3D hp-adaptive finite element simulations of a magic-T electromagnetic waveguide structure

This paper employs a 3D hp self-adaptive grid-refinement finite element strategy for the solution of a particular electromagnetic waveguide structure known as Magic-T. This structure is utilized as a power divider/combiner in communication systems as well as in other applications. It often incorporates dielectrics, metallic screws, round corners, and so on, which may facilitate its construction or improve its design, but significantly difficult its modeling when employing semi-analytical techniques. The hp-adaptive finite element method enables accurate modeling of a Magic-T structure even in the presence of these undesired materials/geometries. Numerical results demonstrate the suitability of the hp-adaptive method for modeling a Magic-T rectangular waveguide structure, delivering errors below 0.5% with a limited number of unknowns. Solutions of waveguide problems delivered by the self-adaptive hp-FEM are comparable to those obtained with semi-analytical techniques such as the Mode Matching method, for problems where the latest methods can be applied. At the same time, the hp-adaptive FEM enables accurate modeling of more complex waveguide structures.

A three-dimensional self-adaptive hp finite element method for the characterization of waveguide discontinuities

We propose the use of a highly-accurate three-dimensional (3D) fully automatic hp-adaptive finite element method (FEM) for the characterization of rectangular waveguide discontinuities. These discontinuities are either the unavoidable result of mechanical/electrical transitions or deliberately introduced in order to perform certain electrical functions in modern communication systems. The proposed numerical method combines the geometrical flexibility of finite elements with an accuracy that is often superior to that provided by semi-analytical methods. It supports anisotropic refinements on irregular meshes with hanging nodes, and isoparametric elements. It makes use of hexahedral elements compatible with high-order H(curl)H(curl) discretizations. The 3D hp-adaptive FEM is applied for the first time to solve a wide range of 3D waveguide discontinuity problems of microwave communication systems in which exponential convergence of the error is observed.

Goal-oriented self-adaptive hp-strategies for finite element analysis of electromagnetic scattering and radiation problems

In this paper, a fully automatic goal-oriented hp-adaptive finite element strategy for open region electromagnetic problems (radiation and scattering) is presented. The methodology leads to exponential rates of convergence in terms of an upper bound of an user-prescribed quantity of interest. Thus, the adaptivity may be guided to provide an optimal error, not globally for the field in the whole finite element domain, but for specific parameters of engineering interest. For instance, the error on the numerical computation of the S-parameters of an antenna array, the field radiated by an antenna, or the Radar Cross Section on given directions, can be minimized. The efficiency of the approach is illustrated with several numerical simulations with two dimensional problem domains. Results include the comparison with the previously developed energy-norm based hp-adaptivity.

A comparison between PML, infinite elements and an iterative BEM as mesh truncation methods for HP self-adaptive procedures in electromagnetics

Finite element hp-adaptivity is a technology that allows for very accurate numerical solutions. When applied to open region problems such as radar cross section prediction or antenna analysis, a mesh truncation method needs to be used. This paper compares the following mesh truncation methods in the context of hp-adaptive methods: Infinite Elements, Perfectly Matched Layers and an iterative boundary element based methodology. These methods have been selected because they are exact at the continuous level (a desirable feature required by the extreme accuracy delivered by the hp-adaptive strategy) and they are easy to integrate with the logic of hp-adaptivity. The comparison is mainly based on the number of degrees of freedom needed for each method to achieve a given level of accuracy. Computational times are also included. Two-dimensional examples are used, but the conclusions directly extrapolated to the three dimensional case.

Medidas experimentales de la complejidad computacional de un código autoadaptativo HP para problemas abiertos acelerado mediante ACA

The aim of the novel experimental measures presented in this paper is to show the improvement achieved in the computation time for a 2D self-adaptive hp finite element method (FEM) software accelerated through the Adaptive Cross Approximation (ACA) method. This algebraic method (ACA) was presented in an previous paper in the hp context for the analysis of open region problems, where the robust behaviour, good accuracy and high compression levels of ACA were demonstrated. The truncation of the infinite domain is settled through an iterative computation of the Integral Equation (IE) over a ficticious boundary, which, regardless its accuracy and efficiency, turns out to be the bottelneck of the code. It will be shown that in this context ACA reduces drastically the computational effort of the problem.

Validación de HP UV-LED para la detección en continuo de contaminantes en aguas continentales mediante fluorescencia

La preservación del medio ambiente, el avance en las técnicas para que el impacto de la actividad humana sobre la fauna y flora sea lo menor posible, hacen que se deban monitorizar los diversos indicadores de calidad. El presente estudio viene motivado debido a que actualmente existen sistemas de medida y control en continuo de la calidad de las aguas, al margen de los estudios de laboratorio por toma de muestras, a través de los cuales se obtienen indicadores de calidad. El desarrollo tecnológico en analizadores en continuo para la medida de fósforo, amonio, DBO y otros, hacen que cada vez se consiga un control más exhaustivo de la calidad en tiempo real. Sin embargo, la detección temprana de contaminantes que no deben encontrarse presentes en el agua, hacen que el desarrollo de sensores de detección de estos contaminantes sea de gran utilidad. A este respecto, las técnicas mediante fluorescencia presentan enormes ventajas, ya que no existe contacto directo con la muestra, reduciéndose el desgaste y alargando el tiempo entre mantenimientos, como se ha comprobado en numerosos desarrollos con tecnología láser. Para la producir fluorescencia, tradicionalmente se vienen utilizando en el laboratorio principalmente lámparas de gas y monocromadores. Los nuevos LED de alta potencia en el espectro ultravioleta son una alternativa muy interesante que además puede ser aplicada en los mencionados sistemas de medición en continuo. En este trabajo se realiza un estudio de viabilidad de estos dispositivos como fuentes de excitación para la producción de fluorescencia tomando como contaminantes los hidrocarburos. El funcionamiento en estaciones en continuo hace que se tenga que realizar además ensayos de vida acelerados, así como estudios de modos de trabajo. Al respecto de la fluorescencia producida, se estudia la influencia de factores que pueden afectar a las medidas, tales como la temperatura. El estudio del espectro y su análisis para la identificación del contaminante es otro de los puntos desarrollados en este trabajo. Por último, y dado que la monitorización se realiza en modo continuo, es necesario un sistema de comunicaciones compacto y fiable: en este apartado se analizan los metamateriales como solución tecnológica, ya que se adapta perfectamente a la filosofía de estas estaciones de medición. ABSTRACT Currently the monitoring of quality indicators is a need to preserve the environment and minimize the impact of human activity on the fauna and flora. Currently there are measuring systems and continuous monitoring of water quality, regardless of sampling laboratory studies, through which quality indicators are obtained. Technological development in continuous analyzers for the measurement of phosphorus, ammonia, BOD and others increasingly make a more comprehensive real-time quality control is achieved. However, early detection of contaminants that should not be present in the water, make the development of sensors for detecting these contaminants is very useful. In this regard, fluorescence techniques have huge advantages, since there is no direct contact with the sample, reducing wear and extending the time between maintenance, as has been demonstrated in numerous developments in laser technology. To produce fluoresce, traditionally are being used mainly gas lamps and monochromators at the laboratory. The new high-power LEDs in the ultraviolet spectrum are a very interesting alternative that can also be applied in the above continuous measurement systems. In this paper a viability study of these devices as excitation sources to produce fluorescence using hydrocarbon as contaminants is performed. The stations in continuous operation makes it necessary to also perform accelerated life tests and studies operating modes. In regard to the fluorescence produced, the influence of factors that may affect the measurements, such as temperature is studied. The study of the spectrum and analysis to identify the contaminant is another of the points developed in this work. Finally, since the monitoring is carried out in continuous mode, a compact and reliable communication is necessary: in this section metamaterials as a technological solution is analyzed since it fits perfectly with the philosophy of these measuring stations.

Filtro respiratório reduz efeitos cardiovasculares associados à poluição: estudo randomizado, duplo-cego, controlado e cruzado em pacientes com insuficiência cardíaca (FILTER-HF trial)

Introdução A poluição do ar é um fator de risco associado com descompensação e mortalidade em pacientes com insuficiência cardíaca (IC). Objetivo Avaliar o impacto de um filtro de polipropileno sobre desfechos cardiovasculares em pacientes com IC e voluntários saudáveis durante exposição controlada à poluição. Métodos Ensaio clínico duplocego, controlado e cruzado, incluindo 26 pacientes com IC e 15 voluntários saudáveis, expostos a três protocolos diferentes de inalação randomizados por ordem: Ar Limpo; Exposição à Partículas de Exaustão do Diesel (ED); e ED filtrada. Os desfechos estudados foram função endotelial por índice de hiperemia reativa (RHi) e índice de aumento (Aix), biomarcadores séricos, variáveis de teste cardiopulmonar submáximo (caminhada de seis-minutos [tc6m]; consumo de oxigênio [VO2]; equivalente ventilatório de gás carbônico [VE/VCO2 slope]; consumo de O2 por batida [PulsoO2]) e variabilidade da frequência cardíaca (VFC). Resultados No grupo IC, a ED piorou o RHi [de 2,17 (IQR: 1,8-2,5) para 1,72 (IQR: 1,5-2,2); p=0,002], reduziu o VO2 [de 11.0 ± 3.9 para 8.4±2.8ml/Kg/min; p < 0.001], o tc6m [de 243,3±13 para 220,8 ± 14m; p=0,030] e o PulsoO2 [de 8.9 ± 1.0 para 7.8±0.7ml/bpm; p < 0.001]; e aumentou o BNP [de 47,0pg/ml (IQR: 17,3-118,0) para 66,5pg/ml (IQR: 26,5-155,5); p=0,004]. O filtro foi capaz de reduzir a concentração de poluição de 325±31 para 25±6?g/m3 (p < 0,001 vs. ED). No grupo IC, o filtro foi associado com melhora no RHi [2,06 (IQR: 1,5-2,6); p=0,019 vs. ED); aumento no VO2 (10.4 ± 3.8ml/Kg/min; p < 0.001 vs. ED) e PulsoO2 (9.7±1.1ml/bpm; p < 0.001 vs. ED); e redução no BNP [44,0pg/ml (IQR: 20,0-110,0); p=0,015 vs. ED]. Em ambos os grupos, a ED reduziu o Aix, sem efeito do filtro. O uso do filtro foi associado com maior ventilação e reinalação de CO2. Outras variáveis pesquisadas como VE/VCO2 slope e VFC não sofreram influências entre os protocolos. Conclusão A poluição do ar afetou adversamente o desempenho cardiovascular de pacientes com IC. Este é o primeiro ensaio clínico demonstrando que um simples filtrorespiratório pode prevenir a disfunção endotelial, a intolerância ao exercício e o aumento do BNP associados à poluição em pacientes com IC. O uso de máscaras com filtro tem o potencial de reduzir a morbidade associada à IC. Identificador ClinicalTrials.gov: NCT01960920

Desenvolvimento e caracterização do filtro óptico de interferência variável para detectores de alta resolução espectral e biossensores.

O presente trabalho está fundamentado no desenvolvimento de uma metodologia e/ou uma tecnologia de obtenção e caracterização de filtros ópticos de interferência de banda passante variável [C.M. da Silva, 2010] e de banda de corte variáveis, constituídos por refletores dielétricos multicamadas de filmes finos intercalados por cavidades de Fabry-Perot não planares com espessuras linearmente variáveis, que apresentam a propriedade do deslocamento linear da transmitância máxima espectral em função da posição, isto é, um Filtro de Interferência Variável (FIV). Este método apresenta novas e abrangentes possibilidades de confecção de filtros ópticos de interferência variável: lineares ou em outras formas desejadas, de comprimento de onda de corte variável (passa baixa ou alta) e filtros de densidade neutra variável, através da deposição de metais, além de aplicações em uma promissora e nova área de pesquisa na deposição de filmes finos não uniformes. A etapa inicial deste desenvolvimento foi o estudo da teoria dos filtros ópticos dielétricos de interferência para projetar e construir um filtro óptico banda passante convencional de um comprimento de onda central com camadas homogêneas. A etapa seguinte, com base na teoria óptica dos filmes finos já estabelecida, foi desenvolver a extensão destes conhecimentos para determinar que a variação da espessura em um perfil inclinado e linear da cavidade entre os refletores de Bragg é o principal parâmetro para produzir o deslocamento espacial da transmitância espectral, possibilitando o uso de técnicas especiais para se obter uma variação em faixas de bandas de grande amplitude, em um único filtro. Um trabalho de modelagem analítica e análise de tolerância de espessuras dos filmes depositados foram necessários para a seleção da estratégia do \"mascaramento\" seletivo do material evaporado formado na câmara e-Beam (elétron-Beam) com o objetivo da obtenção do filtro espectral linear variável de características desejadas. Para tanto, de acordo com os requisitos de projeto, foram necessárias adaptações em uma evaporadora por e-Beam para receber um obliterador mecânico especialmente projetado para compatibilizar os parâmetros das técnicas convencionais de deposição com o objetivo de se obter um perfil inclinado, perfil este previsto em processos de simulação para ajustar e calibrar a geometria do obliterador e se obter um filme depositado na espessura, conformação e disposição pretendidos. Ao final destas etapas de modelagem analítica, simulação e refinamento recorrente, foram determinados os parâmetros de projeto para obtenção de um determinado FIV (Filtro de Interferência Variável) especificado. Baseadas nos FIVs muitas aplicações são emergentes: dispositivos multi, hiper e ultra espectral para sensoriamento remoto e análise ambiental, sistemas Lab-on-Chip, biossensores, detectores chip-sized, espectrofotometria de fluorescência on-chip, detectores de deslocamento de comprimento de onda, sistemas de interrogação, sistemas de imageamento espectral, microespectrofotômetros e etc. No escopo deste trabalho se pretende abranger um estudo de uma referência básica do emprego do (FIV) filtro de interferência variável como detector de varredura de comprimento de ondas em sensores biológicos e químicos compatível com pós processamento CMOS. Um sistema básico que é constituído por um FIV montado sobre uma matriz de sensores ópticos conectada a um módulo eletrônico dedicado a medir a intensidade da radiação incidente e as bandas de absorção das moléculas presentes em uma câmara de detecção de um sistema próprio de canais de microfluidos, configurando-se em um sistema de aquisição e armazenamento de dados (DAS), é proposto para demonstrar as possibilidades do FIV e para servir de base para estudos exploratórios das suas diversas potencialidades que, entre tantas, algumas são mencionadas ao longo deste trabalho. O protótipo obtido é capaz de analisar fluidos químicos ou biológicos e pode ser confrontado com os resultados obtidos por equipamentos homologados de uso corrente.

Avaliação de oleuropeína e de sanitizantes químicos, isolados ou associados, para eliminação de biofilmes de Staphylococcus aureus, Listeria monocytogenes e Escherichia coli em superfícies inertes

Este estudo avaliou a eficiência da oleuropeína (OLE) (composto fenólico extraído das folhas de Oliveira) isolada e associada aos sanitizantes comerciais ácido peracético 2% (APA), hipoclorito de sódio 2% (HS), peróxido de hidrogênio 3% (PH), digluconato de clorexidina 2% (DC), cloreto de benzalcônio 1% (CB) e iodofor 2% (IO), para inativação de células em suspensão e biofilmes monoespécie e multiespécie formados em superfícies de aço inoxidável ou microplaca de poliestireno por Listeria monocytogenes (ATCC 7644), Staphylococcus aureus (ATCC 25923) e Escherichia coli (ATCC 25922), todas classificadas como fortes produtores de biofilmes. Os isolados foram semeados em caldo TSB (caldo tripticase soja), incubados (37°C/24h) e corrigidos a ~108células/mL (escala 0,5 McFarland). Para bactérias em suspensão, a resistência a sanitizantes foi determinada pela Concentração Inibitória Mínima (CIM) em tubos e pelo método de Disco Difusão em Ágar (DDA), no qual as bactérias foram plaqueadas em ágar TSA contendo discos de 6mm de papel filtro embebidos nos sanitizantes. Após a incubação, a medição dos halos de inibição foi feita com paquímetro. Para os ensaios de resistência dos biofilmes aos compostos sanitizantes, foram utilizadas microplacas de poliestireno 96 poços, as quais foram preparadas para incubação-fixação dos biofilmes e submetidas à leitura em espectrofotômetro de ELISA (600 nm). Em seguida, as placas foram lavadas com solução salina tamponada (PBS, pH 7.4) e os sanitizantes inseridos por 1 minuto. Após neutralização com tiossulfato de sódio (5 minutos), as placas foram lavadas com PBS e metanol, coradas com cristal violeta 1% e coradas com ácido acético glacial (33%) para nova leitura a 570nm. A eficácia da remoção do biofilme pelos sanitizantes foi comparada pelo índice de formação de biofilme (IFB). As imagens do aço inoxidável após tratamento com sanitizante foram feitas através de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e Microscopia Confocal, para visualizar a persistência dos biofilmes. Os valores de CIM (diluição 1:2) mostraram que OLE não teve atividade bactericida. No método DDA, L. monocytogenes, foi resistente à OLE, enquanto E. coli e S. aureus apresentaram resistência intermediária. Os sanitizantes comerciais apresentaram boa atividade bactericida nos ensaios de CIM e DDA, sendo que as associações de OLE aos sanitizantes comerciais aumentaram o efeito germicida. Nos ensaios com biofilmes em monoespécie, somente os sanitizantes comerciais, isolados ou associados com OLE, foram eficazes de reduzir o valor de BFI em microplaca de poliestireno. Em biofilmes multiespécie, OLE apresentou efeito antimicrobiano, sobretudo sobre a associação de L. monocytogenes + E. coli + S. aureus (redução: 91,49%). Nenhum dos compostos avaliados foi capaz de inativar completamente os biofilmes nas superfícies de aço inoxidável, uma vez que células viáveis foram observadas após os tratamentos com os sanitizantes, indicando persistência dos biofilmes. Os resultados indicam que a oleuropeína apresentou potencial para incrementar o efeito bactericida de sanitizantes comerciais para eliminação de biofilmes em superfícies inertes, sendo necessários estudos para compreender os mecanismos de ação dessas combinações.

Sintonia automática do filtro de kalman unscented.

O filtro de Kalman estendido tem sido a mais popular ferramenta de filtragem não linear das últimas quatro décadas. É de fácil implementação e apresenta baixo custo computacional. Nos casos nos quais as não linearidades do sistema dinâmico são significativas, porém, o filtro de Kalman estendido pode apresentar resultados insatisfatórios. Nessas situações, o filtro de Kalman unscented substitui com vantagens o filtro de Kalman estendido, pois pode apresentar melhores estimativas de estado, embora ambos os filtros exibam complexidade computacional de mesma ordem. A qualidade das estimativas de estado do filtro unscented está intimamente ligada à sintonia dos parâmetros que controlam a transformada unscented. A versão escalada dessa transformada exibe três parâmetros escalares que determinam o posicionamento dos pontos sigma e, consequentemente, afetam diretamente a qualidade das estimativas produzidas pelo filtro. Apesar da importância do filtro de Kalman unscented, a sintonia ótima desses parâmetros é um problema para o qual ainda não há solução definitiva. Não há nem mesmo recomendações heurísticas que garantam o bom funcionamento do filtro unscented na maior parte dos problemas tratáveis por meio de filtros Gaussianos. Essa carência e a importância desse filtro para a área de filtragem não linear fazem da busca por mecanismos de sintonia automática do filtro unscented área de pesquisa ativa. Assim, este trabalho propõe técnicas para sintonia automática dos parâmetros da transformada unscented escalada. Além da sintonia desses parâmetros, também é abordado o problema de sintonizar as matrizes de covariância dos ruídos de processo e de medida demandadas pelo modelo do sistema dinâmico usado pelo filtro unscented. As técnicas propostas cobrem então a sintonia automática de todos os parâmetros do filtro.