transición de estados como: 0 ⎛ rK (n) ⎞ ⎛ ψ1Φ K (τ) ⎞⎛ rK (n − 1) ⎞ ⎜ ⎟=⎜ ⎟⎜ ⎟ (9) ψ1Φ K (τ) ⎠⎝ rK (n − 1) ⎠ 0 ⎝ rK (n) ⎠ ⎝ el modelo truncado de la señal es dado por: ⎛ r ( n) ⎞ 1 (10) sK (n) = hT hT ⎜ K ⎟ 2 ⎝ rK (n) ⎠ Estas ecuaciones muestran la dependencia instantánea del modelo de señal sobre el fasor dinámico. El filtro Taylor-Kalman es un seguidor de señal que efectúa una descomposición instantánea de señal en sus diferentes componentes fasoriales. Las mejores estimaciones fasoriales se obtienen cuando se alcanza el menor error de estimación de señal, y esto sucede cuando la señal de entrada está en el subespacio generado por el modelo de señal. Este es precisamente el caso de oscilaciones suaves en el subespacio de segundo orden (K=2), como veremos en los resultados numéricos, en donde se alcanzan errores de estimación de señal de millonésimas. La matriz de transición en (9) es 2(K+1)x2(K+1) y trabaja con el fasor girado (o modulado), por lo que para obtener las estimaciones fasoriales, se deben antirrotar las del filtro de Kalman. Note que el modelo en espacio de estados de la ecuación (9) contiene información genética del desarrollo de la trayectoria de una muestra a la siguiente. El modelo de la señal en espacio de estados (K=0) obliga al fasor a moverse en círculos de una muestra a la siguiente. Con la matriz de transición de estados de Taylor en (6), permite la estimación del fasor con mayor flexibilidad en las trayectorias, limitadas por el término de orden más alto en el polinomio. ( 64 ) En la siguiente sección, consideraremos cómo se usa este modelo de señal truncada en el filtro de Kalman. Este filtro descompone la señal de entrada en los componentes del vector de estados. La descomposición de Kalman y sus estimaciones son instantáneas, sin el retraso implícito de la descomposición del filtro de Fourier. FILTRO DE KALMAN En esta sección se adopta el desarrollo del filtro de Kalman en,22 pp.381-384. Otras referencias se pueden encontrar en.23,20,3 El modelo del vector de estados es: x (n) = Φx (n − 1) + Γv(n) (11) en el cual la matriz de transición y el vector de estados se definen en (9), y ΓT=(hThT), donde v(n) es un ruido blanco gaussiano (WGN) que afecta solo los componentes del fasor rotado, i.e., las derivadas no son afectados por el ruido. Por otro lado, la observación (o medición) del modelo es: s (n) = Hx (n) + w(n) (12) Asumiendo que la señal es afectada por un ruido aditivo WGN en w(n). Finalmente, del modelo de señal en (10), se tiene que H = 1 (hT hT ) . 2 El proceso recursivo de Kalman se define mediante la siguiente secuencia para el n-ésimo ciclo: 1. Predicción (a) Predicción del estado xˆ − (n) = Φxˆ (n − 1) (13) (b) Error de covarianza a priori P − (n) = ΦP (n − 1)Φ H + ΓΓT σv2 (14) Medición 2. (a) Ganancia de Kalman K (n) = P − (n) H T ( HP − (n) H T + σ 2w ) −1 (15) (b) Actualización del estado xˆ (n) = xˆ − (n) + K (n)( s (n) − Hxˆ − (n)) (16) (c) Error de covarianza a posteriori P ( n) = ( I − K ( n) H ) P − ( n) (17) 2 2 Donde σv y σ w son la varianza de la entrada y del ruido en la medición respectivamente. El proceso comienza con x(0)=0 y P(0)=109I para las condiciones iniciales desconocidas de estado en la matriz de covarianza. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Estimación instantánea de fasores oscilantes usando filtros TaylorK-Kalman / José Antonio De la O Serna, et al. RESULTADOS NUMÉRICOS Señal de prueba La señal en (1) se toma como señal de prueba con la siguientes funciones de amplitud y fase: a (t ) = a0 + a1 sin (2πf a t ) (18) ϕ(t ) = ϕ0 + ϕ1 sin (2πf ϕt ) (19) Con los siguientes parámetros en amplitud: a0=1, a1=0.1, y fa=5 Hz; fase:φ0=1, φ1=0.1, fφ=5 Hz; y ruidos: σv2 = 0.01 , y σ 2w = 10−4 , que corresponden a una relación señal a ruido (SNR) de 37 dB, correspondientes a una conversión de análogo a digital de 6 bits. Además del ruido blanco, los algoritmos se probaron con ruido rosa 24 y básicamente con los mismos umbrales de error, y se encontró básicamente el mismo comportamiento. Merece la pena mencionar que el estándar1 no contiene ninguna especificación involucrada con respecto a la conversión análogo digital de la señal de entrada,2 y menos aún alguna referencia a los diferentes tipos de ruido. Modelo de orden cero Los siguientes resultados son obtenidos con el modelo truncado de orden cero Φ0. Como se puede ver en figura 1, el filtro de Kalman con la matriz de transición de estados de orden cero proporciona una buena estimación de señal. Logrando errores de estimación de señal del orden de 10-5. Desafortunadamente, el problema no consiste en estimar la señal de entrada, sino su fasor. Fig. 1. Señal estimada y error estimado con el modelo de señal de orden cero. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 Fig. 2. Fasor estimado. Amplitud y fase estimados usando el modelo de señal de orden cero. Las componentes de amplitud y fase ideales son mostradas en figura 2 con línea azul, mientras sus estimaciones con línea verde. La estimación exhibe un comportamiento indeseable corrugado similar a la infiltración en el célebre filtro de Fourier de un ciclo (ver figura 5 en la referencia5 ). Este comportamiento se percibe con mayor claridad en la trayectoria seguida en el plano complejo por las estimaciones mostradas en figura 3. Las ganancias de Kalman son reales y convergen en 0.9902 después de los tres primeros ciclos fundamentales. La figura 4 muestra el comportamiento del vector total de error (TVE, Total Vector Error), que es similar al de la figura 10 en la Fig. 3. Trayectoria del fasor complejo (línea azul) y estimación (linea verde) producida con el modelo de señal de orden cero. 65 �Estimación instantánea de fasores oscilantes usando filtros TaylorK-Kalman / José Antonio De la O Serna, et al. Fig. 4. Vector total de error conseguido con el modelo truncado de orden cero. Fig. 5. Señal estimada y error estimado obtenidos con el modelo de señal de segundo orden. Como se puede ver en la figura 5, la estimación de la señal se ha mejorado. Con el modelo de segundo orden de señal, el error se reduce por un factor de diez. El aumento del orden del polinomio de Taylor mejora también la estimación del fasor, que ahora está más cerca de la amplitud real y secuencia de fase como se puede ver en la figura 6. Es evidente que el efecto corrugado en las estimaciones previas ha desaparecido. Este efecto puede confirmarse en la figura 7, que muestra una trayectoria compleja suave cerca de la real dada por la línea azul. Finalmente, se muestra la evolución del TVE en la figura 8, que se ha reducido por un factor de diez con respecto al del caso previo. Fig. 6. Estimación del fasor. Amplitud y fase estimados con modelo de señal de segundo orden. referencia 5. Como se puede ver, incluso si el filtro de Kalman proporciona buenas estimaciones de señal con el modelo de orden cero, la estimación del fasor no es tan buena como se quisiera. Además, con el modelo de orden cero es imposible estimar la velocidad y aceleración del fasor. En la siguiente subsección se muestra cómo se mejoran las estimaciones con el filtro de Kalman con el modelo de señal de segundo orden. Modelo de segundo orden Los siguientes resultados se obtuvieron con el modelo de segundo orden (Φ2). La matriz de transición de estados es ahora de 6 x 6 elementos. Se aplican los mismos niveles de ruido del caso anterior, σv2 = 0.001 y σ 2w = 10−4 , y las mismos valores de inicio para la matriz de covarianza P(0). 66 Fig. 7. Trayectoria del fasor complejo (linea azul) y estimación (linea verde) obtenidas con el modelo de señal de segundo orden. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Estimación instantánea de fasores oscilantes usando filtros TaylorK-Kalman / José Antonio De la O Serna, et al. Fig. 8. Vector total de error (TVE) conseguido con el modelo truncado de segundo orden. Con el modelo de segundo orden es posible obtener las primeras derivadas de la estimación del fasor como se puede ver en la figura 9, en donde se muestran la primera derivada de amplitud y fase (línea azul) con sus estimados (línea verde). Estas derivadas corresponden a la velocidad de amplitud de la oscilación y la fluctuación de frecuencia (con respecto a la frecuencia fundamental) respectivamente. Está claro que estas estimaciones no son tan lisas como las estimaciones del fasor, debido a su comportamiento vibratorio. Sin embargo, estos resultados son mejores que los que se muestran en la referencia 20, capítulo 5, figura 5,17. El efecto vibratorio es más evidente en figura 10, que ilustra el error de la estimación normalizado rms error (NRMSE) de la velocidad y el Fig. 9. Estimación de la primera derivada del fasor. Velocidad y frecuencia estimadas obtenidas con el modelo de señal de segundo orden. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 Fig. 10. Normalización del error de velocidad y frecuencia obtenidos con el modelo de segundo orden. cálculo de fluctuación de frecuencia, igual a 0.0332 y 0.0560, respectivamente. La señal de error se reduce diez veces más con el modelo de cuarto orden, sin embargo la reducción del nivel de TVE y NRMSE no es tan notable, si además se tiene en cuenta el aumento en complejidad numérica del modelo de señal. El vector de ganancias de Kalman de este ejemplo se congeló al alcanzar el primer estado estable, como se puede ver en en figura 11. Después de ese intervalo en estado estable, las ganancias varían nuevamente, y la conducta de las estimaciones se degrada a una muy similar a la del modelo de orden cero. El vector de ganancias es el siguiente: K=(0.99208-1.6051i, 167.21-406.19i, 8538.9-4,4603.0i)T. Las ganancias de la segunda mitad son simplemente el complejo conjugado de las primeras. Fig. 11. Magnitud de los elementos del vector ganancia del filtro Kalman. 67 �Estimación instantánea de fasores oscilantes usando filtros TaylorK-Kalman / José Antonio De la O Serna, et al. Reducción del TVE Es interesante analizar el comportamiento del TVE cuando la frecuencia de muestreo varía o el orden del polinomio de Taylor usado en el modelo de señal cambia. La figura 12 muestra la raíz cuadrática media (root mean square, rms) del TVE en por ciento. El rms se define como: 1 N rms (TVE ) = TVEn2 (20) N n =1 por las muestras en un número entero de ciclos. Esta es una buena medida de la media del error (dado en %). Como se puede ver en la figura, los niveles de error son similares para K=0, y 1; y para K=2,3, y 4. Este comportamiento indica que el término al cuadrado de Taylor en el modelo de la señal es crucial para reducir el error de la estimación fasorial. El término impar no reduce el error de estimación fasorial. Descubrimos que a partir del segundo orden las estimaciones fasoriales del filtro de Kalman son instantáneas, y que el error de las estimaciones de orden inferior a dos se debe principalmente a un retraso. El aumento lento del nivel de error en las frecuencias de muestreo más altas, en la segunda curva, se explica por un ligero aumento en la sensibilidad al ruido en las altas frecuencias. Por otro lado, también se observó que las estimaciones de las derivadas se mejoran cuando el orden del polinomio de Taylor se incrementa. En el caso de K=0,1, las ganancias de Kalman convergen rápidamente a valores constantes, sin embargo con K=2,3 y 4, dichas ganancias tienen un comportamiento de estado estable como se muestra Respuesta al escalón de magnitud y fase Para ilustrar la respuesta transitoria del filtro, se considera la respuesta a un escalón de amplitud y fase citado en la referencia 1, anexo G.2 y G3. La figura 13 ilustra la respuesta transitoria de las estimaciones de amplitud y fase obtenidas con los filtros de Kalman con modelos de cero y segundo orden. El filtro de orden cero produce largas oscilaciones en la estimación de amplitud, que corresponden a la trayectoria espiral en el plano complejo que termina en el valor final del fasor, como se puede ver en la figura 14. Esta transición dura alrededor de doce ciclos, indicando la presencia de polos resonantes cerca del círculo unitario en el plano complejo. La transición del filtro de segundo orden es de mucho menor amplitud y más corta (alrededor de dos ciclos) que la anterior. Finalmente, las estimaciones de la primera derivada del fasor proporcionada por el filtro de segundo orden se ilustran en la figura 15. Es evidente que la respuesta transitoria de las derivadas de magnitud y fase duran también alrededor de dos ciclos, con valores de estimación grandes cerca del origen, como era de esperarse de la derivada de un cambio tipo escalón. Esta tiene valores grandes debido a la discontinuidad en cero de la señal de Fig. 12. Raíz de la media cuadrática del TVE (en %) como una función de frecuencia de muestreo (M=2m muestras por ciclo) y del grado K del polinomio de Taylor. Fig. 13. Estimaciones de magnitud y fase obtenidas con el filtro de Kalman de segundo orden. ∑ 68 en la figura 11 en la misma posición de tiempo pero a diferente índice de muestreo sobre la frecuencia de muestreo. Todos estos observadores de Kalman usaron las ganancias de Kalman logradas en el centro del periodo en estado estable. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Estimación instantánea de fasores oscilantes usando filtros TaylorK-Kalman / José Antonio De la O Serna, et al. Fig. 14. Estimaciones de magnitud y fase proporcionadas por el filtro de Kalman de segundo orden. Fig. 16. Estimaciones de amplitud y fase de una señal con escalón en frecuencia, obtenidas con el filtro de Kalman de segundo orden. de la estimación fasorial en el plano complejo. El filtro de orden cero produce considerables errores de magnitud como se puede ver en la trayectoria seguida en el plano complejo. Finalmente, la figura 18 muestra la estimación de la derivada del fasor con el filtro de segundo orden. Note que la frecuencia estimada converge al escalón en frecuencia ideal después de dos ciclos. Sin embargo un error perceptible es inevitable debido al hecho del escalón en frecuencia de la señal está fuera del modelo de señal. Los pequeños cambios después del segundo ciclo son sin duda debidos a la infiltración de la componente fundamental negativa, Fig. 15. Estimaciones de la primera derivada de amplitud y fase brindadas por el filtro de Kalman de segundo orden. prueba, en donde el modelo de Taylor no es tan apropiado como en el caso anterior de fluctuaciones suaves de amplitud y fase. Estimación de la respuesta al escalón de frecuencia Finalmente, se muestra la prueba de la estimación del escalón de frecuencia (+5 Hz) incluída en la norma, referencia 1, anexo G.4. La figura 16 ilustra la estimación de amplitud y fase del filtro. Note que se ha comparado el desarrollo de ambos filtros en la estimación de fase pero no en la estimación de magnitud. Esta discrepancia se puede entender mejor en la figura 17 que muestra la trayectoria Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 Fig. 17. Trayectoria del fasor obtenido con los filtros de orden dos y cero, de una señal con escalón de frecuencia. 69 �Estimación instantánea de fasores oscilantes usando filtros TaylorK-Kalman / José Antonio De la O Serna, et al. Fig. 18. Estimación de amplitud y fase de la primera derivada con el filtro de Kalman de segundo orden, en la señal con escalón de frecuencia. Fig. 19. Señal de prueba y señal de error estimada. ya que esta componente es vista desde 65 Hz a 130 Hz. El periodo de este tipo de infiltración sería de 130/60=2.1667 ciclos por periodo fundamental, que corresponde precisamente con el período del error de la onda percibido en la figura 16 y 18. Sin embargo, debe hacerse más investigación para mejorar la respuesta de las estimaciones de las derivadas ante transitorios abruptos. RESULTADOS EXPERIMENTALES El modelo de señal usado en este artículo está basado en una señal pasabanda. En realidad, las señales de los sistemas de potencia pueden contaminarse por armónicas o componentes de corriente directa no contemplados en dicho modelo ver ecuaciones (9) y (10). En esta sección el método propuesto es aplicado a una señal tomada de la práctica con un PMU de una subestación. La figura 19 ilustra la señal, así como el nivel de error de estimación con el estimador de orden cero y dos. Esta señal viene muestreada a 48 muestras por ciclo. Debido a que esta señal fue tomada en una subestación, no se le agregó ruido. Note que el error de estimación de la señal es muy pequeño. La estimación del fasor (amplitud y fase), así como de sus derivadas se muestran en la figura 20. Es evidente que las estimaciones son ruidosas. Esto es debido a la presencia de la quinta armónica que se infiltra en las estimaciones de acuerdo con un análisis espectral de la señal. Una solución a este inconveniente sería prefiltrar la señal con un 70 Fig. 20. Estimaciones de amplitud y fase de la señal de prueba con K=0,2 y sus primeras derivadas obtenidas con el filtro de Kalman de segundo orden. filtro pasa banda para quitarle la armónica, pero ésta ocasionaría un retraso de uno o dos ciclos, además del cómputo de una convolución por muestra. La mejor solución consiste en extender la matriz de transición en (9) incluyendo en la diagonal la matriz ψ1h Φ y su complejo conjugado por armónica h. Esta opción es más apropiada porque sólo aumenta la cantidad de ganancias de Kalman por un factor igual a dos veces la cantidad de armónicas que desea excluir. La figura 21 muestra los estimados obtenidos mediante esta solución. La mejora en las estimaciones es evidente, y esta aplicación solo necesita el doble de las ganancias de Kalman. Podemos ver que las estimaciones son muy buenas. Este método ampliado nos permite estimar los coeficientes de Taylor-Fourier11 o los coeficientes de Fourier (DFT) con el filtro de Taylor K-Kalman. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Estimación instantánea de fasores oscilantes usando filtros TaylorK-Kalman / José Antonio De la O Serna, et al. Fig. 21. Mejora de estimación sin la interferencia de la quinta armónica. El número de productos por estimación de estados es de (2 H + 1)[( K + 1) 2 + 2( K + 1)] donde el modelo de señal contiene H armónicas y la componente de cd. DISCUSIÓN En el contexto de la protección de los equipos de transmisión, se hace mucho más hincapié en señales con cambios abruptos que con oscilaciones. Este particular explica porqué el filtro de Fourier de un ciclo es el prototipo de esta aplicación: en un cambio repentino entre dos estados estables la estimación fasorial alcanza buenas estimaciones de un estado estático al siguiente. Esto explica también que el estándar actual de sincrofasor,1 se base en el modelo estático de fasor, pero en clara contradicción con la naturaleza dinámica de las oscilaciones. E incluso cuando se aplica de forma recursiva, sus estimaciones heredan fuertemente los defectos de la restrictiva condición estática impuesta. El fasor dinámico, no es dinámico porque se aplica de forma recursiva, sino porque su modelo de señal incorpora términos de Taylor de orden mayor a cero. Bajo oscilaciones, no es lo mismo una serie de estimaciones fasoriales estáticas que una serie de dinámicas. Las estimaciones del filtro de Fourier son pobres debido a las infiltraciones de las oscilaciones en las altas derivadas. Una especie de solapamiento de Taylor, en el cual, las altas derivadas excluidas por el modelo estático de señal, se proyectan en las estimaciones fasoriales, debido a la no ortogonalidad de los términos de Taylor. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 Al extender el modelo de señal a un mayor subespacio incluyendo derivadas de orden más alto, el filtro de Taylor K-Kalman es capaz de seguir las fluctuaciones lisas con mejor precisión, impidiendo la infiltración de las derivadas incorporadas en su modelo de señal. Por supuesto, ante cambios abruptos, las derivadas de orden más alto a las incluídas en el modelo se infiltrarán en sus estimaciones. En ese caso, el filtro Taylor K-Kalman, como cualquier sistema dinámico, puede caracterizarse por su respuesta transitoria. Pero entre el subespacio del modelo estático (K=0), y el del modelo transitorio (K=∞), hay una serie de subespacios que albergan las derivadas de las fluctuaciones suaves. Este artículo descubre las ventajas del subespacio de orden dos (K=2) con respecto al subespacio estático (K=0). En nuestra opinión, la principal contribución del presente artículo, además de restaurar el filtro de Kalman en aplicaciones de estimación fasorial, es la creación de un nuevo campo de aplicación para la estimación fasorial, mucho más adecuado para la aplicación de los PMUs (Phasor Measurament Unit) en redes de transmisión de área amplia. Su principal contribución es proporcionar un instrumento teórico nuevo para medir las oscilaciones de los sistemas de potencia, en condiciones que sobrepasan los límites del puro contexto de protecciones. CONCLUSIONES Es posible representar por medio de una matriz de transición de estados la aproximación de un polinomio de Taylor a la envolvente de las oscilaciones de un sistema de potencia, como una combinación lineal del fasor dinámico y sus primeras K derivadas. El algoritmo del filtro de Taylor-Kalman puede aplicarse a señales de potencia oscilatorias para obtener buenas estimaciones instantáneas del correspondiente fasor oscilante y sus primeras derivadas, por la capacidad de los polinomios de Taylor para aproximarse a variaciones suaves. Las estimaciones logradas con el modelo de segundo orden mejoran considerablemente las de orden cero ante oscilaciones suaves. El filtro de segundo orden reduce por un factor de diez el TVE del de orden cero (filtro de Kalman tradicional en protecciones). El filtro de segundo orden es mucho más estable que el filtro de orden cero, estableciendo 71 �Estimación instantánea de fasores oscilantes usando filtros TaylorK-Kalman / José Antonio De la O Serna, et al. tiempos de respuesta transitoria alrededor de cinco veces menor (de doce ciclos a dos ciclos). Además el filtro de segundo orden mejora las estimaciones fasoriales en oscilación con fluctuaciones de frecuencia, con la ventaja de aportar estimaciones de frecuencia junto con las del fasor. A pesar de las deficiencias mencionadas en el apartado anterior, estos resultados abren el camino a una nueva técnica de estimación fasorial usando otro tipo de observadores. La complejidad computacional de la estimación también podría reducirse estudiando la simetría de los modelos de señal compleja. Pero sin duda la principal ventaja de estas estimaciones fasoriales es que son instantáneas (sin retraso), lo que las hace idóneas para la aplicación de sincrofasores, que nunca antes habían sido sincronizados en tiempo real, debido al retraso implícito de los estimadores anteriores al propuesto en este artículo. AGRADECIMIENTOS Los autores desean agradecer al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt) el apoyo recibido a través del proyecto I0013-90230: Comparación de técnicas de estimación fasorial bajo la teoría de optimización. REFERENCIAS 1. Standard for synchrophasors for power systems, IEEE Std. C37.118-2005. 2. K. Martin, D. Hamai, M. Adamiak, S. Anderson, M. Begovic, G. Benmouyal, G. Brunello, J. Burger, J. Cai, B. Dickerson, V. Gharpure, B. Kennedy, D. Karlsson, A. Phadke, J. Salj, V. Skendzic, J. Sperr, Y. Song, C. Huntley, B. Kasztenny, and E. Price, Exploring the ieee standard c37.118-2005 synchrophasors for power systems, vol. 23, no. 4, pp. 1805–1811, 2008. 3. A. G. Phadke and J. S. Thorp, Computer Relaying for Power Systems, 1st ed. Research Studies Press LTD, Sep. 1988. 4. L. Salvatore and A. Trotta, Flat-top windows for PWM waveform processing via DFT, Electric Power Applications, IEE Proceedings B, vol. 135, no. 6, pp. 346–361, 1988. 5. J. de la O Serna and K. Martin, Improving phasor measurements under power system oscillations, 72 IEEE Trans. Power Syst., vol. 18, no. 1, pp. 160–166, 2003. 6. W. Premerlani, B. Kasztenny, and M. Adamiak, Development and implementation of a synchrophasor estimator capable of measurements under dynamic conditions, Power Delivery, IEEE Transactions on, vol. 23, no. 1, pp. 109–123, 2008. 7. D. Fan and V. Centeno, Phasor-Based synchronized frequency measurement in power systems, IEEE Trans. Power Del., vol. 22, no. 4, pp. 2010–2016, 2007. 8. A. Phadke and B. Kasztenny, Synchronized phasor and frequency measurement under transient conditions, IEEE Trans. Power Del., vol. 24, no. 1, pp. 89–95, 2009. 9. P. Mattavelli, A. Stankovic, and G. Verghese, SSR analysis with dynamic phasor model of thyristor-controlled series capacitor, IEEE Trans. Power Syst., vol. 14, no. 1, pp. 200–208, 1999. 10. J. de la O Serna, Dynamic phasor estimates for power system oscillations, IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 56, no. 5, pp. 1648–1657, october 2007. 11. M. A. Platas and J. A. de la O Serna, Dynamic phasor and frequency estimates through maximally flat differentiators, IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 59, no. 2, april 2010. 12. ——, Dynamic harmonic analysis through taylorfourier transform, IEEE Trans. Instrum. Meas., In Press. 13. A. Girgis and R. Brown, Application of kalman filtering in computer relaying, IEEE Trans. Power App. Syst., vol. 100, no. 7, pp. 3387–3397, Jul. 1981. 14. A. Girgis, A new kalman filtering based digital distance relay, IEEE Trans. Power App. Syst., vol. 101, no. 9, pp. 3471–3480, 1982. 15. W. H.C., N. Johnson, and M. Sachdev, Kalman filtering applied to power system measurements relaying, Power Apparatus and Systems, IEEE Transactions on, vol. 104, no. 12, pp. 3565–3573, 1985. 16. G. Benmouyal, Frequency-domain characterization of kalman filters as applied to power system Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 �Estimación instantánea de fasores oscilantes usando filtros TaylorK-Kalman / José Antonio De la O Serna, et al. protection, IEEE Trans. Power Del., vol. 7, no. 3, pp. 1129–1138, 1992. 17. J. P. de Sa, A new kalman filter approach to digital relaying, IEEE Trans. Power Del., vol. 7, no. 3, pp. 1652–1660, 1992. 18. L. Wang, Frequency responses of phasor-based microprocessor relaying algorithms, IEEE Trans. Power Del., vol. 14, 1999. 19. P. K. Dash, R. K. Jena, G. Panda, and A. Routray, An extended complex kalman filter for frequency measurement of signals, IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 49, 2000. 20. P. Zarchan, H. Musoff, and F. K. Lu, Fundamentals of Kalman Filtering: A Practical Approach, 3rd ed. AIAA (American Institute of Aeronautics & Ast, Sep. 2009. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 21. J. A. de la O Serna and J. Rodríguez, Instantaneous oscillating phasor estimates with taylork-kalman filters, IEEE Trans. Power Syst., vol. 26, no. 4, pp. 2336–2344, november 2011. 22. D. G. Manolakis, D. Manolakis, V. K. Ingle, and S. M. Kogon, Statistical and Adaptive Signal Processing: Spectral Estimation, Signal Modeling, Adaptive Filtering and Array Processing. Artech House Publishers, Apr. 2005. 23. D. Simon, Optimal State Estimation: Kalman, H Infinity, and Nonlinear Approaches. WileyInterscience, Jun. 2006. 24. M. L. et al., Exploiting nonlinear recurrence and fractal scaling properties for voice disorder detection, Biomed Eng. Online, vol. 6, no. 23, 2007. 73 �Eventos y reconocimientos I. XVIII CONGRESO INTERNACIONAL SOBRE EDUCACIÓN, CIENCIA Y TECNOLOGÍA En el marco de la Semana Cultural del 64º aniversario de nuestra Facultad, del 18 al 21 de octubre de 2011 se llevó a cabo el XVIII Congreso sobre Educación, Ciencia y Tecnología, en las Instalaciones de la Sala Polivalente del CIDET-FIME-UANL. Como parte de la ceremonia de inauguración del evento se efectuó un panel sobre “La eficiencia energética y la sustentabilidad: acciones, retos y compromisos” con la participación de especialistas de los gobiernos federal y estatal, la CFE, el FIDE y la UANL. Además, a lo largo del congreso se realizaron en total 23 conferencias, 5 talleres y 2 coloquios, uno sobre “celdas solares” y otro sobre “Materiales: Avances e innovación” con la participación de 10 especialistas de nivel internacional. En la ceremonia de inauguración del XVIII Congreso Internacional sobre Educación, Ciencia y Tecnología se observa al Dr. Fernando Gutiérrez Moreno, Director de la Secretaria de Desarrollo Sustentable del Estado de Nuevo León, en el podium, y a las autoridaes de la FIME y de la UANL en la mesa. 74 II. RECONOCIMIENTO AL MÉRITO FIME 2011 Presidido por el M.C. Esteban Báez Villarreal, Director de la FIME-UANL, el 18 de octubre de 2011 se efectuó, en las instalaciones de la FIME-UANL, la ceremonia de entrega de los reconocimientos al Mérito FIME 2011 en las siguientes categorías: ● Mérito a la docencia: M.C. Roberto Mireles Palomares ● Mérito a la investigación: Dr. Martín Edgar Reyes Melo Dr. Virgilio González González M.C. Juan Francisco Luna Martínez ● Mérito a la excelencia en el desarrollo profesional: Ing. Héctor de Jesús Cárdenas Treviño Ing. Elena María Rodríguez Falcón Ing. Saúl Eduardo Treviño García ● Mérito a la excelencia deportiva: Homero Morales Carrillo. ● Mérito a la innovación tecnología: Dr. Rafael David Mercado Solís Las personas que recibieron el Reconocimiento al Mérito FIME 2011 acompañados por el Director de la FIMEUANL, el M.C. Esteban Báez Villarreal, y autoridades universitarias. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año. XV, No. 54 �Eventos y reconocimientos III. PREMIO MEJOR TESIS UANL 2010 Doce proyectos de investigación fueron distinguidos con el Reconocimiento UANL a la Mejor Tesis de Licenciatura y Maestría desarrollada durante el año 2010, por su contribución a la generación de conocimiento en las diferentes ramas de la ciencia e innovación tecnológica. El Reconocimiento fue entregado por el Dr. Jesús Áncer Rodríguez, Rector de la UANL en una ceremonia realizada el 20 de septiembre de 2011. En total, se registraron 82 trabajos para competir por este galardón, de los cuales 29 fueron realizados por estudiantes de licenciatura y 53 de posgrado. El comité evaluador determinó reconocer por su relevancia a 12 propuestas, seis en cada uno de los niveles educativos, correspondientes a seis categorías: Ciencias Agropecuarias, Ciencias de la Salud, Ciencias Naturales y Exactas; Ciencias Sociales y Administrativas; Educación y Humanidades, y Arquitectura, Ingeniería y Tecnología. Relativas a ingeniería fueron premiadas, a nivel maestría, en la categoría de Ciencias Naturales y Exactas, la tesista de la FIME-UANL Paola Guadalupe Gómez López por su trabajo “Nanocompósitos bifuncionales magnetoluminiscentes de óxido de hierro en un polímero semiconductor”, realizado bajo la asesoría del Dr. Virgilio Ángel González González; y en la categoría de Arquitectura, Ingeniería y Tecnología el tesista de la FCQ-UANL Juan Francisco Góngora Gómez por su trabajo: “Modificación del TiO2 mediante complejos poliaza y su aplicación en la degradación de contaminantes en medio acuoso” bajo la asesoría de la Dra. Ma. Aracely Hernández Ramírez. IV. EXAMEN INTERNACIONAL DOCTORAL EN INGENIERÍA DE MATERIALES El 17 de octubre de 2011 tuvo lugar la defensa de grado de Doctor en Ingeniería de Materiales de Román Jabir Nava Quintero, presentando la tesis titulada “Reducción del espesor del material dieléctrico base BaTiO3 para capacitores”. El trabajo de tesis fue realizado en el marco del Programa de Cooperación de Posgrado PCP 11/07 entre México y Francia, en el que participaron la UANL, la Universidad de Toulouse III (Paul Sabatier), las empresas Kemet de México y Marion Technologies en Francia. De acuerdo al convenio de “cotutela” entre las universidades, en este mismo evento le fue otorgado el grado por la Universidad de Toulouse. El jurado estuvo integrado por el Dr. Juan Antonio Aguilar Garib, Asesor; la Dra. Sophie GuillemetFritsch , asesora UPS, y el Prof. Bernard Durand de la Universidad Paul Sabatier, Toulouse, Francia; el Dr. Martín E. Reyes Melo Profesor Investigador de la FIME-UANL; el Dr. Félix Sánchez de Jesús, Profesor de la Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo y el Prof. Gilbert Fantozzi, del Instituto Nacional de Ciencias Aplicadas de Lyon, Francia. El Dr. Román Jabir Nava Quintero acompañado de los sinodales de su examen. Los galardonados con el Premio a la Mejor Tesis de la UANL presentada en el 2010 acompañados por el rector de la UANL, el Dr. Jesús Áncer Rodríguez, y por sus asesores. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 V. MÉRITO ACADÉMICO ESTUDIANTIL Y GRUPO DE LOS 100 EN LA FIME-UANL El miércoles 19 de octubre de 2011 en el marco de la Semana Cultural del 64 aniversario de la FIMEUANL se llevó a cabo la ceremonia de entrega de reconocimientos a los alumnos que obtuvieron los mejores promedios en el semestre enero-junio de 2011. 75 �Eventos y reconocimientos Los alumnos distinguidos con el reconocimento al Mérito Académico, por su alto desempeño escolar fueron: Alumno Carrera Promedio Cynthia A. Garza González IMA 98.160 Luis L. González Estrada IEA 96.190 Otoniel Rodríguez Delgado IAS 97.000 Pedro A. López Hernández IME 94.550 Fernando A. Carranza Hernández IEC 94.520 Azalia Carranza Pérez IMTC 96.387 Alumnos distinguidos con el Reconocimiento al Mérito Académico y del Grupo de los 100, acompañados por el Director de la FIME-UANL y autoridades universitarias. Alumnos reconocidos durante la tradicional develación de placas al Mérito Académico en la Biblioteca “Ing. Guadalupe Evaristo Cedillo Garza” de la FIME-UANL. 76 Posteriormente se reconoció al Grupo de los Cien, formado por los alumnos con mejores calificaciones en el periodo enero-junio 2011 en las diferentes carreras ofrecidas por la FIME-UANL. En esta ocasión se reconoció a alumnos de las siguientes carreras: 34 de Ingeniero Mecatrónico, 17 de Ingeniero Administrador de Sistemas, 17 de Ingeniero Mecánico Administrador, 11 de Ingeniero en Electrónica y Automatización, 7 de Ingeniero Mecánico Electricista, 6 de Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones, 4 de Ingeniero en Tecnología de Software, 3 de Ingeniero Aeronáutico y 2 de Ingeniero en Manufactura.. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año. XV, No. 54 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL * Septiembre - Noviembre 2011 Osiel Lucas Flores, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Aplicación de Nanotubos de Carbono en pinturas”, 1 de Septiembre de 2011. Aldo Alejandro García Maldonado, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 2 de Septiembre de 2011. Haydee Cantú Prado, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 2 de Septiembre de 2011. Alma Carolina González Zamudio, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, “Análisis de la correspondencia entre la oferta educativa en FIME y la demanda de empresas del Área Metropolitana de Monterrey”, 5 de Septiembre de 2011. Pablo Guadalupe García Sánchez, Maestría en Ingeniería con orientación en Ciencias de la Ingeniería de Manufactura, (Examen por materias), 8 de Septiembre de 2011. Jorge Sandoval Arrizon, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, “Elementos a considerar dentro de una transferencia de tecnología (caso de la empresa azúcar salada)”, 14 de Septiembre de 2011. César Herberto Ochoa Ruiz, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con Especialidad en Sistemas Eléctricos de Potencia, (Examen por materias), 15 de Septiembre de 2011. * Información proporcionada por el Departamento de Titulación y Movilidad Académica del Posgrado, de la FIME-UANL. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 Ricardo Jesús Villareal Lozano, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, con orientación en Comercio Exterior, (Examen por materias), 19 de Septiembre de 2011. Marco Aurelio Lara Olivo, Maestría en Ingeniería de la Información con orientación en Telemática, (Examen por materias), 21 de Septiembre de 2011. Perla Cecilia Hernández Lara, Maestría en Ciencias de la Ingeniería en Sistemas, (Examen por materias), 22 de Septiembre de 2011. Christian Cano Bandala, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica, (Examen por materias), 27 de Septiembre de 2011. Daniel Adrian Garza Santa Cruz, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Examen por materias), 4 de octubre de 2011. Ramón Betancourt Lozano, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Examen por materias), 6 de octubre de 2011. Luis Alberto Zaragoza Aquino, Maestría en Ingeniería con orientación en Ciencias de la Ingeniería de Mecatrónica, (Examen por materias), 7 de octubre de 2011. Emily Nadiezda Yamilett Saucedo Mariscal, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 7 de ocutbre de 2011. Rubén Guadalupe Palomo Sánchez, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 7 de octubre de 2011. Edgar Sánchez Zavala, Maestría en Ingeniería con orientación en Telemática, (Examen por materias), 12 de octubre de 2011. 77 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Santiago Banda Muñoz, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 17 de octubre de 2011. Ramón Martínez Bustos, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 19 de octubre de 2011. Manuel Ramírez Vázquez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Examen por materias), 19 de octubre de 2011. Edna Guadalupe Vela Ponce, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 20 de octubre de 2011. Linda Lisbeth Gaxiola Lucio, Maestría en Ingeniería de la Información con orientación en Informática, (Examen por materias), 21 de octubre de 2011. Vilson Tadeo Cuevas Trujillo, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, Gerencia de Relaciones con el Cliente (CRM), 24 de octubre de 2011. Ramón Merino Cervantes, Maestría enAdministración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, Valoración de liquidez y rentabilidad (proyecto corto), 28 de octubre de 2011. Tania Elizabeth Guerrero Salas, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica, (Examen por materias), 28 de octubre de 2011. Raquel Martínez Martínez, Maestría en Ingeniería de la Información, con orientación en Informática, (Examen por materias), 1 de noviembre de 2011. Netzahualpilli Araujo Delgado, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, con orientación en Relaciones Industriales, “Gestión de la adminstración estratégica en la micro y pequeña empresa”, 1 de noviembre de 2011. Jimmy Neliñho González Méndez, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 3 de noviembre de 2011. 78 Omar Eduardo López Botello, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, (Examen por materias), 7 de noviembre de 2011. Daniela Aguirre Guerrero, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Estudio de la vida a la fatiga de un acero HSLA”, 11 de noviembre de 2011. David Esteban Serrato García, Maestría en Ingeniería con orientación en Ciencias de la Ingeniería de Mecatrónica, (Examen por materias), 11 de noviembre de 2011. Gustavo Serrato García, Maestría en Ingeniería con orientación en Ciencias de la Ingeniería de Mecatrónica, (Examen por materias), 11 de noviembre de 2011. José Roberto Benavides Treviño, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales, “Estudio de la solidificación de un hierro nodular”, 11 de noviembre de 2011. Alpha Iris Estrada Carbajal, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Comercio Exterior, “Comercialización de la vainilla: caracterización de productos, subproductos y derivadas”, 14 de noviembre de 2011. Daniel Damian Azcoitia, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Examen por materias), 24 de noviembre de 2011. Edith Luevano Hipolito, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Síntesis por coprecipitación asistida con ultrasonido de γ-Bi2MoO6, caracterización y evaluación de su actividad fotocatalítica”, 28 de noviembre de 2011. Nubia Esther Torres Martínez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Materiales híbridos nanoestructurados basados en nanopartículas de magnetita estabilizados en matriz de polielectrolito”, 28 de noviembre de 2011. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año. XV, No. 54 �Acuse de recibo INGENIERÍA E INVESTIGACIÓN CIENCIA E INGENIERÍA NEOGRANADINA La revista Ingeniería e Investigación es el órgano de difusión de las labores docentes, ingenieriles y científicas de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Colombia. Su publicación con ISSN No. 0120-5609, consiste en tres números anuales (Abril, Agosto y Diciembre) la cual es dirigida a la comunidad académica interesada en la investigación y desarrollo del conocimiento de la ingeniería. Esta publicación aborda diversas disciplinas relacionadas con la ingeniería y las ciencias aplicadas, ejes temáticos en la ingeniería mecánica, química, civil, de sistemas, eléctrica, ambiental, entre otras. Hace uso del estilo journal, presentando los artículos en idioma español e inglés, tratando de conservar que la lectura sea legible y accesible. Por ejemplo, en el número 1, vol. 31 de Abril 2011, destacan interesantes artículos, entre ellos, nanotecnología aplicada a transistores, simulación de materiales compuestos, objetivos universitarios de la ingeniería, gestión de ecosistemas acuáticos, entre otros. Para mayor información acerca de esta publicación puede consultar su sitio web: www.revistaingenieria. unal.edu.co (JGPC) Esta publicación semestral (ISSN: 0124-8170), producida por la Universidad Militar Nueva Granada, tiene como misión difundir trabajos originales relacionados con la ingeniería no sólo de especialistas de dicha universidad sino a nivel internacional. Sus artículos son arbitrados y la revista está registrada en diferentes bases de datos e índices. Los artículos, bien ilustrados y cuidados en su forma, cubren las diferentes ramas de la ingeniería. Para muestra comentaremos que el No. 20-2 incluye entre otros trabajos: un modelo cinético de la hidrólisis del residuo de cosecha de caña de azúcar; una propuesta de un sistema neuro-DBR y su aplicación en la predicción de la serie de tiempo de Lorenz; una arquitectura de referencia (MIDDIS) para la interacción de servicios basados en SOA e IMS; los Thinklet como elemento clave en la generación de métodos colaborativos para evaluar usabilidad de software; y el análisis estructural y morfológico de películas de nitruro de aluminio obtenidas por deposición de láser pulsado. La revista puede consultarse en extenso en la dirección de Internet: http://www.umng.edu.co/ www/section-3938.jsp (FJEG) Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 79 �Colaboradores Andrade Cruz, Luis Javier Ingeniero en Sistemas Computacionales por la Universidad Autónoma de Tamaulipas. Actualmente Estudiante de Maestría en Tecnología Avanzada. Cabrera Ríos, Mauricio Maestría en ciencias y doctorado en Ingeniería Industrial y de Sistemas en The Ohio State University (1999, 2002). Es profesor investigador del Departamento de Ingeniería Industrial en la Universidad de Puerto Rico, Recinto de Mayagüez. http://ininweb.uprm.edu/faculty.asp De la O Serna, José Antonio Doctor en Telecomunicaciones por la Escuela Nacional Superior de Telecomunicaciones de París, Francia (1982). Entre 1982 y 1986 trabajó en el ITESM. De 1988 a 1993 trabajó en el Politécnico de Yaoundé Camerún. Actualmente es Profesor Investigador de la UANL. Es miembro del SNI. Escalante Gutiérrez, Miguel Francisco Ingeniero Industrial en Electrónica (1988) y Maestría en Ingeniería Electrónica (1994) por el Instituto Tecnológico de Chihuahua. Doctorado en Ingeniería Eléctrica (2001) por la Universidad de Paris VI/ SUPELEC, Francia. Es profesor investigador en la FIME-UANL desde 2003. García García, Minerva Aída Licenciada en Psicología, UANL. Maestría en Psicología, UANL. Doctora en Psicología, UANL. Profesora de la Facultad de Psicología de la UANL desde 2007. Miembro del SNI. González González, Virgilio Ángel Químico Industrial con Maestría en Química Orgánica por la FCQ-UANL y Doctorado en 80 Ingeniería de Materiales en la FIME – UANL. Ha sido investigador en el campo de los polímeros desde 1975. Es miembro del SNI nivel II, es profesor investigador de tiempo completo desde 1998 en la UANL. López Marure, Arturo Licenciatura en Metalurgia y Maestría en Metalurgia Extractiva por la ESIQIE -IPN. Maestría en Ciencia de Materiales por el Institut National Politechnique de Grenoble, Francia. Doctorado en Química Inorgánica por la Universite Claude Bernard, Lyon, Francia. Profesor de tiempo completo y Subdirector Académico del Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada. SNI, nivel C. Limón Rodríguez, Benjamin Ingeniero Civil y Maestría en Ingeniería de Salud Pública y Maestría en Ingeniería Ambiental, por la FIC-UANL. Especialidad en Higiene y Seguridad Industrial en los Institutos de Salud Ocupacional de Lima en Perú y de Santiago de Chile. Doctor en Ingeniería por la Universidad Autónoma del Estado de México. Mata Jiménez, Marco Tulio Ingeniero Físico Industrial (1990) y Maestría en Ingeniería de Control (1994) por el ITESM-campus Monterrey. Doctorado en Control Automático (1998) por el Instituto Nacional Politécnico de Grenoble, Francia. Es profesor investigador de la FIME-UANL desde 2003. Medina De la Garza, Carlos Eduardo Médico Cirujano Partero, UANL (1982). Medicina Tropical y Parasitología, Instituto Bernhard Nocht, Hamburgo. Salud Pública, Universidad de Heidelberg, Doctor en Medicina, Inmunoparasitología, Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año. XV, No. 54 �Colaboradores Universidad de Hamburgo (1989). Receptor del premio “Gerhard-Domagk” y “Jesús Kumate”. Editor Asistente, Medicina Universitaria (Elsevier). SNI-I (1993-2001). Actualmente es Profesor de la Facultad de Medicina / Hospital Universitario y Director del Centro de Investigación y Desarrollo en Ciencias de la Salud de la UANL. Niño Pérez, Esmeralda Estudiante de la carrera de Ingeniería en Manufactura en la FIME-UANL. Ortiz Jiménez, Xóchitl Angélica Licenciada en Psicología, UNAM. Doctora en Psicología, Universidad Complutense de Madrid. Profesora de la Facultad de Psicología de la UANL desde 2006. Ramírez Tule, Candelaria Licenciada en Psicología, UANL. Maestría en Psicología, UANL. Doctora en Biología, UANL. Profesora de la Facultad de Psicología de la UANL desde 1992. Miembro del SNI. Reyna Agreda, Mariana Lizbeth Estudiante de licenciatura en la Facultad de Psicología de la UANL. Rodríguez Cortés, Hugo Ingeniero en Aeronáutica (1995) y Maestría en Ciencias en Ingeniería Eléctrica (1997) por el IPN. Doctorado en Automática y Tratamiento de Señales (2001) por el Laboratorio de Señales y Sistemas de SUPELEC Gif-sur-Yvette, Francia. Es profesor investigador del CINVESTAV unidad Zacatenco. Miembro del SNI nivel I. Rodríguez Maldonado, Johnny Ingeniero en Electrónica (2004) y Maestro en Ciencias en Procesamiento de Señales (2008) por la Universidad Autónoma de Zacatecas (UAZ). Doctor en Ingeniería Eléctrica (2011) por la UANL. Alemania. Actualmente estudia el Doctorado en Ciencias de los Materiales en FIME-UANL. Salinas Estevané, Juan Pablo Licenciado en Ciencias Físicas por la UANL y Doctor en Ciencias con Orientación en Química de los Materiales (UANL). Actualmente es Profesor de Tiempo Completo de la FCFM-UANL. Miembro del SNI, Nivel C. Sánchez Cervantes, Eduardo Maximino Licenciado en Ciencias Químicas por el ITESM y Doctor en Ciencias Químicas con orientación en Química del Estado Sólido por la Universidad Estatal de Arizona (USA). Actualmente es Profesor de la FCQ-UANL. Obtuvo el premio de Investigación UANL-Ingeniería en 2007 y el premio de Investigación UANL-Ciencias Exactas en 2007, 2008 y 2011. Es miembro de la Academia Mexicana de Ciencias y del SNI, Nivel II. Sepúlveda Guzmán, Selene Ingeniero Químico por la Universidad Autónoma de Coahuila (1998), Doctorado en Polímeros (2005) por el Centro de Investigación en Química Aplicada. Realizó estancia posdoctoral en la Universidad de Texas en Austin (2007). Miembro del SNI nivel 1. Actualmente es Profesor Titular en la FIME-UANL. Valdez Ramírez, Pablo Licenciado en Psicología, UNAM. Maestría en Metodología de la Ciencia, UANL. Doctor en Psicología, UANL. Profesor de la Facultad de Psicología de la UANL desde 1978. Miembro del SNI. Vázquez Almaguer, Ariana Margarita Ingeniera Química por el Instituto Tecnológico de Ciudad Madero. Estudiante de Maestría en Tecnología Avanzada. Rojas Minjarez, Shirley Marbella Ingeniera Industrial (2008) por el Instituto Tecnológico de los Mochis. Vázquez Vázquez, Adrián Ingeniero en Electrónica y Maestro en Ciencias en Ingeniería Eléctrica. Premio KEMET a la Innovación Tecnológica 2008, categoría investigador. Premio Nacional de Creatividad DGEST 2006. Candidato a doctor en Tecnología Avanzada. Ruiz Flores, Pablo Antonio Ingeniero Químico Administador (1989) por el ITESM. Maestria en Ciencias (1999) por la Universidad de Ciencias Aplicadas de Reutlingen Villarreal Marroquín, María Guadalupe Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas (2007) por la FIME-UANL. Candidata al doctorado en Ingeniería Industrial por The Ohio State University. Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 81 �Información para colaboradores Se invita a profesionistas, profesores e investigadores a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril, reportes de investigación, reportajes y convocatorias. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la UANL. Es requisito que las colaboraciones sean producto del trabajo directo de los autores; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. Se aceptarán trabajos en inglés solamente de personas cuyo primer idioma no sea el español. Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. CRITERIOS EDITORIALES En el caso de los trabajos de revisión o divulgación el autor debe demostrar que ha trabajado y publicado en el tema del artículo, debe ofrecer una panorámica clara del campo temático, debe separar las dimensiones del tema y evitar romper la línea de tiempo y considerar la experiencia nacional y local, si la hubiera. No se aceptan reportes que muestren solamente mediciones. Los artículos deben contener la presentación de resultados de medición acompañados de su análisis detallado, un desarrollo metodológico original, una manipulación nueva de la materia o ser de gran impacto y novedad social. Sólo se aceptan modelos matemáticos que sean validados científicamentre dentro del propio trabajo. No se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen 82 mediciones y se efectúe un análisis de correlación para su validación. No se aceptan protocolos de investigación, proyectos, propuestas o trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos. LINEAMIENTOS EDITORIALES Para su consideración editorial es requisito enviar: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras, en formato electrónico .doc en Word, en CD o por E-mail a la dirección: revistaingenierias@gmail.com El título del artículo no debe exceder de 80 carácteres. El número máximo de autores por artículo es cinco. La extensión de los artículos no deberá exceder de 12 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como en inglés. Las referencias deberán ir numeradas en el orden citado en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán, en orden, los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, con resolución de al menos: 300 dpi y 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales en formato .tif, .eps o .jpg Para cualquier comentario o duda estamos a disposición de los interesados en: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4000 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@gmail.com Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año. XV, No. 54 �La ORGANIZACIÓN MUNDIAL DE FUNDICIÓN (WFO) y la SOCIEDAD MEXICANA DE FUNDIDORES (SMF) INVITAN AL 70º CONGRESO MUNDIAL DE FUNDICIÓN y XVIII FUNDIEXPO Pre-congreso: 23 y 24 de abril de 2012. Saltillo, Coahuila, México Congreso: 25 al 27 de abril de 2012. Monterrey, Nuevo León, México Más Información Tel. + (55) 1087-1600 ext. 1159 angelica@ejkrause.com http://www.wfc2012.com Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año XV, No. 54 83 �84 Ingenierías, Enero-Marzo 2012, Año. XV, No. 54 � Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2012 Año Año de la revista (Año 1, Año 2) No es es año de publicación. 15 Número Número de la revista 54 Mes de publicación Mes cuando se publicó Enero-Marzo Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2012, Año 15, No 54, Enero-Marzo Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Elizondo Garza, Fernando J., 1954-, Director Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Méndez Cavazos, Julio César, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/01/2012 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020817 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Fluidos supercríticos Funcionalización Halloysita Líquidos iónicos Nanomateriales Sonoquímica