Ecosonda desarrollada en base a un FPGA, de alta resolucion

1. XXIV CONGRESO LATINOAMERICANO DE HIDRÁULICA
IAHR AIIH
PUNTA DEL ESTE, URUGUAY, NOVIEMBRE 2010
EQUIPO ULTRASÓNICO PARA ESTUDIO DE EROSIÓN EN MODELOS FÍSICOS
1er. Izquierdo, José María y 2do. Tatone, Gabriel
1er Técnico de desarrollo, 2do Jefe Programa Instrumentación
Laboratorio de Hidráulica – INSTITUTO NACIONAL DEL AGUA
AU Ezeiza-Cañuelas, Tramo J. Newbery Km 1,620 (1804)
Ezeiza - Buenos Aires - Argentina
TE: (54 11) 4480-4500 - Fax: (54 11) 4480-0433
jizquierdo@ina.gov.ar - gtatone@ina.gov.ar
Introducción lecturas se podrá observar en la pantalla de la PC (mediante la
Desde hace muchos años en el Instituto se vienen estudiando cual se configura el proceso de medición): la imagen temporal
modelos físicos a fondo móvil, con el fin de evaluar la erosión de señal recibida, tabla y gráfica de los valores medidos, la
en diferentes condiciones extraídas de situaciones reales. Los potencia de las ventanas y los parámetros de configuración de
instrumentos que se adecuan a este tipo de modelos son muy la medición .
escasos y costosos, debido principalmente al reducido
mercado. Por cual se decidió desarrollar un instrumento que Pruebas preliminares
fuese capaz de poder caracterizar dicho fenómeno, con el fin
principal de seguir la evolución temporal del fondo móvil de Antes de comenzar las mediciones en modelo, se llevó a cabo
forma autónoma. una serie de pruebas de forma controlada, con el fin de
establecer límites y características del equipo. Inicialmente se
realizó la calibración del instrumento, la cual dio una
Objetivos exactitud de +/- 0,5% de la medición.
El objetivo es desarrollar un dispositivo electrónico, que nos También se vertió arena en forma controlada en el recipiente
permita describir, el proceso de erosión que se produce por la con agua clara, para simular partículas en suspensión, para
presencia de estructuras hidráulicas sumergidas en obtener su respuesta en tales condiciones. Los resultados de la
escurrimientos, en modelos físicos. Para poder definir el experiencia fueron alentadores, ya que, para concentraciones
proceso erosivo y extrapolar los resultados de modelo a las similares a las encontradas en modelos físicos el equipo nos
obras, optimizando los diseños para minimizar riesgos. permite seguir midiendo gracias a: que la potencia de emisión
Se requiere que dicho instrumento no interfiera en el proceso, es ajustable, al avanzado sistema de detección y el alto grado
como así también brinde suficiente resolución y precisión en de eliminación de ruidos. La misma experiencia se realizo con
las mediciones. Una técnica que se ajusta a éste requerimiento partículas de carbón, obteniéndose similares resultados y
es el ultrasonido, dado que es capaz de detectar interfaces permitiéndonos medir aún cuando no se puede observar
entre medios físicos de diferentes propiedades acústicas visualmente la evolución del lecho.
(Schall, 1997) (Turó, 1996) (Roca 2000). Otro de los ensayos realizados fue caracterizar su
comportamiento en fondos con pendientes pronunciadas.
Como bien se sabe cuando nos enfrentamos a modelos a fondo
Descripción del instrumento móvil de aguas claras o no, en el lecho se forman depresiones
El procedimiento para medir la profundidad consiste en medir con variadas pendientes. También cuando se requiere evaluar
el tiempo que transcurre entre la emisión de un pulso fosas de erosión, siempre debemos asegurar que no se
ultrasónico y la recepción del rebote del mismo sobre la distorsionen las medidas ó establecer cuanto error estamos
superficie en estudio; dicho tiempo es proporcional a la dispuestos a tolerar, en función de la complejidad del estudio.
velocidad de propagación del sonido en el agua y al doble de En la Tabla 1, se presenta la respuesta del instrumento a
la distancia entre el transductor y el lecho erosionable. distintas pendientes a 6 y 20 cm de profundidad a partir de la
ubicación del transductor ultrasónico.
El instrumento desarrollado consta de tres partes
fundamentales: emisor/receptor de pulso, transductor Tabla 1.- Error en la profundidad versus pendientes.
ultrasónico y procesamiento de la señal recibida. Pendiente Profundidad 6,1 cm Profundidad 20,1 cm
Para la primera de ellas se utilizo el equipo DPR300 de la [Grados] Lectura [cm] Error [%] Lectura [cm] Error [%]
firma JSR Ultrasonics el cual permite no solo el ajuste de la
0 6,1 0,0 20,1 0,0
energía de pulso ultrasónico emitido, sin también, la
amplificación y filtrado de la señal recibida. 7 6,1 1,0 20,0 0,4
El sensor empleado es del tipo pencil de inmersión de la firma 14 6,0 1,8 19,7 2,0
CD International, frecuencia de resonancia 2,5Mhz, con un 21 6,0 1,8 19,7 2,0
cono de emisión ultrasónico de 8º. Esto permite detectar 27 5,9 4,4 19,3 4,1
pequeñas deformaciones del lecho.
32 5,8 5,2 19,5 3,1
En la etapa de procesamiento se utilizó un DSP (Digital signal
processor) para analizar la señal digitalizada con un 37 5,6 8,8 18,4 8,5
procediendo basado en ventanas de tiempo y densidad 41 5,1 17,3 18,2 9,4
espectral de potencia (Izquierdo, 2009) (Rodríguez, 1995). De
esta forma se logra una alta inmunidad al ruido, muy buena
resolución, disminución artificial del cono de emisión, muy Se observa que a medida que nos apartamos de la posición
buena precisión y exactitud (Mueller, 1999). Durante las horizontal la indicación va disminuyendo. Dicha variación es

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más significativa porcentualmente cuando la distancia entre el que se pretende realizar es la posibilidad de la utilización de
sensor y el fondo es menor. Es de destacar que el error no múltiples sensores, lo cual permitiría observar la evolución
supera el 10% por defecto para pendientes apreciables (35º), temporal de varios puntos simultáneos dentro de la fosa.
las cuales raras ves son superadas en modelos. A la vista de los resultados obtenidos, no solo de laboratorio
La Tabla 1 muestra que la indicación en presencia de sino de también en modelos, se ha logrado un instrumento de
pendientes siempre es por defecto, por cual el error es de muy buenas características de estabilidad, exactitud y
naturaleza sistemática y se podría compensar según tabla. precisión lo cual supera ampliamente las expectativas
iniciales.
Mediciones en modelos físicos
Con las pruebas de laboratorio ya realizadas, se comenzó a Referencias Bibliográficas
medir en modelos físicos realizándose distintas experiencias: Izquierdo, J. M. y Tatone, G. (2009). “Medidor ultrasónico de
1- Reconstrucción de fosa al pie de pilas: una vez que se erosión en modelos hidráulicos”. I Simposio sobre Métodos
estima que la erosión alcanzo su máximo, se realizan múltiples Experimentales en hidráulico. Villa Carlos Paz – Córdoba. Argentina.
mediciones de acuerdo a una grilla predeterminada que Mueller, D.S. and Landers, M.K. (1999). “Portable
permita la reconstrucción de la misma como se muestra en la instruments real-time measurements of scour at bridges”.
Figura 1. Federal Highway Administration – U.S. Geological Survey.
Publication Nº FHWA-RD-99-085.
Roca, M. et al.(2000). “Sistema de sensores de ultrasónicos para la
medida del fondo. Aplicaciones a procesos de erosión local en
estribos”. XIX Congreso Latinoamericano de Hidráulica. Córdoba.
Argentina.
Rodríguez Hernández, M. Á (1995). “Algoritmo para la detección
de ecos ultrasónicos mediante transformadas tiempo-frecuencia.
Schall, J. D. et al (1997). “Sonar scour monitor: installation,
operation and fabrication manual”. National Academy Press.
Washington, DC.
Turó, A. et al (1996). “Sensor inteligente para la medición de
profundidad en un medio líquido”. Seminario anual de Electrónica
Figura 1.- Fosa en pila de un puente. Industrial SAAEI´96 vol. I pg. 80-83. Universidad Politécnica de
Catalunya. Barcelona. España.
2- Descripción de la evolución temporal de un punto de interés
de la fosa de erosión. Este estudio se realizo desde el momento
de inicio del proceso, hasta un tiempo en el cual se considera
que la erosión a alcanzado aproximadamente su máximo
desarrollo, el que puede ser determinado a partir de la misma
gráfica. En la Figura 2 se muestra una grafica que representa
un estudio de este tipo.
Figura 2. – Evolución temporal de un punto dentro de la fosa.
Conclusiones
El equipo resultó ser de gran utilidad en modelos físicos, en
función de los resultados obtenidos en estudios de fosas de
erosión y evolución temporal de la misma, lo cual alienta el
continuo desarrollo del mismo. Con costos relativamente
bajos, teniendo en cuenta del tipo de instrumental del que se
está hablando.
A futuro se pretende mejorar ciertos aspectos relacionados a la
manipulación de las lecturas obtenidas, brindar paramentos de
confianza como: varianza, correlación, SNR, etc. Otra mejora