Bariloche Atomic Centre
Repositorio Institucional del Centro Atomico Bariloche y el Instituto BalseiroNot a member yet
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Desarrollo de modelos predictivos de vida a la fatiga de implantes de cadera de Ti-6Al-4V fabricados por manufactura aditiva
La fabricación de implantes de cadera metálicos es una de las principales aplicaciones de los procesos de manufactura aditiva (MA), ya que ciertos requisitos como la personalización de la prótesis a un paciente en particular o la necesidad de generar de estructuras porosas complejas que favorecen la osteointegración pueden cumplirse debido a las características de los procesos de MA, y serían difíciles de lograr por métodos convencionales. La determinación de las propiedades de fatiga es un aspecto clave al momento de evaluar el comportamiento de los implantes de cadera, ya que las cargas que tienen que soportar in vivo son de carácter cíclico. Existen distintas normas que establecen las condiciones en que se evalúan las propiedades de fatiga, entre ellas, la norma ISO 7206 4, que busca evaluar las propiedades de fatiga en la zona del tallo del implante de cadera. Realizar ensayos siguiendo los lineamientos de la norma puede ser considerablemente costoso en tiempo y recursos. Por esta razón, con la visión de desarrollar un modelo predictivo de vida a la fatiga para implantes de cadera de Ti-6Al-4V fabricados por manufactura aditiva, en este trabajo se estudia el comportamiento a la fatiga de dos tamaños distintos de implantes de cadera provistos por la empresa Kinetical SRL al ensayarlos de acuerdo a la norma ISO 7206-4. Se estimaron las tensiones producidas en el implante durante el ensayo mediante dos enfoques: el primero de ellos consistió en fórmulas analíticas, mientras que en el segundo enfoque se utilizó el método de elementos finitos. Los niveles de tensiones obtenidos se compararon con curvas de las propiedades de fatiga del material ajustadas a partir de ensayos realizados en el Laboratorio de Propiedades Mecánicas. La vida estimada de esta manera se comparó con las vidas reales determinadas luego de ensayar los implantes. Al realizar esta comparación se notaron discrepancias, ya que para ambos implantes, la vida real superó ampliamente la vida estimada mediante los cálculos. Debido a esto, se evaluó la influencia de distintos factores que pueden haber afectado las propiedades de fatiga del implante, o la tensión aplicada en el ensayo, para intentar explicar el comportamiento observado: se midieron las tensiones residuales en la superficie del implante utilizando difracción de rayos X, y se estimó un posible factor de concentración de tensiones en la legión en la que se produjo la fractura del implante. Adicionalmente, se utilizaron técnicas de microscopía para estudiar las características de las superficies de fractura.
A partir de los resultados teóricos y experimentales, se comprobó que la norma ISO 7206-4 puede no ser adecuada para evaluar la resistencia a la fatiga del tallo en los implantes ensayados por la presencia de niveles elevados de tensiones residuales de compresión. Este estudio teórico y experimental permite determinar variables de relevancia en la determinación de la vida a la fatiga de los implantes, aportando al desarrollo de metodologías predictivas
Propagación de pulsos en fibras ópticas con ceros de no linealidad
Los efectos ópticos no lineales tienen lugar a partir de la interacción entre un campo electromagnético intenso y un medio dieléctrico y son responsables de fenómenos de interés como la aparición de nuevas frecuencias, la generación de suma y diferencia de frecuencias y el ensanchamiento espectral, entre otros. En medios no centrosimétricos, como las fibras ópticas, estos efectos se manifiestan a través de la susceptibilidad de 3er orden. Esta tesis aborda el estudio de efectos lineales y no lineales, como la
dispersión cromática, el efecto Kerróptico (responsable de la automodulación de fase y la modulación de fase cruzada), el scattering de Raman estimulado y el self-steepening, para el análisis de la dinámica de pulsos en medios ópticos no lineales, particularmente aquellos que presentan un perfil de no linealidad arbitrario. Se estudió la dinámica de propagación de solitones, los cuales son pulsos que resultan de la combinación de efectos lineales y no lineales y cuya forma y espectro permanecen inalterados durante la propagación, y también de ondas dispersivas que surgen de la perturbación de los solitones. En general, en la bibliografía, la propagación no lineal en fibras ópticas se modela a través de la ecuación no lineal de Schrodinger (NLSE) y de la ecuación no lineal de Schrodinger generalizada (GNLSE). Sin embargo, dado que ha sido demostrado que estas ecuaciones no conservan el n´umero de fotones para medios con perfiles no lineales con una dependencia arbitraria con la frecuencia, se utilizan las recientemente
introducidas photon-conserving NLSE (pcNLSE) y su versión generalizada (pcGNLSE) para modelar la dinámica de pulsos y su interacción en medios que exhiben un cero de no linealidad.
En este trabajo, además, se utilizan analogías temporales de la óptica geométrica y su extensión a medios no lineales para el estudio de la interacción de un pulso débil (signal) con un pulso intenso (pump). Este último actúa como barrera temporal mediante la modificación local del índice de refracción, lo que permite la reflexión o transmisión del signal, incluso siendo posible que este experimente la reflexión total interna. A partir de estas analogías se introdujeron los conceptos de cavidad y láser temporales, con aplicaciones a la medición distribuida de parámetros de la fibra. Asimismo, considerando las nuevas guías de onda con perfiles de no linealidad arbitrarios, en particular aquellas que exhiben un cero de no linealidad, se estudió la dinámica de propagación de los solitones y las ondas dispersivas. Se observó la influencia del cero de no linealidad comparando los resultados obtenidos utilizando la GNLSE y la pcGNLSE. Finalmente, se utilizan las analogías temporales para introducir un nuevo modelo analítico que permite describir la interacción pump-signal en medios con un cero de no linealidad, y se exploran aplicaciones de conmutación puramente óptica
Hipertermia de nanopartículas magnéticas en fantomas: de la teoría al experimento
Los tratamientos médicos contra el cáncer basados en nanopartículas, como la hipertermia magnética, son ampliamente investigados en la actualidad. Sin embargo, hay numerosos factores que dificultan su predictibilidad, reproducibilidad y la interpretación de los experimentos (en términos de incremento de temperatura o absorción de potencia) cuando son llevados a cabo en sistemas in vitro o in vivo. Algunos de ellos son la influencia de la viscosidad del medio y los efectos de interacciones debido a la aglomeración de las nanopartículas. Esto nos conduce a tratar de entender como se comportan los sistemas no ideales que poseen distribuciones de parámetros intrínsecos a las nanopartículas, as como a estudiar las distribuciones de temperatura durante el calentamiento de la muestra.
El objetivo de esta tesis es abordar estos problemas a través de una retroalimentación entre enfoques teóricos y experimentales. Comenzamos por generar un marco teórico que nos permite entender como se comportan magnéticamente sistemas de nanopartículas simples (tanto no interactuantes como cadenas unidimensionales ideales), el rol de diferentes parámetros en la relajación magnética y explicar como el mismo agregado en diferentes condiciones experimentales puede tener un efecto beneficioso o perjudicial en la absorción de potencia.
Con este marco teórico a mano, preparamos sistemas de características controladas que obran de fantomas celulares. Estos consisten de nanopartículas fijas en una matriz de gel, tanto dispersas como formando agregados. Mediante una caracterización exhaustiva de las nanopartículas y de los fantomas, que incluye tanto estudios de microscopía como mediciones magnéticas, recolectamos información sobre su morfología, composición y comportamiento magnético en condiciones dc y ac. Para comprender
los resultados de magnetometría ac en condiciones típicas de hipertermia, modelamos sistemas similares a los reales, con distribuciones de tamaño, anisótropa y diferentes grados de aglomeración, tanto de manera analítica como efectiva.
Finalmente, volvemos a poner el foco sobre la medición y desarrollamos un método de análisis que permite obtener mapas de evolución del incremento de temperatura durante experimentos de hipertermia para diferentes puntos en los fantomas, de manera
simultanea y no invasiva. El mismo consiste en la adquisición de vídeos a través de una cámara termográfica y su posterior procesamiento. En contraste con las mediciones convencionales con sonda local, permite evaluar distribuciones de temperatura as como flujo de calor, potencia y da idea de las perdidas térmicas, lo cual es esencial para el entendimiento de experimentos in vitro, in vivo y de futuros tratamientos debido a la complejidad que introduce la perfusión sanguínea y las condiciones tumorales en la
interpretación de los resultados.
El desarrollo de este trabajo de tesis, en el cual los aspectos teóricos y experimentales se han alternado y retroalimentado a lo largo del mismo, nos ha permitido captar los factores físicos mas relevantes en los experimentos de hipertermia magnética abordados. Para resumir, llevamos a cabo exitosamente la síntesis y caracterización de tres muestras, logrando controlar sus propiedades morfológicas y magnéticas, as como obtener detalles de su composición. Con ellas, preparamos fantomas celulares en los cuales pudimos obtener aglomerados elongados de partículas mediante campos magnéticos ac típicos de experimentos de hipertermia. Los fantomas se caracterizaron extensivamente y se evaluó su absorción de potencia mediante métodos magnéticos (ciclos ac) y calorimétricos (estudios con cámara termográfica). Para reproducir estos ciclos ac mediante simulaciones, nos nutrimos de la información obtenida mediante la caracterización previa de los fantomas para desarrollar un modelo efectivo que mantiene los elementos esenciales para determinar su comportamiento magnético en estas condiciones. Desarrollamos, a partir de las medidas con la cámara termográfica, un método con mucha potencialidad para estudiar dinámica de calentamiento y distribuciones heterogéneas de nanopartículas en una matriz, con capacidad de análisis 2D que demuestra ser muy superior a las mediciones con sonda local. Este enfoque global sobre la hipertermia magnética abre el camino para nuevos estudios de sistemas de nanopartículas complejos utilizados en la aplicación
Diseño e implementación de diferentes controladores en un levitador magnético para rechazo de perturbaciones de posición
En el marco de la Maestría en Ingeniería del Instituto Balseiro, se implementaron controladores diseñados con diferentes técnicas de control para el rechazo de perturbaciones del tipo vibratorias en un levitador magnético. La motivación de realizar este levitador y atenuar perturbaciones del tipo vibratorias radica en los cojinetes magnéticos activos de máquinas rotantes. Este levitador trata de captar la dinámica de un cojinete magnético sometidos a cargas axiales, para luego ensayar diferentes algoritmos de control que atenúen esta vibración.
Como primera etapa se debió diseñar al Levitador en su conjunto, definiendo estructuras, actuador, perturbación, sensores de posición y corriente, placas amplificadoras, y acondicionamiento de señales, placa de control, etcétera.
Como segunda etapa, se caracterizaron e identificaron los distintos parámetros que definen la dinámica del sistema. A partir de estos parámetros, se realizó un modelo matemático del mismo, que permitió diseñar y ensayar los diferentes algoritmos de control a implementar.
En una tercera etapa del trabajo, se estudiaron distintos controladores capaces de rechazar perturbaciones del tipo vibratoria en el elemento levitado. A partir de esta investigación se diseñaron e implementaron distintas técnicas de control al sistema Levitador Magnético. Las técnicas de control implementadas fueron: control clásico, control repetitivo, control moderno con estimador MIMO, control moderno con filtro de Kalman para perturbación de frecuencia fija y filtro de Kalman para perturbación de frecuencia variable.
Por último, se estudió la performance de los controladores implementados para la atenuación de la perturbación introducida al elemento levitado. Para el estudio de la performance, se calculó el espectro de potencia de la señal de posición del elemento levitado, la desviación estándar de la señal posición y la energía contenida (a través del teorema de Parseval) en la señal de posición con respecto a la posición media
Aplicación de técnicas de reducción dimensional en el modelado de flujos inestables
La dinámica de fluidos computacional (CFD) se caracteriza por producir datos espaciotemporales de alta dimensión. Por lo tanto, identificar un conjunto óptimo de coordenadas para representar los datos en un subespacio latente de baja dimensión es un primer paso hacia el desarrollo de modelos de orden reducido. El abordaje tradicional es mediante el Análisis de Componentes Principales (PCA), que da una aproximación lineal óptima. Sin embargo, en general los flujos son complejos e inherentemente no-lineales, lo cual limita la capacidad de representación en baja dimensión del PCA. En consecuencia, recientemente se han comenzado a aplicar en el campo del CFD algoritmos de reducción de dimensionalidad (RD) no-lineales, originalmente desarrollados en el área del aprendizaje automático. En este contexto, en el presente trabajo se busca implementar y comparar diferentes métodos de RD, lineal y no-lineales, en un problema canónico de flujo inestable: el flujo alrededor de un cilindro inmerso en un flujo uniforme. Para ello, en primer lugar se genera una base de datos a partir de simulaciones numéricas directas (DNS) con el software Xcompact3d a diferentes números de Reynolds. Luego se implementan las distintas técnicas de RD. Las mismas incluyen el estándar lineal PCA, que actúa como referencia para comparar el rendimiento de los métodos no-lineales implementados: Kernel PCA (KPCA), Locally Linear Embedding (LLE), Isometric Mapping (Isomap) y autoencoders (AE). En este marco, se comparan cuantitativamente las calidades de reconstrucción de estos métodos. Las técnicas no-lineales presentan mejores resultados en la reducción espacial, pero no superan al PCA en la reducción temporal. Sin embargo, la disposición temporal de los datos permite extraer modos espaciales visualizables que resaltan las principales estructuras características del flujo, facilitando la comparación cualitativa de los métodos
Modelo y simulación de efectos de estratificación en ductos curvos
En este trabajo se estudian los efectos de la estratificación en un ducto curvo. Los flujos estratificados son aquellos en los que la densidad varía en la dirección vertical, lo cual puede deberse a diferencias de temperatura, fases disueltas en el fluido o partículas en suspensión. Esta variación de densidades genera una fuerza boyante que impulsa al fluido de menor densidad hacia la legión superior.
La geometría en estudio es un canal curvo de sección cuadrada. La curvatura induce un flujo transversal a la dirección principal, conocido como flujo secundario del primer tipo, producto de la curvatura de los vectores de verticidad media. Este tipo de flujo puede estar presente tanto en regímenes laminares como en turbulentos. En presencia de turbulencia, también aparecen flujos secundarios del segundo tipo, resultantes de las fluctuaciones de los campos de velocidad debido a la misma.
Para llevar a cabo el estudio, se desarrolló una herramienta a partir de la adaptación de un código preexistente, validado y utilizado para simulaciones de turbulencia en la misma geometría. A este código se le adicionó la resolución de la ecuación de convección-difusión en coordenadas cilíndricos y el término boyante en la ecuación de momento axial. El código utilizado utiliza métodos pseudo-espectrales para la resolución espacial de las ecuaciones, y diferencias finitas para la discretización temporal.
Se estudiaron flujos turbulentos sometidos a diferentes condiciones de borde de temperatura en las paredes, que estratifican el flujo de diversas maneras. Se modelaron las ecuaciones de Navier-Stokes para un flujo incompresible y la ecuación de convección-difusión, derivada de la conservación de la energía. Además, se realizaron simulaciones para distintos valores de radio medio, con el objetivo de discernir los efectos tanto de la curvatura como de la fuerza boyante en el fluido, comparándolos con los casos sin fuerza boyante.
Los resultados reportados incluyen valores de números adimensionales como el número de Reynolds y el número de Nusselt, así como distribuciones medias de campos de velocidades, patrones de flujo secundario, distribución de temperatura y distribución de esfuerzos de Reynolds sobre la sección, así como esfuerzos de corte sobre las paredes
Desarrollo de herramientas numéricas para flujo sanguíneo
Desde hace 50 años, el procedimiento de Fontan-Kreutzer es la cirugía paliativa más común para pacientes con corazón univentricular. En los últimos años se ha determinado que las complicaciones a largo plazo de este procedimiento están relacionadas con la hemodinámica de la Conexión Cavo-Pulmonar Total (TCPC). En particular, se ha observado que la pérdida de potencia en la TCPC (P_loss), el porcentaje de tensión de corte en la pared (%WSS) y la distribución del flujo hepático (HFD) son parámetros de interés. El presente trabajo se enmarca en un acuerdo de cooperación entre el Hospital de Pediatría Garrahan y el Departamento de Mecánica Computacional del Centro Atómico Bariloche, con el objetivo de desarrollar un método de simulación numérica que permita determinar estos parámetros hemodinámicos en propuestas de TCPCs de pacientes reales.
En el presente Trabajo Integrador se implementaron herramientas en OpenFOAM que buscan determinar los parámetros mencionados. Se continuó un trabajo previo que había estudiado la P_loss en geometrías de TCPC simplificadas, extendiendo el análisis a simulaciones tanto laminares como turbulentas. Además, se validó la herramienta de HFD replicando los resultados de un trabajo científico previo
Expansión de las capacidades del sistema de adquisición y publicación de datos RA6 en red
En este trabajo se realizaron diversos desarrollos que aumentan las capacidades del sistema de adquisición y publicación de datos RA6 en red. En primera instancia, se desarrolló, implementó y validó un algoritmo de cálculo de reactividad por cinética inversa, así como su posterior implementación y visualización web.
Por otro lado, se desarrolló la implementación completa que da soporte a dos prácticas de hidráulica de la materia Laboratorio II de Ingeniería Nuclear, permitiendo la adquisición y publicación de datos de manera remota. Estas prácticas son la determinación de caudal por elemento combustible y la curva de coastdown de bomba de primario.
Además se implementó la adquisición de la señal de nitrógeno 16 en el sistema RA6 en red, dejando la estructura necesaria para resolver el problema de ruido que impide la medición de la señal.
Por último, se propuso y utilizó un método de calibración de las señales de marcha en potencia, que permitió obtener una referencia de potencia en el reactor RA6 en circulación natural, y se desarrolló un algoritmo de selección y calibración de señales de marcha, que permite escribir en base de datos una estimación de la potencia térmica del reactor. También se muestra la potencia térmica en diversos visualizadores de la página web del RA6 en red
Estudio numérico del proceso de transición laminar-turbulento en canales angostos
Esta tesis se enfoca en el estudio de la transición laminar-turbulenta en canales de placas paralelas mediante simulaciones numéricas directas, utilizando el código Incompact3d y la teoría de estabilidad lineal para inestabilizar el flujo en dominios computacionales accesibles. El objetivo es abordar diversos aspectos específicos de este fenómeno, como la influencia de perturbaciones impuestas en la entrada del canal, el análisis del pico en el coeficiente de fricción en la transición, la transferencia de calor, la influencia del espesor de las paredes en cantidades térmicas y el impacto de la rugosidad. El estudio tiene impacto en sistemas que pueden presentar la transición, como por ejemplo alas de aviones o elementos combustibles de reactores nucleares de investigación.
El estudio de la influencia de las perturbaciones, realizado a Re = 5000, revela que la posición del inicio de la transición presenta una clara dependencia de las mismas mientras que la evolución del Reτ presenta una dependencia mínima. Se identifican distintos estados de la transición: zona cuasi-laminar, estado tardo, estado supertardío, pico de transición, zona de post-transición y región turbulenta. Se encuentra que la amplitud de las perturbaciones tiene un impacto distinguible solo hasta la primera etapa del estadío super-tardío.
En el estudio del fenómeno del pico presente en la evolución del coeficiente de fricción a lo largo de la transición, se descubre que la presencia de vórtices coherentes tipo hairpin aguas arriba del pico desempeña un papel crucial en su formación. Estos vórtices generan estructuras turbulentas, dando lugar a un incremento en la tensión de corte de Reynolds y, por ende, en el coeficiente de fricción. La evaluación cuantitativa de esta contribución se realiza mediante las identidades de Fukagata, Iwamoto y Kasagi (FIK), Renar y Deck (RD) y Xi Chen (XC), evidenciando que, en las proximidades del pico, los valores del término de tensión de corte de Reynolds, de producción de energía cinética turbulenta y de disipación turbulenta superan a sus correspondientes valores de la región turbulenta.
Del análisis de la transferencia de calor, para Re = 4200, diferentes números de Prandtl y dos condiciones de contorno térmicas:
flujo de calor uniforme (UHF) y temperatura de pared uniforme (UWT), se obtienen datos térmicos novedosos en la transición espacial. Se desarrolla una correlación para el número de Nusselt y se observa una alta correlación entre el campo término y el campo de velocidad cerca de las paredes del canal. Se estudia además la influencia de la condición de contorno térmica
en los parámetros de segundo orden a lo largo de la transición.
Para el estudio de la transferencia de calor conjugada (CHT) se desarrolla un módulo 3D que resuelve la ecuación de conducción en el dominio del sólido y se acopla al código Incompact3d. Con la herramienta disponible se estudia la transferencia de calor en dos escenarios de transición: Re = 3420 con Pr = 0:71, y Re = 4200 con 0:1 ≤ Pr ≤ 1:0. La comparación de los resultados con aquellos calculados usando UHF, revela una influencia débil del modelado de la pared en el número de Nusselt, con una diferencia relativa máxima de 6% entre ambas condiciones de contorno térmicas. El análisis de las fluctuaciones de temperatura en la pared se correlaciona con los diferentes estadíos de la transición y muestra que la magnitud de las mismas para UHF es superior a la calculada con CHT. También se encuentra que el numero de Reynolds influye en esta cantidad en la región de transición pero no en la zona turbulenta.
El análisis de la influencia de la rugosidad, en simulaciones espaciales a Re = 6300 y temporales a Re = 5000, demuestra que la rugosidad modifica la perturbación optima, afectando el inicio de la transición respecto del canal liso. La perturbación in fluye hasta la primera etapa del estadío super-tardío, y la rugosidad incrementa las cantidades turbulentas respecto del canal liso aguas abajo de la zona donde los vórtices tipo hairpin ocupan toda la sección del canal.
En resumen, esta investigación contribuye al entendimiento fundamental de la transición laminar-turbulenta y proporciona datos valiosos para la mejora y desarrollo de teorías que busquen modelar dicho fenómeno
Desarrollo de resonadores superconductores basados en aluminio granular
En este trabajo, desarrollamos avances hacia la implementación de resonadores microondas
basados en materiales superconductores con alta inductancia cinética. Estos
resonadores se caracterizan por su alto factor de calidad y por su gran sensibilidad para
la detección de fotones. En su versión más ventajosa como Detectores de Inductancia
Cinética de Microondas (MKIDs), estos dispositivos se acoplan capacitivamente a una
única línea de transmisión para permitir la lectura multiplexada de un arreglo de píxeles.
Entre los materiales con alta inductancia cinética de fabricación más accesible y
comportamiento más reproducible está el aluminio granular (AlGr), el cual consiste de
nano granos de aluminio embebidos en una matriz aislante de oxido de aluminio. Como
se discute en la primera parte de esta tesis, de la fenomenología de la superconductividad
del AlGr, se desprenden dos propiedades significativas relacionadas con su nano
estructura: por un lado, el incremento de la temperatura crítica superconductora con
la resistencia superficial, lo que conlleva a la formación de un domo superconductor en
el diagrama de fase Tc vs RS. Por otro lado, una alta inductancia cinética, típica de superconductores
desordenados, que comparamos con valores típicos de otros materiales
superconductores para comprender su ventaja en el desarrollo de MKIDs.
En esta tesis fabricamos tres generaciones de films de AlGr, en las cuales optimizamos
los parámetros de crecimiento durante el proceso de pulverización catódica
(sputtering) de aluminio en una atmósfera controlada de oxigeno. Obtuvimos films de
AlGr con distintas concentraciones de oxígeno ajustando la presión de oxígeno relativa
en el proceso de crecimiento. Caracterizamos estos films en términos de su morfología
utilizando diferentes técnicas (AFM, SEM, TEM) y en términos de sus propiedades
eléctricas realizando mediciones de resistencia a dos terminales a temperatura ambiente
en una estación de prueba.
Utilizando procesos de microestructuración aditiva y sustractiva sobre los films de la
tercera generación de AlGr, y luego de una optimización de los parámetros de litografía
óptica y ataque químico, obtuvimos como resultado films con un diseño de barra Hall
del orden de los cientos de micrones. Estos films fueron enfriados en un criostato de
dilución hasta temperaturas aproximadas de 10 mK para evaluar su temperatura crítica
de transición al estado superconductor. Los resultados indican un incremento de la
temperatura crítica con la concentración de oxígeno en los films hasta un 3% y luego
una disminución para concentraciones mayores.
Además, presentamos avances en el desarrollo de resonadores de alta inductancia
cinética utilizando AlGr. Trabajamos en la optimización de los parámetros de microestructuraci
ón de los resonadores y en la calibración de un setup de medición RF para su
caracterización en el régimen criogénico. Para ello, utilizamos un prototipo de resonadores
diseñado a partir de nitruro de niobio titanio (NbTiN), disponible en el grupo de
investigación, el cual nos permitió obtener mediciones de las frecuencias de resonancia
y su comportamiento ante cambios de temperatura y potencia en el setup de medición