Wireless Power Transfer: Control para máxima transferencia de potencia con enlace resonante inductivo

Este trabajo forma parte del proyecto “Health aware enhanced range wireless power transfer systems”, conocido por el acrónimo de ETHER. Los grupos investigadores que forman parte de ETHER involucran a dos instituciones, Universidad Politécnica de Cataluña (UPC) y Universidad Politécnica de Madrid (UPM). En este caso, el trabajo ha sido llevado a cabo en el marco del Centro de Electrónica Industrial(CEI) de la UPM. Además, este trabajo es el tercero en una sucesión de estudios realizados por el CEI con el objetivo de lograr implementar un sistema de carga inalámbrica en un marcapasos. Los trabajos previos al desarrollado son los realizados por Miguel Gifford y María Gonzalez. Otros trabajos del CEI han servido de guía. El principal objetivo de la aplicación, es evitar las operaciones que se llevan a cabo actualmente para la sustitución de la batería de los marcapasos implantados en pacientes. Este periodo de sustitución es del orden de cuatro años, lo que depende del tipo de marcapasos y las circunstancias en las que se vea envuelto el paciente. Se pretende lograr la carga del dispositivo causando la menor molestia posible al paciente sin afectar a su salud. El sistema de carga inalámrica o WPT1, está basado en inducción magnética resonante, conocida como RIC2. Esta tecnología se fundamenta en el uso de bobinas acopladas como elemento transmisor de energía. A su vez, la impedancia de estas bobinas, es compensada mediante el uso de condensadores, obteniendo circuitos resonantes. Mediante el uso de RIC se logran mejores características técnicas para la transmisión de energía en el rango medio. Esto permite salvar la distancia entre el elemento generador y la batería del marcapasos, incluso ante la existencia de tejido orgánico entre las dos bobinas. Se han considerado dos posibilidades de configuraci´on del sistema. Dos etapas: se dispone de dos bobinas, emisora y receptora. Esta configuración supone trabajar a altas frecuencias para conseguir transferencia de energías efectivas teniendo en cuenta las especificaciones del marcapasos. Tres etapas: se dispone de tres bobinas, emisora, intermedia y receptora. Se mejora el alcance, permitiendo trabajar a menores frecuencias, pero complicando el control y la implementación del sistema. Sin embargo, el foco de los esfuerzos invertidos en este trabajo, es el estudio del sistema de optimización que se introduce en las configuraciones anteriormente descritas. La optimización se centra en conseguir máxima transferencia de potencia, quedando relegado a un segundo plano el rendimiento. Esto se justifica por las características de la aplicación donde la principal limitación es la viabilidad del sistema. Asímismo, la viabilidad viene impuesta por la potencia que consume el marcapasos y la que es capaz de suministrar el sistema. Este sistema de optimización se basa en la regulación en frecuencia y en la adaptación de la impedancia de carga. Este último método es estudiado, y se basa en lograr una impedancia de carga igual al complejo conjugado de la impedancia de salida, logrando máxima transferencia de potencia. El sistema de optimización hace uso de varias estructuras de control de electrónica de potencia. Inversor: Se sitúa en la etapa emisora y permite controlar la frecuencia de trabajo del sistema. Rectificador activo: Se sitúa en la etapa receptora y controla el desfase entre intensidad y tensión. Convertidor CC-CC: Se sitúa en la etapa receptora, tras el rectificador. Controla la amplitud de la tensión.Mediante el uso conjunto del rectificador y el convertidor es posible controlar la impedancia de la carga. Se ha realizado un análisis teórico para determinar el punto de funcionamiento óptimo del sistema, y posteriormente, se han validado estos resultados mediante simulaciones. Se demuestra que la potencia transferida por el sistema WTP se multiplica por cinco respecto de la solución original, es decir, en ausencia del sistema de optimización. Además se logra mayor robustez, ya que el control activo del sistema proporciona mayor adaptabilidad ante condiciones alejadas de las de diseño. El trabajo realizado se ha prolongado durante un periodo de doscientos días efectivos con una dedicación de 360 horas de trabajo. El coste total asignado al desempeño del trabajo es de 16.678,94 euros.

Resonadores piezoeléctricos de cizalladura: estudio de la formación de biofilms y caracterización de fluidos magneto‐reológicos

La presente tesis revisa y analiza algunos aspectos fundamentales relativos al comportamiento de los sensores basados en resonadores piezoeléctricos TSM (Thickness Shear Mode), así como la aplicación de los mismos al estudio y caracterización de dos medios viscoelásticos de gran interés: los fluidos magnetoreológicos y los biofilms microbianos. El funcionamiento de estos sensores está basado en la medida de sus propiedades resonantes, las cuales varían al entrar en contacto con el material que se quiere analizar. Se ha realizado un análisis multifrecuencial, trabajando en varios modos de resonancia del transductor, en algunas aplicaciones incluso de forma simultánea (excitación pulsada). Se han revisado fenómenos como la presencia de microcontactos en la superficie del sensor y la resonancia de capas viscoelásticas de espesor finito, que pueden afectar a los sensores de cuarzo de manera contraria a lo que predice la teoría convencional (Sauerbrey y Kanazawa), pudiéndonos llevar a incrementos positivos de la frecuencia de resonancia. Además, se ha estudiado el efecto de una deposición no uniforme sobre el resonador piezoeléctrico. Para ello se han medido deposiciones de poliuretano, modelándose la respuesta del resonador con estas deposiciones mediante FEM. El modelo numérico permite estudiar el comportamiento del resonador al modificar distintas variables geométricas (espesor, superficie, no uniformidad y zona de deposición) de la capa depositada. Se ha demostrado que para espesores de entre un cuarto y media longitud de onda aproximadamente, una capa viscoelástica no uniforme sobre la superficie del sensor, amplifica el incremento positivo del desplazamiento de la frecuencia de resonancia en relación con una capa uniforme. Se ha analizado también el patrón geométrico de la sensibilidad del sensor, siendo también no uniforme sobre su superficie. Se han aplicado sensores TSM para estudiar los cambios viscoelásticos que se producen en varios fluidos magneto-reológicos (FMR) al aplicarles distintos esfuerzos de cizalla controlados por un reómetro. Se ha podido ver que existe una relación directa entre diversos parámetros reológicos obtenidos con el reómetro (fuerza normal, G’, G’’, velocidad de deformación, esfuerzo de cizalla…) y los parámetros acústicos, caracterizándose los FMR tanto en ausencia de campo magnético, como con campo magnético aplicado a distintas intensidades. Se han estudiado las ventajas que aporta esta técnica de medida sobre la técnica basada en un reómetro comercial, destacando que se consigue caracterizar con mayor detalle algunos aspectos relevantes del fluido como son la deposición de partículas (estabilidad del fluido), el proceso de ruptura de las estructuras formadas en los FMR tanto en presencia como en ausencia de campo magnético y la rigidez de los microcontactos que aparecen entre partículas y superficies. También se han utilizado sensores de cuarzo para monitorear en tiempo real la formación de biofilms de Staphylococcus epidermidis y Eschericia coli sobre los propios resonadores de cristal de cuarzo sin ningún tipo de recubrimiento, realizándose ensayos con cepas que presentan distinta capacidad de producir biofilm. Se mostró que, una vez que se ha producido una primera adhesión homogénea de las bacterias al sustrato, podemos considerar el biofilm como una capa semi-infinita, de la cual el sensor de cuarzo refleja las propiedades viscoelásticas de la región inmediatamente contigua al resonador, no siendo sensible a lo que sucede en estratos superiores del biofilm. Los experimentos han permitido caracterizar el módulo de rigidez complejo de los biofilms a varias frecuencias, mostrándose que el parámetro característico que indica la adhesión de un biofilm tanto en el caso de S. epidermidis como de E. coli, es el incremento de G’ (relacionado con la elasticidad o rigidez de la capa), el cual viene ligado a un incremento de la frecuencia de resonancia del sensor. ABSTRACT This thesis reviews and analyzes some key aspects of the behavior of sensors based on piezoelectric resonators TSM (Thickness Shear Mode) and their applications to the study and characterization in two viscoelastic media of great interest: magnetorheological fluids and microbial biofilms. The operation of these sensors is based on the analysis of their resonant properties that vary in contact with the material to be analyzed. We have made a multi-frequency analysis, working in several modes of resonance of the transducer, in some applications even simultaneously (by impulse excitation). We reviewed some phenomena as the presence of micro-contacts on the sensor surface and the resonance of viscoelastic layers of finite thickness, which can affect quartz sensors contrary to the conventional theory predictions (Sauerbrey and Kanazawa), leading to positive resonant frequency shifts. In addition, we studied the effect of non-uniform deposition on the piezoelectric resonator. Polyurethane stools have been measured, being the resonator response to these depositions modeled by FEM. The numerical model allows studying the behavior of the resonator when different geometric variables (thickness, surface non-uniformity and deposition zone) of the deposited layer are modified. It has been shown that for thicknesses between a quarter and a half of a wavelength approximately, non-uniform deposits on the sensor surface amplify the positive increase of the resonance frequency displacement compared to a uniform layer. The geometric pattern of the sensor sensitivity was also analyzed, being also non-uniform over its surface. TSM sensors have been applied to study the viscoelastic changes occurring in various magneto-rheological fluids (FMR) when subjected to different controlled shear stresses driven by a rheometer. It has been seen that there is a direct relationship between various rheological parameters obtained with the rheometer (normal force, G', G'', stress, shear rate ...) and the acoustic parameters, being the FMR characterized both in the absence of magnetic field, and when the magnetic field was applied at different intensities. We have studied the advantages of this technique over the characterization methods based on commercial rheometers, noting that TSM sensors are more sensitive to some relevant aspects of the fluid as the deposition of particles (fluid stability), the breaking process of the structures formed in the FMR both in the presence and absence of magnetic field, and the rigidity of the micro-contacts appearing between particles and surfaces. TSM sensors have also been used to monitor in real time the formation of biofilms of Staphylococcus epidermidis and Escherichia coli on the quartz crystal resonators themselves without any coating, performing tests with strains having different ability to produce biofilm. It was shown that, once a first homogeneous adhesion of bacteria was produced on the substrate, the biofilm can be considered as a semi-infinite layer and the quartz sensor reflects only the viscoelastic properties of the region immediately adjacent to the resonator, not being sensitive to what is happening in upper layers of the biofilm. The experiments allow the evaluation of the biofilm complex stiffness module at various frequencies, showing that the characteristic parameter that indicates the adhesion of a biofilm for the case of both S. epidermidis and E. coli, is an increased G' (related to the elasticity or stiffness of the layer), which is linked to an increase in the resonance frequency of the sensor.

Pulsiones del espacio : Oteiza y la aproximación a la arquitectura como vacío activo

Este trabajo se centra en el estudio de las investigaciones de Jorge Oteiza en torno a la funcionalidad estética del espacio, en especial, en la actividad artística que desarrolló en el año 1958, un año decisivo en la vida del escultor en el que dio por finalizado su proceso de experimentación sobre la naturaleza espacial de la estatua. En este desenlace tuvo un papel fundamental la relación funcional que planteó, a la hora de retomar su trabajo después de su triunfo en la IV Bienal de São Paulo de 1957, entre la escultura y la arquitectura. La primera, entendida como organismo puramente espacial, debía de responder a las condiciones de su mundo circundante, el espacio arquitectónico. Su función: acondicionarlo estéticamente para satisfacer las necesidades espirituales del habitante. Siguiendo el canon estético que para la escultura acababa de anunciar en Brasil, la desocupación espacial (la liberación de la energía espacial de la estatua, el rompimiento de la neutralidad del espacio libre) no se trataba de embellecer superficialmente la arquitectura sino de activar su vacío interior. Oteiza, que siempre estuvo muy interesado por la arquitectura y que había colaborado con anterioridad en numerosas ocasiones con los mejores arquitectos del país, fue durante este año cuando profundizó de manera más sistemática (teórica y prácticamente) sobre la relación arte-arquitectura. De hecho, él mismo nombraba como el último trabajo de su línea de experimentación en escultura a su propuesta para el concurso del Monumento a José Batlle en Montevideo, que junto al arquitecto Roberto Puig acabaron a finales de año. En el proyecto se planteaba a escala urbana, y como ejemplo concreto, el modelo teórico de integración arquitectura + (arte=0) que había elaborado los meses anteriores, la integración vacía. En el texto explicativo que acompañaba al proyecto (un texto que desbordaba los límites de una memoria al uso) demandaba la necesidad de la toma de conciencia estética del espacio, como acto de libertad individual, y declaraba el fin del rol de espectador del hombre frente a la obra de arte, reclamando su participación activa en la misma. Para él, la noción del espacio estético no era una condición innata en el hombre, se descubría, se aprendía, evolucionaba y se olvidaba (una vez convertido en hábito). Frente a la ceguera de la sensibilidad espacial del hombre, proponía la educación de la percepción espacial, condicionar emocionalmente la reflexión espontánea ante el juego espacial de las formas en la naturaleza y el espectáculo natural de la ciudad. Aprender a leer el lenguaje emocional del espacio, a pensar visualmente. La obra de arte era así un catalizador espiritual del contorno del mundo, modificador de la vida espacial circundante que corregía hábitos visuales y condicionaba estímulos y reflejos. Desde una resonancia afectiva con la definición psicológica del término (como energía psíquica profunda que invita o incita a pasar a la acción), a diferencia del instinto, la pulsión (siendo la fuente de toda conducta espontánea) es susceptible de ser modificada por la experiencia, por la educación, por la cultura, por el deseo. Es desde esta aproximación en términos de energía desde la que se propone la noción pulsiones del espacio como fórmula (reversible) entre la energía espacial liberada en el proceso de desocupación definido por Oteiza y caracterizadora de la obra como vacío activo (en escultura, en arquitectura), y la energía psíquica profunda que invita o incita a la toma de posesión del espacio (la voluntad espacial absoluta con la que Oteiza definía su modelo de arte=0, cero como expresión formal). Si el hombre modifica su entorno al mismo tiempo que es condicionado por él, es indispensable una conciencia estética del espacio que le enseñe, de entre todas las posibilidades que este le ofrece, qué es lo que necesita (qué es lo que le falta), para tomar posesión de él, para un efectivo ser o existir en el espacio. Es desde esta caracterización como energía por lo que las pulsiones del espacio se sitúan entre el hombre y su entorno (construido) y permiten la transformación entre energía espacial y energía psíquica; entre su hábitat y sus hábitos. Por estas mismas fechas, Oteiza definía una casa como un conjunto articulado de vacíos activos, como una obra de plástica pura que no es arte sino en función del habitante. Es este habitante, educado en la toma de conciencia estética del espacio, el que participando activamente en la interpretación de los espacios previstos por el arquitecto, sintiendo y movido por las pulsiones del espacio, hará uso adecuado de la arquitectura; pasando de un arte como objeto a un arte como comportamiento, transformará su habitar en un arte, el arte de habitar. ABSTRACT This work focuses on the study of Jorge Oteiza’s investigations on the aesthetic functionality of space, especially on his artistic activity developed in 1958, a decisive year in the life of the sculptor, in which he gave end to his process of experimentation on the spatial nature of the statue. In this outcome it was fundamental the functional relationship that he propounded, at the time of returning to work after his triumph in the IV Bienal de São Paulo in 1957, between sculpture and architecture. The first, understood as a purely spatial organism, should respond to the conditions of its environment (umwelt), the architectonic space. Its function: set it up aesthetically to meet the spiritual needs of the inhabitant. Following the aesthetic canon that he had just announced in Brazil for sculpture, the spatial disoccupation (the liberation of the spatial energy of the statue, the breaking of the neutrality of the free space) the aim was not to superficially beautify architecture but to activate its inner void. Oteiza, who had always been very interested in architecture and who had previously collaborated on numerous occasions with the best architects in the country, was in this year when he deepened in a more systematic way (theoretically and practically) about the art-architecture relationship. In fact, he named as the last work of his line of experimentation in sculpture to his proposal for the competition of the Monument to José Batlle in Montevideo, which, developed together with the architect Roberto Puig, was ended at the end of the year. The project proposed on an urban scale, and as a concrete example, the theoretical model of integration architecture + (art = 0) which he had elaborated the previous months, the empty integration. In the explanatory text accompanying the project (a text that exceeded the normal extents of a competition statement) he demanded the need of the aesthetic awareness of space, as an act of individual freedom, and it declared the end of the role of man as passive spectator in front of the work of art, claiming his actively participation in it. For him, the notion of the aesthetic space was not an inborn condition in man; first it was discovered, then learned, evolved and finally forgotten (once converted into a habit). To counteract blindness of the spatial sensitivity of man, he proposed the education of spatial perception, to emotionally influence the spontaneous reflection in front of the spatial game of forms in nature and the natural spectacle of the city. Learn to read the emotional language of space, to think visually. The work of art was thus a spiritual catalyst of the world’s contour, a modifier of the surrounding spatial life that corrected visual habits and conditioned stimuli and reflexes. From an emotional resonance with the psychological definition of the term (such as deep psychic power that invites or urges action), as opposed to instinct, drive (being the source of all spontaneous behavior) is likely to be modified by experience, by education, by culture, by desire. It is from this approach in terms of energy from which the notion drives of space is proposed, as a (reversible) formula between the spatial energy released in the process of disoccupation defined by Oteiza and characterizing of the work as a charged void (in sculpture, in architecture), and the deep psychic energy that invites or encourages the taking possession of the space (the absolute spatial will with which Oteiza defined its model of Art = 0, zero as a formal expression). If man changes his environment at the same time that is conditioned by it, it is essential an aesthetic awareness of space that shows him, among all the possibilities that it offers, what he needs (what is what he lacks), in order to take possession of it, for an effective being or existing in space. It is this characterization as energy by what drives of space lie between man and his (built) environment and allow the transformation between spatial and psychological energy; between his habitat and his habits. Around this same time, Oteiza defined a House as an articulated set of charged voids, as a work of pure plastic that is not art but according to the inhabitant. It is this inhabitant, educated in aesthetic awareness of space, who actively participating in the interpretation of the spaces provided by the architect, feeling and moved by the drives of the space, will make proper use of the architecture; from an art as object to an art as behavior, he will transform his inhabitation into an art, the art of inhabitation.

Estudio acústico de la sala de control de los estudios de grabación Sadman

En este proyecto se ha realizado el estudio del campo acústico de un estudio de grabación, en concreto el estudio de grabación “Sadman”, situado en Madrid. El estudio viene motivado por una serie de problemas de resonancia en frecuencias graves de la sala de control del estudio, lo cual genera algunas alteraciones desagradables cuando se realiza una escucha por el sistema de altavoces en dicha sala. Además de estudiar este problema, se han estudiado otros parámetros acústicos para poder plantear, si fuese necesario, posibles mejoras que faciliten las labores que se realizan en la sala. Para realizar tanto el estudio del campo acústico de la sala como su modelado se han utilizado herramientas tales como AutoCAD, Ease, Dirac y Spectraplus. Palabras clave: Acústica, modos de vibración, frecuencia, resonancia, Dirac, Ease, AutoCAD, Spectraplus, absorbente, difusor. ABSTRACT. The present project is aimed to study the acoustics of a recording studio. A report on "Sadman Studios" located in Madrid. The investigation was made due to a low frequency vibration problem on the control room that generated undesirable acoustic disturbances when the main monitoring system was running. Apart from the modal frequencies problem, several acoustic parameters have been submitted to investigation in case improvements in the acoustic field needed to be implemented, if required. System tools like AutoCAD, Ease, Dirac and Spectraplus were used to properly understand and reflect the issues we were faced with under the investigation of the within matter.