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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGÍA
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN GENERADOR DE
OZONO PARA APLICACIONES MEDICAS POR TECNOLOGÍA DE EFECTO CORONA Y UV
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO BIOMÉDICO
PRESENTA: EL C. MARIANO DANIEL MORENO ROJERO
México, D. F. 25 de mayo de 2011
DIRECTOR INTERNO: JORGE ISAAC CHAIREZ ORIA
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGÍA
M EN C. ENRIQUE HERNÁNDEZ GARCÍA COORDINADOR DE PROYECTO TERMINAL III Los abajo firmantes designados por el Comité de Proyecto Terminal como miembros del jurado calificador del Informe final titulado “Diseño y construcción de un generador de ozono para aplicaciones medicas por tecnología de efecto corona y UV“, que presenta el C. Mariano Daniel Moreno Rojero de la carrera de Ingeniería Biomédica, informamos que después de haber revisado cuidadosamente el informe escrito, consideramos que reúne las características que se requieren para su impresión y aspirar a la aprobación del Proyecto Terminal III. NOMBRE FIRMA DR. JORGE ISAAC CHAIREZ ORIA ASESOR INTERNO M EN C. RITA QUETZIQUEL FUENTES AGUILAR EVALUADOR
Se extiende la presente a los 20 días del mes de mayo del año 2011.
AGRADECIMIENTOS Antes que a nadie y con mucho sentimiento a mi madre Josefina que siempre me fomentó
la idea de hacer lo que más me guste y a pesar de las dificultades siempre está a mi lado
apoyándome en todo, no existe persona más importante para mí en el mundo, más que a
nadie, este logro, es por y para ti.
A los profesores que me han brindado su conocimiento, gracias por su gran amor a la
docencia, es un placer el haberlos conocido. En especial a mi asesor de tesis Isaac
Chairez.
Pero sobretodo un gran reconocimiento a toda mi familia conformada por mis amigos que
nos une un lazo mas fuerte que el sanguíneo, gracias a Nancy Velázquez, Gisela
Echazarreta, Ángel Palacios (Jamaicas), Edgar Montoya (mi hermano menonita), Fausto
Hernández y Carlos Vargas, por haberme apoyado desde que nos conocemos y
agradecerles por pasar tantos buenos momentos a mi lado, hacer de cada cumpleaños un
recuerdo especial, compartir vivencias y sobretodo hacerme tan feliz. No pude haber
tenido una mejor familia.
A mis amigos de AT: XEVG, Den, joven Dante, Diana Hirifu, Red Dragon, Daft que
aunque casi nunca nos vemos siempre estamos pendientes el uno del otro y nos
apoyamos.
Un agradecimiento especial a José Luis Blancas, un amigo excelente y gran persona que
me apoyó en momentos difíciles sin pedir nada a cambio.
A todos ellos dedico este esfuerzo, en el que cada uno contribuyó en cierta medida para
que se hiciera realidad.
INDICE GENERAL
INDICE GENERAL ...............................................................................................................1
INDICE DE FIGURAS...........................................................................................................3
INDICE DE TABLAS.............................................................................................................6
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN GENERADOR DE OZONO PARA APLICACIONES
MEDICAS POR TECNOLOGÍA DE EFECTO CORONA Y UV ............................................7
INTRODUCCIÓN..................................................................................................................8
MARCO TEÓRICO.............................................................................................................10
El ozono..........................................................................................................................10
Toxicidad del ozono........................................................................................................11
Aplicaciones del ozono ...................................................................................................13
Aplicaciones del Ozono en Medicina..............................................................................16
Ozonoterapia ..................................................................................................................26
Generadores de ozono de uso médico...........................................................................34
Efecto corona para producción de ozono .......................................................................35
Producción de ozono por luz UV ....................................................................................36
Sensores de Ozono ........................................................................................................37
Mediciones de concentración de ozono por UV .............................................................39
Lógica Difusa ..................................................................................................................40
Sistema de diseño convencional de controladores. .......................................................41
Controladores difusos.....................................................................................................44
Conjuntos difusos y funciones de membresía ................................................................46
Variables, valores y reglas con asignación lingüística....................................................48
Funciones de membresía ...............................................................................................51
Operaciones difusas .......................................................................................................53
Fuzificación.....................................................................................................................54
El mecanismo de inferencia............................................................................................55
Defuzificación .................................................................................................................58
JUSTIFICACIÓN.................................................................................................................63
OBJETIVOS........................................................................................................................64
GENERAL.......................................................................................................................64
PARTICULARES ............................................................................................................64
METODOLOGÍA.................................................................................................................65
Diseño y construcción de un Convertidor de CC a CA con aislamiento (Fuente flotada).
........................................................................................................................................65
Elevación de voltaje para provocar el efecto corona. .....................................................67
Construcción y prueba de un puente L con transistores de potencia. ............................72
Diseño de un programa para el control digital del puente L. ..........................................74
Diseño y construcción de un sensor de ozono por UV...................................................76
Integración del tubo generador de ozono con los circuitos de potencia elaborados. .....78
Medición de ozono generado. ........................................................................................79
Inicio de fase de control por lógica difusa.......................................................................81
RESULTADOS ...................................................................................................................86
Prototipo de fuente flotada..............................................................................................86
Encendido de la bobina. .................................................................................................87
Puesta en marcha del puente L en conjunto con el programa de control digital del
mismo .............................................................................................................................89
Medición de ozono y caracterización del sistema ..........................................................96
Programa de control por Lógica Difusa ........................................................................103
CONCLUSIONES.............................................................................................................110
RECOMENDACIONES PARA TRABAJO FUTURO ........................................................111
BIBLIOGRAFÍA.................................................................................................................112
ANEXO 1 ..........................................................................................................................114
Enfermedades que se tratan con ozono.......................................................................114
INDICE DE FIGURAS
Figura 1. Estructuras resonantes de la molécula del ozono (Oehlschlaeger, 1978) ..........10
Figura 2. Efectos biológicos de la presencia de oxígeno-ozono en la sangre....................21
Figura 3. Primer generador de ozono, inventado por Verner Von Siemens en 1857.........35
Figura 4. Vista a detalle de un tubo de descarga corona usado para generar ozono ........36
Figura 5. Pasos para la formación de ozono por radiación UV ..........................................37
Figura 6. Modelo básico de un sistema de control general basado en lógica difusa. Aquí el
proceso se refiere a la planta que se desea controlar (el modelo de generador de ozono).
............................................................................................................................................45
Figura 7. Representación global del sistema difuso como mapeo entre las entradas y las
salidas.................................................................................................................................48
Figura 8. Formas comunes de las funciones de membresía utilizadas en los sistemas de
control difusos.....................................................................................................................52
Figura 9. Convertidor de CC a CA para aislar la fase de potencia de la de baja potencia.65
Figura 10. Fuente AT de 250w, usada para alimentar los circuitos de baja potencia. .......67
Figura 11. Sección a una bobina de encendido, se pueden observar los elementos que
contiene, en general, una bobina de encendido.................................................................68
Figura 12. Diagrama de una bobina comercial marca BOSCH en donde se muestra el uso
de resina asfáltica en vez de aceite de alta rigidez eléctrica..............................................69
Figura 13. Fotografía real de la bobina de 12v marca BOSCH usada en el proyecto........69
Figura 14. Diagrama que esquematiza los distintos tipos de circuito de encendido que se
utilizan en una bobina de encendido. .................................................................................70
Figura 15. Ruptor también llamado "platinos" es un contacto que corta o permite el paso
de la corriente eléctrica a través de la bobina. ...................................................................70
Figura 16. Circuito TCI para encender una bobina, se puede observar que la corriente
pasa a través del transistor pero no a través del ruptor. ....................................................71
Figura 17. Circuito TCI para encender una bobina de ignición, se puede observar que
cuando se abre el ruptor se interrumpe el paso de corriente hacia la bobina. ...................72
Figura 18. Circuito del puente L con fase de aislamiento del circuito de control. ..............73
Figura 19. Imagen real de la fuente utilizada para encender la bobina de ignición............74
Figura 20. Forma básica del tren de pulsos que se enviará a la bobina de ignición para
encenderla, el ancho del pulso variará para modificar la amplitud del alto voltaje del
devanado secundario. ........................................................................................................75
Figura 21. Diagrama que muestra la forma en que variará el ancho de pulso de la señal
generada por el programa, donde “t alta” variará dependiendo el valor leído en el ADC del
PIC......................................................................................................................................75
Figura 22. Esquema de una lámpara de luz UV.................................................................76
Figura 23. Imagen real del fotodiodo utilizado para las pruebas experimentales...............77
Figura 24. Circuito sensor de ozono por fotodiodo sensible a luz UV y lámpara de luz UV.
............................................................................................................................................78
Figura 25. Imagen que muestra al tubo del generador de ozono utilizado para hacer las
pruebas de funcionamiento. ...............................................................................................79
Figura 26. Función de membresía triangular mostrando las etiquetas de sus parámetros.
............................................................................................................................................82
Figura 27. Representación gráfica de las funciones de membresía de entrada de la
primera variable, GTE.........................................................................................................84
Figura 28. Representación gráfica de las funciones de membresía de entrada de la
segunda variable, AGTE.....................................................................................................84
Figura 29. Representación gráfica de las funciones de membresía de la variable de
salida, FS............................................................................................................................84
Figura 30. Circuito oscilador diseñado para la fuente flotada.............................................86
Figura 31. Señal de salida del arreglo de transistores, la señal tiene una amplitud de 5v y
una frecuencia de 1.8Mhz. .................................................................................................87
Figura 32. Señal de entrada al transformador de pulsos....................................................87
Figura 33. Imagen que muestra el convertidor de CD a CD con aislamiento DCH010512S
de Texas Instrument elegido como fuente flotada..............................................................87
Figura 34. Prueba realizada para comprobar el correcto encendido de la bobina de
ignición, se puede apreciar el efecto corona entre dos de las terminales. .........................88
Figura 35. Diagrama esquemático del circuito elaborado para la prueba del puente L. ....89
Figura 36. Osciloscopio usado para realizar las mediciones de las señales generadas....89
Figura 37. Diagrama de flujo del programa usado para variar la frecuencia y ancho de
pulso de la señal de encendido de la bobina......................................................................90
Figura 38. Señales obtenidas del PWM del PIC, medidas con el osciloscopio, se puede
observar el cambio de frecuencia.......................................................................................92
Figura 39. Señales obtenidas del PWM del PIC, medidas con el osciloscopio, se puede
observar el cambio del ancho del pulso. ............................................................................93
Figura 40. Diagrama esquemático del circuito de encendido del tubo generador de ozono.
............................................................................................................................................94
Figura 41. Señal de PWM medida a la salida del transistor configurado como inversor....94
Figura 42. Fotografía tomada del circuito utilizado para encender al tubo generador de
ozono. .................................................................................................................................95
Figura 43. Conexión de la bobina de ignición con el tubo generador de ozono, formación
de la descarga corona en el tubo .......................................................................................96
Figura 44. Dispositivo de medición de ozono que evita la interferencia de la luz visible. ..96
Figura 45 (Fotografía del circuito implementado en la medición de ozono) .......................97
Figura 46. Gráfico de los valores obtenidos del convertidor de corriente a voltaje utilizado
para medir la concentración de ozono................................................................................99
Figura 47. Gráfico de los valores obtenidos del convertidor de corriente a voltaje utilizado
para medir la concentración de ozono..............................................................................101
Figura 48. Gráfico de la concentración de ozono medida en gramos/Litro. .....................103
Figura 49. Diagrama de flujo del programa de control por lógica difusa ..........................103
Figura 50. Circuito para simular el control Fuzzy .............................................................108
Figura 51. Resultados del control por Fuzzy cuando el error es de 90 ............................108
Figura 52. Resultados del control por Fuzzy cuando el error es de 50 ............................108
Figura 53. Resultados del control por Fuzzy cuando el error es de 0 ..............................109
Figura 54. Resultados del control por Fuzzy cuando el error es de 0 ..............................109
INDICE DE TABLAS Tabla 1. Propiedades físicas del ozono puro (Manley Y Niegowski, 1967)........................11
Tabla 2. Potenciales redox (E0) de agentes oxidantes (Beltran y col., 1997) ....................11
Tabla. 3 niveles de exposición al ozono de acuerdo a los efectos tóxicos en la salud ......13
Tabla. 4 Principales usos industriales del ozono (Azarpazhooh A. and Limeback H, 2008)
............................................................................................................................................14
Tabla 5. Antioxidantes presentes en el cuerpo humano.....................................................22
Tabla 6. Moléculas que inducen el estrés oxidativo y sus principales reacciones en
sistemas biológicos (Sorg, 2004)........................................................................................29
Tabla 7. Antioxidantes endógenos .....................................................................................30
Tabla 8. Descripciones matemáticas de las principales funciones de membresía
empleadas en la lógica difusa. ...........................................................................................52
Tabla 9. Definición de las variables y términos lingüísticos del Error y del Grad ...............81
Tabla 10. Definición de la variable y términos lingüísticos de salida del sistema difuso de
producción de ozono. .........................................................................................................82
Tabla 11. Resumen del diseño del controlador difuso de la producción de ozono. Los
parámetros A y C para las funciones S y Z no son aplicables debido a que se utiliza el
método de centroide en la defuzificación. ..........................................................................83
Tabla 12. FAM del sistema difuso de temperatura. ............................................................85
Tabla 13 (Valores medidos en el convertidor de corriente a voltaje)..................................98
Tabla 14. Mediciones tomadas a la salida del circuito sumador de offset........................100
Tabla 15. Mediciones de concentración obtenidas mediante la ley de beer-Lambert y los
valores adquiridos por el circuito de censado de ozono...................................................102
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN GENERADOR DE OZONO PARA APLICACIONES MEDICAS POR TECNOLOGÍA DE EFECTO CORONA Y UV
Moreno Rojero Mariano Daniel, * Jorge Isaac Chairez Oria. *UPIBI-IPN (correo electrónico: [email protected])
Palabras clave: Efecto corona, Ozono, Ozonoterapia, UV. Introducción. El Ozono es hoy en día considerado un auténtico medicamento, se ha mostrado que la toxicidad del ozono puede ser controlada e incluso evitada. La novedad en la Ozonoterapia radica en que sus funciones se dirigen a restaurar y mejorar las funciones defensivas naturales de las células. En el campo de la medicina se lo utiliza como desinfectante, antibacteriano y antiviral y debido a sus propiedades antinflamatorias y analgésicas, en múltiples patologías que presentan dolor e inflamación [1]. Cabe destacar el empleo del mismo en la asepsia de instalaciones clínicas. Desde que Ernst Werner von Siemens diseñó un aparato de descarga para preparar ozono a partir de aire u oxígeno en 1857 [2], no se han desarrollado grandes mejoras en la tecnología de generación de ozono, ya que se sigue usando el mismo fundamento, la descarga eléctrica, o mejor conocida como efecto corona. La generación de ozono por efecto corona se fundamenta en que el alto potencial entre dos conductores genera un arco eléctrico, con lo cual se emite energía electromagnética y como consecuencia se pueden disociar las moléculas de oxígeno en Ozono. Existen 3 tipos principales de tecnologías para producir ozono: por luz UV, por efecto corona y por plasma. La tecnología por efecto corona, es la más antigua y sin embargo en la actualidad es la más eficiente en cuanto a concentración de ozono producida y precio. El presente proyecto se crea a partir de la falta de innovación en los sistemas de generación de ozono por tecnología de efecto corona, además de que los equipos con los que se cuenta en México presentan la desventaja de no permitir la medición de la concentración de ozono generado, con lo cual el tratamiento con ozono (ozonoterapia) se basa en la experiencia del personal que realiza las sesiones y no existen estadísticas que determinen exactamente cuanta cantidad de ozono se utilizó durante un tratamiento. Metodología. Gracias al efecto corona, se ideó un sistema de elevación de voltaje, utilizando para una bobina de ignición, con la que se lleva a cabo el encendido de los vehículos, este elemento proporcionará el alto voltaje necesario para polarizar el tubo generador de ozono, en el cual se llevará a cabo la formación de ozono, al mismo tiempo se diseñó un programa que controle, mediante lógica difusa, el tiempo de encendido de la bobina, esto aunado a un sensor de ozono, diseñado con una lámpara UV y un fotodiodo sensible a la luz UV, el cual será la retroalimentación para el control del sistema. Este esquema permitirá medir la concentración de ozono generada y controlarla. Resultados y discusión. Se obtuvo un circuito que logró encender la bobina de ignición mediante un puente L, el cual funcionó correctamente a una frecuencia por encima de 60Hz. Al variar el ancho de pulso de la señal mandada por el PIC que hacia las veces de switcheo para el correcto encendido de la bobina, se lograba obtener una descarga eléctrica (efecto corona) más intenso, para un ciclo útil mayor y menos intenso para un ciclo útil menor.
Al conectar la bobina con el tubo generador de ozono, se logró obtener ozono, el cual pudo ser medido por un fotodiodo sensible a la luz UV, mediante un método fotométrico basado en la ley de Beer-Lambert. Este método resulto eficaz para calcular la concentración de ozono generada en el tubo mediante la siguiente ecuación:
( ) ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎥⎦⎤
⎢⎣⎡=⎥⎦
⎤⎢⎣⎡
II
Lmol
molg
LgC 0ln003073.048
La cual relaciona las intensidades que censó el fotodiodo, con lo cual se obtuvo un comportamiento logarítmico, debido a la ecuación anterior que lo caracteriza. Los resultados de las mediciones de ozono para los diferentes porcentajes de ciclo útil se muestran en la siguiente figura.
65 70 75 80 85 90 950
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4Gráfico de la concentración de Ozono
Porcentaje de ciclo útil (%)
Con
cent
raci
ón d
e O
zono
(g/L
)
Figura 1. Gráfico de la concentración de ozono medida en
gramos/Litro. El control se realizo por Fuzzy, sin embargo no pudo probarse físicamente, solo se simuló entregando resultaos favorables. Conclusiones y perspectivas. Los resultados obtenidos fueron opacados por la falta de tiempo para concluir el trabajo, sin embargo, se puede apuntar que el generador de ozono propuesto cumple con el objetivo de innovar ante la falta de evolución que los equipos comerciales tienen en la actualidad, su construcción es de bajo costo, y presenta la singularidad de visualizar la cantidad de ozono generada. Se pretende continuar con el diseño de este equipo para llegar a concluir con la interfaz a un sistema de cómputo para que los resultados puedan plasmarse en futuras estadísticas que generen un mayor interés en la investigación de este campo. Agradecimientos. A mi madre y amigos que siempre me apoyaron ante cualquier circunstancia y en especial a mi asesor y amigo Jorge Isaac Chairez Oria. Referencias. 1. Menéndez S, González R, Ledea OE, Hernández F, León OS,
Díaz M. 2008. Ozono. Aspectos básicos y aplicaciones clínicas. Revista Cubana de Investigaciones Biomédicas. Volumen 27 (No. 1): 10-32.
2. Presuman, Saul. 2007. The History of Ozone. http://www.o3center.org/Articles/TheStoryofOzone.html
8
INTRODUCCIÓN El Ozono es hoy en día considerado un auténtico medicamento y, tras reaccionar con
fluidos del cuerpo, libera segundos mensajeros y activa varios mecanismos, los cuales
son capaces de desencadenar múltiples efectos biológicos. El escaparate médico ha sido
definido y, contrario al dogma de que “el ozono es tóxico en cualquier forma”, se ha
mostrado que la toxicidad del ozono puede ser controlada e incluso totalmente evitada.
Nuevas metodologías han sido ideadas y asombrosos resultados clínicos en
enfermedades vasculares e infecciosas han sido ya alcanzados. Una interesante
innovación es la inducción de una respuesta adaptable que implica la posibilidad de
detener la degeneración celular debido a un estrés oxidativo crónico endógeno. No
obstante, más allá de lo básico y controlado, se necesitan realizar estudios clínicos para
explotar el potencial terapéutico del ozono y establecer una validez real en esta terapia.
El ozono con fines terapéuticos inició en 1885 en Alemania y progresivamente se ha ido
extendiendo. En 1974 inició el trabajo cubano en esta materia y en 1986 se creó la
primera sala experimental de ozonoterapia en Cuba. A la fecha, diversos investigadores
han corroborado la ausencia de daño luego de la aplicación del gas en el organismo, y en
dosis determinadas por los expertos.
Desde sus inicios, la ozonoterapia se ha extendido en países como Alemania, España,
Italia, Japón, Estados Unidos, Argentina, Chile y Cuba. En este último país, el Centro de
Investigaciones del Ozono ha demostrado, con estudios realizados por más de tres
décadas, que el gas es coadyuvante en el tratamiento de enfermedades como diabetes,
demencias seniles, artrosis, afecciones mentales como ansiedad y depresión [1].
En México, la ozonoterapia, ha ido tomando importancia poco a poco, gracias a que los
resultados de la experiencia e investigación realizada en Cuba se trasladaron a México,
en donde ya se cuenta con algunas clínicas donde se realiza la ozonoterapia.
Más importante es la pobre innovación que han tenido los generadores de ozono, ya que
si bien la ozonoterapia como una terapia médica, la cual ha ido perfeccionándose y
alcanzando nuevas metas, los generadores de ozono, no han logrado un auge
tecnológico, esto puede deberse a que las escasas técnicas de generación de ozono
adoptadas, principalmente la técnica conocida como “generación por efecto corona”,
resulta ser útil y eficiente. Y es alrededor de este punto, sobre el cual se han hecho la
9
mayoría de las investigaciones relacionadas con la mejora tecnológica en ozonizadores,
sin embargo, los ozonizadores comerciales, no cuentan con un sistema de control ni de
visualización de la cantidad de ozono real generada, dejando todo esto en la experiencia
del operador.
Por las mismas condiciones, el desarrollo de un sistema que sea capaz de producir ozono
de manera controlada se ha convertido en un reto tecnológico interesante que tiene
muchos aspectos involucrados. Entre otros, la presencia de sensores adecuados para la
determinación de la concentración de ozono así como del flujo másico asociado. De la
misma forma, la implementación de un algoritmo de control adecuado para lograr obtener
un valor de concentración fijo con errores en estado estacionario nulos y tiempos de
convergencia pequeños. De aquí que el uso de controladores difusos pueden servir como
una opción tecnológica interesante.
10
MARCO TEÓRICO
El ozono
El ozono fue descubierto por el investigador europeo C.F. Schonbein en 1839
(Kogelschatz, 1988). Es una molécula compuesta por tres átomos de oxígeno, éstos se
encuentran acomodados en un ángulo obtuso donde un átomo central de oxígeno se une
a dos átomos de oxígeno equidistantes. El ángulo que forman entre ellos es
aproximadamente de 116º 49’; la longitud de los enlaces es de 1.278 Ă. En la figura 1 se
muestran cuatro estructuras del ozono (Oehlschlaeger, 1978).
Figura 1. Estructuras resonantes de la molécula del ozono (Oehlschlaeger, 1978)
El ozono se forma en la estratósfera debido a reacciones fotoquímicas en presencia de
luz solar y contaminantes precursores, tales como los óxidos de nitrógeno (NOx) y
compuestos orgánicos volátiles (VOCs) (WHO, 2005). El ozono se puede producir de
manera artificial a partir de aire u oxígeno puro por lámparas UV de esterilización, arcos
eléctricos de alto voltaje, plantas de radiación gamma (Mustafa, 1990); el producto
siempre será una mezcla ozono/oxígeno rica en éste último elemento. El ozono no se
puede almacenar en fase gas, ya que éste se descompone rápidamente en oxígeno
(Kogelschatz, 1988).
El ozono es un gas azul, sin embargo, a temperatura ambiente su coloración es
imperceptible a las concentraciones a las se acumula comúnmente. A la temperatura de-
112 ºC, el ozono se condensa formando un líquido azul oscuro, en este estado es
altamente explosivo, sobre todo cuando la mezcla ozono-oxígeno se compone de más de
20% de ozono. (Oehlschlaeger, 1978). En la tabla 1 se presentan las principales
propiedades físicas del ozono puro.
11
Punto de ebullición -111.9 ± 0.3ºC Punto de fusión -192.5 ± 0. 4ºC
Temperatura crítica -12.1ºC Presión crítica 54.6 atm
Tabla 1. Propiedades físicas del ozono puro (Manley Y Niegowski, 1967)
El ozono tiene un olor característico (picante), es fácilmente detectable a concentraciones
entre 0.01 – 0.05 ppm (Mustafa, 1990). La solubilidad del ozono en agua es 13 veces
mayor a la del oxígeno (0 – 30ºC); ésta aumenta conforme disminuye la temperatura del
agua (Rice, 1986), y conforme aumenta la temperatura, aumenta la descomposición del
ozono en oxígeno.
De acuerdo a la tabla 2, se puede observar que el ozono es un oxidante muy fuerte. Es
capaz de oxidar casi todos los metales y reacciona con la mayoría de los otros elementos
de la tabla periódica; de igual manera, reacciona con una gran cantidad de compuestos
orgánicos e inorgánicos.
Especie E0 (V, 25ºC) Flúor 3.03
Radical hidroxilo 2.80 Oxígeno atómico 2.42
Ozono 2.07 Peróxido de hidrógeno 1.78
Radical perhidróxilo 1.70 Permanganato 1.68
Dióxido de cloro 1.57 Ácido hipocloroso 1.49
Cloro 1.36 Bromo 1.09 Yodo 0.54
Tabla 2. Potenciales redox (E0) de agentes oxidantes (Beltran y col., 1997)
Toxicidad del ozono
La toxicidad del ozono en los mamíferos depende básicamente de los órganos
involucrados en la exposición y la concentración del ozono. Los mayores efectos tóxicos
se presentan en el sistema respiratorio cuando este gas es inhalado por el organismo.
12
Cuando el ozono penetra en las vías respiratorias irrita las mucosas y los tejidos
pulmonares. Altas concentraciones de ozono, largas exposiciones temporales y
exhaustivos grados de actividad física durante la exposición causan graves efectos en la
salud, tales como disminución de la función pulmonar, agravamientos asmáticos, falta de
aliento, dolor de pecho en respiraciones profundas, respiración silbante y tos. (Fenger et
al., 1999).
Algunos de los efectos tóxicos del ozono reportados incluyen una disminución de un 5%
de la función pulmonar en individuos jóvenes sanos cuando han estado expuestos a
concentraciones de ozono controladas de 250 µg/m3 y 120 µg/m3 durante promedios de 1
y 8 horas respectivamente; pudiéndose alcanzar disfunciones pulmonares de un 20%
cuando durante con estos mismos promedios horarios se ha expuesto a concentraciones
de 500 µg/m3 y 240 µg/m3 respectivamente (WHO, 2005).
Entre los efectos sobre la salud humana antes mencionados se pueden destacar los
siguientes:
• Irritación en los ojos y vías respiratorias provocando tos, irritación en la garganta
y/o sensación incómoda en el pecho; cuando la concentración es mayor a 200
µg/m3 se presenta dolor de cabeza y respiración dificultosa.
• Irritación del tejido pulmonar interno desde los 160 µg/m3 después de 6 horas de
exposición. Inflama y daña las células que conforman la capa interna de los
pulmones. Al cabo de unos pocos días, las células dañadas son reemplazadas y
las células viejas se desprenden.
• Cambios transitorios en las funciones pulmonares en exposiciones entre los 160 -
300 µg/m3. La población más sensible muestra una reducción promedio en la
función pulmonar del 10% a 200 µg/m3 y una reducción del 30% a 300 µg/m3.
• Daño permanente al pulmón. El daño repetido a corto plazo en los pulmones en
desarrollo de los niños puede resultar en una función pulmonar reducida en edad
adulta. En los adultos, la exposición al ozono puede acelerar la disminución natural
de la función pulmonar que ocurre como parte del proceso normal de
envejecimiento (WHO, 2005).
La Organización Mundial de la Salud dispone los niveles de exposición al ozono de
acuerdo a los efectos tóxicos en la salud (WHO, 2005) (Tabla 3); cabe destacar que los
13
efectos biológicos del ozono se atribuyen a la habilidad de éste último para causar la
oxidación o peroxidación de las biomoléculas, ya sea directamente y / o vía reacciones
por radicales libres. Una secuencia de eventos puede incluir la peroxidación de lípidos,
pérdida de grupos funcionales de las enzimas, alteración de la permeabilidad de la
membrana, y el daño o muerte celular (Mustafa, 1990).
Concentración promedio diaria µg/m3 (8 horas de exposición)
Bases para seleccionar nivel
Nivel alto 200 Efectos significativos en la salud, gran parte de población susceptible se ve afectada
Nivel intermedio - 1 (IT-1)
160 Efectos importantes en la salud; no hay una adecuada protección a la salud pública. La
exposición a estos niveles de ozono se asocia con:
Efectos fisiológicos negativos e inflamatorios en la salud pulmonar de adultos expuestos
por periodos de 6.6 horas. Efectos nocivos en la salud de los niños (basado en estudios realizados a niños expuestos a estos niveles de ozono en
campamentos de verano). Incremento del 3-5% en la mortalidad diaria* (basado en resultados de estudios de series
cronológicas diarias)
Guía para la calidad del aire
(AQG)
100 La salud pública se encuentra protegida a este nivel aunque pueden ocurrir algunos efectos sobre la salud por debajo de este
nivel. La exposición a este nivel de ozono se asocia con:
Incremento del 1-2% en la mortalidad diaria* (basado en resultados de estudios de series
cronológicas diarias) * Muertes atribuibles al ozono. Los estudios de series
cronológicas indican un incremento en la mortalidad diaria en el rango de 0.3 – 05% por cada incremento de 10 µg/m3 de la
concentración de ozono en 8 horas por encima de un nivel de referencia estimado de 70 µg/m3.
Tabla. 3 niveles de exposición al ozono de acuerdo a los efectos tóxicos en la salud
Aplicaciones del ozono
Entre las distintas aplicaciones del ozono, principalmente se encuentra el hecho de
eliminar bacterias, así como herbicidas, pesticidas y contaminantes tóxicos, en el ámbito
alimenticio, además de lo anterior, evita la formación de moho en los alimentos y por ende
los alimentos duran mas tiempo al ser ozonizados [2].
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Ya que el ozono es un oxidante muy fuerte, capaz de reaccionar con una gran variedad
de compuestos orgánicos (incluyendo biomoléculas) e inorgánicos, éste se aplica en
diferentes áreas: ambiental (degradación de contaminantes en fase líquida, sólida o gas),
desinfección (agua, alimentos), síntesis orgánica, medicina, entre otras. En la tabla 4 se
presentan algunas de las aplicaciones más importantes a nivel industrial que tiene el
ozono.
Industria alimenticia Industria Química Otros usos industriales • Preservación de
alimentos • Aumento del tiempo de
anaquel • Esterilización de
equipos • Tratamiento de
efluentes en la industria de alimentos
• Agente desinfectante de alimentos en cámaras frigoríficas
• Conservador de carnes congeladas almacenadas
• Prevención del crecimiento de levaduras y hongos en las frutas almacenadas
• Agente oxidante en la industria de química
• Blanqueamiento de harina, pulpa de papel, almidón y azúcar
• Procesamiento de perfumes, vainillina, alcanfor
• Secado de barnices y tintas de impresión
• Producción de peróxidos • Remoción de cloro del
ácido nítrico • Oxidación de fenoles y
cianuros • Añejamiento de licor y
madera
• Agente desinfectante de agua potable y aire
• Tratamiento de aguas industriales
• Deodorización de plumas, aire y gases residuales
• Agente bactericida • Producción de
hormonas esteroides
Tabla. 4 Principales usos industriales del ozono (Azarpazhooh A. and Limeback H, 2008)
La utilización del ozono a nivel comercial se encuentra reportado desde los primeros años
del siglo XX para el tratamiento de agua del suministro municipal en Niza (1907) y
St.Petersburgo (1910) (Kogelschatz, 1988). La FDA (Administración de Alimentos y
Fármacos de Estados Unidos) reconoció como seguro el uso del ozono para desinfección
de agua embotellada desde 1982 y su uso como desinfectante o sanitizante de la
industria alimentaria en Estados Unidos ya está aprobada (Guzel-Seydim y col., 2004).
También es utilizado como agente oxidante, en la esterilización y purificación de agua
potable para consumo humano o de desecho de la industria biotecnológica y
biofarmacéutica y como inhibidor de bacterias, virus y microorganismos.
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Respecto a la higiene personal, el ozono posee un elevado poder desodorante, que
permite una amplia gama de aplicaciones en el cuidado de la piel, sin la aparición de
alergias ni efectos secundarios, por lo cual resulta un desodorante natural y efectivo.
En el campo de la medicina se lo utiliza combinado con oxígeno como desinfectante,
antibacteriano y antiviral y debido a sus propiedades antinflamatorias y analgésicas, en
múltiples patologías que presentan dolor e inflamación.
El ozono es capaz de introducirse con facilidad y por diversos métodos al organismo (vía
intraarticular, intramuscular, endovenosa, intradiscal, intravaginal, intrarrectal y local en
forma gaseosa aplicada directamente sobre la piel o por medio de cremas ozonizadas,
etc.) y tiene los siguientes efectos sobre él [3]:
1. Inactiva virus
2. Oxida: Bacterias, Levaduras, Hongos, Parásitos, Protozoos, Toxinas, Células
cancerígenas
3. Purifica la sangre y la linfa. Limpia arterias y venas.
4. Reduce la arritmia cardiaca
5. Reduce la inflamación y dolor
6. Mejora la función cerebral y memoria.
7. Normaliza la producción de enzimas y hormonas. Estimula el sistema inmune.
8. Quelata metales pesados y Limpia radicales libres
9. Previene daños por accidente cerebrovascular
10. Previene úlceras y otros trastornos digestivos, facilita la digestión.
11. Alto poder cicatrizante.
12. Disuelve cálculos renales y estimula indirectamente la función del riñón.
13. Actúa sobre centros nerviosos disminuyendo las tensiones y la sensación de
angustia.
Para ver más usos del ozono en aplicaciones clínicas, ver anexo 1.
Para cada aplicación clínica, la concentración de ozono es distinta, por citar un ejemplo,
en afecciones respiratorias es baja la concentración, y en uso tópico, es elevada [4].
Además del uso del ozono en el tratamiento de enfermedades, se debe destacar el
empleo del mismo en la asepsia de instalaciones clínicas, dado que la incidencia de
infecciones hospitalarias aumenta constantemente, por lo que resulta atractivo lograr la
16
perfecta esterilización de ambientes hospitalarios y equipos quirúrgicos utilizando el
ozono.
Aplicaciones del Ozono en Medicina
El poder oxidante del ozono también ha sido utilizado con fines médicos, dicha aplicación
se ha designado con el término ozonoterapia. Se datan reportes desde la Primera Guerra
Mundial donde éste gas fue utilizado para dar tratamiento a afecciones cutáneas como la
gangrena, heridas infectadas, quemaduras de gas mostaza, y fístulas en los soldados
alemanes (Bocci V., 2004) En la actualidad, la ozonoterapia es reconocida como
modalidad de tratamiento en 16 países (Grootveld M., 2004).
A principios de siglo se empezó a tener gran interés por la aplicación del ozono como
terapia medica, tratando primeramente enfermedades de la piel, infecciones anaeróbicas
y heridas durante la Primer Guerra Mundial. No fue hasta 1932 que el ozono fue
estudiado de manera científica, utilizándolo para desinfectar agua para uso médico,
posteriormente se aplicó para el tratamiento de colitis y fistulas por medio vía rectal.
En 1950, W. Zable fue el primer médico que trato el cáncer por medio de la aplicación de
ozono. Durante los siguientes 20 años médicos empezaron a utilizar el ozono para tratar
una amplia variedad de enfermedades mediante diferentes vías de aplicación. En la
actualidad, la mayor parte de la investigación científica sobre los usos médicos del ozono
se llevan a cabo en Cuba, Rusia y Alemania desde 1980, y en países como E.U.A,
Francia, Italia, México y Canadá se están empezando a llevar a cabo investigaciones
aunque con un alcance menor.
Particularmente, se utiliza la combinación de la aplicación de ozono métodos tradicionales
como la quimioterapia y radioterapia para el tratamiento de tumores cancerígenos, los
cuales dependen principalmente del tipo, localización y evolución del mismo. En años
recientes diversos investigadores en el área médica, han reportado estudios realizados en
animales modelo (ratas, ratones y conejos) presentando resultados que van desde la
disminución del tamaño del tumor (sin metástasis) hasta su remisión total, empleando
ozono como medio terapéutico. Sin embargo, los métodos reportados para el control en la
dosificación del gas que consigan tal efecto terapéutico, son poco o nulamente
estudiados. Esto es importante, si se considera que existe más de una vía de aplicación
de ésta terapia.
17
Así mismo, aún no se tienen resultados científicamente sustentados sobre los efectos del
ozono en la cinética de remisión de tumores, además de los procesos biológicos y
reacciones bioquímicas, particularmente la cinética de la peroxidación de los lípidos
(PPOL), cambios en las fracciones lipídicas (colesterol, éteres de colesterol, ácidos
grasos libres, triglicéridos y fosfolípidos) y especies reactivas del oxígeno.
El ozono se ha aplicado en diferentes padecimientos, entre los que destacan:
enfermedades oculares, tales como neuropatías ópticas, glaucoma, obstrucciones de la
vena central de la retina y enfermedades degenerativas de la retina; así como infecciones
agudas y crónicas ocasionadas por bacterias, virus y hongos; enfermedades isquémicas,
degeneración macular relacionada con la edad, enfermedades ortopédicas y
dermatológicas; enfermedades pulmonares, renales, hematológicas y
neurodegenerativas. El ozono puede reaccionar con los componentes de la sangre
(eritrocitos, leucocitos, plaquetas, células endoteliales y el sistema vascular) e influir de
manera positiva en el metabolismo del oxígeno, la energía celular, el sistema antioxidante
e inmunológico, y la microcirculación. (Bocci V., 2004; Baysan A. y Lynch E., 2004).
El creciente interés en la aplicación de la ozonoterapia se debe en parte, por el aumento
de reportes clínicos sobre los efectos del ozono a nivel biológico, así como el éxito
obtenido en el tratamiento de diversos padecimientos.
Las aplicaciones del ozono en terapias medicas fueron documentadas por primera vez en
España a mediados de los años 30’s. Desde entonces, más de 1000 artículos han sido
publicados en revistas médicas y científicas, principalmente en Alemania, Rusia, Cuba y
España (Altman, 1990). De esa fecha al día de hoy, existe una gran diversidad de
aplicaciones terapéuticas donde el ozono ha tenido relativo éxito. Entre otras, se puede
mencionar (Altman, 1990):
• Angiología.- Rama de la medicina que estudia el sistemavascular y sus
enfermedades.
• Dermatología.- Rama de la medicina que estudia las enfermedades de la piel.
• Gastroenterología.- Es la especialidad médica que se ocupa de todas las
enfermedades del aparato digestivo
• Dermatología.- Rama de la medicina que estudia las enfermedades de la piel.
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• Cuidados intensivos
• Ginecología.- Parte de la medicina que trata de las enfermedades propias de la
mujer.
• Neurología.- Es la especialidad médica que trata los trastornos del sistema
nervioso.
• Odontología.- Se encarga del diagnóstico, tratamiento y prevención de las
enfermedades del aparato estomatognático (esto incluye los dientes, la encía, la
lengua, el paladar, la mucosa oral, las glándulas salivales y otras estructuras
anatómicas implicadas, como los labios, amígdalas, orofaringe y la articulación
temporomandibular).
• Oncología.- Es la especialidad médica que estudia los tumores benignos y
malignos, pero con especial atención a los malignos, esto es, al cáncer.
• Ortopedia.- Especialidad médica dedicada al arte de corregir o de evitar las
deformidades o traumas del sistema musculoesquelético del cuerpo humano, por
medio de cirugía, aparatos (llamado órtosis u ortesis) o ejercicios corporales.
• Reumatología.- Especialidad médica dedicada a los trastornos clínicos (no los
quirúrgicos) del aparato locomotor y del tejido conectivo, que abarca un gran
número de entidades clínicas conocidas en conjunto como enfermedades
reumáticas
• Proctología.- Es la especialidad que atiende el cólon terminal; desde la motilidad
hasta padecimientos crónicos como hemorroides, mediante tratamientos médicos
quirúrgicos o nutrición.
• Radiología.- Se ocupa de generar imágenes del interior del cuerpo mediante
diferentes agentes físicos, campos magnéticos, etc.) y de utilizar estas imágenes
para el diagnóstico y, en menor medida, para el pronóstico y el tratamiento de las
enfermedades. También se le denomina genéricamente radiodiagnóstico o
diagnóstico por imagen.
• Urología.- Se ocupa del estudio, diagnóstico y tratamiento de las patologías que
afectan al aparato urinario, glándulas suprarrenales y retroperitoneo de ambos
sexos y al aparato reproductor masculino,sin límite de edad.
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De acuerdo con la Sociedad Medica Europea de Ozono (con sede en Alemania, Austria,
Italia y Suiza), Asociación Rusa de Ozonoterapia y con el Centro Nacional de
Investigación Científica en Cuba. De esa fecha al día de hoy, existe una gran diversidad
de aplicaciones terapéuticas donde el ozono ha tenido relativo éxito. Se pueden tratar las
siguientes enfermedades con ozono: abscesos, acné, SIDA, alergias, fisuras anales,
artritis, asma, tumores cancerígenos, esclerosis cerebral, problemas en el sistema
circulatorio, cirrosis hepática, úlceras en cornea, cistitis, diarrea, fistulas, forúnculos,
gangrena, úlceras gástricas, desordenes intestinales, glaucoma, hepatitis, herpes,
hipercolesterinemia, colitis, micosis, osteomielitis, enfermedad de Parkinson, retinitis
pigmentosa, artritis reumatoide, en el proceso de cicatrización, sinusitis, tromboflebitis,
entre otras (Altman, 1990).
Dicha aplicación es conocida comúnmente como ozonoterapia. A diferencia de los
métodos tradicionales de aplicación del ozono, los estudios en el área médica son muy
pobres respecto a las interacciones del ozono con las sustancias de origen biológico y sus
implicaciones cinéticas. Debido a esto, en los últimos años, la aplicación del ozono para
fines terapéuticos o clínicos ha sido estudiada para determinar sus pros y contras. Sin
embargo, no se tiene un estudio bien definido sobre los efectos del ozono sobre los
tejidos de diferente naturaleza. Incluso, cuando se han reportado buenos resultados en la
aplicación de ozono para problemas de lesiones cutáneas, infecciones locales,
quemaduras, úlceras externas, infecciones virales, así como en el tratamiento de tumores;
no se ha determinado claramente cuáles son las causas cinéticas que provocan este
aparente beneficio. Una de las premisas más importantes en la aplicación de ozono para
aspectos médicos tiene que ver con la inducción de una respuesta extraordinaria de los
sistemas corporales asociados con la peroxidación de los lípidos (PPOL) y el esquema
antioxidante del organismo
Si bien, se sospecha que el efecto oxidativo del ozono provoca diferentes efectos a nivel
del sistema inmune, el sistema parasimpático, el simpático, etc. Es bien sabido que la
presencia de compuestos derivados de reacciones de oxidación en el cuerpo, produce
una cascada de reacciones bioquímicas que tratan de contrarrestar el origen por el cual
se generan los mencionados compuestos. En realidad, esta condición se presenta en
muchos eventos que comprometen la salud del ser humano, tales como heridas
profundas, aparición de neoplasias, etc. Sin embargo, no se sabe a ciencia cierta cuál es
el mecanismo de reacción por el cual se presenta la cascada de reacciones bioquímicas
descrita anteriormente.
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Dentro de la terapia con ozono se debe tener un generador de ozono en el que se puedan
tener medidas reproducibles, sea seguro y no produzca agentes tóxicos. Además de ser
utilizado como virucida, bactericida y fungicida, el ozono produce un número importante
de beneficios en el cuerpo humano. Incluida la oxigenación de la sangre, mejora la
circulación, estimula la oxigenación en los tejidos.
La aplicación de ozono en medicina se realiza de diversas formas; ya sea poniendo en
contacto a la mezcla ozono/oxígeno con algún miembro o fluido del sujeto en cuestión
(métodos directos), o bien, a partir de la aplicación de un medio líquido (ajeno al paciente)
ozonado de manera independiente (métodos indirectos). En cualquiera de las vías de
aplicación, es muy importante la dosis que se aplique de ozono, ya que si ésta es muy
baja no se aprecia un efecto terapéutico relevante, en el caso contrario, si la dosis es muy
alta, se induce un efecto perjudicial en el sujeto (Bocci, 2005). Adicionalmente, dentro de
la terapia con ozono se debe tener un control de la calidad de ozono producido por un
generador de ozono en el que se puedan tener medidas reproducibles de su
concentración, sea seguro y no produzca agentes tóxicos.
A pesar de que el oxígeno es fundamental para la vida, este gas tiene efectos negativos a
largo plazo, ya que durante la respiración celular se forman especies reactivas del
oxígeno (ROS), de los cuales, los radicales hidroxilo (OH-) son de los compuestos más
destructivos para las enzimas y el ácido desoxirribonucleico (DNA). Se sabe que el
proceso de envejecimiento, desordenes metabólicos (arterioesclerosis, diabetes,
degeneración celular, etc) pueden ser empeorados por la presencia de ROS, esto puede
ser prevenido en cierta forma (Bocci, 2005).
Por otra parte el ozono, se disuelve en el agua, plasma, fluidos extracelulares, mucosa del
tracto respiratorio, alimenticio, vaginal, etc. Sin embargo en la mezcla oxigeno/ozono, el
oxígeno que no está en equilibrio con el ozono permanece en fase gas. Esto sucede
debido a que el ozono, debido a su naturaleza oxidativa, reacciona inmediatamente con
un número determinado de moléculas presentes en los fluidos biológicos, principalmente
antioxidantes, proteínas, carbohidratos y específicamente con ácidos grasos PPOLi
insaturados (PUFA’s) (Bocci, 2005).
La reacción del ozono con estas moléculas implica las siguientes etapas (Bocci, 2005):
1. La reacción inicial del ozono, en la cual el ozono reacciona con acido ascórbico,
úrico, grupos sulfidrilo (SH-) de las proteínas y glicoproteínas generando ROS, la
21
cual desencadena diversas etapas bioquímicas en la sangre ex vivo. Los ROS son
neutralizados 0.5 – 1 min por antioxidantes del sistema inmunológico.
2. La per oxidación de lípidos, en la cual la reacción entre una molécula de ozono y
dobles ligaduras (>C=C<) en ácido araquidonico y triglicéridos presentes el plasma
producen una de peróxido de hidrogeno (H2O2) y dos moléculas de aldehído
conocidos como productos de peroxidación de lípidos (PPOL).
De lo anterior se puede decir que no es el ozono, si no ROS y PPOL los responsables de
las múltiples reacciones bioquímicas que ocurren en la células del cuerpo. Siendo la
segunda reacción en la que se involucran los efectos terapéuticos (Figura 2) .
Figura 2. Efectos biológicos de la presencia de oxígeno-ozono en la sangre
Los ROS incluyen a los aniones su peróxidos (O2*-), oxido de nitrógeno (NO*),
peroninitrito (O=NOO-), radicales hidróxido (OH-), peróxido de hidrogeno (H2O2) y acido
hipocloroso (HClO) entre otros. Todos estos compuestos son potencialmente citotóxicos,
afortunadamente su tiempo de vida media es una fracción de segundo, además de que el
plasma y las células producen antioxidantes capaces de neutralizarlos siempre y cuando
la concentración en la que se encuentren no sobrepase la capacidad antioxidante (Tabla
2) en el cuerpo humano (Bocci, 2005).
Los PPOL son generados después de la per oxidación de una gran variedad de PUFA’s,
cuyos productos principales de reacción son aldehídos como el di aldehído malónico
22
(MDA), alquenos como el 4-hidoxi-2,3 transnonenal (4-HNE), el cual es uno de los mas
citotóxicos.
No Enzimáticas Enzimáticas Hidrosolubles Liposolubles Proteínas
quelates
Ácido úrico Ácido ascórbico
Glucosa Cisteína Taurina
Triptófano Histidina Metionina
GSH Proteínas
plasmáticas
Vitamina E Vitamina A
Caroteoides Coenzima Q
Ácido α-lipoico Bilirrubina Melatonina
Biolfavonoides Licopeno
Transferrina Ferritina
Lactoferrina Albumina
Superoxidismutasa (SOD)
Catalasa Glutatión peroxidasa
Glutatión sistema redox
Tabla 5. Antioxidantes presentes en el cuerpo humano
Tan pronto como el ozono se disuelve en el plasma reacciona con los PUFA’s, entonces
la concentración de peróxido de hidrogeno comienza a aumentar, sin embargo con la
misma rapidez, comienza a disminuir debido a que la molécula se difunde rápidamente
hacia los eritrocitos, leucocitos y plaquetas, mientras se desarrollan diversos procesos
bioquímicos (Bocci, 2005). Debido a la presencia de enzimas como el glutatión peroxidasa
(GSH-Px) y el gutation (GSH), la concentración intracelular del peróxido de hidrogeno se
reduce dentro del plasma y el liquido intracelular.
Los PPOL´s se han estudiado a nivel laboratorio con cultivos de tejido o bien dentro del
sistema respiratorio, encontrándose que son tóxicos incluso a concentraciones de 1 µM,
sin embargo concentraciones de 0.01-0.5 µM pueden estimular diversas actividades
bioquímicas en las células (Bocci, 2005). Los PPOL pueden llegar a cualquier órgano
particularmente a la medula ósea, en donde se obtiene la adaptación al estrés exudativo,
el cual se presenta en la ozonoterapia. Bajo terapias prolongadas, la actividad de los
PPOL puede originar la regulación de enzimas antioxidantes, la aparición de proteínas
oxidativas y la liberación de las células madre, las cuales presentan un factor crucial que
explican algunos efectos presentes en la ozonoterapia (Bocci, 2005).
Excepto por la ruta de inhalación (prohibida debido al efecto toxico que ejerce sobre la
tráquea, bronquios y pulmones), se utilizan diversas vías para administrar el ozono sin
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molestias y efectos tóxicos (tabla 3) (Bocci, 2005). Debido a que se han reportado
muertes por embolia pulmonar, la aplicación directa de ozono por vía intravenosa e intra-
arterial de la mezcla de gases ha sido prohibida desde 1984. Aunque el gas se inyecta
muy lentamente, se favorece la formación de un tren de burbujas de gas, en donde el
ozono se disuelve y reacciona con la sangre (ya que es más soluble que el oxígeno) y el
oxígeno puede llegar hasta la circulación pulmonar, debido a que el plasma venoso no
puede disolver al oxigeno conduce a la formación de embolia pulmonar.
La cantidad de ozono usada es determinada de acuerdo a cada caso, los médicos han
encontrado que si no se administra la cantidad adecuada de ozono, este puede ser
inefectivo o inmune supresor. A continuación se presentan los 8 métodos utilizados en la
terapia con ozono en la actualidad (Bocci, 2005) (Altman, 1990), los cuales podrían ser
clasificados como métodos directos e indirectos.
A continuación se describen las vías de aplicación más comunes, las dosis indicadas
están en concordancia con la “Declaración de Madrid sobre la ozonoterapia” dicho
documento fue recientemente aprobado por los 22 ponentes y profesores (de todo el
mundo) que participaron en el “Encuentro Internacional de Escuelas de Ozonoterapia”,
celebrado en la Real Academia Nacional de Medicina, en Madrid el 3 y 4 de junio de
2010, bajo los auspicios de la Asociación Española de Profesionales Médicos en
Ozonoterapia (AEPROMO). Este es el primer documento donde profesionales de la
ozonoterapia establecen límites de concentraciones para la aplicación de ozono en
función del padecimiento y la vía de aplicación. Cabe resaltar que esta declaración tomó
como referencia el rango terapéutico indicado por las guías de la Asociación Rusa de
Ozonoterapia, publicadas en su “Manual de Ozonoterapia” (2008); las “Guías para el Uso
del Ozono Médico”, publicadas por la Asociación Médica Alemana para el Uso del Ozono
en Prevención y Terapia (2009); las guías del Centro de Investigaciones del Ozono,
dependencia científica del Centro Nacional de Investigaciones Científicas de Cuba,
publicadas en su libro “Ozono, Aspectos Básicos y Aplicaciones Clínicas” (2008); y el
aporte del Dr. Velio Bocci en el documento “¿Tiene la terapia de ozono-oxígeno futuro en
medicina?” (Rev. 2010)
Dentro de los métodos directos, se destacan:
Inyección de la mezcla ozono/oxígeno en fase gaseosa.
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Este método se usa con fines analgésicos y anti-inflamatorios. La mezcla ozono/oxígeno
se puede aplicar de manera subcutánea, intracutánea, intramuscular o intra-articular. Se
usan volúmenes de gas entre 1-10 mL con concentraciones que varían entre 10-15 mg/L.
La inyección intravenosa no se usa por el riesgo de producir embolia y en la actualidad es
ilegal (Bocci, 2005)
Insuflación rectal, intestinal o vaginal.
Produce efectos anti-inflamatorios y desinfectantes; ayuda a restaurar la flora intestinal
afectada por microorganismos patógenos ya que combate diversas infecciones. El ozono
en fase gaseosa se pone en contacto con el recto, los intestinos o bien, la vagina, los
volúmenes utilizados oscilan entre 100 y 150 mL y las concentraciones entre 10-60 mg/L
(recto e intestinos) y entre 5-10 mL y 2-2.5mg/L (vagina), respectivamente.
Autohemoterapia mayor y menor.
Esta técnica se usa para una gama muy amplia de enfermedades (isquemia muscular,
infecciones (virales y bacterianas), peritonitis, pié diabético, cáncer, etc). Consiste en
poner el contacto un volumen de sangre (tomada de la vena del sujeto) que oscila entre 5-
10mL (menor) y 50-150mL (mayor) con un volumen igual de ozono (agitando suavemente,
evitando burbujeo) con una concentración entre 10-60 mg/L (concentraciones mayores a
80mg/L generan daños). La sangre ozonada se regresa lentamente al torrente sanguíneo
del sujeto (mayor) o bien se inyecta intramuscular (menor).
Bolsa de ozono
Este método es ampliamente efectivo en el tratamiento de afecciones cutáneas y
subcutáneas como úlceras, heridas purulentas, cicatrices dolorosas, quemaduras, pie
diabético, entre otras. Se utiliza una bolsa de plástico que se coloca alrededor del
miembro afectado, a esta bolsa se le bombea la mezcla ozono/oxígeno (con una
concentración entre 1-6 mg/L dependiendo de la fase de la lesión), la mezcla se absorbe
a través de la piel del sujeto.
Por otro lado, dentro de los métodos indirectos se destacan:
Agua ozonada
Ésta se usa principalmente como agente desinfectante en el tratamiento de heridas
infectadas (aplicación tópica); en cirugía y ginecología (lavados); en el tratamiento de
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esofagitis, gastritis, úlceras, colitis (administración oral); para desinfección de la cavidad
oral y demás infecciones bucales (gárgaras); así como en otorrinolaringología
(inhalaciones). La preparación del agua ozonada consiste en burbujear la mezcla
ozono/oxígeno a una concentración de 5mg/L en agua un lapso de 30-60 min
dependiendo del volumen a ozonar (3 – 10L). Esta agua debe usarse durante los 30 min
siguientes a su preparación, ya que el ozono tiende a descomponerse de nuevo en
oxígeno.
Aceites vegetales ozonados
Éstos han demostrado fungir como agentes desinfectantes muy efectivos, así como
antisépticos; se aplican de manera oral o tópica y son capaces de eliminar una amplia
gama de microorganismos. Para su preparación se parte de aceites vegetales refinados y
se sigue un procedimiento similar que con el agua, pero las concentraciones cambian
según la aplicación; tomando como base 100mL de aceite: oral (20 mg/L, 10 min), tópica
(20 mg/L, 15 min). Un aceite después de ser ozonado, mantiene sus propiedades durante
meses si es almacenado en la oscuridad, puede durar un par de años si además se
mantiene en refrigeración.
Solución salina ozonada
Se utiliza solución salina al 0.9%, generalmente se ozonan 200mL durante 10min y la
concentración de ozono que se ocupa oscila entre 1-3 mg/L y se transfiere al sujeto
(150mL) por goteo durante 25-30min. Sin embargo, se ha reportado la posible formación
de HClO en la ozonación de la solución salina, el cual resulta perjudicial para el sujeto
(Bocci, 2004). Ante esta controversia, la “Declaración de Madrid sobre la ozonoterapia”
(AEPROMO, 2010) deja a consideración del médico en cuestión su aplicación.
Cabe resaltar que la determinación de la dosis de ozono se ha hecho tomando como base
la experiencia clínica de los médicos que a lo largo de los años han aplicado la
ozonoterapia; los fenómenos de trasnferencia de ozono y cinéticos involucrados no se
toman en cuenta para el diseño del tratamiento de cada paciente, por lo que las
concentraciones de ozono, así como la modificación de las mismas conforme avanza el
tratamiento (métodos directos), así como la profundidad de ozonación de medios líquidos
usados en los métodos indirectos se hacen tomando como referencia la evolución clínica
del sujeto sin medir un parámetro estándar del mismo.
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Ozonoterapia
La Ozonoterapia es la técnica netamente natural que utiliza como medio principal para la
curación o el alivio de diversas enfermedades o síntomas al ozono. Este tratamiento tiene
muy pocas contraindicaciones (No recomendado en mujeres embarazadas o pacientes
neoplásicos) y cuenta con excelentes resultados desde el primer momento.
La novedad en la Ozonoterapia radica en que sus funciones se dirigen a restaurar y
mejorar las funciones defensivas naturales de las células contra los oxidantes y los
radicales, mediante la estimulación de algunos de sus propios sistemas enzimáticos
protectores básicos y la generación de sustratos capaces de unirse a los radicales libres
para que puedan ser eliminados fácilmente [5].
Los radicales libres son átomos y moléculas que debido a su conformación, tienen el
potencial de dañar las células de nuestro organismo que entran en contacto con ellos.
Nuestro organismo se defiende del ataque de los radicales libres mediante el Sistema
Antioxidante. Por esto existe en nuestro organismo un delicado equilibrio entre la
producción de radicales libres, necesarios por parte de nuestro sistema inmunitario, y la
neutralización de radicales libres. Sin embargo, diversas células de nuestro organismo
crean radicales libres para matar bacterias y virus, pero si no hay un control (ejercido por
los antioxidantes), las células sanas pueden ser dañadas [6]. Muchas enfermedades
crónicas se han ligado directamente con los radicales libres, como la enfermedad
cardiovascular y Alzheimer.
Una de las principales funciones de la ozonoterapia se dirige a restaurar y mejorar la
metabolización del Oxígeno, conjuntamente con los azúcares y grasas, para producir
energía, también evitando la excesiva acumulación de tales nutrientes no utilizados. Sin
embargo, la existencia del ozono como tal en cualquier sistema biológico es
extremadamente breve, debido a la presencia de varias sustancias capaces de reaccionar
con el Ozono causando que, la existencia del ozono sea de sólo unas centésimas de
segundo [7].
Uno de los conceptos que se deben considerar en primera instancia es que el ozono,
como cualquier otro gas se disuelve en agua de acuerdo a la ley de Henry (en función de
la temperatura, presión y concentración de ozono en fase gas), sólo cuando se trata de
agua pura el ozono no reacciona y únicamente se disuelve; el caso contrario se observa
27
cuando el ozono es puesto en contacto con un fluido biológico (plasma, líquido peritoneal,
orina, entre otros), de manera opuesta al oxígeno, el primero reacciona inmediatamente
de la siguiente manera (Bocci, 2006):
O3 + biomoléculas O2 + O•
Donde se puede observar la formación del oxígeno atómico, el cual es altamente reactivo.
Contrario a la creencia de que el ozono penetra mucosas y se introduce en las células, la
realidad es que éste reacciona antes de poder introducirse a nivel celular.
Una vez que el ozono se pone en contacto con un fluido biológico reacciona con las
diferentes biomoléculas presentes en siguiente orden de preferencia: ácidos insaturados
(PUFA), antioxidantes (ácidos ascórbico y úrico), tioles (cisteína, glutatión reducido GSH,
albúmina). Dependiendo de la dosis de ozono, éste puede interaccionar con
carbohidratos, enzimas, ADN y ARN. Todos estos compuestos actúan como donadores
de electrones y son oxidados. La principal reacción que ocurre es:
R-CH=CH-R’ + O3 + H2O R-CH=O + R’-CH=O + H2O2
De acuerdo a esta reacción modelo se puede observar que cuando el ozono reacciona
con una biomolécula, se forman simultáneamente productos de oxidación de lípidos
(POLs) y especies reactivas del ozono (ROS), dentro de las cuales se puede encontrar el
peróxido de hidrógeno (Pryor y col., 1995). Tal como se mostró previamente, acorde al
mecanismo de Criegee (Razumovskii, 1984; Pryor, 1991a, b).
Una de las ROS fundamentales es el peróxido de hidrógeno, esta molécula oxidante (no
radical) es capaz de actuar como “mensajero del ozono” al ser el responsable de
desencadenar una serie de reacciones bioquímicas que dan lugar a diversos efectos
biológicos y terapéuticos. (Halliwell y col., 2000; Bocci y col., 2005). Cabe resaltar que las
ROS no son exclusivamente prejudiciales, ya que en cantidades fisiológicas actúan como
señales reguladoras de mecanismos de defensa y respuesta inmune.
Estrés Oxidativo
Para explicar a detalle el mecanismo de acción de la ozonoterapia es importante definir el
concepto de estrés oxidativo. Éste parte de la necesidad que todos los organismos
aerobios tienen del oxígeno, ya que éste funge como aceptor de electrones para una
eficiente producción de energía; sin embargo, el oxígeno es un oxidante muy fuerte, y
paralelamente se llevan a cabo oxidaciones secundarias que no participan en el
28
metabolismo fisiológico, éstas conducirían a consecuencias perjudiciales si no fueran
neutralizadas por un sistema antioxidante eficiente (Sorg, 2004).
Debido a lo anterior, los organismos aerobios han desarrollado a lo largo de su evolución
un sistema antioxidante que les permita mantener un equilibrio entre los productos de las
oxidaciones secundarias mencionadas y la producción de los antioxidantes que las
contrarresten.
Para describir la ruptura de este equilibrio, se ha introducido el concepto de “estrés
oxidativo” que se refiere a la situación de un organismo aerobio cuando las oxidaciones
secundarias inducidas por el oxígeno no son neutralizadas eficientemente y puede
conducir a un metabolismo anormal, pérdida de funciones fisiológicas, enfermedades e
incluso la muerte (dependiendo del grado de desequilibrio).
Es decir, el “estrés oxidativo” se define como el desbalance entre la velocidad de
producción de oxidantes y la velocidad con que éstos son neutralizados, debido a factores
genéticos o ambientales (Halliwell y Gutteridge, 1999; Sies, 1991).
Los radicales libres junto con las especies reactivas del oxígeno (ROS) son las dos clases
de moléculas que intervienen en la mayoría de las reacciones que conducen al estrés
oxidativo, las cuales se muestran en la tabla 6.
Las principales moléculas con las que reaccionan los radicales y las ROS son los lípidos,
proteínas y ADN, la oxidación del ADN puede derivar en mutación genética, síntesis de
proteínas de manera anormal, apoptosis y la muerte celular, dependiendo del grado de
estrés oxidativo que se presente (Pryor y col., 1995b). Cabe resaltar que las ROS (cuando
se encuentran en sus niveles adecuados) también desempeñan funciones fisiológicas,
tales como, catálisis de diversas reacciones bioquímicas, defensa contra los patógenos
invasores o bien, la capacitación de espermatozoides (sus funciones dependen de la
naturaleza y concentración de las ROS involucradas) (Sorg, 2004).
29
Nombre Estructura Principales reacciones Superóxido •O-O⎯ Participación en la reacción de Haber-Weiß
(catalizada por Fe2+ y Cu3+), para formar •OH; formación de HO-OH o O=N-O-O⎯
Peróxido de hidrógeno
HO-OH Formación del •OH; inactivación de enzimas; oxidación de biomoléculas
Radical hidroxilo
•OH Abstracción de hidrógeno; producción de radicales libres y peroxidación de lípidos; oxidación de tioles
Ozono ⎯O-O+=O Oxidación de todo tipo de biomoléculas, especialmente aquellas con dobles ligaduras;
formación de y aldehídos citotóxicos Oxígeno singulete
O=O Reacciones con dobles ligaduras, formación de peróxidos; descomposición de aminoácidos y
nucleótidos. Óxido nítrico •N=O Formación de peroxinitritos; reacción con otros
radicales Peroxinitrio O=N-O-O⎯ Formación de •OH; oxidación de tioles y grupos
aromáticos; conversión de xantina deshidrogenasa a xantina oxidasa; oxidación de biomoléculas
Hipoclorito ClO⎯ Oxidación de grupos amino y sulfuro; formación de cloro
Radical R• Abstracción de hidrógeno; formación de radicales peróxido y otros radicales; descomposición de
lípidos y biomoléculas Radical
peróxido R-O-O• Abstracción de hidrógeno; formación de radicales;
descomposición de lípidos y biomoléculas. Hidroperóxid
o R-O-OH Oxidación de biomoléculas; destrucción de
membranas biológicas Iones de hierro y cobre
Fe2+, Cu3+
Formación del •OH por las reacciones de Fenton y Haber-Weiß
Tabla 6. Moléculas que inducen el estrés oxidativo y sus principales reacciones en sistemas biológicos
(Sorg, 2004)
Como se mencionó previamente, los organismos aerobios poseen suficientes defensas
antioxidantes que pueden neutralizar los intermediarios reactivos antes de que oxiden las
biomoléculas o bien reducir aquellas que ya han sido oxidadas (Tabla 7). Debido a la gran
variedad de estos dos últimos, existen una gran variedad de antioxidantes, los cuales
deben ser compatibles tanto con las fases hidrofílicas (citosol, fluidos extracelulares)
30
como lipofílicas (membranas y lípidos) (Halliwell y Gutteridge, 1999; Blokhina y col., 2003;
Steenvoorden y col., 1997).
Antioxidante Fase Acción Superóxido dismutasa
(SOD) Hidrofílica Dismutación de O2⎯ en H2O2 y O2
Catalasa (CAT) Hidrofílica Dismutación de H2O2 en H2O y O2 Glutatión peroxidasa (GPX) Hidrofílica
o lipofílica
Reducción de R-OOH en R-OH
Glutatión reductasa (GSR) Hidrofílica Reducción de glutatión oxidasa Glutatión-S-transferasa
(GST) Hidrofílica Conjugación de R-OOH a GSH (→GS-
OR) Metalotioneínas Hidrofílica Unión a metales de transición
(neutralización) Tiorredoxinas Hidrofílica Reducción de R-S-S-R en R-SH
Glutatión (GSH) Hidrofílica Reducción de R-S-S-R en R-SH; captador de radicales libres; cofactor
para GPX y GST Ubiquinol Lipofílica Captador de radicales libres (previene
LPO) Ácido Dihidrolipoico Anfifílica Captador de ROS; incrementa enzimas
antioxidantes y fase II Ácido ascórbico (Vitamina
C) Hidrofílica Captador de radicales libres; recicla
tocoferoles (Vitamina E); Mantiene a las enzimas en su estado reducido.
Retinoides (Vitamina A) y carotenoides
Lipofílica Captador de radicales libres; neutraliza al oxígeno singulete
Tocoferoles (Vitamina E) Lipofílica Captador de radicales libres (previene LPO); incrementa la absorción de
selenio. Selenio Anfifílica Constituyente del GPX y tioredoxinas
Tabla 7. Antioxidantes endógenos
Abreviaturas: GPX, Glutatión peroxidasa; GSR, Glutatión reductasa; GST, Glutatión-S-
transferasa; GSH, Glutatión; Catalasa, CAT; LPO, peroxidación de lípidos; SOD, Su
Tal como se explicó previamente, una de las hipótesis más aceptadas es que el ozono no
penetra en las células porque antes de transferirse, éste reacciona instantáneamente con
los antioxidantes y los ácidos grasos poli insaturados presentes y da lugar a especies
reactivas del oxígeno (ROS) y una mezcla de productos de oxidación de lípidos (POLs).
31
La generación de estos ROS y POLs se puede llevar a cabo ex vivo (ozonación de
aceites, autohemoterapia) o in vivo (inyecciones en fase gas, insuflaciones)
independientemente de la forma en que sean generados, una vez en el sistema del sujeto
en cuestión actúan como generadores de un estrés oxidativo “controlado” por la dosis
aplicada de ozono, la cual no debe ser ni muy pequeña, ya que el nivel de estrés oxidativo
es muy bajo y actúa sólo como un placebo, ni muy alta porque el organismo no es capaz
de restaurar el equilibrio debido que el nivel de estrés oxidativo inducido es muy alto.
Al incrementar la concentración de POLs y ROS en el sujeto, se activa la producción de
antioxidantes tales como: SOD, GPX, GSH, CAT, los cuales tienen la función de
contrarrestar los excesos de ROS y LOPs. Esta regulación sistémica es la responsable de
los efectos terapéuticos observados en los sujetos; por otro lado los LOPs ejercen un
efecto neuro-inmuno-modulador que produce una sensación de bienestar. Un aspecto
destacable del estrés oxidativo inducido a través del incremento en los ROS y LOPs es la
generación del H2O2, el cual es responsable de activar diversos mecanismos bioquímicos
relacionados con la activación de defensas y el sistema inmune.
El efecto paradójico del ozono como inductor de una respuesta antioxidante capaz de
revertir un estrés oxidativo es común en los reinos animal y vegetal. Lo cual sugiere que el
uso de una dosis adecuada de ozono, a pesar de inducir una oxidación en el sujeto,
mejora la capacidad antioxidante, lo que representa un factor crítico para la superación de
infecciones virales, la isquemia y la degeneración celular (Bocci, 2006).
Efectos clínicos de la ozonoterapia
Los efectos clínicos observados derivados del mecanismo de acción del ozono dependen
de la concentración y vía de aplicación; dentro de los que se destacan: Bactericida,
fungicida y virucida.
El ozono (en fase gas o como solución ozonada), oxida las membranas de los
microorganismos, por lo que es capaz de destruir una amplia gama de bacterias, virus,
hongos y protozoarios; de igual manera, indirectamente activa el sistema inmunológico del
sujeto sometido a ozonoterapia.
Anti-inflamatorio
Este efecto se atribuye a la capacidad del ozono para oxidar compuestos insaturados,
como el ácido araquidónico (20:4) y sus derivados, particularmente la prostaglandinas; los
32
cuales participan en el proceso inflamatorio. Adicionalmente, el ozono regula las
reacciones metabólicas en los tejidos donde se localiza la inflamación y el pH.
Analgésico
Este efecto se debe a la oxidación (inducida por el ozono) de los productos de
albuminólisis, los cuales fungen como terminaciones de los nervios en los tejidos dañados
y determinan la intensidad del dolor correspondiente. Adicionalmente, el efecto analgésico
se debe a la normalización inducida por el ozono del sistema antioxidante y en la
consecuente disminución en la abundancia de productos de la peroxidación de lípidos en
las membranas celulares.
Activación de procesos dependientes de oxígeno
Como consecuencia de la aplicación de ozono se obtiene un aumento en la cantidad de
oxígeno libre y disuelto en la sangre, lo cual deriva en una mayor producción de enzimas
que catalizan la oxidación de carbohidratos, lípidos y proteínas que derivan en la
formación de ATP (energía).
Optimización de los sistemas pro y anti oxidante
La activación de los sistemas pro y anti oxidante es uno de los efectos más importantes a
nivel sistémico atribuidos a la ozonoterapia debido a la oxidación inducida en las
membrana celulares. Al incrementarse las especies oxidadas en el sujeto, en éste ocurre
un incremento compensatorio en la producción de enzimas antioxidantes
(superoxidismutasa, catalasa, glutationperoxidasa).
Activación del sistema de defensas
Otra de las respuestas observadas, producto de la oxidación de las estructuras lipídicas
de las membrabas celulares es la activación del sistema de defensas , ya que se estimula
la síntesis de citocina que es una proteína liberada por las células linfáticas que actúa
como mediador celular y controla la reacción inmunológica, así mismos se activa la
inmunidad humoral (principal mecanismo de defensa contra los microorganismos
extracelulares y sus toxinas).
Métodos de control de ozonoterapia
33
Como se puede apreciar hasta este momento, el estrés oxidativo se relaciona con una
gran variedad de padecimientos, y el principio básico de la ozonoterapia consiste en
inducir un nivel controlado de éste, de tal forma que el organismo vivo involucrado sea
capaz de equilibrar el nivel de oxidantes y antioxidantes y como consecuencia, subsanar
este estrés. Por lo anterior, no es de extrañarse que el control de la aplicación de ozono
con fines médicos se realice a través de la medición del nivel de estrés oxidativo.
Algunos de los métodos desarrollados para la medición del estrés oxidativo son:
• Métodos para monitorear el estrés oxidativo in vivo
• Cuantificación directa de las especies reactivas a través de resonancia de electro
spin
Métodos indirectos como la determinación de antioxidantes y la capacidad antioxidante total (TRAP)
Detección de marcadores biológicos oxidados:
• Productos de lipoperoxidación (LPO)
• Malonialdehído
• 4-hidroxinonenal
• Isoprostanos
• Oxidación de proteínas
• Grupos hidroxilo y carbonilo
• Medición del daño al ADN (HPLC, GC)
La principal desventaja de estos métodos consiste en las limitaciones analíticas
(sensibilidad) propias de los métodos analíticos empleados, así como los tiempos
requeridos para el análisis.
La declaración de ozonoterapia de Madrid recomienda medir y clasificar el estado de
estrés oxidativo del paciente, utilizando marcadores como el malonidialdehído, catalasa,
superóxido dismutasa, glutatión peroxidasa e indicadores de la actividad antioxidante total
en consulta y si es que no existe la posibilidad de medir el grado de estrés oxidativo del
paciente por alguno de los métodos establecidos al respecto, el mismo documento
recomienda que el médico valore de acuerdo al estado clínico del paciente, si está apto o
34
no para recibir el tratamiento con ozono en ese momento, o si es necesario mejorar
previamente su estado nutricional (Cita).
Lo cual pone en evidencia que la aplicación de la ozonoterapia carece de un método de
control sólido y estándar; lo cual es confirmado por la declaración de ozonoterapia de
Madrid: No todos los pacientes responden de igual forma al pequeño y controlado estrés
oxidativo que produce la ozono terapia. Por ello el tratamiento con ozono siempre deberá
realizarse de manera escalonada y progresiva. Comenzar con dosis bajas e incrementar
poco a poco para evitar riesgos innecesarios hasta que no esté disponible un método de
diagnóstico clínico del estrés oxidativo que permita ajustar las dosis (AEPROMO, 2010).
Generadores de ozono de uso médico
Nikola Tesla manifestó que el oxígeno es el único gas que adquirirá y llevará energía
eléctrica. Al hacer eso, se vuelve tremendamente activo y trata de combinarse con otras
sustancias [8]. La lista de sustancias que son inertes al ozono es corta, incluye vidrio,
Teflón, Kynar, Viton, Lexan, y silicón. Por consiguiente cualquier generador de ozono y
equipo auxiliar debe estar compuesto sólo de estas sustancias. Hay varias técnicas
diferentes usadas para producir ozono de grado médico.
Un tipo de generador usa como fuente una lámpara de rayos ultravioleta. Este método es
adecuado para la purificación del aire, porque en ese ancho de banda, la radiación
ultravioleta solo reacciona con oxígeno, pero es muy débil para propósitos médicos.
También, la lámpara UV se deteriora con el tiempo y finalmente se quema.
El segundo método de producción de ozono es la descarga de corona, donde un tubo con
un cátodo frío o caliente está rodeado por un ánodo de metal. Algunas veces es llamado
corona de frío o descarga silenciosa. En un largo documento, en la inducción
electrostática, Siemens (1857) describió [9] en detalle un aparato silencioso de descarga
para preparar ozono a partir de aire u oxígeno (Figura 3). En la actualidad, los mejores
son llamados dieléctrico doble, porque tienen una capa de cristal que separa cada
componente del flujo del gas. Esto previene la contaminación del ozono, pero debido a la
corriente que va por el metal, son propensos al arco eléctrico y al desgaste. Esto hace
que los generadores tengan corta vida.
35
Figura 3. Primer generador de ozono, inventado por Verner Von Siemens en 1857
Además, los generadores por descarga de corona emanan mucho calor y deben tener
grandes ventiladores de refrigeración para prevenir el recalentamiento.
Existe un tercer método para producir ozono de grado médico limpio. Ese método es
llamado plasma en frío. Utiliza barras de cristal llenas de gases nobles, agitado por alto
voltaje. La tensión salta entre las barras, formando un campo de plasma electroestático
que transforma el oxígeno en ozono [10]. Dado que no hay corriente apreciable, no hay
arco o desgaste. Así el generador durará largo tiempo, limitado solamente por la calidad
del transformador. Los generadores de plasma en frío originales fueron inventados por
Nikola Tesla en la década del 20 y todavía funcionan 80 años después.
Efecto corona para producción de ozono
La producción de ozono artificialmente se lleva a cabo gracias a la generación de una
tensión eléctrica. Dicha tensión aparece cuando hay una diferencia notable de potencial
existente entre los dos puntos de un circuito eléctrico en particular. A dicho proceso se lo
denomina efecto corona y del mismo pueden surgir tanto el ozono como los iones
negativos. Propiamente dicho, el efecto corona consiste en la ionización del aire que
rodea a los conductores de alta tensión. Este fenómeno tiene lugar cuando el gradiente
eléctrico supera la rigidez dieléctrica del aire y se manifiesta en forma de pequeñas
chispas o descargas a escasos centímetros de los cables [11]. Mientras mayor sea el
gradiente eléctrico, mayor será el efecto corona, una mayor humedad incrementa el efecto
corona. El estado de la superficie del conductor (las rugosidades, irregularidades,
defectos, impurezas adheridas, etc.), lo incrementan.
Como consecuencia del efecto corona se produce una emisión de energía acústica y
energía electromagnética en el rango de las radiofrecuencias, de forma que los
36
conductores pueden generar ruido e interferencias en la radio y la televisión; otra
consecuencia es la producción de ozono y óxidos de nitrógeno.
La producción de ozono artificial consiste básicamente en: un tubo dieléctrico por el que
se hace pasar oxígeno, éste recibe una descarga eléctrica constante (efecto corona) y
que se ha generado en un transformador. Este hecho provoca la transformación de la
molécula de oxígeno (O2) proveniente del aire, en una molécula de ozono (O3).
Figura 4. Vista a detalle de un tubo de descarga corona usado para generar ozono
Tan pronto como el ozono se forma en el generador y se dispersa en un ambiente,
ocurren varios procesos que incluyen:
a) Reacción oxidante con agentes causantes de olor, que consume al ozono.
b) Reacciones con hongos, moho, bacterias y otros contaminantes que consumen
nuevamente al ozono mediante reacciones oxidantes.
c) Reducción natural (o vuelta al oxígeno) del ozono extra innecesario, debido a la
inestabilidad química del ozono. Este proceso de reducción ocurrirá en un lapso de
aproximadamente 30 minutos.
Producción de ozono por luz UV
La mayor parte del ozono se encuentra en la estratosfera donde actúa como una barrera
para proteger la superficie de la Tierra de la perjudicial radiación ultravioleta proveniente
del sol.
El ozono que se encuentra más cerca a la superficie, en la troposfera es un contaminante
nocivo que daña los pulmones y las plantas.
El ozono estratosférico es creado principalmente por la radiación ultravioleta. Cuando
rayos ultravioleta de alta energía chocan con moléculas de oxígeno comunes (O2), las
37
dividen en dos átomos de oxígeno simple, conocido como oxígeno atómico. Uno de los
átomos de oxígeno liberado se combina con otra molécula de oxígeno y forma una
molécula de ozono [12]. Lo anterior se ejemplifica mejor en la siguiente imagen (Figura 5):
Figura 5. Pasos para la formación de ozono por radiación UV
1. Las moléculas de oxígeno comunes.
2. Un fotón de energía solar divide una molécula de oxígeno en dos átomos de
oxígeno simple.
3. Los átomos de oxígeno liberados se combinan con las moléculas de oxígeno.
4. Formación de moléculas de Ozono.
El ozono es de suma importancia, ya que absorbe un rango de energía ultravioleta que es
nocivo para la vida en la tierra. Por medio de este "ciclo de ozono-oxígeno" la peligrosa
radiación ultravioleta se transforma continuamente en calor.
En la disociación por la absorción de luz de O2, en dos átomos de oxigeno, el estado de
energía depende de la longitud de onda de la luz absorbida. El mecanismo requiere la
mínima cantidad de energía, por supuesto, produce átomos de oxigeno en sus estados
menores de energía.
Empíricamente varios fabricantes de lámparas de luz ultravioleta, han estimado que el
rendimiento cuántico máximo, en lo que a formación de ozono se refiere, esta entorno a
los 185 – 187 nm, dentro de lo que es una gama de lámparas comerciales.
Sensores de Ozono
El ozono no puede ser almacenado a temperatura ambiente y normalmente se genera
mediante descargas eléctricas (efecto corona). Sin embargo este tipo de generación es
susceptible a varios parámetros, por lo que es necesario monitorear el nivel de ozono
generado para tener un control de concentración confiable.
38
Diversos métodos de censado se utilizan para monitorear la cantidad de ozono generado.
El método por absorción de luz ultravioleta es el más usado hoy en día. Sin embargo
presenta una perdida de precisión en concentraciones altas (mayores a 100g m3) [13].
Sensores semiconductores de óxido son otra opción, su inconveniente es que se saturan
a altas concentraciones y por dicho motivo no son una opción viable para ser usados en
generadores de ozono [14].
Usualmente la mayoría de las mediciones de concentración de ozono se llevan a cabo
usando la fuerte banda de absorción ultravioleta de Hartley con lámpara de mercurio, a
253nm, como fuente de luz. El proceso de absorción UV se lleva a cabo en el rango
espectral donde la energía de los fotones podría eventualmente modificar la
concentración de ozono.
El método de medición de concentración por IR tiene la ventaja de ser independiente del
UV y de no destruir las moléculas de ozono. La absorción infrarroja se realiza a los
9.507um. Correctas mediciones de bajas concentraciones de ozono en IR necesitan una
precisa determinación de la vibración-rotación de la intensidad de sus correspondientes
líneas de absorción. El uso de líneas de absorción individuales provee una acentuada
selectividad de la molécula considerada para la absorción, lo cual no siempre es posible
en la región UV. La principal dificultad en IR viene de la débil absorción característica
acompañada con una línea individual que pide que largas celdas de trayectoria produzcan
absorción que se pueda medir en el rango necesitado de concentración [15].
Un sensor electroquímico es otra opción de bajo costo, éste sensor puede medir un ancho
rango de concentración, pero los requisitos para el mantenimiento y el miedo a la falta de
estabilidad ha impuesto obstáculos para su popularización.
El ozono es inestable y genera calor encima de 142.7 kJmol-1sobre descomposición,
existe un método de censado que se basa en el calor de descomposición, el cual usa dos
termistores para formar un sensor de combustión catalítico, sin embargo se observa un
envenenamiento si no existe NOx presente y la manera de evitar este envenenamiento
catalítico es si el dispositivo se opera a más de 600 K.
Se ha desarrollado sistemas de monitoreo de ozono con alta exactitud, modificando el
método de absorción de UV, utilizando una fuente de Xenón como la fuente de UV y un
espectrómetro óptico con un arreglo CCD de alta sensitividad linear como el detector de
39
UV. Este método muestra una buena salida linear a concentraciones de 0.05 y 2 % en
peso de ozono, en los diferentes porcentajes de flujo de oxigeno y ozono de 1 a 5 litros
por minuto [16].
Mediciones de concentración de ozono por UV
La ley de Beer-Lambert describe el proceso de absorción por moléculas en fase gaseosa
cuando la difusión y la emisión térmica pueden ser desatendidas. La intensidad
transmitida después de la trayectoria de largo L en el gas, contiene N moléculas
absorbentes por cm3, y es:
LNTpvKevIvIt ),,,~(0 )~()~( −= (1)
K ( v~ , p, T, N) (cm−1) es el coeficiente de absorción de la molécula activa para el numero
de onda v~ , la presión total es p, y la temperatura es T.
En UV, el coeficiente de absorción K ( v~ , p, T, N) puede ser escrito como:
NTpvNTpvK ),,~(),,,~( σ= (2)
Donde σ( v~ , p, T), en cm2/molécula, es la absorción de una sección transversal de la
molécula activa con numero de onda v~ , la presión total es p, y la temperatura es T. N (en
moléculas/cm3) es la densidad o concentración de la molécula absorbente. El coeficiente
de absorción α( v~ , p, T) esta definido en cm-1 atm-1 a T0=273.15K, de la siguiente
manera:
0
),,~(),,,~(Tk
TpvTpvB
σα = (3)
Donde kB es la constante de Boltzmann.
Si kB se expresa en SI, α( v~ , p, T)= Lσ( v~ , p, T), donde L= 2.6867775×1019 moléculas
cm-3 es el número de Loschmidt. La absorción de ozono de una sección transversal σ( v~ ,
p, T) es casi constante alrededor de las lámparas de emisión de mercurio a 253.7nm,
usadas como fuente de luz en el espectrofotómetro UV [15]. La concentración de ozono N
puede ser deducida de las mediciones de transmisión de radiación UV a través de una
muestra del gas estudiado para una presión y temperaturas dadas:
40
LTpIoIaN
),(1)ln(
σ== (4)
En UV, la presión dependiente de σ(p, T), es débil y una sección transversal σ(T) es
generalmente usada. Para el caso de una pequeña absorción la concentración de ozono
se deriva de la intensidad absorbida Ia (Ia = I0 − It) dada por:
LTIIaN
)(1
0 σ=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛= (5)
Lógica Difusa
La lógica difusa ha cobrado una fama grande por la variedad de sus aplicaciones, las
cuales van desde el control de complejos procesos industriales, hasta el diseño de
dispositivos artificiales de deducción automática, pasando por la construcción de
artefactos electrónicos de uso doméstico y de entretenimiento, así como también de
sistemas de diagnóstico.
Las lógicas difusas, pues de hecho hay que hablar de ellas en plural, son esencialmente
lógicas multivaluadas que extienden a las lógicas clásicas. Estas últimas imponen a sus
enunciados únicamente valores falso o verdadero.
Bien que éstas han modelado satisfactoriamente a una gran parte del razonamiento
“natural”, es cierto que el razonamiento humano utiliza valores de verdad que no
necesariamente son “tan deterministas” [17].
Las ideas de incertidumbre y ambigüedad llevaron en 1964 al Doctor LotfiZadeh a
establecer un principio de incompatibilidad, el cual establece que la complejidad y la
ambigüedad (imprecisión) están inversamente relacionadas. Esto significa que entre más
se aprende de un sistema, su complejidad decrece y nuestro entendimiento aumenta.
Esto le llevó a la publicación del artículo “Fuzzy Sets” en 1965 [18].
Después de la aparición del artículo de Conjuntos Difusos, se han tenido desarrollos
teóricos en lógica difusa en países como Estados Unidos, Europa y Japón. Este último ha
tomado ésta tecnología como medio de desarrollo en los equipos de tipo electrónico
llegando a tenerse aproximadamente 2000 patentes en el área [19].
41
Las primeras aplicaciones industriales de la lógica difusa se realizaron en 1970 en
Europa. La Queen A. Mary College en Londres Inglaterra, encargo al ingeniero
EbrahimMandami, que realizará el control de un generador de vapor por lógica difusa y no
por métodos convencionales [20]. En la Universidad RWTH de Aachen Alemania, el
investigador Hans Zimmerman usó lógica difusa para los sistemas de apoyo de decisión
[21]. Existen otras aplicaciones industriales como el mando de un horno de cemento,
control de hornos de vapor, etc, que no contaban con una aceptación industrial.
En 1980, la lógica difusa ganó mayor aceptación en la industria para aplicaciones de
análisis de datos en Europa. Muchas de las tecnologías más avanzadas sobre lógica
difusa, se desarrollan en proyectos aplicados en la investigación, en donde se busca
modelar el pensamiento humano y sus procesos de evaluación.
Inspirados por las primeras aplicaciones europeas de la lógica difusa, las compañías
japonesas empezaron a utilizar lógica difusa en sus diseños en 1980. Debido al resultado
de los primeros algoritmos en hardware normal, la mayoría de las primeras aplicaciones
de la lógica difusa aparecían sólo con su hardware especializado. Algunas de estas
aplicaciones fueron: el control de una planta purificadora de agua desarrollada por Fuji
Electric en 1983 y posteriormente un sistema de tren subterráneo realizado por Hitachi
que se abrió en 1987.
Como resultado de esto, la lógica difusa se usa actualmente sobre cualquier área de
aplicación de mando inteligente o procesos de datos. Las aplicaciones de automatización
industriales incluyen procesos químicos y el mando de procesos biológicos, equipos de
controladores de maquinaria y los sensores inteligentes.
En lo que respecta al área de desarrollo biomédico, la lógica difusa ha comenzado su
difusión empleándose principalmente en el reconocimiento de patrones, en problemas de
diagnóstico médico, en los que la diversidad de padecimientos con características
similares hacen difícil establecer un diagnóstico y tratamiento adecuado. En la actualidad
la mayoría de sus usos en ésta rama aún son prototipos de investigación pero que
vislumbran una aceptación inmediata en el mercado.
Sistema de diseño convencional de controladores.
El desarrollo completo de un modelo de control, requiere del conocimiento de los
componentes físicos diseñados para alterar, regular, comandar o dirigir al sistema que se
encuentra en estudio. Los sistemas de control son de dos tipos: en lazo abierto (en los
42
cuales la acción de control es independiente de la salida del sistema) y cerrado en los
cuales existe la retroalimentación, término que señala a grandes rasgos, la dependencia
de la acción de control con el valor obtenido en la respuesta del sistema bajo estudio [22].
A fin de controlar cualquier variable física, primero esta debe ser medida. El objeto de
medición es comúnmente denominado sensor de manera genérica, mientras que el
aparato, dispositivo, proceso, etc, es conocido como planta.
Una de las primeras tareas que se deben tomar en cuenta cuando se elabora un sistema
de control, es el desarrollo de un sistema matemático del proceso que debe ser
controlado, con el fin de ganar entendimiento del problema [23]. Para esto se hace uso de
principios físicos, químicos, etc, que han demostrado ya su validez como métodos para
representar de manera estructurada y formal los fenómenos que se presentan en la
realidad. Esta forma de establecer el modelo, conlleva a un sistema de ecuaciones
diferenciales que representan aproximadamente al sistema, y que son usadas en el
desarrollo de los métodos de control. Se debe tener siempre presente que un modelo
matemático nunca es una representación exacta de la realidad, sino una abstracción de
ella misma, dado que no representa de manera completa todas las dinámicas que el
sistema puede sufrir. Es necesario mencionar que la necesidad de un modelo de tipo
matemático se debe principalmente a que la gran mayoría de los métodos clásicos de
desarrollo de sistemas de control, asume una representación en ecuaciones diferenciales
para lograr el desarrollo final de los controladores [24].
Los modelos lineales (Ecuación 5) se han usado ampliamente en el pasado y su teoría de
control lineal es poco exacta aunque muy explícita.
CxyBuAxx
=+=
*
(6)
En este caso, u es la entrada m-dimensional, x es el n-dimensional estado; y es la p-
dimensional salidaA, By C son matrices de la dimensión apropiada. Este modelo, o su
equivalente en funciones de transferencia del espacio de Laplace (variable complejas),
son apropiados para emplearse con las técnicas de análisis en frecuencia (Lugar de las
raíces, Diagrama de Nyquist, Gráficas de Bode, etc)[25].
En algunas ocasiones, se asume que los coeficientes de las ecuaciones diferenciales son
constantes pero desconocidos, o que pueden ser alterados de sus valores nominales, y
entonces son aplicadas técnicas de control adaptable o bien de control robusto [26].
43
Actualmente los sistemas de control han establecido un conjunto de teorías enfocadas a
un tipo de sistemas que se acercan mucho más a la realidad, que en el caso de los
sistemas lineales. De manera abstracta se conocen como sistemas no lineales.
( )( )uxgy
uxfx,,
==&
(7)
Donde las variables están definidas como en el caso anterior de los sistemas lineales, y
donde "" y son funciones no lineales de sus argumentos [Aguado, 1978]. Una de las
formas de estos modelos no lineales que ha sido muy explorada es:
( ) ( )uxgxfx +=& (8)
Dado que es posible establecer modelos de control bien definidos, debido a la estructura
que poseen (linealización por retroalimentación o control adaptable no lineal). De la
misma forma, se han reportado una gran cantidad de métodos a otro gran conjunto de
sistemas, ya sea que tengan una ( )⋅f y ( )⋅g no conocidos (técnicas de control robusto), o
bien que estos sean discretos [24], o que la planta presente un comportamiento
estocástico [26]
Existen ciertas características de la planta que deben considerarse al momento de
establecer alguna de las estrategias de control mencionadas. Algunas de los rasgos más
importantes a determinar son:
• La estabilidad del sistema, es decir si todas las variables que conforman al modelo
en estudio están acotadas.
• Controlabilidad. Esta se refiere a la posibilidad que se tiene de efectuar una acción
de control cualquiera al sistema, y que este genere una respuesta que se
encuentre relacionada con la primera.
• Observabilidad. Esta propiedad establece la capacidad de colocar un sensor o
conjunto de sensores que sean capaces de monitorear la evolución del sistema.
En el diseño de cualquier tipo de controlador en forma de “lazo cerrado”, también es
importante involucrar parámetros como: rechazo a perturbaciones, sensibilidad,
estabilidad, tiempo de alcance, tiempo de crecimiento, sobretiro, etc. De la misma forma,
las condiciones técnicas deben tenerse en cuenta al momento de establecer una
estrategia de control, ya que estas determinan la viabilidad de que el modelo presentado
44
pueda ser aplicado. Algunos de estos elementos son: costo, complejidad computacional,
manufacturabilidad, adaptabilidad, entendimiento, etc.
Básicamente, los métodos clásicos para el diseño de controladores ofrecen gran variedad
de formas para utilizar información proveniente de los modelos matemáticos que
describen a los sistemas bajo estudio, pero ignoran de manera categórica mucha de la
información heurística que ofrece el mismo (y que si es necesaria al momento de la
“entonación” del controlador). Lamentablemente, los modelos matemáticos no alcanzan
una representación cercana a la realidad, o bien son muy simplificados, lo que lleva a la
elaboración de leyes de control irreales, demasiado complejas o inoperantes para los
sistemas reales.
Una vez que todos los pasos anteriores en el diseño del controlador, han sido concluidos,
deben cumplirse tres fases muy importantes que en conjunto se denominan: la evaluación
del desempeño del controlador. Esta consiste en calificar como se comportará el
controlador bajo una amplia gama de condiciones que pueden presentarse cuando este
se encuentre trabajando. La manera de llevar a esta evaluación consiste en: el análisis
matemático que determina principalmente la estabilidad del sistema. El análisis basado en
soluciones numéricas, que establece precursores de los parámetros de la ley de control; y
por último la investigación experimental.
Controladores difusos
En los métodos clásicos del diseño de controladores, está bien claro que en muchos
casos, la imposibilidad de modelar y simular sistemas reales, representa una de las
restricciones más importantes para el desarrollo de un controlador confiable.
Considerando, por otra parte, que el modelo es exacto en cuanto a su representación de
la realidad; esto implica que la aplicación de las técnicas ya descritas, sea muy
complicada, especialmente para los procedimientos convencionales de control que
requieren aseveraciones restrictivas sobre el sistema (por ejemplo, la linealidad). Este es
el motivo que lleva al diseño convencional de controladores, a utilizar modelos
matemáticos altamente simplificados de los sistemas reales.
La lógica difusa (FL, por sus siglas en inglés), aplicada a la ingeniería de control, o
también llamado control difuso, provee una metodología formal para representar,
manipular e implementar el conocimiento heurístico humano acerca de cómo controlar un
sistema.
45
La estructura de un sistema de control difuso (Figura 6), tiene cuatro componentes
principales:
• La base de reglas. Contiene el conocimiento, en la forma de un conjunto de reglas,
de cómo controlar de la mejor manera al proceso.
• El mecanismo de inferencia que evalúa cuales de las reglas son relevantes al
momento, y decidir entonces cual es la acción de control que debe aplicarse a la
planta.
• La interfase de “Fuzificación”, que modifica la entrada al controlador para que esta
pueda ser entendida por el mecanismo de inferencia.
• La interfase de “Defuzifcación” que convierte las conclusiones alcanzadas por el
mecanismo de inferencia, en acciones de control para la planta.
.
Proceso
Sensor
Base de Reglas
Mecanismo De inferencia
Fuzi
ficac
ión
Def
uzifi
caci
ón
Referencia r(t)
Entrada u(t)Salida y(t)
Figura 6. Modelo básico de un sistema de control general basado en lógica difusa. Aquí el proceso se
refiere a la planta que se desea controlar (el modelo de generador de ozono).
Para obtener el diseño de un controlador difuso (FC, por sus siglas en inglés), se debe
contar con una gran cantidad de información acerca de cómo un constructor de
decisiones actuaría en lazo cerrado con el sistema. Muchas veces, esta información
proviene de un operador humano que ejecuta la acción de control, pero en otras
ocasiones es necesario adquirir tal información de manera propia, entendiendo el
funcionamiento del sistema en estudio. Toda esta información debe colocarse en un
arreglo de sentencias del tipo “Si…, entonces…”, es decir “Si la salida de la planta con
respecto a la señal de referencia se están comportando de cierta manera, “entonces” la
entrada a la planta debe tener este comportamiento”. Después de esto, sólo debe elegirse
el método que se usará en el mecanismo de inferencia, y el sistema está listo para ser
probado.
46
Cada una de los elementos de interfaz para el sistema de control difuso, y en general toda
la estructura de este, está basado en los llamados conjuntos difusos, los cuales
establecen la sustentación formal de la Lógica Difusa, y que fueron propuestos por
LoftiZadeh [18]. La lógica difusa presenta ciertas ventajas, por las cuales fue elegida
como técnica de control, entre las cuales destacan las siguientes:
• Es fácil de entender conceptualmente. Los conceptos matemáticos detrás de ésta
son muy simples. Lo que la hace atractiva es la naturalidad con la que uno puede
expresar problemas de cierta complejidad.
• Es flexible. Una vez diseñado un algoritmo fuzzy es fácil cambiar las reglas de
comportamiento.
• Los datos pueden ser imprecisos y sin embargo, el sistema funcionar igualmente.
• Se pueden realizar modelos de sistemas no-lineales de complejidad arbitraria.
• El sistema fuzzy puede ser construido en base a la experiencia de expertos. Esto
es una gran ventaja si se le compara con las redes neuronales donde la red
entrenada es como una caja negra, en problemas complejos.
• Puede combinarse con técnicas de control convencionales.
• Se basa en el lenguaje natural. Como se verá en el diseño de los controladores, es
sencillo expresar las instrucciones como reglas fuzzy.
De la misma, existen algunos casos en donde no se debe emplear la lógica difusa como
una herramienta adecuada. Hemos mencionado que la Lógica Difusa es una manera
conveniente de mapear un universo de entrada hacia un universo de salida, pero quizá en
alguna aplicación, un mapeo no sea lo más adecuado, en tal caso se debe de probar otra
técnica. Si existe una solución que resulte mucho más simple, debe emplearse.
Conjuntos difusos y funciones de membresía
Un conjunto difuso es un conjunto con un límite suave. La teoría de conjuntos difusos
generaliza la teoría clásica, para permitir pertenencia parcial a un conjunto. Un conjunto
en teoría clásica, siempre tiene un límite establecido, porque la “membresía” o
pertenencia al mismo conjunto es un concepto de “blanco o negro”, un objeto sólo tiene
dos opciones, o pertenece o no pertenece enteramente a tal conjunto. Por ejemplo, el
conjunto de días de la semana sin lugar a duda incluye el lunes, el martes, el miércoles; y
sin duda, también, excluye a la mantequilla, los autos, etc. A pesar de que existen muchos
conjuntos que son de este tipo, por ejemplo el de la gente casada; existen muchos otros
que no lo son, como el conjunto de gente “felizmente casada”. Como se observa, el
47
adjetivo calificativo determina una imposibilidad objetiva de determinar si este pertenece o
no a tal conjunto. La teoría de lógica difusa desvanece esta limitación de permitir
membresía o pertenencia parcial a un conjunto, y lo convierte en un grado de asociación
al conjunto. Esto se explica retomando el ejemplo de las parejas que se encuentran
casadas, y que sean felices. La felicidad no puede ser una situación excluyente, es decir,
no se establece, eres feliz o no, sino se es más o menos feliz, se es muy feliz, se es poco
feliz, etc.
De la teoría clásica de conjuntos, también sabemos que si un objeto pertenece a este es
etiquetado con un valor de “1”, y obviamente si este no pertenece se le coloca un “0”
como indicador. En el caso de la lógica difusa, se permite entonces que los grados de
pertenencia ( )s'μ se presenten en el rango de:
[ ]1,0∈μ (9)
De esta manera, se puede describir una transición suave y gradual, de la región externa
del conjunto, a la región interna. Entonces un conjunto difuso es definido como una
función que mapea objetos a su correspondiente valor de pertenencia en el conjunto. Esta
función es llamada “función de membresía”. Cada función de membresía está asociada a
una serie de objetos o datos. Estas series o arreglos de datos son denominadas
“Universos de Discurso” (DU, por sus siglas en inglés). En aplicaciones prácticas, la
mayoría de estos DU son simplemente el conjunto de números reales o algún intervalo de
estos. En el caso de las parejas, el DU serían todas las parejas que hubieran contraído
matrimonio. Para los sistemas de control, suponga que este tiene sus entradas
niUu ii ,...,2,1=∈ , y sus salidas miYy ii ,...,2,1=∈ (Figura 7). Así los conjuntos iU y
iY son los DU’s de las entradas correspondientes en el controlador. En muchas
ocasiones, es más conveniente referirse a Universos de Discurso Efectivos [ ]βα , , donde
α y β , representan los puntos en los que las funciones de membresía inician su
saturación, es decir su grado de pertenencia es “1”, o bien donde este es “0”. Se le llama
ancho de DU al valor de αβ − .
48
Proceso
Sensor
Base de Reglas
Mecanismo De inferencia
Fuzi
ficac
ión
Def
uzifi
caci
ón
Referencia r(t)
Entrada u(t)Salida y(t)Retroalimentación
y1
y2
yn
u1
u2
um
Figura 7. Representación global del sistema difuso como mapeo entre las entradas y las salidas
Variables, valores y reglas con asignación lingüística
Un sistema difuso (FS, por sus siglas en inglés) es un mapeo estático no lineal entre sus
entradas ( )niUu ii ,,2,1 K=∈ y sus salidas ( )mjYy jj ,,2,1 K=∈ . Las salidas y las
entradas son valores “crisp”, esto es, son números reales, no difusos.
Los conjuntos ordinarios o “crisp”. iU y jY son llamados universos de discurso para iu y
jy , respectivamente (en otras palabras son sus dominios). En aplicaciones prácticas,
muchos de los universos de discurso comunes son simplemente los conjuntos de
números reales o de algún subconjunto de tales valores. Por conveniencia es preferible
establecer un conjunto efectivo de discurso como se explicó anteriormente.
Para especificar la base de reglas para la inferencia del FS, el experto debe utilizar una
“descripción ligüística”, es decir, expresiones de tipo gramaticales necesarias para la
descripción de las entradas y salidas así como sus características. Así se utilizan de
manera general las “variables lingüísticas” (LV, por sus siglas en inglés), descripciones
constantes y simbólicas que son cantidades variantes en el tiempo y que describan los
elementos a la entrada y salida del FS. De manera general, y para describir una
connotación adecuada, las LV denotadas por iu~ son empleadas para describirlas a las
entradas, y de la misma forma se utilizan las iy~ para referirnos a las salidas. Por ejemplo,
una entrada a un DS se puede describir como =1~u ”posición angular” o =2
~u ”velocidad”,
y una salida del mismo sistema podría ser =1~y voltaje de entrada, considerando que la
planta a controlar es un motor de corriente directa.
49
Tal y como iu y jy toman valor en cada DU, iU y jY respectivamente, las LV iu~ y iy~
toman sus respectivos valores o términos lingüísticos, que son los encargados de
proporcionar la calificación o descripción de las características de cada variable. Sea jiA~
el j-ésimo término lingüístico de la LV iu~ definida en el DU iU . Si asumimos que existen
muchos valores lingüísticos definidos sobre iU , entonces la LV iu~ toma elementos del
conjunto de términos lingüísticos definido por:
ijii NjAA ,,2,1:~~ K== (10)
En algunas ocasiones, y simplemente por conveniencia, se permite que los índices j
tomen valores negativos. De forma similar, se establece que j
iB~ represente el j-ésimo
valor lingüístico de la variable lingüística de salida iy~ definida sobre el D.U. jY .
Definamos de manera análoga a:
ipii NpBB ,,2,1:~~ K== (11)
Los términos lingüísticos son expresiones descriptivas como “positivo grande”, “cero” y
“negativo ligero”, es decir, adjetivos calificativos. Por ejemplo, si asumimos que 1~u denota
la LV llamada “velocidad”, podemos expresar que ≡11
~A ”Lenta”, ≡21
~A “Moderada” y
≡31
~A ”Rápida”, así se establece que:
31
21
111
~,~,~~ AAAA = (12)
Reglas lingüísticas
El mapeo de las entradas a las salidas de un DS está caracterizada en gran medida por
un conjunto de condiciones de la forma accióncondición ⇒ , o en el llamado modus
ponens (SI-ENTONCES).
SI PREMISA… ENTONCES CONSECUENCIA (13)
Generalmente, las entradas a un sistema difuso están asociadas con la premisa, y las
salidas están asociadas con las consecuencias. Estas reglas Si-Entonces, pueden ser
representadas en muchas formas. Las dos más empleadas son las formas clásicas MIMO
50
o “Muchas entradas, muchas salidas (Multi-input; Multi-output) y MISO o “Muchas
entradas y una salida” (Multi-input, Single-output). La forma más sencilla es la MISO: p
qqj
nnjj BesyEntoncesAesuyyAesuyAesuSí ~~~~~~~~
2211 L (14)
Este es en realidad un conjunto de reglas lingüísticas de tal modo, que el experto
especifique a través de ellas como se debe llevar a cabo el control del modelo bajo
observación. Note que si ≡1~u “velocidad”, y que ≡1
1~A ”Lenta”, ≡2
1~A “Moderada” y
≡31
~A ”Rápida”, un término sencillo en la premisa de la regla, significa que: “la velocidad es
lenta”, por ejemplo. Se deduce claramente que un sistema MIMO se compone de forma
general de un número de sistema MISO. Suponga, por ejemplo que 2=m : ppj
nnjj BesyyBesyEntoncesAesuyyAesuyAesuSí 22112211
~~~~~~~~~~ L (15)
La regla anterior es un equivalente lingüístico de la combinación de: pj
nnjj BesyEntoncesAesuyyAesuyAesuSí 112211
~~~~~~~~ L (16)
Y pj
nnjj BesyEntoncesAesuyyAesuyAesuSí 222211
~~~~~~~~ L (17)
Esto es posible dada la aplicación de la operación lógica “Y”, y estableciendo que tal
relación es sólo posible si cada una de las reglas por si sola son válidas.
Asumiendo que existe un total de R reglas en la base de reglas numerada R,,2,1 K , y
que naturalmente, aseguramos que las reglas en la base de reglas son distintas (no
existen dos reglas con las mimas premisas y las mismas consecuencias); sin embargo,
esto no ocurre necesariamente en todos los casos. Se debe considerar que ninguno de
los términos asociados con cualquiera de las entradas en el sistema MISO no deben ser
omitidos o ignorados. Por ejemplo, suponga un FS que tiene dos entradas y una sola
salida: ≡1~u “posición”, ≡2
~u “velocidad” y ≡1~y “fuerza”. Además, suponga que cada
entrada esta caracterizada por dos términos lingüísticos ≡1~iA ”Pequeño” y ≡2~
iA
“Grande” para 21 yi = . Suponga que ahora, la salida está caracterizada por
≡11
~B ”Negativo” y ≡2~iB “Positivo”. Una regla valida de la forma “Si-Entonces” puede ser:
Sí la posición es grande Entonces la fuerza es positiva. (18)
51
Sin embargo, esta no sigue la regla descrita en el caso anterior. En este caso, uno de los
términos de la premisa ha sido omitido. Finalmente, se debe notar que todos los términos
de las premisas son usados en cada regla y que el conjunto de reglas está formada por
cada combinación posible de los elementos de la premisa, entonces existen:
nini NNNN *** 211 K=∏ = (19)
Número de reglas. Por ejemplo, si existen 2 entradas y tenemos 11=iN funciones de
membresía en cada universo de discurso, entonces existen 121 reglas posibles.
Claramente, en todos casos el número de reglas crece exponencialmente con el
incremento del número de reglas y con el número de términos lingüísticos.
Funciones de membresía
El concepto de introducción a los conjuntos difusos generales, es el de la función de
membresía. Sea iU que denota al universo de discurso y ij
i AA ~~ ∈ denote un término
lingüístico específico para la LV iu . La función ( )iuμ asociada con jiA~ que mapea a iU
en un intervalo de [ ]1,0 es llamada una función de membresía (MF, por sus siglas en
inglés). Esta función describe la certeza de que un elemento de iU , denotado iu , con una
descripción lingüística iu~ , puede ser clasificada por jiA~ . Las MF son especificadas de
manera subjetiva en una manera “correcta” definida de manera heurística, a partir de la
intuición o la experiencia (de aquí la necesidad de un experto en el modelo o sistema que
se esté estudiando).
Por ejemplo, si [ ]150,150 +−=iU , ≡1~u “velocidad” y j
iA~ es positivo grande, entonces
( )iuμ puede ser una función de distribución probabilística tipo normal, comúnmente
conocida como campana de Gauss con su máximo valor centrado en cero, en 75=iu y
está cercano a cero cuando 50<iu y 100<iu . Esto significa que si 75=iu , ( ) 175 =μ ,
que expresa que es absolutamente cierto que iu es positivo grande. Si 25−=iu ,
entonces ( )25−μ está muy cerca de cero, lo que representa que se está muy cerca de
que iu no sea positivo grande.
Claramente, muchas otras elecciones se puede establecer para la forma de las funciones
de membresía, y cada una de estas provee características propias y aconsejables de
52
acuerdo al tipo de sistema (veloz, lento, no lineal, lineal, etc.) o bien de acuerdo a las
necesidades de programación (por ejemplo en sistemas híbridos como los neurodifusos o
bien los algoritmos genéticos que dirigen el aprendizaje difuso).
Triangular Trapezoidal Gaussiana Pico FinoTriangular Trapezoidal Gaussiana Pico Fino
Figura 8. Formas comunes de las funciones de membresía utilizadas en los sistemas de control difusos
Las representaciones matemáticas de las funciones Gaussianas y triangulares tienen
definiciones que se aplican de acuerdo al tipo de sistema empleado. Para el caso de
sistemas neurodifusos es mejor establecer una forma en la que estas funciones puedan
ser derivables. Algunos ejemplos importantes son las funciones triangulares y las
gaussianas (Tabla 8).
Función Triangular Función Gaussiana Izq.
( )⎪⎩
⎪⎨
⎧
⎭⎬⎫
⎩⎨⎧ −
+
≤=
otrowuc
cuSíu
L
L
L
L
*5.01,0max
1μ
Izq. ( )
⎪⎪⎩
⎪⎪⎨
⎧
⎪⎭
⎪⎬⎫
⎪⎩
⎪⎨⎧
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −−
≤
=otrocu
cuSí
uL
L
L
L 2
21exp
1
σμ
Cen.
( )
⎪⎪⎩
⎪⎪⎨
⎧
⎭⎬⎫
⎩⎨⎧ −
+
≤⎭⎬⎫
⎩⎨⎧ −
+=
otrowuc
cuSíwcu
uC
*5.01,0max
*5.01,0max
μ Cen.
( )⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −
−=2
21exp
σμ cuuC
Der. ( )
⎪⎩
⎪⎨
⎧≤
⎭⎬⎫
⎩⎨⎧ −
+=
otro
cuSíwcu
uR
R
R
C
1*5.0
1,0maxμ
Der. ( )
⎪⎪⎩
⎪⎪⎨
⎧≤
⎪⎭
⎪⎬⎫
⎪⎩
⎪⎨⎧
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −−
=
otro
cuSícuu
LR
R
R
1
21exp
2
σμ
Tabla 8. Descripciones matemáticas de las principales funciones de membresía empleadas en la lógica difusa.
53
Operaciones difusas
Ahora que hemos establecido las bases de los conjuntos difusos y de las funciones de
membresía, expondremos las operaciones básicas de las definiciones y operaciones de
los conjuntos difusos y por ende de las funciones de membresía.
Sean A y B conjuntos difusos en el universo de discurso U . Definamos ahora las
operaciones de lógica difusa básicas.
1. Complemento. Cuando ( ) [ ]1,0∈xAμ y x es el valor de la variable crisp, el
complemento de A , denotado por A′ esta definido por la función de membresía:
( ) ( ) Uxxx AA ∈∀−=Δ
− μμ 1 (20)
2. Intersección. La intersección de dos conjuntos difusos A y B , denotada como
BA∩ está definido por: ( ) ( ) ( )[ ] ( ) ( ) Uxxxxxx BABABA ∈∀∧≡=Δ
∩ μμμμμ ,min
donde ∧ indica el operador mínimo. Es claro que ABA ⊆∩ y BBA ⊆∩ .
3. Unión. La unión de dos conjuntos difusos A y B , denotada como BA∪ está
definido por: ( ) ( ) ( )[ ] ( ) ( ) Uxxxxxx BABABA ∈∀∨≡=Δ
∪ μμμμμ ,max donde ∨ indica
la operación máximo. Es claro que BAA ∪⊆ y BAB ∩⊆ .
4. Igualdad. A y B son iguales si y sólo si ( ) ( ) Uxxx BA ∈∀= μμ .
5. Subconjunto. A es un subconjunto de B ( BA ⊆ ), si y sólo
si ( ) ( ) Uxxx BA ∈∀≤ μμ .
6. Ley de la doble negación. AA = .
7. Leyes de De Morgan. ⎩⎨⎧
∪=∩
∩=∪
BABABABA
8. Producto Cartesiano. Sean nAAA ,,, 21 K conjuntos difusos en universos de
discurso nUUU ,,, 21 K respectivamente. El producto cartesiano de nAAA ,,, 21 K es
54
un conjunto difuso en el espacio de producto nUUU *** 21 K con función de
membresía: ( ) ( ) ( ) ( )[ ]nn
nAAAnAAA
UxUxUx
xxxxxxnn
∈∀∈∀∈∀
=Δ
,,
,,,min,,,
,2211
2121*** 2121
K
KKK μμμμ
9. Suma algebraica. La suma algebraica de dos conjuntos difusos A + B está
definida por ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) Uxxxxxx BABABA ∈∀−+=Δ
+ μμμμμ *
10. Producto algebraico. El producto algebraico de dos funciones de membresía A *
B , está definida por: ( ) ( ) ( )( ) Uxxxx BABA ∈∀=Δ
μμμ **
11. Suma acotada. La suma acotada BA ⊕ de dos conjuntos difusos está definida
por: ( ) ( ) ( )( )[ ] Uxxxx BABA ∈∀+=Δ
⊕ μμμ ,1min
Algunas otras funciones existen para la operación sobre conjuntos difusos pero debido a
su similitud con las aplicadas a los conjuntos clásicos, se omite su presentación [27].
Fuzificación
Los conjuntos difusos son utilizados para cuantificar la información en la base de reglas, y
el mecanismo de inferencia opera sobre conjuntos clásicos, para producir a su vez nuevos
conjuntos difusos, por tal motivo, se debe especificar que el sistema difuso convierte sus
entradas numéricas niUu ii ,...,2,1=∈ en conjuntos difusos. (Proceso conocido como
“fuzificación”) para que puedan ser utilizados por sistemas difusos.
Sea *iU el conjunto de todos los posibles conjuntos difusos que pueden ser definidos en
iU . Dado ii Uu ∈ , la transformación de fuzificación iu a un conjunto difuso fuziA~ definido
en el D.U. iU . Esta transformación es producida por el operador de fuzificaciónℑ definido
por: *: ii UU →ℑ (21)
Donde:
( ) fuzii Au ~=ℑ (22)
55
Comúnmente se utiliza la fuzificación tipo “singleton”, que produce un conjunto difuso *~i
fuzi UA ∈ con una función de membresía definida por:
( )⎩⎨⎧ =
=casootro
uxx ifuz
Ai 01
~μ (23)
Cualquier conjunto difuso con esta forma, para esta función de membresía en particular,
es llamado “singleton”. Note que un impulso unitario puede ser utilizado para representar
una función de membresía tipo singleton. Este tipo de fuzificación es utilizada en
implementaciones sin presencia de ruido, donde es absolutamente cierto que iu toma en
sus valores medidos, los valores asignados a las funciones de membresía tipo singleton.
El mecanismo de inferencia
El mecanismo de inferencia tiene dos tareas básicas, (1) determinar la extensión en la
que cada regla tiene relevancia en la situación que se está presentando en el controlador
caracterizada por las entradas niUu ii ,...,2,1=∈ (a este proceso se le conoce como
“matching”); y (2) dibujar conclusiones utilizando las entradas actuales y la información en
el base de reglas (este paso se llama inferencia). Para el “matching”, nótese que nl
kj AAA ∗∗∗ L21 es el conjunto difuso representando la premisa de la i-ésima regla
( )iqplkj ,;,,, K .
Matching Suponga que en algún instante, se tienen las entradas niui ,...,2,1= , y la fuzificación produce:
fuzn
fuzfuz AAA ~,,~,~21 L (24)
Que es el universo difuso que representa las entradas. Existen dos pasos básicos en el
matching.
1. Combinar las entradas con las reglas de premisas. El primer paso en el matching
involucra encontrar los conjuntos difusos nl
kj AAA ,,, 21 L con las funciones de
membresía
56
( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )nfuzAnAnA
fuzAAA
fuzAAA
uuu
uuu
uuu
nj
nj
n
jj
ij
ij
i
~~
2~22~
1~11~
222
μμμ
μμμ
μμμ
∗=
∗=
∗=
M (25)
Para todo lkj ,,, K , que combina los conjuntos difusos de la fuzificación, con los
conjuntos difusos utilizados en cada uno de los términos en las premisas de las reglas. Si
se utiliza un fuzificación tipo singleton, entonces cada una de estas funciones es un
singleton que está escalada por la premisa de a función de membresía. Esto es, con
fuzificaciónsingleton, tenemos ( ) 1~ =ifuzA u
iμ para todo ni ,,2,1 L= para entradas iu dadas.
( ) ( )( ) ( )
( ) ( )nAnA
AA
AA
uu
uu
uu
jn
jn
jj
ji
ji
μμ
μμ
μμ
=
=
=
~
22~
11~
22
M (26)
Cuando la fuzificaciónsingleton es utilizada, la combinación de los conjuntos difusos que
fueron creados por los procesos de fuzificación para representar las entradas con las
funciones de membresía de las premisas para las reglas, es particularmente simple. Esto
reduce el cálculo de los valores de membresía de la entrada de los conjuntos difusos,
para las entradas niui ,...,2,1= dadas. Determinar que reglas se encuentran
“encendidas”. En el segundo paso, se forman los valores de membresía ( )ni uuu ,,, 21 Kμ
para la i-ésima premisa de las reglas (que comúnmente es llamada premisaμ ) la cual
representa la certeza de que cada premisa en la regla se mantenga para las entradas
dadas. Definiendo: ( ) ( ) ( ) ( )nAAAni uuuuuu ln
kj ~2~1~2121
,,, μμμμ LK ⋅⋅= que es simplemente una
función de las entradas. Cuando la fuzificación singleton es utilizada, tenemos:
( ) ( ) ( ) ( )nAAAni uuuuuu ln
kj μμμμ LK ⋅⋅= 212121
,,, . Empleando ( )ni uuu ,,, 21 Kμ para representar
la certeza de que la premisa de la i-ésima regla se relaciona con la información de la
entrada, cuando se hace uso de la fuzificación tipo singleton. Este ( )ni uuu ,,, 21 Kμ
representa la superficie de certeza multidimensional. Esta implica la certeza de una regla
y a su vez el grado con el cual participará cada una de las reglas en la evaluación del
conjunto de entradas dadas. Finalmente, se debe remarcar que en algunas ocasiones,
suele ser conveniente emplear una regla de certeza adicional para que sea multiplicada
57
por iμ . Como la certeza representa nuestra confianza a priori en la aplicabilidad de cada
regla, normalmente tiene un valor entre cero y uno. Si para una regla, su certeza es de
0.1, se puede expresar que no estamos muy seguros del conocimiento que representa,
mientras que una certeza de 0.99, estamos muy seguros de que la información
presentada sea altamente confiable. Esto concluye el proceso de matching de la entrada
de información, con la premisa de las reglas.
Paso de inferencia
Existen dos alternativas estándares para desarrollar el proceso de inferencia, una
involucra el uso de los conjuntos difusos implicados y el otro que utiliza todos los
conjuntos de todo el algoritmo difuso.
a. Alternativa 1. Determinando los conjuntos difusos implicados. El paso de
calcular la inferencia es realizado a través de tomar cada regla i-
ésima ( )iqplkj ,;,,, K en el conjuntos difuso implicada iqB~ con función de
membresía: ( ) )(*,,,)( ~21~ qBniqByuuuy p
qiq
μμμ K= . El conjunto difuso implicado iqB~
específica que el nivel de certeza de la salida debe ser una salida crisp qy dentro
del universo de discurso qY , tomando en consideración sólo la regla i-ésima.
b. Alternativa 2. Determinación de todos los conjuntos difusos implicados.
Alternativamente, el mecanismo de inferencia puede, además, calcular el
conjunto difuso total implicado qB~ con función de membresía
)()()()( 121 ~~~~ qBqBqBqByyyy p
qqqqμμμμ ⊕⊕⊕= L que representa la conclusión
alcanzada al considerar todas las reglas en la base de reglas en el mismo
tiempo.
Regla composicional de la inferencia
Utilizando la terminología matemática de los conjuntos difusos, el cálculo de )( qqB yμ , se
dice que es producido por regla de inferencia composicional sup-estrella. La parte “sup”
en esta regla corresponde a la operación ⊕ , y la estrella corresponde al producto. La
regla composicional de Zadeh [18], es el caso especial de la regla sup-estrella cuando el
máximo es utilizado para ⊕ y el mínimo esta utilizado para *. La justificación total para
utilizar las operaciones descritas en la representación de la inferencia recae en el hecho
58
de que no podemos estar más seguros acerca de las conclusiones de lo que estamos de
las premisas. Las operaciones establecidas para la inferencia se adhieren perfectamente
a este principio.
Defuzificación
Existe una gama amplia de estrategias para obtener la defuzificación del proceso de
control estudiado hasta el momento. Cada uno provee una forma para extraer una salida
única (denotada por crispqy ) basado en los dos métodos caracterizados para el paso de la
inferencia (dependiendo del tipo de estrategia de inferencia utilizado).
Defuzificación y los conjuntos difusos implicados
Lo más común como paso inicial en este proceso, es especificar las técnicas de
defuzificación simples para los conjuntos difusos implicados iqB~ :
• Centro de Gravedad (COG, por sus siglas en inglés). Una valor crisp crispqy es
elegida utilizando el centro del área y el área de cada uno de los conjuntos difusos
implicados, y está dado por:
( )
( )∑ ∫
∑ ∫
=
== R
iqq
YB
R
iqq
YB
qi
crispq
dyy
dyyb
y
q
iq
q
iq
1~
1~
μ
μ
(27)
Donde R es el número de reglas, qib es el centro del área de la función de membresía q
pB
asociada con el conjunto difuso asociado iqB~ para la i-ésima regla.
( )iqplkj ,;,,, K y ( ) qqY
Bdyy
q
iq∫ ~μ denota el área bajo ( )qB
yiq
~μ . Note que el algoritmo COG es
fácil de calcular dado que existen formas simplificadas para calcular el valor del área
( ) qqY
Bdyy
q
iq∫ ~μ . Además, obsérvese que el área debajo de cada conjunto difuso implicado
debe ser calculada, entonces el área bajo cada función de membresía debe ser finita. De
la misma forma, note que el valor de salida para el sistema difuso debe estar definido por
lo que:
59
( ) 01
~ ≠∑ ∫=
R
iqq
YB
dyyq
iq
μ (28)
Para todos los iu o los crispqy que no estén propiamente definidos. Este valor debe ser
diferente de cero si existe alguna regla que esté encendida para todas las posibles
combinaciones de la base de reglas, considerando también las relaciones de las entradas
y las salidas.
• Centro promedio. Un valor de salida crisp crispqy se elige utilizando los centros de
cada una de las funciones de membresía de salida y la certeza máxima de cada
una de las conclusiones representadas con cada uno de los conjuntos difusos, y
está dada por:
∑
∑
=
== R
iB
Y
R
iB
Y
qi
crispq
iq
q
iq
q
by
1~
1~
sup
sup
μ
μ (29)
Donde “sup” significa supremo (el último límite superior de un conjunto de datos o bien de
una función). Aquí el ( ) xμsup puede ser visto o entendido como el valor más alto de
( )xμ . También qib es el centro del área de la función de membresía de q
pB asociada con
el conjunto difuso asociado iqB~ para la i-ésima regla. Note que el sistema difuso puede ser
definido mientras que:
0sup1
~ ≠∑=
R
iB
Yiq
q
μ (30)
Para todas las iu .
También, note que iq
qB
Y~supμ es un término sencillo de calcular dado que si ( ) 1~ =xi
qBμ
para al menos un qy , entonces, para muchas estrategias de inferencia, tenemos:
( )niBY
uuuiq
q
,,,sup 21~ Kμμ = (31)
Que también puede ser evaluado en el proceso del matching. Más aún, la fórmula para la
defuzificación es:
60
( )
( )∑
∑
=
== R
ini
R
ini
qi
crispq
uuu
uuuby
121
121
,,,
,,,
K
K
μ
μ (32)
Donde debemos asegurar que ( ) 0,,, 21 ≠ni uuu Kμ para todas las entradas. También note
que esto implica que la forma de la función de membresía para los conjuntos difusos de la
salida no importa, se pueden utilizar singleton apropiadamente colocados.
A continuación, se presentan las técnicas típicas de Defuzificación para todos los
conjuntos difusos implicados qpB :
• Criterio del máximo. Una salida cripqy es escogida como el punto en la salida del
universo de discurso qy para el cual el valor fuzzy qB logra un máximo, esto
es, ( ) qBcrisp
q yyqˆsuparg μ∈ .
Aquí “ ( )[ ]xx μsuparg ” regresa el valor de x que resulta en el supremo de la función
( )xμ que ha sido logrado.
Algunas veces el supremo puede ocurrir en más de un punto de qy (por ejemplo
considerando el uso del criterio máximo para el caso donde el mínimo es usado al
representar la implicación, y las funciones de membresía triangulares son usadas en
la salida del universo de discurso. En este caso, también se necesita especificar una
estrategia en la cual se tomen sólo un punto para cripqy (por ejemplo, escogiendo el
valor más bajo). Con frecuencia esta estrategia de defuzificación se evita para este
tipo de ambigüedades, sin embargo, el siguiente método de defuzificación ofrece una
alternativa para esto.
• Medio del máximo. Una salida cripqy es escogida para representar el valor medio
de todos los elementos los cuales son miembros en qB es un máximo. Definiendo
|ˆ maxqb como el supremo de la función de membresía de qB sobre el universo de
discurso qy . Sobre todo, se define un valor fuzzy qq
yB ∈*ˆ con unas función de
membresía definida como:
61
( )( )
⎪⎩
⎪⎨⎧ =
=casootro
byy
qqB
qBq
q 0
ˆ1 max*
*
μμ (33)
Entonces la salida crisp, usando el método del medio del máximo, es definida como:
( )( )∫
∫=
qqBy
qqBqycrisp
q dyy
dyyyy
*
*
μ
μ (34)
Donde el sistema difuso puede ser definido entonces ( )∫ ≠ 0* qqBy dyyq
qμ para todos los iu .
Note que la ecuación (34) puede ser calculada en cada instante de tiempo que dependen
de qB , los cuales cambian con el tiempo, esto puede requerir herramientas
computacionales excesivas para universos de discurso continuos. Para algunos tipos de
funciones de membresía, simples ideas de geometría pueden ser utilizadas para la
simplificación de cálculos; sin embargo, al escoger funciones de membresía, se pueden
tener algunos sub-intervalos a través de un universo de discurso donde el máximo es
logrado. En este caso el cálculo del valor de defuzificación es más fácil al menos que las
funciones de membresía sean discretizadas.
• Centro del área. (COA, por sus siglas en inglés): una salida crisp cripqy es
escogida como el centro del área para las funciones de membresía de los
conjuntos fuzzyimplicados qB . Para una salida continua del universo de discurso
qy la salida del centro del área es denotada por:
( )( )∫
∫=qqBy
qqBqycrispq dyy
dyyyy
μ
μ (35)
El sistema difuso puede ser definido entonces ( ) 0≠∫ qqBy dyyqq
μ para todos los iu .
Note que es similar al método del medio del máximo. Por esto se deja escrito para el
cálculo del área del conjunto difuso implicado tomando ( ) ( )( ) ( )( ) uuu uconjunto 21 ,max μμμ = .
En este caso, el cálculo no es tan sencillo cuando sólo se añaden las áreas de las dos
funciones triangulares recortadas, que representan los valores difusos implicados.
Calculando el área del conjunto de los valores implicados, no se toma en cuenta el área
62
donde se sobreponen los valores difusos implicados; el área del conjunto de los valores
difusos implicados en general, puede ser muy difícil su cálculo en tiempo real.
Es importante mencionar, que cada una de las ecuaciones anteriores para la
defuzificación provee una cuantificación matemática de la operación del sistema difuso
completo provisto para cada uno de los términos en las descripciones, y que estas son
definidas completamente. Se asegura que el empleo de los conjuntos de valores difusos
implicados en defuzificación se da por tres razones principales:
1. Los conjunto de valores difusos implicados qB es, en sí mismo, difícil para el
cálculo en general, y
2. Las técnicas de defuzificación basadas en un mecanismo de inferencia que provee
qB es también difícil para calcularse.
3. Es por esta razón que muchos de los controladores difusos existentes usan las
técnicas de defuzificación basadas en los conjuntos difusos implicados, tal como el
centro promedio o COG.
63
JUSTIFICACIÓN Como ya se ha mencionado, en los últimos años se han desarrollado diversas
investigaciones que han puesto en evidencia la revolución que ha despertado el ozono en
el campo de la medicina.
Uno de los principales puntos a evaluar en esta terapia radica en el tipo de generadores
de ozono utilizados para dar esta clase de tratamiento.
Es por el impacto que ha tenido la ozonoterapia que se debe innovar en esta área. En
esta tesis no se aborda la innovación de la terapia desde el punto de vista médico, sino en
el diseño del generador de ozono.
En México los generadores de ozono comerciales solo poseen un rango determinado de
producción, según lo especifique el fabricante. La cantidad de gas entregada es regulada
de forma manual y carecen de un indicador visual en lo general, el cual muestre la
cantidad real de ozono aplicada durante la terapia.
El simple hecho de contar con este visualizador permite evaluar y en algunas ocasiones
evitar un probable peligro debido a un error humano. Estos errores pueden poner en
riesgo la salud del paciente e incluso su vida. Además, la ozonoterapia requiere personal
con una determinada experiencia para operar el ozonizador.
Debido a esto, surge la necesidad de construir un generador de ozono para cualquier
aplicación médica, en el cual haya un control del ozono generado, que incluya un diseño
óptimo del tubo utilizado en el generador de ozono. Si el equipo considera agregar un
sistema que monitorice la cantidad de gas generada y pueda estimar la cantidad de gas
aplicada, se puede obtener la máxima eficiencia del mismo. Una ventaja adicional de un
dispositivo como el ya descrito, agregaría la opción de una interfase con un sistema de
cómputo, en el cual se pueda recabar información del estado corriente del generador de
ozono, para su posterior análisis, pruebas y calibración, y como sustento de información
para un posterior análisis estadístico, el cual hasta el momento no existe y que puede
contribuir al fomento de una mayor investigación científica en el campo de la
ozonoterapia, así como también a sustentar con hechos reales y documentados el gran
potencial que posee el ozono con fines terapéuticos.
64
OBJETIVOS
GENERAL Diseñar y construir un generador de ozono para aplicaciones en ozonoterapia controlado
digitalmente con interface a un equipo de cómputo utilizando tanto la tecnología de efecto
corona como por energía ultravioleta.
PARTICULARES
Diseñar y construir el sistema de producción de ozono con base en la tecnología
de efecto corona y energía ultravioleta.
Diseñar y construir el sistema de aislamiento de la fase de potencia de los
generadores de ozono.
Diseñar y construir el sensor de ozono que servirá de base en el esquema de
control digital
Diseñar y construir el sistema de control digital para la producción de ozono.
Diseñar y construir el sistema de comunicación para controlar los generadores de
ozono desde un equipo de cómputo
65
METODOLOGÍA
Diseño y construcción de un Convertidor de CC a CA con aislamiento (Fuente flotada).
Se propuso diseñar y construir una fuente flotada para aislar la alimentación de los
sistemas de baja potencia de la alimentación de los de alta potencia y evitar corrientes de
fuga que puedan dañar severamente a los demás circuitos.
Este convertidor de CC a CA es una de las aplicaciones fundamentales de transistores y
es meramente un circuito de aislamiento, que parte del principio de flotación de tierras, o
como comúnmente se le llama al circuito, fuente flotada. El aislamiento está suministrado
por un transformador de pulsos cuyo núcleo es de ferrita. Este transformador obtiene la
máxima transferencia de potencia cuando la señal de entrada tiene una frecuencia de 1.8
Mhz, alimentándolo con una señal cuadrada con 50% de ciclo útil, esto se conoció al
realizar diversas pruebas cambiando la frecuencia de la señal de entrada.
Se diseñó un circuito el cual provee las señales cuadradas con las características
necesarias para hacer resonar al transformador de pulsos (Ver figura 9)
Para hacer resonar al transformador se propuso un circuito oscilante de alta frecuencia,
se eligió el LMC555 como circuito oscilador, ya que al estar basado en tecnología CMOS,
puede oscilar a altas frecuencias de hasta 3 MHz, al conectarse un simple circuito RC.
QA1BC547
QA2BC557 MOS
IRF640
RL10
TR2
TRAN-2P2S
TR1
TRAN-2P2S
D1BA547
C110uF
C210uF
R110k
R210k D2
1N4740A
D31N4740A
ground
+Vcc
-Vcc
R4
DC 7
Q 3
GN
D1
VC
C8
TR2 TH 6
CV5
LMC555
C522pF
RB16k
RA680
VddVdd
C310nF
-Vdd
Figura 9. Convertidor de CC a CA para aislar la fase de potencia de la de baja potencia.
El primer arreglo de transistores tiene la función de proteger al MOSFET (IRF640) y
además de ser el circuito que encenderá y apagará dicho MOSFET (hará las veces de
66
circuito de switcheo). Los transistores ideados para este propósito fueron transistores
BJT, un NPN BC547, que permite un buen funcionamiento a altas frecuencias de por
encima de 10MHz, asimismo puede resistir voltajes de colector emisor (VCE) de hasta
45v y permite corrientes de colector (IC) de hasta 100mA. El otro transistor del arreglo es
un PNP BC557, que tiene las mismas características de voltaje, corriente y ancho de
banda que el BC547.
El MOSFET IRF640, tiene la característica de soportar altas frecuencias por encima de
4Mhz y está diseñado para usarse con voltajes de Drain a Source (VDS) de hasta 200v y
corrientes de Drain (ID) de hasta 18A.
EL MOSFET tiene dos funciones principales, la primera es actuar como switch para crear
pulsos sobre el transformador de pulsos, y la segunda y por lo cual se elige un MOSFET y
no otro tipo de transistor para este circuito es que sirve como un aislador entre los pulsos
que se envían desde la entrada del arreglo de transistores bipolares y también como
protección para este arreglo, ya que tiene una alta impedancia de entrada con lo cual se
puede decir que aísla mejor que otro transistor, además de que soporta grandes
cantidades de voltaje y corriente, lo cual lo hacen idóneo para esta aplicación.
La ultima parte de éste circuito es la conexión del transformador de pulsos, con una
terminal de entrada a +5v (Vdd), y la otra terminal de entrada al drain del MOSFET, con
esto se asegur que el transformador esté recibiendo siempre pulsos. Como en todo
circuito de switcheo, en ocasiones existe un reflujo de corriente que produce un
calentamiento en el MOSFET, lo cual se ve reflejado como una pérdida de potencia, para
evitar esto, es que se acopla un diodo de ultra rápida recuperación con el ánodo
conectado al Drain del MOSFET y el cátodo en Vdd, es decir entre las dos terminales de
entrada del transformador. Con esto se asegura que no haya un reflujo innecesario de
corriente al MOSFET. El diodo que se eligió para esta aplicación fue el diodo BA159
debido a su rápida recuperación de hasta 500ns.
Del lado aislado del transformador se cuenta con un filtro pasabajas y un arreglo de
zenners para poder tener un voltaje casi constante, con una tierra totalmente distinta a la
usada para alimentar al circuito de oscilación. Esta nueva fuente generada a partir de otra,
será el elemento principal para encender los circuitos de potencia que se utilizaron para
este proyecto.
67
Se realiza el cálculo para una frecuencia de 3 MHz, cpon el fin de cambiar a RB
por un potenciometro y así poder variar la frecuencia hasta encontrar la óptima donde se
dé la máxima transferencia de potencia y dado que el ciclo de trabajo es del 50%, esto
reduce los calculos, tal y como se muestra a continuación para la configuración de la
figura 4:
( ) CRBRAT •+•= 693.0 (36)
Tf 1= (37)
Si pFC 22=
( ) ( ) MHzpCRBRA
f 17.32220000680693.0
1693.0
1=
•+•=
•+•=
La fuente con la que se alimentó este circuito fue una fuente AT de 250w, diseñada para
una PC Intel Pentium III. La cual entrega corrientes de hasta 4A y voltajes constantes a
±5v y ±12v.
Figura 10. Fuente AT de 250w, usada para alimentar los circuitos de baja potencia.
Elevación de voltaje para provocar el efecto corona.
El dispositivo elevador de voltaje es un dispositivo especializado, el cual requiere de un
cierto número de parámetros que deben cumplirse para que consiga elevar la tensión lo
suficiente para provocar el efecto corona deseado.
EL dispositivo elevador de voltaje que se eligió fue una bobina de encendido o ignición, en
particular es de la marca BOSCH ya que son muy comerciales y sus características
técnicas son fáciles de adquirir mediante Internet.
68
La bobina esta compuesta por un núcleo de hierro en forma de barra, constituido por
laminas de chapa magnética, sobre el cual esta enrollado el bobinado secundario,
formado por gran cantidad de espiras de hilo fino de cobre (entre 15.000 y 30.000)
debidamente aisladas entre sí y el núcleo. Encima de este arrollamiento va enrollado el
bobinado primario, formado por algunos centenares de espiras de hilo grueso, aisladas
entre sí y del secundario. La relación entre el número de espiras de ambos arrollamiento
(primario y secundario) esta comprendida entre 60 y 150. El siguiente esquema
representa los componentes internos de una bobina de encendido común.
Figura 11. Sección a una bobina de encendido, se pueden observar los elementos que contiene, en general, una bobina de encendido.
El conjunto formado por ambos bobinados y el núcleo, se rodea por chapa magnética y
masa de relleno, de manera que se mantengan perfectamente sujetas en el interior del
recipiente metálico o carcasa de la bobina. Generalmente están sumergidos en un baño
de aceite de alta rigidez dieléctrica, que sirve de aislante y refrigerante, sin embargo,
como un caso particular de las bobinas marca BOSCH, este aceite fue sustituido por
resina asfáltica (Figura 7), la cual presenta la ventaja de mejorar el aislamiento, evita
corto-circuito interno, da una mayor potencia de encendido y es especial para bobinas que
se usan con encendido electrónico, esto es muy importante ya que el encendido que se
usará será electrónico, como se describe más adelante.
69
Figura 12. Diagrama de una bobina comercial marca BOSCH en donde se muestra el uso de resina asfáltica en vez de aceite de alta rigidez eléctrica.
Eléctricamente, es un componente que almacena energía en forma de campo magnético
y se opone a las variaciones de corriente que circulan en ella. Los principios físicos en los
cuales se basa su funcionamiento son expresados por la Ley de Faraday y de Lenz, como
cualquier otro inductor. La bobina que se utilizó para hacer las pruebas fue la bobina tipo
KW-12V la cual necesita de 7 a 10v para alimentarse y puede generar hasta 28,000v de
salida. Se puede observar una imagen real de la bobina en la figura 8.
Figura 13. Fotografía real de la bobina de 12v marca BOSCH usada en el proyecto.
Las bobinas de encendido o ignición (Figura 13) son el elemento encargado de generar la
alta tensión, con la cual se va a alimentar a la bujía en los vehículos y en este caso
70
alimentar al tubo del generador de ozono. Esta bobina puede ser excitada por distintos
circuitos, como son los denominados platineros (por ruptor), TCI y CDI, los cuales se
muestran en los siguientes diagramas en la Figura 14.
Figura 14. Diagrama que esquematiza los distintos tipos de circuito de encendido que se utilizan en una bobina de encendido.
Encendido TCI significa Ignición por conmutación por transistor. Este sistema de
encendido ayudado por electrónica ha tenido éxito debido a que presenta ciertas ventajas
a comparación del sistema de encendido convencional (platinero o por ruptores), el cual
tiene unas limitaciones que vienen provocadas por los contactos del ruptor ( ver figura 15),
que solo puede trabajar con corrientes eléctricas de hasta 5 A, en efecto si la intensidad
eléctrica que circula por el primario de la bobina es de valor bajo, también resultara de
bajo valor la corriente de alta tensión creada en el devanado secundario y de insuficiente
la potencia eléctrica para conseguir el salto en el vacío de la chispa entre los electrodos
de la bujía o en este caso el efecto corona para generar ozono. Se necesitan por lo tanto
valores elevados de intensidad en el devanado primario de la bobina para obtener buenos
resultados en el devanado secundario.
Figura 15. Ruptor también llamado "platinos" es un contacto que corta o permite el paso de la corriente eléctrica a través de la bobina.
71
La utilización del transistor como interruptor, permite manejar corrientes eléctricas mucho
mas elevadas que las admitidas por el ruptor, pudiéndose utilizar bobinas para corrientes
eléctricas en su devanado primario de mas de 10 A.
En un circuito de encendido TCI para vehículos, un transistor de potencia puede tener
controlada su corriente de base por el ruptor de modo que la corriente principal que circula
hacia la bobina no pase por los contactos de ruptor sino por el transistor (T) como se ve
en la figura 16.
La corriente eléctrica procedente de la batería pasa a través del transistor cuya base se
polariza negativamente cuando los contactos (R) se cierran guiados por la leva. En este
caso el distribuidor es el mismo que el utilizado en el encendido convencional, pero la
corriente que circula por los contactos de ruptor ahora es insignificante. Con la suma del
diodo zenner (DZ) y el juego de resistencias (R1, R2 y R3) puede controlarse
perfectamente la corriente de base y proceder a la protección del transistor (T).
Figura 16. Circuito TCI para encender una bobina, se puede observar que la corriente pasa a través del transistor pero no a través del ruptor.
Cuando los contactos del ruptor (R) se abren (Figura 17), la polarización negativa de la
base del transistor desaparece y entonces el transistor queda bloqueado cortando la
corriente eléctrica que pasa por la bobina. El corte de corriente en el devanado primario
de la bobina es mucho mas rápido que en los de encendido convencional de modo que la
inducción se produce en unas condiciones muy superiores de efectividad.
72
Figura 17. Circuito TCI para encender una bobina de ignición, se puede observar que cuando se abre el ruptor se interrumpe el paso de corriente hacia la bobina.
Construcción y prueba de un puente L con transistores de potencia.
La construcción del puente L servirá como un circuito base para generar ozono por efecto
corona.
El puente H comúnmente se utiliza para controlar el sentido de giro de motores, sin
embargo, para esta aplicación se utilizará la mitad de un puente H, mejor conocido como
un puente L.
La importancia del puente H reside en su principal característica, la cual permite que la
corriente pueda circular en un sentido y en otro de las terminales del dispositivo a
controlar; en un puente L no se cuenta con esta característica, ya que solo permite el
control del paso de la corriente en un solo sentido, no obstante para el generador de
ozono común, únicamente se necesita elevar la tensión lo suficiente como para producir
un efecto corona, con lo que se requiere de un circuito que permita encender el dispositivo
elevador de voltaje.
En este proyecto el dispositivo elevador de voltaje es una bobina de encendido o de
ignición, dispositivos ordinariamente usados para encender vehículos, como ya se
comentó anteriormente.
Planteado este diseño, el puente L se usará como circuito de encendido del dispositivo
elevador de voltaje, necesario para completar el esquema de un generador de ozono por
efecto corona. Este diseño de puente L cumplirá con la misma función que el circuito TCI
descrito con anterioridad, con la mejoría de que al tener dos transistores se puede
controlar mejor el flujo de corriente hacia la bobina.
73
Como ya se mencionó, el devanado primario de la bobina puede consumir hasta 10 A,
mismos que circularán por el puente L y es por esto mismo que se necesitará aislar las
señales provenientes del sistema de control (PIC16F877A) el cual es de baja potencia.
Para este fin se usaron optoacopladores de tipo TTL con matricula 6N136, los cuales
están diseñados para tener un tiempo de retardo, en su transición de cambio de estado
(de alto a bajo o viceversa), de hasta 100ns, lo cual lo hace excelente para el switcheo
que se pretende hacer. El circuito diseñado para encender el dispositivo elevador de
voltaje se muestra en la figura 18.
Q1IRF640
Q2IRF640
7
6
2
3
UB1
OPTOCOUPLER-NAND
RL1220
RB1350
CB115pF
ground
+Vcc
+Vbobina
QB1BC547
QB2BC558
7
6
2
3
UB2
OPTOCOUPLER-NAND
RL2220
RB2350
CB215pF
ground
+Vcc
QB3BC547
QB4BC558
ground
Señal de Ctrl 1
Señal de Ctrl 2
Q32
BC547
RLB110k
Q33BC547
RLB210k
BOBINA BOSCH
Figura 18. Circuito del puente L con fase de aislamiento del circuito de control.
Como se puede ver en el circuito, se usa de nuevo el arreglo de transistores usado en el
convertidor de CC a CA, ya que el principio de funcionamiento es el mismo: encender al
MOSFET, con la particularidad de agregar un circuito inversor inmediatamente después
de la salida de los optoacopladores, ya que por sus características de construcción,
invierten la señal de entrada (su salida es NAND).
La resistencia y el capacitor dispuestos a la salida de los optoacopladores, conectados a
+Vcc y “ground”, hacen las veces de circuito de carga y descarga para que el
optoacoplador pueda brindarnos una señal tipo TTL lo más cercana posible a la de
entrada. Los transistores MOSFET IRF640 se usaron, una vez más, debido a su alta
74
impedancia de entrada, que puede aislar mejor que un cualquier otro transistor al circuito
de control de la corriente tan grande que consume la bobina de ignición.
Por ultimo se tiene que conectado al Drain del transistor Q1 (véase Figura 18) hay una
terminal nombrada Vbobina, esta terminal hace referencia a la fuente de alimentación que
alimentará a los transistores del puente L, dicha fuente debe presentar ciertas
características para que pueda encender la bobina de ignición, como que entregue 8A y
12v de corriente directa a la salida, mínimo, para que pueda encender la bobina.
Se decidió por una fuente de AG Electrónica, modelo HF 100W-SF-12 (Figura 19), la cual
entrega 12v y 8.5A de salida, además es económica para la cantidad de corriente que
puede entregar.
Figura 19. Imagen real de la fuente utilizada para encender la bobina de ignición.
Diseño de un programa para el control digital del puente L.
Se debe diseñar un programa que controle el apagado/encendido de un puente L, para
utilizar adecuadamente el puente L en sistemas de alta potencia.
Se explicó que el encendido de la bobina por un circuito TCI se lograba controlando un
transistor con un ruptor, o lo que es lo mismo, el ruptor hacia las veces de switcheo,
mediante una leva accionada por el eje del distribuidor, con el cual está sincronizado.
Para el generador de ozono, este switcheo se realizará mediante el circuito de control
(PIC16F877A), generando no solo un pulso que switcheará el puente L, sino un tren de
pulsos (Ver figura 20) que controlará la forma de encender a la bobina de ignición,
obteniendo así una diferencia de potencial variable en el devanado secundario de la
bobina. Esto se consigue haciendo que el tren de pulsos module su ancho de pulso
75
(establecer PWM), El alto voltaje obtenido alimentará al tubo del generador de ozono para
producir ozono, el cual será medido por el sensor de ozono que se diseñará más adelante
y servirá como retroalimentación en el esquema de control.
Figura 20. Forma básica del tren de pulsos que se enviará a la bobina de ignición para encenderla, el ancho del pulso variará para modificar la amplitud del alto voltaje del devanado secundario.
El programa se elaboró en el software Proton, el cual tiene sus bases en el lenguaje
BASIC, el cual ofrece la facilidad de una programación más amigable que los lenguajes C
y ensamblador.
El programa deberá enviar dos señales, las cuales van dirigidas a controlar los
optoacopladores, para poder permitir el paso de corriente entre las terminales de la
bobina de ignición. Dichas señales cambiarán su ancho de pulso (PWM), como ya se
había indicado, dependiendo del valor leído en el canal analógico 1 del ADC del PIC, en el
cual se estará midiendo una señal que es la interpretación de la concentración de ozono
medida con el sensor de ozono. Las señales tendrán la forma de onda mostrada en la
siguiente figura, donde se puede apreciar claramente la forma en que varía el ancho de
pulso.
Figura 21. Diagrama que muestra la forma en que variará el ancho de pulso de la señal generada por el programa, donde “t alta” variará dependiendo el valor leído en el ADC del PIC.
76
Diseño y construcción de un sensor de ozono por UV.
Se debe construir un sensor de ozono para medir la cantidad de ozono generada en
pruebas futuras, además de servir como base en la retroalimentación de los sistemas de
control.
Las diferentes posibilidades para construir un sensor de ozono se referenciaron con
anterioridad, de entre todas se eligió el método por absorción de luz ultravioleta debido a
que es sencillo de instrumentar y es el más usado hoy en día.
Su instrumentación se basa en el principio básico de un fotómetro, es decir, emitir una
fuente de radiación (luz) a una determinada longitud de onda, para el ozono se usa una
lámpara de luz UV (véase la figura 22), hacia un fotodetector, en este caso sensible a la
luz UV, entre ellos se hace pasar el ozono generado desde el generador de ozono
implementado con la circuitería anterior y las diferencias de corriente censadas en el
fotodetector se traducen a cantidad de ozono, posteriormente se deben hacer ciertas
mediciones de absorbancia para poder hacer la transformación a concentración de ozono,
ya sea en ppm o mg/mL .
Figura 22. Esquema de una lámpara de luz UV.
De acuerdo a estos lineamientos, se desarrolló un equipo sensible a la radiación
ultravioleta, basado en detectores de silicio (Fotodiodos UV). El diseño permite que estos
equipos puedan ser producidos a bajo costo, sean robustos y fácilmente utilizables por
una mayoría de la población. El primer prototipo es un detector cuantitativo de intensidad
de radiación ultravioleta. El nivel de radiación censado, que se manifiesta como una
pequeña corriente es amplificado con un convertidor de corriente a voltaje diseñado con
un amplificador operacional LF357, asimismo se le añade un circuito que permita elevar el
offset de esta señal (diseñado con Amplificadores operacionales TL081), para que pueda
ser legible por el canal analógico digital del PIC y en un primer intento indicarlo en una
pantalla. Los amplificadores operacionales TL081 son perfectos para este diseño, ya que
son económicos, consumen muy poca corriente y tienen una alta impedancia de entrada.
77
El fotodiodo que se decidió utilizar fue el UVE-005E (Figura 23), un fotodiodo de silicio con
encapsulado metálico, con un diámetro de 5.7mm y cuyo pico de longitud de onda se
encuentra en los 720nm, y debido a sus características de diseño, esta hecho
específicamente para eliminar las respuestas del Infrarrojo cercano producido por otros
dispositivos, con esto se asegura un mínimo de interferencias en el prototipo.
Figura 23. Imagen real del fotodiodo utilizado para las pruebas experimentales.
El circuito para poder hacer pruebas se muestra en la figura 24, en la cual se observa que
la base es un convertidor de corriente a voltaje en el cual el fotodiodo se coloca en
inversa, ya que por sus características genera una pequeña cantidad de corriente en
inversa cuando es expuesto a la longitud de onda para la cual fue diseñado.
El amplificador operacional LF357 se utilizó para el diseño del convertidor de corriente a
voltaje gracias a su característica más significativa, es decir, su Input Bias Current
(Intensidad de polarización de entrada), que es la intensidad de tensión continua
requerida en cada entrada de un amplificador, para que trabaje adecuadamente el
transistor. Esta Corriente de Bias es de apenas 200pA, es decir que con tan solo 200pA
que pueda censar a su entrada, podrá trabajar convenientemente. Esta característica
permite trabajar con las corrientes tan pequeñas que arroja el fotodiodo.
78
3
26
74 1 5
3
26
74 1 5
3
26
74 1 5
3
26
74 5
1
U1
LF357
DIODO UV
48% RV1
1k
R11M
C1
100nF
R21.3k
R31.3k
RF4.7k
RF4.7k
LAMPARA UV
12V
Vdd
Vdd
-Vdd
-Vdd
-Vdd
Vdd
RA0/AN0 2
RA1/AN1 3
RA2/AN2/VREF-/CVREF 4
RA4/T0CKI/C1OUT 6
RA5/AN4/SS/C2OUT 7
RE0/AN5/RD 8
RE1/AN6/WR 9
RE2/AN7/CS 10
OSC1/CLKIN 13
OSC2/CLKOUT 14
RC1/T1OSI/CCP216
RC2/CCP117
RC3/SCK/SCL18
RD0/PSP019
RD1/PSP120
RB7/PGD40 RB6/PGC39 RB538 RB437 RB3/PGM36 RB235 RB134 RB0/INT33
RD7/PSP730 RD6/PSP629 RD5/PSP528 RD4/PSP427 RD3/PSP322 RD2/PSP221
RC7/RX/DT26 RC6/TX/CK25 RC5/SDO24 RC4/SDI/SDA23
RA3/AN3/VREF+ 5
RC0/T1OSO/T1CKI15
MCLR/Vpp/THV 1
U7
PIC16F877A
A
B
C
D
R2110k
Vdd
D7
14
D6
13
D5
12
D4
11
D3
10
D2
9
D1
8
D0
7
E6
RW5
RS
4
VSS
1V
DD
2V
EE3
LCD2LM016L
Out
1
Vdd
Out
2
Out
3
Out
4
Figura 24. Circuito sensor de ozono por fotodiodo sensible a luz UV y lámpara de luz UV.
La fuente de luz ultravioleta (Véase figura 22) es básicamente una fusión de un tubo de
silicio cuarzo, típicamente con un diámetro comprendido entre 15mm y 25mm y con una
longitud que va desde 100mm hasta 1200mm. El gas inerte con el cual el tubo es llenado
proporciona la descarga primaria y la acción necesaria para excitar y vaporizar los
minúsculos depósitos de mercurio.
La baja presión de la lámpara UV es solo capaz de producir líneas entre 185nm y 254nm.
Integración del tubo generador de ozono con los circuitos de potencia elaborados.
Se debe conectar un tubo de un generador de ozono común a los circuitos previamente
construidos, para hacer las respectivas pruebas y observar la eficiencia del circuito
construido hasta el momento, en la generación de ozono.
El tubo dieléctrico para la producción de ozono, se constituye a partir de un tubo hueco de
material aislante, cerrado por uno de sus extremos y que en el otro posee una tapa
metálica. El interior del tubo esta ocupado por un gas y se cierra herméticamente a través
79
de un tubing de vidrio axial e interior al tubo y con una zona emergente que esta protegida
por un conector de conexión a la fuente de alimentación.
El tubo que se utilizó es el mostrado en la figura 25.
Figura 25. Imagen que muestra al tubo del generador de ozono utilizado para hacer las pruebas de
funcionamiento.
Medición de ozono generado.
Se debe medir el ozono generado de los circuitos anteriormente elaborados, con el sensor
construido anteriormente, para obtener una relación entrada/salida y tener información
suficiente para elaborar un control.
La detección de moléculas de ozono está basada en la absorción de luz UV de 254 nm.
Esto se debe a la resonancia electrónica interna de la molécula O3.
La luz de la lámpara UV irradia su brillo a través del gas ozono para ser medido. La
Intensidad de la luz UV medida por el sensor (fotodiodo) es calculada mediante una
operación dada por la ecuación de Lambert Beer, tal y como se había planteado
anteriormente, la cual relaciona la concentración de ozono con la intensidad de la
radiación medida. De esta ecuación se requiere despejar la concentración, la cual se
despejada resulta ser de la siguiente manera:
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
II
LC 0ln1
α (38)
Donde
• Io: es la intensidad de la radiación transmitida por la muestra de aire sin ozono.
• I: es la intensidad de la radiación transmitida por la muestra de aire con ozono.
80
• α: coeficiente de absorción del ozono en condiciones estándar de presión y
temperatura, con un valor de α = 476 L/mol·cm, a una longitud de onda de 253.7
nm [29].
• L: longitud del camino óptico (se tomó una distancia entre la lámpara y fotodiodo
de 1cm).
• C: concentración de ozono en condiciones estándar (1 atm, 273ºK).
La concentración de ozono así expresada viene dada como la presión parcial de ozono en
unas condiciones de presión y temperatura determinadas. Para obtener la concentración
de ozono en unidades convencionales como ppb, μg·m-3, etc. y en condiciones estándar
hay que aplicar un factor de corrección definido de la siguiente manera [28]
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
II
LPTTPC 0
0
0 lnα
(39)
Donde,
• Po: es la presión estándar, 1 atm.
• P: es la presión de la muestra de gas en la celda de absorción (la cual es algo
superior a la presión del lugar donde se este haciendo las mediciones, sin
embargo se tomó por defecto la presión de la ciudad de México, la cual es de
586mmHg o 0.771 atm).
• To: es la temperatura estándar (273 K)
• T: es la temperatura del gas. Generalmente son unos 10-12ºK más que la
temperatura del lugar de trabajo, por el calentamiento del instrumento.
En la expresión anterior todos los parámetros son conocidos excepto I e Io, que son las
dos intensidades medidas en cada ciclo de medida. De esta forma a partir de estos dos
valores de intensidad se podrá determinar la concentración de ozono.
Sustituyendo los valores en la ecuación anterior, obtenemos los siguientes resultados:
( )( )( )( ) ( ) ⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⋅⋅⋅⋅⋅
= −− IImol
II
cmmollkatmcmKatmC 00
11 ln)(003073.0ln476º273771.01º3081
(40)
81
En este punto, las únicas incógnitas siguen siendo las intensidades, las cuales serán
obtenidas al hacer las mediciones del ozono generado, haciendo un barrido con el ancho
de pulso de la señal de PWM, desde su mínimo ciclo útil hasta el máximo ciclo útil.
Inicio de fase de control por lógica difusa
El sistema de control, permitirá obtener la señal adecuada de PWM que hagan posible la
emisión de la concentración deseada de ozono, midiendo constantemente ducha
concentración de ozono.
Para la fase de control se eligió usar la lógica difusa o como se le conoce: Fuzzy.
Ya se expresó que la salida para el sistema de control de la concentración de ozono, está
determinada en base al ancho de pulso de la señal de alimentación para la bobina
ignición. Definiendo a 1S ≡PWM de alimentación a la bobina, y estableciendo para cada
variable lingüística de entrada, cinco términos lingüísticos asociados a cada una con
funciones de membresía tipo triangular, se construye el modelo difuso para la entrada del
sistema de generación de ozono.
Variables de entrada Términos lingüísticos
Muy Negativo ( )11u
Poco Negativo ( )21u
Cero ( )31u
Poco Positivo ( )41u
Error ( 1u )
Rango:=[-1.5, 1.5] (mg/L)
Muy Positivo ( )51u
Muy Negativo ( )12u
Poco Negativo ( )22u
Cero ( )32u
Poco Positivo ( )42u
Grad-Error ( 2u )
Rango:=[-1.0, 1.0] (mg/ L
* s) Muy Positivo ( )5
2u
Tabla 9. Definición de las variables y términos lingüísticos del Error y del Grad
82
En el caso de la salida, se manejó un sistema semejante en la estructura al descrito para
la entrada, entonces se manejan cinco funciones de membresía definidas en un universo
de discurso limitado de 0.0 a 100 por-ciento de la modulación del ancho de pulso, dado
que una frecuencia más alta en el trabajo de la resistencia crea un sobrecalentamiento
excesivo en la bobina, situación indeseable para los sistemas de producción del ozono.
De este modo, tenemos que las salidas en funciones de membresía están designadas
por:
Variables de entrada Términos lingüísticos
Muy Baja ( )11S
Baja ( )21S
Media ( )31S
Alta ( )41S
PWM ( 1S )
Rango:=[0, 100] (%)
Muy Alta ( )51S
Tabla 10. Definición de la variable y términos lingüísticos de salida del sistema difuso de producción de
ozono.
Como ya se explicó, cada término lingüístico debe tener asignada una función de
membresía, lo que incluye establecer el tipo de función y principalmente los parámetros
intrínsecos a esta (Figura 26). Esto define única y completamente toda la descripción del
sistema difuso para la producción de ozono.
A
B
CUniverso de discurso
Gra
do d
e M
embr
esía
A
B
CUniverso de discurso
Gra
do d
e M
embr
esía
Figura 26. Función de membresía triangular mostrando las etiquetas de sus parámetros.
Las 5 funciones de membresía para cada variable de entrada y para la salida se
describen en la tabla 11. Es importante notar que las funciones de membresía de los
extremos (1 y 5) de cada una de las variables lingüísticas no son triangulares, sino Tipo Z
83
y S respectivamente, lo cual se explica basados en las descripciones introducidas
anteriormente respecto al diseño de controladores difusos y recordando que este
procedimiento es importante, ya que permite que el controlador tenga una respuesta para
cualquier combinación de entradas proveniente del generador de ozono. Esto último es
una condición sencilla de robustez del sistema, la cual no será discutida aquí.
A diferencia de las variables de entrada, la variable lingüística de salida no debe contener
funciones S y Z en general. Además se observa en la tabla anterior que dos de los
parámetros no se presentan y se representa por NA; esto se debe a que el método de
defuzificación que se utilizará es el centro promedio, el cual sólo utiliza el valor del centro
de la función de membresía, asociada al término lingüístico correspondiente.
Variable Término lingüístico Tipo de función A B C
Muy Negativo ( )11u Z -1.0 -0.65 NA
Poco Negativo ( )21u T -0.85 -0.5 -0.15
Cero ( )31u T -0.35 0.0 0.35
Poco Positivo ( )41u T 0.15 0.5 0.85
Error ( 1u )
Muy Positivo ( )51u S NA 0.65 1.0
Muy Negativo ( )12u Z -0.47 -0.27 NA
Poco Negativo ( )22u T -0.5 -0.25 0.0
Cero ( )32u T -0.25 0.0 0.25
Poco Positivo ( )42u T 0.0 0.25 0.5
Grad Error ( 2u )
Muy Positivo ( )52u S NA 0.27 0.47
Muy Baja ( )11S T NA 0.90 NA
Baja ( )21S T NA 0.50 NA
Media ( )31S T NA 0.25 NA
Alta ( )41S T NA 0.10 NA
FR ( 1S )
Muy Alta ( )51S T NA 0.0 NA
Tabla 11. Resumen del diseño del controlador difuso de la producción de ozono. Los parámetros A y C
para las funciones S y Z no son aplicables debido a que se utiliza el método de centroide en la
defuzificación.
La forma más sencilla de representar o resumir los resultados obtenidos a partir de las
descripciones expuestas en las tablas anteriores, es mediante una asignación gráfica para
cada una de las funciones de membresía (Figuras 27,28 y 29).
84
Figura 27. Representación gráfica de las funciones de membresía de entrada de la primera variable,
GTE
NL NC OP PC PL
-0.475
-0.5
-0.27
-0.25
0.0
-0.25
0.0
0.25
0.25
0.27
0.5
0.475
Figura 28. Representación gráfica de las funciones de membresía de entrada de la segunda variable,
AGTE.
Figura 29. Representación gráfica de las funciones de membresía de la variable de salida, FS.
El último paso en el diseño del controlador, consiste en establecer las relaciones que
existen entre las entradas, lo cual se logra por el mecanismo de inferencia, y
seleccionando cuál de los términos lingüísticos de la variable de salida está asociada a
cada combinación de los términos de entrada (por medio de la función AND).
El diseño de la base de reglas se realizó a través de las matrices de conocimiento difuso
(FAM), con la finalidad de tener una representación concisa de la relación que guarda
cada una de las variables de entrada entre sí, y estas a su vez con la variable de salida.
Así la FAM aplicable al sistema de producción de ozono está dada por:
85
“Cambio en el Error“ Frecuencia
FR MN N C P MP
MN MB MB B M A
N B B M A MA
C B M A A MA
P M M A MA MA
“Grad
Error”
MP M A A MA MA
Tabla 12. FAM del sistema difuso de temperatura.
Las relaciones presentadas en esta tabla, por ejemplo, que a un valor de MN (muy
negativo) en el error y un valor MP (muy positivo) en el Cambio del Grad de Error, le
corresponda un valor A (alto) en el valor de porcentaje de PWM; fueron determinadas de
manera heurística, es decir basada en la experiencia de diseñadores, usuarios y
enfermeras, pero sobre todo en un razonamiento meramente intuitivo acerca de cómo se
comporta la concentración de ozono dentro del generador.
Por lo anterior, ahora es posible describir todo un sistema difuso de control por medio de
dos síntesis naturales para cada control, su tabla de descripción de funciones de
membresía y por su FAM.
86
RESULTADOS
Prototipo de fuente flotada.
Se armo el circuito que se planeó en la figura 9, con la modificación de cambiar a RB por
un potenciómetro, este circuito se visualiza en la figura 30.
El potenciómetro se eligió de 20KΩ, como se demostró en los cálculos presentados en la
metodología, con esto la frecuencia podía variar desde unos cuantos KHz hasta los
3MHz.
Figura 30. Circuito oscilador diseñado para la fuente flotada.
Si se observa el circuito de la figura 30, a la salida del arreglo de transistores BJT
obtenemos una señal representada en la siguiente imagen, en la cual se puede observar
a los pulsos de entrada, con un ligero pico de voltaje tanto en el flanco de subida como en
el flanco de bajada, este pico, es el que hace las veces de señal de encendido y apagado
del MOSFET, lo que es más importante es el pico del flanco de bajada, ya que sin ese
pico, el MOSFET se estresaría de más en su apagado.
LMC555 Transistores BJT
IRF640 POT 20K
87
Figura 31. Señal de salida del arreglo de transistores, la señal tiene una amplitud de 5v y una frecuencia de 1.8Mhz.
En la figura 32, se puede observar la señal de salida del transformador, el cual entrega
una salida de 12Vpp.
Figura 32. Señal de entrada al transformador de pulsos.
Una vez rectificado esta señal se obtenía un voltaje de aproximadamente 10v, con lo cual
no se alcanzaba a alimentar bien la siguiente parte del circuito. Además, las
características del diseño de la fuente flotada presentaban ciertas deficiencias como lo fue
el sobrecalentamiento de la resistencia de carga RL (véase figura 9), la cual presentaba
un extremo calentamiento cuando se energizaba el circuito.
A causa de estas complicaciones se optó por utilizar un circuito integrado que hace las
veces de fuente flotada, es un convertidor de CD a CD con aislamiento, de la marca
Texas Instrument, el cual tiene el código DCH010512S y proporciona 12v y logra entregar
una corriente de hasta 83mA, suficiente para alimentar los arreglos de transistores,
considerando que el puente L se alimenta con otra fuente de más potencia.
Figura 33. Imagen que muestra el convertidor de CD a CD con aislamiento DCH010512S de Texas Instrument elegido como fuente flotada.
Encendido de la bobina.
Como se mencionó anteriormente, la bobina se enciende haciendo pasar a través de ella
una alta corriente, se probó con un circuito como el de la figura 9, únicamente para probar
88
que la bobina enciende, salvo que se cambió el transformador de pulsos por la bobina de
ignición. Se cambió el potenciometro de 20K por uno de 5K, así la frecuencia podía variar
desde 1Hz hasta los 7Khz.
Al no contar con un kilovóltmetro, la única manera de comprobar que la bobina se
encendía correctamente fue acercar la terminal de alta tensión a cualquiera de las otras
dos terminales, y el resultado, de encenderse bien será ver una descarga eléctrica (efecto
corona) debido a la alta diferencia de potencial que existe entre las terminales.
Al conectar el circuito con la fuente de ideada para el encendido de la bobina, se pudo
comprobar el encendido de la bobina, ya que dicho elemento vibra por la alta tensión y se
puede sentir al tacto el efecto de la alta tensión ya que eriza el bello. Se pudo hacer un
pequeño barrido de frecuencias para saber experimentalmente cual es el ancho de banda
de la bobina. Además se pudo apreciar la descarga eléctrica (efecto corona) como un
rayo de color azulado (Figura 34) y era posible escuchar dicha descarga como un
zumbido bastante potente, característico de una descarga eléctrica de este tipo.
Figura 34. Prueba realizada para comprobar el correcto encendido de la bobina de ignición, se puede apreciar el efecto corona entre dos de las terminales.
El barrido de frecuencias fue desde los 10Hz hasta los 1000 Hz, en donde la bobina vibró
(correcto encendido) desde los 40 Hz hasta una frecuencia de 500Hz.
Asimismo se observó que cuando el ancho de pulso del ciclo útil de la señal era mucho
menor que el ancho de pulso de la parte baja de la señal, la bobina vibraba mucho menos
que cuando el ciclo útil alcanzaba niveles de hasta un 90% o más.
Arco eléctrico
Fuente de alta corriente
89
Puesta en marcha del puente L en conjunto con el programa de control digital del mismo
Para probar el correcto funcionamiento del puente L se procedió a conectar la bobina
entre los dos MOSFET’s, la cual previamente fue encendida con éxito, el diagrama
esquemático del circuito se muestra en la siguiente imagen.
RA0/AN02
RA1/AN13
RA2/AN2/VREF-/CVREF4
RA4/T0CKI/C1OUT6
RA5/AN4/SS/C2OUT7
RE0/AN5/RD8
RE1/AN6/WR9
RE2/AN7/CS10
OSC1/CLKIN13
OSC2/CLKOUT14
RC1/T1OSI/CCP2 16
RC2/CCP1 17
RC3/SCK/SCL 18
RD0/PSP0 19
RD1/PSP1 20
RB7/PGD 40RB6/PGC 39RB5 38RB4 37RB3/PGM 36RB2 35RB1 34RB0/INT 33
RD7/PSP7 30RD6/PSP6 29RD5/PSP5 28RD4/PSP4 27RD3/PSP3 22RD2/PSP2 21
RC7/RX/DT 26RC6/TX/CK 25RC5/SDO 24RC4/SDI/SDA 23
RA3/AN3/VREF+5
RC0/T1OSO/T1CKI 15
MCLR/Vpp/THV1
U7
PIC16F877A
A
B
C
D
14%
RV1
10k
Vdd92
%
RV2
10k
Vdd
R2110k
Vdd
D7
14D
613
D5
12D
411
D3
10D
29
D1
8D
07
E6
RW5
RS
4
VSS
1
VD
D2
VEE
3
Out
1
Vdd
Out
2
Figura 35. Diagrama esquemático del circuito elaborado para la prueba del puente L.
Para poder realizar las pruebas se procedió a verificar las señales enviadas por el PIC,
variando su frecuencia y su ancho de pulso. Para esto se diseño un programa con el que
se pudieran modificar estos parámetros, el programa realiza lo mostrado en la figura 32,
donde se aprecia su diagrama de flujo simplificado.
Para realizar las mediciones de las señales de salida, se usó un osciloscopio digital para
computadora, modelo DSO2090, el cual se interfasa a la computadora por puerto USB.
Figura 36. Osciloscopio usado para realizar las mediciones de las señales generadas.
90
Inicio
Configuracion del tipo de dispositivo a usar, se configuran los FUSES y la
velocidad del cristal a utilizar
Configuración del ADC y los pines de control de la LCD
Declaración de variablesInicialización de puertos
Lectura de los canales1 y 2 del ADC
Se realizan las operacionespara cambiar la frecuencia yel ancho del pulso según la
lectura del ADC
Muestra en la LCD el valor de la frecuencia
y del ciclo util de la señal
SiPresiona botón
No
Realiza PWM por software
Terminator
a
a
A
A
Figura 37. Diagrama de flujo del programa usado para variar la frecuencia y ancho de pulso de la señal de encendido de la bobina.
El programa que representa el diagrama de flujo anterior, es el siguiente.
Device 16F877A XTAL = 20 Config HS_OSC , WDT_OFF , PWRTE_ON , LVP_OFF , CP_OFF , DEBUG_OFF Declare ADIN_RES 10 Declare ADIN_TAD 32_FOSC Declare ADIN_STIME 20 Declare LCD_TYPE 0 Declare LCD_INTERFACE 4 Declare LCD_DTPIN PORTB.4 Declare LCD_ENPIN PORTB.2 Declare LCD_RSPIN PORTB.3 Declare LCD_LINES 2 Dim an2 As Word
91
Dim an1 As Word Dim ton As DWord Dim toff As DWord Dim cont As Byte Dim tsenal As Word Dim freq As Float Dim pw As Float Symbol boton PORTC.0 TRISB = %00000000 TRISD = %00000000 TRISC = %11111111 TRISA = %11111111 ADCON1 = %10000000 operaciones: Adcin 1, an1 tsenal=(an1/16)+1 freq=10*(100/tsenal) Adcin 2, an2 ton=(an2*tsenal)/1024 If ton < 1 Then ton=1 EndIf toff=tsenal-ton If toff > 1020 Then toff=1020 EndIf pw=(an2*100)/1024 Print At 1,1, "freq=", Dec freq, " " Print At 2,1, "PWMon=", Dec pw, " % " ini: If boton = 0 Then GoTo operaciones Else EndIf PORTD=%11000000 DelayMS ton PORTD=%00000000 DelayMS toff GoTo ini
Al poner a funcionar el circuito, obtenemos los siguientes resultados, para el cambio de
frecuencia, midiendo en el puerto D, pines 6 y 7:
92
Figura 38. Señales obtenidas del PWM del PIC, medidas con el osciloscopio, se puede observar el cambio de frecuencia.
Como se puede observar las señales del pwm varían su frecuencia, manteniendo con un
pequeño margen de error el ancho del ciclo útil de la señal, este hecho es de vital
importancia ya que cambios en la frecuencia podrían ser la clave para una mayor
eficiencia de generación de ozono en el tubo, aunque anteriormente se describió que la
bobina encendía correctamente entre 10 y 500Hz, es imprescindible el conocer la
frecuencia a la cual tiene un mejor desempeño. Al variar la frecuencia, se descubrió que
alrededor de los 60Hz el arco cobraba mayor fuerza, es decir, el arco emitía un sonido
más fuerte y el olor a ozono era mayor.
Para cambiar la concentración de ozono, ahora que obtuvimos experimentalmente una
frecuencia a la cual la bobina trabaja adecuadamente, la modulación por ancho de pulso,
como se muestra en la figura 39, proporcionará al sistema la entrada que necesita para
poder generar ozono en mayor o menor medida.
93
Figura 39. Señales obtenidas del PWM del PIC, medidas con el osciloscopio, se puede observar el cambio del ancho del pulso.
En la señal anterior podemos observar como mientras la frecuencia se mantiene fija en
59Hz, el ancho del pulso varía, desde el 5.9% (parte superior izquierda de la figura 34),
para el menor porcentaje de ciclo útil que se pudo variar, hasta los 94.1% (Parte central
inferior de la figura 39), para el mayor porcentaje de ciclo útil que se consiguió variar.
El Sistema electrónico, comandado por el PIC genera las señales mostradas en las dos
figuras anteriores, sin embargo, éstas al pasar por los optoacopladores sufren una
inversión, la cual se compensa con el transistor puesto en modo inversor, del cual la señal
obtenida se muestra a continuación, donde se puede observar que la señal maneja una
amplitud de 12v, ya que esta parte de la circuitería es alimentada por la fuente flotada
(véase figura 33). A continuación se muestra el diagrama esquemático del circuito
completo, diseñado para encender al tubo generador de ozono.
94
RA0/AN02
RA1/AN13
RA2/AN2/VREF-/CVREF4
RA4/T0CKI/C1OUT6
RA5/AN4/SS/C2OUT7
RE0/AN5/RD8
RE1/AN6/WR9
RE2/AN7/CS10
OSC1/CLKIN13
OSC2/CLKOUT14
RC1/T1OSI/CCP2 16
RC2/CCP1 17
RC3/SCK/SCL 18
RD0/PSP0 19
RD1/PSP1 20
RB7/PGD 40RB6/PGC 39RB5 38RB4 37RB3/PGM 36RB2 35RB1 34RB0/INT 33
RD7/PSP7 30RD6/PSP6 29RD5/PSP5 28RD4/PSP4 27RD3/PSP3 22RD2/PSP2 21
RC7/RX/DT 26RC6/TX/CK 25RC5/SDO 24RC4/SDI/SDA 23
RA3/AN3/VREF+5
RC0/T1OSO/T1CKI 15
MCLR/Vpp/THV1
U7
PIC16F877A
14%
RV1
10k
Vdd
92%
RV2
10k
Vdd
BOTON
R2110k
Vdd
D7
14D
613
D5
12D
411
D3
10D
29
D1
8D
07
E6
RW5
RS
4
VSS
1
VD
D2
VEE
3
LCD2LM016L
Out
1
Vdd
Out
2
Q1IRF640
Q2IRF640
7
6
2
3
UB1
OPTOCOUPLER-NAND
RL1220
RB1350
CB115pF
ground
+Vcc
+Vbobina
QB1BC547
QB2BC558
7
6
2
3
UB2
OPTOCOUPLER-NAND
RL2220
RB2350
CB215pF
ground
+Vcc
QB3BC547
QB4BC558
ground
Out 1
Out 2
Q32
BC547
RLB110k
Q33BC547
RLB210k
BOBINA BOSCH
A
B
C
D
Figura 40. Diagrama esquemático del circuito de encendido del tubo generador de ozono.
La señal que se midió justo en el colector del transistor Q32 mostrado en el esquemático
anterior, se muestra en la siguiente figura.
Figura 41. Señal de PWM medida a la salida del transistor configurado como inversor.
95
Esta señal de 12v de amplitud, correspondiente a la señal de PWM enviada por el PIC, al
tener esta amplitud podrá switchear los transistores del puente L, y a su vez podrá
encender la bobina de ignición que genera el efecto corona dentro del tubo de ozono.
La siguiente imagen fue tomada del circuito real construido para realizar esta fase del
proyecto.
Figura 42. Fotografía tomada del circuito utilizado para encender al tubo generador de ozono.
Los resultados de la generación de ozono hasta este momento, en el cual aun no se han
obtenido mediciones, se hacen perceptibles al olfato, debido al peculiar olor (picante) que
desprende el ozono, olor por el cual fue nombrado de esta manera el gas. Aunque son
proporciones bajas, por tiempos muy cortos (menores a 20 segundos de exposición) en
los cuales se hacían las pruebas, es de gran importancia recalcar los cuidados
preventivos que se deben de tener al trabajar con este gas. Por lo que se recomienda
utilizar algún tipo de máscara o cubre bocas que sirvan como filtro al respirar, además de
no prolongar la exposición a dicho gas.
El efecto corona producido dentro del tubo, es un tanto imperceptible, ya que el tubo esta
cerrado, sin embargo, si la terminal de alta tensión se separa un poco del tubo, el efecto
de la descarga eléctrica debida al efecto corona, puede apreciarse como en el caso de la
bobina: un pequeño rayo de color azulado, como se muestra en la figura 43
Pot’s (entradas)
PIC
Puente L
Regulador a 12v
Optoacopladores
Fuente flotada
LCD
96
Figura 43. Conexión de la bobina de ignición con el tubo generador de ozono, formación de la descarga corona en el tubo
Medición de ozono y caracterización del sistema
Se colocó la lámpara UV y el fotodiodo a una distancia de 1cm de separación entre ellos,
y se realizaron las siguientes mediciones, haciendo pasar el gas generado a la salida del
tubo generador de ozono entre estos dos elementos. Esta exposición del gas entre los
elementos del sensor (lámpara UV y fotodiodo), es susceptible a la luz visible y puede
provocar errores severos en las mediciones, esto podría evitarse al usar filtros de luz UV,
sin embargo al no contar con ellos, se ideó pasar el ozono dentro de una caja donde la luz
visible fuese un factor menos determinante.
Este dispositivo se muestra en la siguiente figura, donde se alcanza a ver que la entrada
de gas es un agujero, por donde se coloca una manguera que va directamente conectada
a la salida de gas del tubo.
Figura 44. Dispositivo de medición de ozono que evita la interferencia de la luz visible.
Descarga corona
Tubo generador de Ozono Bobina de
Ignición Terminal de alta tensión
97
Sin embargo debido a diversas dificultades, esta parte de censado no pudo realizarse
debidamente en el dispositivo mostrado en la Figura 40, y solo se hizo destellar a
diferentes intensidades la lámpara de luz UV, para así tener un estimado del ozono que
se producirá.
A continuación se muestra una fotografía del circuito armado para realizar estas
mediciones.
Figura 45 (Fotografía del circuito implementado en la medición de ozono)
Se realizó un barrido con el ancho de pulso de la señal de PWM que enciende la bobina,
comenzando con el 99% del ciclo útil hasta finalizar en 1%, los resultados se formaron
con base en el voltaje que emitía el convertidor de corriente a voltaje mostrado en la figura
41, y se pueden observar en la siguiente tabla.
Convertidor Corriente a voltaje
Fotodiodo UV
Circuito sumador de offset
Salida normalizada del Cto.
98
% de ciclo util Vo1 (V)
99 0 90.8 0.001 84.7 0.002 78.7 0.012 75.6 0.078 74.2 0.203 73.2 0.418 72.9 0.557 72.6 0.807 72.3 1.228 72 1.298 71.7 1.307 71.4 1.312 71.1 1.32 69.6 1.331 68.1 1.345 66.6 1.358 65.1 1.358 60.5 1.358 39 1.358 9.7 1.358 1 1.358
Tabla 13 (Valores medidos en el convertidor de corriente a voltaje)
Los % de ciclo útil se refieren a la cantidad de tiempo que se mantiene la señal de PWM.
Este valor supone la producción de ozono, es decir su incremento o disminución hará lo
propio con la cantidad de ozono generada. El gráfico que representa estos datos se
muestra a continuación, donde podemos ver que el fotodiodo tiene una zona de
comportamiento lineal, antes de llegar a sus asíntotas en 0v y 1.358v.
99
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
Porcentaje de ciclo útil (%)
Am
plitu
d (V
)
Gráfica de los valores obtenidos del convertidor de corriente a voltaje
Figura 46. Gráfico de los valores obtenidos del convertidor de corriente a voltaje utilizado para medir la concentración de ozono
En el circuito sumador de offset se optó por no sumar ni restar ningún valor de offset, ya
que con solo poner un arreglo de resistencias en el amplificador diferenciador, se pudo
obtener una relación de salida que se ajusta a los valores que puede leer el ADC del PIC,
comprendidos entre 0v y 5v. La relación de resistencias es de 3.61, este factor esta dado
por el cociente entre el valor de la resistencia de retroalimentación de 4.7kΩ y el valor de
las resistencias de entrada de 1.3kΩ (Véase figura 24). Las mediciones hechas a la salida
del circuito sumador de offset se muestran a continuación.
100
% de ciclo util Vo2 (V)
99 090.8 0.00384.7 0.00778.7 0.04375.6 0.28174.2 0.73273.2 1.572.9 2.072.6 2.9172.3 4.4372 4.68
71.7 4.7171.4 4.7371.1 4.7669.6 4.868.1 4.8566.6 4.965.1 4.960.5 4.939 4.99.7 4.91 4.9
Tabla 14. Mediciones tomadas a la salida del circuito sumador de offset
Las mediciones expuestas en la tabla 14 se ejemplifican mejor con la gráfica de la figura
47.
101
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
Porcentaje de ciclo útil (%)
Am
plitu
d (V
)
Gráfica de los valores medidos a la salida del Circuito para censar Ozono
Figura 47. Gráfico de los valores obtenidos del convertidor de corriente a voltaje utilizado para medir la concentración de ozono
Recordando la ecuación 40, obtenemos un coeficiente que multiplica al logaritmo natural
de el cociente dado por la intensidad medida sin ozono entre la intensidad con ozono,
medida con el fotodiodo. Este cociente es adimensional, y puesto que el coeficiente está
dado en moles/litro, aplicando la fórmula de la ecuación 40, obtendríamos una
concentración molar, la cual para convertirla a concentración en unidades g/l, aplicar la
siguiente fórmula dependiente del peso molecular del ozono (48g/mol).
vPM
m
vnM == (41)
Donde M es la concentración molar, m es la masa en gramos, n el numero de moles y PM
el peso molecular y v el volumen. Así se obtiene que la concentración en gramos/Litro
está dada por:
MPMvm
⋅= (42)
Sustituyendo los valores obtenemos la siguiente relación
( ) ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎥⎦⎤
⎢⎣⎡=⎥⎦
⎤⎢⎣⎡
II
Lmol
molg
LgC 0ln003073.048 (43)
102
I0 es la intensidad cuando no hay ozono, es decir corresponde (Tabla 13) a un valor del
1% en el ciclo activo y en amplitud a 1.358v. I es la intensidad que se mide para cada
porcentaje de ciclo útil, entonces al aplicar la ecuación 43 a las mediciones obtenidas en
la tabla 13 obtenemos los siguientes resultados:
% de ciclo util concentración en mol/L
concentracion en gramos/L
99 ‐ ‐ 90.8 0.02216791 1.064059681 84.7 0.020037869 0.961817699 78.7 0.014531792 0.69752601 75.6 0.008779744 0.421427702 74.2 0.005840428 0.280340546 73.2 0.003620876 0.173802027 72.9 0.002738667 0.131456017 72.6 0.001599326 0.076767666 72.3 0.000309224 0.014842767 72 0.000138864 0.006665471 71.7 0.00011763 0.005646246 71.4 0.000105897 0.005083038 71.1 8.72157E‐05 0.004186354 69.6 6.17135E‐05 0.002962248 68.1 2.95592E‐05 0.001418843 66.6 0 0 65.1 0 0 60.5 0 0 39 0 0 9.7 0 0 1 0 0
Tabla 15. Mediciones de concentración obtenidas mediante la ley de beer-Lambert y los valores
adquiridos por el circuito de censado de ozono.
Para graficar los datos se tomó el rango comprendido entre 66.6% y 90.8% del ciclo útil
de la señal (Figura 48). En este gráfico se puede apreciar el comportamiento
característico del ozono generado por el generador de ozono.
103
65 70 75 80 85 90 950
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4Gráfico de la concentración de Ozono
Porcentaje de ciclo útil (%)
Con
cent
raci
ón d
e O
zono
(g/L
)
Figura 48. Gráfico de la concentración de ozono medida en gramos/Litro.
Programa de control por Lógica Difusa
Se diseñó un programa para el PIC, en el software protón, para que hiciera el control por
lógica difusa. El programa consiste en lo mostrado en su diagrama de flujo (figura 49),
donde se puede observar que todo el control se hace dentro del PIC.
Inicio
Configuracion del tipo de dispositivo a usar, se configuran los FUSES y la
velocidad del cristal a utilizar
Configuración del ADC y los pines de control de la LCD
Declaración de variablesInicialización de puertosAsignar valores a la FAM
Lectura del canal1 del ADC
Se realizan las operacionespara calcular el error y derr
Muestra en la LCD el valor del ciclo util
de la señal
Realiza PWM por hardware
Terminator
a
a
A
A
Se hace la Fuzificación
Se hace la defuzificación
Figura 49. Diagrama de flujo del programa de control por lógica difusa
104
El programa se muestra enseguida
Device = 16F877A XTAL = 20 Declare LCD_INTERFACE 4 Declare LCD_DTPIN PORTB.4 Declare LCD_ENPIN PORTB.2 Declare LCD_RSPIN PORTB.3 CCP1_PIN = PORTC.2 ADIN_RES 10 ADIN_TAD FRC ADIN_STIME 100 STACK_SIZE = 20 TRISA.0 = 1 ' ADCON1 = %10001110 Dim AD_Result As Word Dim ref As 50 Dim e As Float Dim ea As Float Dim derr As Float Dim conc As Float Dim mu As Float Dim muvec[5] As Word Dim muvdec[5] As Word Dim mures[25] As Word Dim fam1[25] As Byte Dim f As Byte Dim g As Byte Dim cont As Byte Dim defuz1 As Float Dim defuz2 As Float Dim NUM1 As Float Dim NUM2 As Float Dim DEN As Float Dim cont2 As Byte '________FAM1____ fam1[0]=90 fam1[1]=90 fam1[2]=50 fam1[3]=25 fam1[4]=10 fam1[5]=50 fam1[6]=50 fam1[7]=25 fam1[8]=10 fam1[9]=0 fam1[10]=25 fam1[11]=10
105
fam1[12]=10 fam1[13]=0 fam1[14]=25 fam1[15]=25 fam1[16]=10 fam1[17]=10 fam1[18]=0 fam1[19]=0 fam1[20]=25 fam1[21]=10 fam1[22]=10 fam1[23]=0 fam1[24]=0 ea=0 ciclo: AD_Result= ADIn 0 ' Read the ADC conc=(AD_Result*5)/1024 e=ref-conc derr=e-ea ea=e Print At 1,1, "error" Print At 2,1, DEC2 e DelayMS 500 Cls GoSub FUZZ [-1.0,-0.65,e], mu muvec[0]=mu GoSub FUZT [-0.85,-0.5,-0.15,e], mu muvec[1]=mu GoSub FUZT [-0.35,0.0,0.35,e], mu muvec[2]=mu GoSub FUZT [0.15,0.5,0.85,e], mu muvec[3]=mu GoSub FUZS [0.65,1,e], mu muvec[4]=mu GoSub FUZZ [-0.47,-0.27,derr], mu muvdec[0]=mu GoSub FUZT [-0.5,-0.25,0.0,derr], mu muvdec[1]=mu GoSub FUZT [-0.25,0.0,0.25,derr], mu muvdec[2]=mu GoSub FUZT [0.0,0.25,0.5,derr], mu muvdec[3]=mu GoSub FUZS [0.27,0.47,derr], mu muvdec[4]=mu
106
cont=0 For g=0 To 4 Step 1 For f=0 To 4 Step 1 mures[cont]=muvec[g]*muvdec[f] cont=cont+1 Print At 1,1, "mures" Print At 2,1, DEC2 mures[cont] DelayMS 100 Cls Next Next NUM1=0 NUM2=0 DEN=0 For cont2=0 To 24 Step 1 NUM1=mures[cont2]*fam1[cont2]+NUM1 DEN=mures[cont2]+DEN Next defuz1=NUM1/DEN Print At 1,1, "PWM" Print At 2,1, DEC2 defuz1 DelayMS 500 Cls HPWM 1,defuz1,1300 GoTo ciclo FUZZ: Dim y1 As Float Dim z1 As Float Dim w1 As Float Dim mu1 As Float Dim x1 As Float Dim aux1 As Float Dim aux2 As Float mu1=0 Pop w1 Pop z1 Pop y1 Print At 1,1, "w1" Print At 2,1, DEC2 w1 DelayMS 1000 Cls If w1<=y1 Then
107
mu1=1 ElseIf w1>=z1 Then mu1=0 Else aux1=(z1-w1) aux2=(z1-y1) mu1=aux1/aux2 EndIf Return mu1 FUZT: Pop w1 Pop z1 Pop y1 Pop x1 If w1<=x1 Then mu1=0 ElseIf w1>=z1 Then mu1=1 ElseIf x1<w1 And w1<y1 Then aux1=(w1-x1) aux2=(y1-x1) mu1=aux1/aux2 Else aux1=(z1-w1) aux2=(z1-y1) mu1=aux1/aux2 EndIf Return mu1 FUZS: Pop z1 Pop y1 Pop x1 If w1<=x1 Then mu1=0 ElseIf w1>=y1 Then mu1=1 Else aux1=(w1-x1) aux2=(y1-x1) mu1=aux1/aux2 EndIf Return mu1
El programa se simuló, con el siguiente circuito armado en el software ISIS PROTEUS.
108
RA0/AN02
RA1/AN13
RA2/AN2/VREF-/CVREF4
RA3/AN3/VREF+5
RA4/T0CKI/C1OUT/RCV6
RA5/AN4/SS/LVDIN/C2OUT7
RA6/OSC2/CLKO14
OSC1/CLKI13
RB0/AN12/INT0/FLT0/SDI/SDA33
RB1/AN10/INT1/SCK/SCL34
RB2/AN8/INT2/VMO35
RB3/AN9/CCP2/VPO36
RB4/AN11/KBI0/CSSPP37
RB5/KBI1/PGM38
RB6/KBI2/PGC39
RB7/KBI3/PGD40
RC0/T1OSO/T1CKI 15
RC1/T1OSI/CCP2/UOE 16
RC2/CCP1/P1A 17
VUSB18
RC4/D-/VM 23
RC5/D+/VP 24
RC6/TX/CK 25
RC7/RX/DT/SDO 26
RD0/SPP0 19
RD1/SPP1 20
RD2/SPP2 21
RD3/SPP3 22
RD4/SPP4 27
RD5/SPP5/P1B 28
RD6/SPP6/P1C 29
RD7/SPP7/P1D 30
RE0/AN5/CK1SPP 8
RE1/AN6/CK2SPP 9
RE2/AN7/OESPP 10
RE3/MCLR/VPP 1
U1
PIC18F4550
RV1
1k
RV1(2)
D7
14D
613
D5
12D
411
D3
10D
29
D1
8D
07
E6
RW5
RS
4
VSS
1
VD
D2
VEE
3
LCD1LM016L
Figura 50. Circuito para simular el control Fuzzy
Al simular, se obtuvieron los siguientes resultados, cuando se puso una referencia de 90,
es decir un voltaje medido deseado de 4.5v.
Al mover el pot a su posición más alejada, es decir 0v, la LCD muestra los siguientes
valores.
Figura 51. Resultados del control por Fuzzy cuando el error es de 90
Esto quiere decir que el error es muy grande y necesita generar más ozono, por eso el
ciclo útil del PWM es del 105%, esto es un error del programa, el cual debe corregisrse,
ya que el ciclo útil no puede ser mayor al l 100%
Cuando se acerca el voltaje del pot a los 4.5v cambia el PWM para tratar de generar
menos ozono.
Figura 52. Resultados del control por Fuzzy cuando el error es de 50
109
Cuando se toma exactamente a los 4.5v, el error se hace cero, por lo tanto el ciclo útil
debe acercarse a cero también es decir debe dejar de generar tanto ozono, para
mantener el error en cero.
Figura 53. Resultados del control por Fuzzy cuando el error es de 0
Cuando por el contrario se rebasa la cantidad necesaria y el error se hace negativo, el
ciclo útil debe hacerse cero, es decir debe dejar de producir ozono para que pueda
nivelarse de nuevo, en lo que da tiempo que se consuma el exceso de ozono generado.
Figura 54. Resultados del control por Fuzzy cuando el error es de 0
110
CONCLUSIONES El dispositivo de elevación de voltaje es bastante económico y proporciona un voltaje lo
suficientemente elevado como para producir el efecto corona deseado, sin embargo,
dicho dispositivo requiere de una alta corriente de alimentación, la cual no es problema su
distribución al sistema, el problema es que los circuitos utilizados se calientan, aun
cuando no se encuentren encendidos todo el tiempo (PWM). Ayuda el uso de disipadores
de calor, incluso podría usarse un ventilador, sin embargo estos aditamentos no son la
solución más eficiente.
La generación de ozono a partir con este dispositivo ideado, proporciona una
concentración de ozono bastante elevada de hasta 1 g/L, lo cual lo hace un sistema
bastante robusto para aplicaciones médicas en las cuales no se sobrepasa de los
200ug/mL, con lo cual se puede aseverar que el sistema propuesto puede abarcar todas
las aplicaciones médicas.
El Sensor es de uso bastante sencillo, sin embargo, presenta deficiencias si se usa
exponiéndolo a la luz visible, lo que hace necesario el uso de dispositivos que eviten el
paso de la luz visible como filtros, esto sin duda eleva el precio del sistema, sin embargo
en las pruebas realizadas se pudo obtener unas mediciones bastante buenas, las cuales
se deben comparar con mediciones hechas por equipos profesionales de
espectrofotometría, para poder reconocer objetivamente los resultados.
El control difuso no pudo más que simularse debido a la falta de tiempo, sin embargo, se
considera que este tipo de control es ideal para el sistema, ya que se desconoce el
funcionamiento de producción de ozono interno del tubo, si por el contrario se conociera,
se podría predecir la cantidad de ozono que generará a determinados voltajes de entrada,
lo que dificulta la tarea de controlar el ozono de una manera correcta y es por esto que se
tiene que basar uno en sistemas de autoaprendizaje como el propuesto.
Dadas las características del diseño, el equipo resultante, de llevarlo al ámbito comercial,
resultará económico y podrá competir contra los equipos ya comercializados dentro del
país, ya que para este prototipo se invirtió una cantidad de aproximadamente $4500.
111
RECOMENDACIONES PARA TRABAJO FUTURO Es evidente que los avances tecnológicos en el campo de los generadores de ozono es
un área aun sin explotar al máximo, además los generadores de ozono actuales en su
mayoría no cuentan con sistemas de enfriamiento eficientes.
Una línea de trabajo inmediata en este sentido sería el implementar un sistema con un
puente H en vez de un puente L, en el cual se ocuparan 2 tubos generadores de ozono en
vez de uno, que aunque elevaría el costo del equipo, podría hacer al sistema más
eficiente, ya que se daría más tiempo de descanso a cada transistor del puente que no
esté en uso, así se evitaría el calentamiento y podría ser más durable el sistema, a la vez
que evitaría el llevar sistemas de enfriamiento.
Asimismo se pretende seguir con la implementación del control que lamentablemente no
pudo terminarse de manera correcta.
Otro de los puntos a destacar necesarios para realizar en un futuro es la interfaz a la PC,
la cual servirá para realizar los informes estadísticos que asienten verdaderas bases de la
concentración de ozono aplicada durante los tratamientos.
Y como un último proceso al que se pretende llegar es realizar el proyecto como una
patente de un equipo nuevo, el cual pueda competir contra los ozonizadores comerciales.
112
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• [17] G. Morales. 2002. Introducción a la lógica difusa. Centro de Investigación y
Estudios Avanzados del IPN (CINVESTAV-IPN).
• [18] Zadeh,L:A: “Fuzzy sets”. 1965 Inf. Cont. 8:338-353
• [19] Arce, Medina. “Modelo General sobre el intercambio de interferencias térmicas
en una incubadora” 1995.
• [20] Mandani, E.H., “Application of fuzzy logic to approximate reasoning using
linguistic systems” 1997 IEEE Trans Comput. CStud.7(1):1-13.
• [21] Zimmermann, H. –J. “Description and optimization of fuzzy systems”. Int. J.
Gen. Syst. 2:209-215
• [22] Kuo, BC. Digital control systems. 1980 New York: Holt, Rinehart and Winston.
• [23] Driells, M. “Linear Control Engineering Systems” 1996. Mcgraw Hill, USA.
• [24] Oggata K. “Teoría de control moderno”. Ed. Adison Weslley. 1999.
• [25] Diestefano 1992.
• [26] Papis, C.p.. “A fuzzy logic controller for a traffic junction”. 1977 IEEE Trans.
Syst. Man Cybern. 7(10):707-717
• [27] Lin, C.T., y C. S. G. Lee “Neural – network – based fuzzy logic control and
decision system” 1991b Poc. IEEE Trans Comput, Singapore, 40(12):1320 - 1336 .
• [28] J. A. Adame. 2009. Tesis Doctoral, Caracterización y comportamiento del
ozono superficial en la provincia de Huelva. Huelva: pp 54-56
• [29] Atkins, P; Paula, J. 2006. Atkins Química Física. 8ª edición. Editorial Médica
panamericana. Madrid España: pp 512.
114
ANEXO 1
Enfermedades que se tratan con ozono
Un listado con las enfermedades que son tratadas con ozono
1. Acariosis 127. Herpes de cualquier tipo
2. Accidente cerebrovascular 128. Herpes zoster
3. Acné 129. Hipercolesterolemia
4. Acrodermatitis 130. Hipersensibilidad
5. Adenocarcinoma 131. Hipertiroidismo
6. Adenovirus 132. Hipotensión
7. Alergias 133. Histoplasmosis
8. Alopecia 134. HIV/HTLV
9. Alzheimer 135. Ictiosis
10. Ambliopía tóxica 136. Ileitis
11. Amebiasis 137. Impétigo
12. Amenorrea 138. Intoxicación alimentaria
13. Amiloidosis 139. Larva migrans cutánea
14. Ampliación de la próstata 140. Leishmaniasis
15. Anemia 141. Leptospirosis
16. Anemia de células falciformes 142. Leucemia
17. Anemia hemolítica 143. Leucoencefalopatía
18. Anemia Perniciosa 144. Leucopenia
19. Angina 145. Leucoplasia vellosa
20. Angioderma 146. Linfogranuloma
21. Ántrax 147. Linfoma
22. Apoplejía 148. Linfoma de Burkitt
23. Arritmia cardíaca 149. Listeriosis
24. Arteriosclerosis 150. Lupus eritematoso
25. Artritis 151. Malaria
26. Artritis reumatoide 152. Mastoiditis
27. Artrosis 153. Melanoma
28. Asma 154. Melioidosis
29. Aspergilosis bronquial 155. Meningitis
30. Aterosclerosis 156. Mialgia
31. Atrofia cerebral 157. Mialgia Bornholm
115
32. Babesiosis 158. Miastenia gravis
33. Bartonelosis 159. Micobacteriosis
34. Basalioma 160. Micosis
35. Botulismo 161. Mielitis
36. Broncoespamo 162. Migraña
37. Bronquitis 163. Miocarditis
38. Brucelosis 164. Mionecrosis
39. Candidiasis 165. Miositis
40. Carbúnculos 166. Mononucleosis
41. Celulitis 167. Morbiloforme
42. Cirrosis del hígado 168. Neumonía
43. Cistitis 169. Neumonía bacteriana
44. Citomegalovirus 170. Neumonía linfoide
45. Clamidia 171. Neumonía por varicela
46. Coccidioidomicosis 172. Neuritis óptica
47. Colecistitis 173. Neurodermatitis
48. Colitis 174. Oclusión arterial
49. Colitis neutropenia 175. Orquitis
50. Conjuntivitis 176. Osteomielitis
51. Conmoción 177. Osteoporosis
52. Corea de Huntingdon 178. Osteosarcoma
53. Coronavirus 179. Otitis media
54. Criptococosis 180. Otitis media aguda
55. Criptosporidosis 181. Otosclerosis
56. Cualquier clase de cáncer 182. P.I.D.
57. Degeneración estriatonigral 183. Pancreatitis
58. Degeneración macular 184. Paniculitis
59. Dermatitis 185. Paperas
60. Dermatitis de contacto 186. Papilitis
61. Diabetes 187. Parainfluenza
62. Diarrea del viajero 188. Parálisis de bell
63. Discinesia tardía 189. Pediculosis
64. Diverticulitis 190. Pénfigo ampolloso
65. Dolores crónicos 191. Penfigoide
66. Ecovirus 192. Pie de atleta
116
67. Ectima Molloscum 193. Pioderma
68. Eczema 194. Pneumocistosis
69. Ehrlichiosis 195. Poliarteritis
70. ELA 196. Poliomielitis
71. Encefalitis 197. Proctitis
72. Encefalomielitis 198. Prurigo
73. Endocarditis 199. Psoriasis
74. Endometritis 200. Púrpura Trombocitopénica
75. Endotalmitis 201. Quemaduras de la piel
76. Enfermedad de Addison 202. Queratosis epidermolítica
77. Enfermedad de Chagas 203. Rabia
78. Enfermedad de Crohn 204. Radiculoneuritis
79. Enfermedad de Grave 205. Retinitis pigmentosa
80. Enfermedad de Lyme 206. Retinopatía vascular
81. Enfermedad de Meniere 207. Reumatismo
82. Enfermedad de Parkinson 208. Rinitis
83. Enfermedad de Reynaud 209. Rubeola
84. Enfermedad Glomerular 210. Salmonella
85. Enfermedad pulmonar crónica 211. Salpingitis
86. Enfermedades del corazón 212. Sarampión
87. Enfisema 213. Sarna
88. Enteritis necrótica 214. Sensibilidad ambiental
89. Epidermofitosis 215. Septicemia
90. Epididimitis 216. SIDA
91. Erisipela 217. Sífilis
92. Eritema migrans 218. Síndrome de Goodpasture
93. Eritema oral 219. Síndrome de Guillane-Barre
94. Escleroderma 220. Síndrome de Landry
95. Esclerosis múltiple 221. Síndrome de Reynold
96. Espasmo uterino 222. Síndrome de Tourette
97. Espinalioma 223. Sinusitis
98. Espondilitis anquilosante 224. T. cruzi
99. Estafilococos 225. Tendinitis
100. Estomatitis 226. Tétano
101. Estomatitis aftosa 227. Tinnitus
117
102. Fiebre de las trincheras 228. Tiña versicolor
103. Fiebre de Lassa 229. Tiroiditis
104. Fiebre de Rift Valley 230. Togavirus
105. Fiebre de Sennutsu 231. Toxicidad pulmonar
106. Fiebre del Dengue 232. Toxoplasmosis
107. Fiebre del posparto 233. Tracoma ocular
108. Fiebre hemorrágica 234. Tripanosomiasis
109. Fiebre por garrapatas de
Colorado 235. Tromboflebitis
110. Fiebre recurrente
236. Trombosis del seno
cavernoso
111. Fiebre tifoidea 237. Tuberculosis
112. Fisuras anales 238. Tularemia
113. Flavivirus 239. Ulceras
114. Foliculitis 240. Uretritis
115. Forúnculo 241. Urticaria
116. Gangrena 242. Uveítis
117. Giardiasis 243. Varicela
118. Glaucoma 244. Varicela fulminante
119. Glioma 245. Vasculitis
120. Glomerulonefritis 246. Venas varicosas
121. Gota 247. Verrugas
122. Granuloma de Wegener 248. Verrugas genitales
123. Hematoma 249. Vestibulopatía aguda
124. Hemorragia 250. Virus de Epstein-Barr
125. Hemorroide 251. Virus polioma
126. Hepatitis de cualquier tipo 252. Zigomicosis torácica
