1. Más Imágenes de
los Sensores
Vista Transversal del
Piezometro de Cuerda
Vibrante
Configuración del Sensor
Autores:
GLENIS MORENO Y
FERNANDO
MARTÍNEZ
Estudiantes de la
Especialización de
Instrumentación y
Automatización UNEXPO
Vicerrectorado Puerto Ordaz
garlenam@gmail.com
fmartinezfernandez@gmail.c
om
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Publicado por Glenis Moreno y Fernando Martínez
Sensores de Cuerda Vibrante
Sensores de Cuerda vibrante, es un instrumento relativamente nuevo que
procede de los recientes avances en el campo de la Electrónica. Son dispositivos que
basan sus mediciones a partir de las deformaciones, las cuales producen voltajes o
corrientes a partir de un esfuerzo mecánico, que produce vibraciones, midiendo la
frecuencia vibratoria de un cable tensionado a una membrana y su tubo principal y se
mide la variación por medio de una bobina electromagnética. Son precisos y fiables.
Permiten transmitir la señal a distancias de más de 1000 metros sin perder la
precisión.
Un dispositivo típico se muestra en al figura. El cable se tiende a lo largo de una
cámara que contiene el fluido a una presión desconocida y sometido a un campo
magnético. El cable resuena a su frecuencia natural de acuerdo con su tensión, que
varía con la presión. Esa frecuencia se mide por circuitos electrónicos integrados en el
dispositivo. Tales dispositivos son muy precisos, típicamente +0.2% del fondo de
escala, y son particularmente insensibles a los cambios en las condiciones
ambientales.
Los piezómetros de cuerda vibrante son utilizados para controlar niveles
piezométricos de agua en suelos y rocas. El piezómetro de tubería esta formado por
tubería vertical que está conectada a un elemento poroso, el filtro. El filtro se sitúa en
la zona deseada, colocándose un tapón de bentonita por encima de esa zona para
aislarla de otras capas. El agua entra por el filtro y hace posible tomar medidas
descendiendo un Indicador de Nivel desde la superficie a través de la tubería. Podrá
oírse un pitido y/o una luz comenzará a parpadear, tan pronto como el Indicador de
Nivel entre en contacto con el nivel de agua. La cinta métrica graduada, con marcas
en centímetros, indica al operario la profundidad del agua.
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Sensores de Cuerda Vibrante
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2. Los piezómetros de cuerda vibrante son necesarios si se requiere de un monitoreo con
medición y grabación de presión de un tramo especifico del instrumento.
Para operaciones mas exactas y confiables se utilizan piezómetros de cuerda vibrante.
El piezómetro de cuerda vibrante mide la presión del agua monitoreando los cambios
en la frecuencia de una cuerda vibrante instalada entre el cuerpo del instrumento y
una membrana.
Principio de Funcionamiento.
Estos equipos están basados en el principio de “resonancia”. Consisten de una cuerda
vibrante que sometida a una frecuencia de vibración determinada, responderá cuando
el sistema entre en resonancia. La elongación de la cuerda variará dependiendo de la
presión externa a la que está siendo sometido el sistema.
A diferencia de las galgas extensiométricos la frecuencia de vibración en un
piezómetro cuerda vibrante no se ve afectada por los cambios en la resistencia de la
cuerda. Esto significa que la penetración de agua, o la variación de la temperatura no
afectan la señal de salida.
Los sensores de cuerda vibrante están basados en la Teoría de cuerdas, los
objetos básicos no son partículas que ocupan un solo punto en el espacio,
sino cuerdas unidimensionales. Sus cabos pueden estar sueltos o unidos,
formando bucles cerrados. Tal como las cuerdas de un violín, las de la teoría de
cuerdas presentan ciertas figuras de vibración, o frecuencias resonantes, cuyas
longitudes de onda se adaptan de forma precisa en ambos extremos.
Pero así como las diferentes frecuencias resonantes de un violín dan origen a
diferentes notas musicales, las diferentes oscilaciones de una cuerda dan
lugar a diferentes masas y cargas de fuerza, que son interpretadas como
partículas fundamentales. En grandes líneas, cuanto menor es la longitud de
onda de la oscilación, mayor es la masa de la partícula correspondiente.
Principio Físico del Transductor
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3. Consiste de una cuerda vibrante que sometida a una frecuencia de vibración
determinada, responderá cuando el sistema entre en resonancia. La elongación de la
cuerda variará dependiendo de la presión externa a la que está siendo sometido el
sistema.
El sensor esta constituido por:
• Una cuerda de acero que esta sujeta en un extremo a una pared inmóvil y en el otro
a una membrana a través de la cual se percibe el cambio en la presión externa.
• Un filtro de cobre o cerámica que esta instalado en el extremo o punta del sensor,
por donde el agua entra a la membrana.
• Una o dos bobinas (dependiendo de la versión) que tienen como función excitar la
cuerda mediante una frecuencia determinada, mientras la otras capta la frecuencia de
vibración de la cuerda y convirtiéndola en corriente.
Esquema de un Piezómetro de Cuerda Vibrante
La menor frecuencia de oscilación transversal de un cuerda o hilo tenso vibrante
viene
dada por:
Donde l es su longitud, F la fuerza mecánica al que esta sometido, y m la densidad
longitudinal de masa (masa/longitud). Si la posición de uno de los extremos se hace
variable, un soporte móvil, el periodo de oscilación es directamente proporcional al
desplazamiento. Si se aplica una fuerza, la frecuencia de oscilación resultante será
directamente proporcional.
Un sensor instalado permitirá el paso de agua a la cavidad 1, a través de un filtro
instalado en su punta (lo que impide el paso de partículas). Cuando el agua esta en el
interior, ejerce una presión sobre la membrana la cual se desplaza hacia la cavidad 2
en proporción a la presión ejercida, modificando la elongación de la cuerda. Vale
mencionar que la cavidad 2 se encuentra sellada para evitar el paso de agua o de
partículas que pudieran afectar las características de la cuerda.
Etapa Física de medición de presión del agua
En síntesis, el sensor está compuesto de un cuerpo, que puede tener diferentes formas
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4. y un elemento sensor. Este sensor tiene una cuerda vibrante unida a una membrana
muy sensible a la presión, que sometida a la carga de la presión que va a medir, se
comba, mediante la cual se destensa la cuerda vibrante pretensada. Las señales de
frecuencia de la cuerda vibrante así creadas se pueden medir y son proporcionales a la
presión aplicada. La frecuencia de la señal se trasmite por cable a las unidades de
lectura, que pueden ser un modelo portátil ó una estación automática de adquisición
de datos.
Tipos
Existen diversos transductores basados en el mismo principio:
Piezómetros de Cuerda o Hilo Resonante, cerrados. La tecnología de cuerda vibrante
del piezómetro opera midiendo la frecuencia vibratoria de un cable de acero
tensionado a una membrana y su tubo principal y se mide por medio de una bobina
electromagnética.
Los piezómetros de cuerda vibrante cerrada están constituidos de:
a) Filtro poroso que actúa de material permeable y que permite el paso del agua,
desde el exterior al interior del piezómetro.
b) Diafragma transductor que separa la cámara de agua del elemento sensor.
c) Elemento sensor es el que se encarga de medir la presión intersticial existente.
d) Cable encargado de conectar el piezómetro con los terminales situados en la cabeza
del sondeo.
e) Unidad de lectura encargada de realizar las lecturas.
Sensores de Cuerda Vibrante, Abiertos. Se utiliza una tubería de piezómetro vertical
abierta para medir el nivel de agua del terreno, la que puede equiparse con un sensor
de cuerda vibrante para lecturas automáticas y/o remotas.
Siempre se debe tener especial cuidado para asegurarse del apropiado sellado en la
superficie de modo de prevenir que el agua fluya dentro de la perforación, ya que esto
produciría lecturas poco fiables y errores.
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5. Sensores basados en Cilindros Vibrantes, si en lugar de un hilo o cuerda vibrante se
emplea un cilindro metálico con paredes delgadas (75 mm) y un extremo ciego, la
frecuencia de oscilación dependerá de las dimensiones y material del cilindro, y de
cualquier masa que vibre con sus paredes. Utilizando, igual que antes, un excitador
electromagnético para mantener la oscilación, se puede medir la diferencia de presión
entre las dos caras del cilindro, porque la diferencia de presiones entre ambos lados
de las paredes produce una tensión mecánica en estas. Se puede medir la densidad de
un gas porque el gas cerca de las paredes vibra al hacerlo éstas. La aplicación más
extendida es la medida de la densidad de líquidos con una disposición como lo indica
la figura. Consiste en dos conductores paralelos, como por los que fluye el líquido,
sujetos por cada extremo a una base fija y acoplados al conducto principal, con una
junta flexible en cada extremo.
Como el volumen es conocido y la frecuencia de oscilación de los dos conductos, que
se comportan como un diapasón, depende de la masa, dependerá en consecuencia de
la densidad, por la siguiente expresión:
f = fo/(1 + /o)2
Siendo fo la frecuencia de oscilación de la tubería sin líquido y Ρo una constante que
depende de la geometría del sistemaLa frecuencia de salida se puede medir con un
PLL cuyo VCO excita el tubo vibratorio. El filtro de paso bajo que hay entre el
comparador de fase y el oscilador filtra el ruido de alta frecuencia de lo hilos de
conexión.
Construcción
El piezómetro de cuerda vibrante se fabrica con componentes de acero inoxidable,
seleccionados para minimizar los efectos térmicos, la cavidad de la cuerda vibrante es
herméticamente sellada.
El interior del sensor está al vacío y cerrado con soldadura, dando lugar a una cámara
cerrada para el transductor de cuerda vibrante de acero tensada conectada a un
diafragma sensible. Mediante una técnica de forjado en estampa, se unen los
extremos de la cuerda vibrante con la carcasa, lográndose una gran estabilidad en la
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6. tensión de la cuerda vibrante.
Alrededor de la cuerda se localizan una o dos bobinas electromagnéticas, de las cuales
una es utilizada para inducir la vibración de la cuerda y la otra es utilizada para medir
la frecuencia de la oscilación.
Unas bobinas electromagnéticas, situadas cerca de la cuerda, sirven para excitarla, y
poder así transformar la vibración de la cuerda en una señal de salida eléctrica. La
variación de la presión influye en la comba de la membrana y con ello la frecuencia de
vibración de la cuerda, variando de forma proporcional a la presión que se desea
medir.En su extremo libre posee un filtro que puede ser de bronce o cerámico y a
través del cual se originará el cambio de presión que provocará el desplazamiento del
diafragma, cambiando la longitud de la cuerda y así su frecuencia de oscilación.
En la figura se presenta un esquema del piezómetro de cuerda vibrante.
El sensor esta constituido por:
• Una cuerda de acero que esta sujeta en un extremo a una pared inmóvil y en el otro
a una membrana a través de la cual se percibe el cambio en la presión externa.
• Un filtro de cobre o cerámica que esta instalado en el extremo o punta del sensor,
por donde el agua entra a la membrana.
• Una o dos bobinas (dependiendo de la versión) que tienen como función excitar la
cuerda mediante una frecuencia determinada, mientras la otra capta la frecuencia de
vibración de la cuerda y la convierte en corriente.
El cable estándar es un cable apantallado de 4 conductores con recubrimiento exterior
de PE. Dos conductores se destinan al sensor de cuerda vibrante y los otros para un
sensor de temperatura opcional. Para casos especiales se utilizan cables con doble
recubrimiento, recubrimiento exterior reforzado y cable resistente a altas
temperaturas.
Obsérvese que, las variaciones en la resistencia del cable debidas a variaciones en la
temperatura, la resistencia por contacto en zonas de paso y las entradas de agua en el
cable, no influyen en la frecuencia de trabajo del sensor. Este hecho unido a una
excelente estabilidad del punto cero y su comportamiento a largo plazo, es el motivo
por el que los sensores de cuerda vibrante se utilizan mas que cualquier otro sensor
eléctrico normal en mediciones a largo plazo y bajo difíciles condiciones, dado que
resultan imposibles de recuperar.
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7. Filtros y conectores
• Filtro de metal sinterizado de acero fino, filtro estándar
• Filtro cerámico con un alto valor de entrada de aire
• Conectores según especificaciones del cliente o racor con casquillo estándar de 6
mm
Acondicionamiento de la Señal.
No se puede hablar de los sensores de cuerda vibrante, como componentes
electrónicos básicos, sin ver como se pueden adaptar a un sistema de adquisición y
control.
Estos adaptadores, como acondicionadores de señal, para estos sensores son los
amplificadores industriales en sus diferentes estructuras de montaje, pasando por
filtros o por procesadores analógicos, convirtiendo estas señales de analógico a digital
para posteriormente ser procesados los datos con un Microcontrolador y actuando
por medio de las salidas lógicas del procesador o por medio de un convertidor digital
a analógico.
Para obtener las lecturas del sensor, producto de los cambios de presión, se emplea
un dispositivo electrónico que envía una señal de baja frecuencia a través de la bobina
1 que por el efecto de inducción electromagnética (donde todo campo eléctrico
variable induce un campo magnético sobre un conductor eléctrico inmerso, al mismo
tiempo, todo campo magnético variable ejerce un campo eléctrico sobre un conductor
eléctrico) produce sobre la cuerda de acero oscilaciones en su frecuencia de
resonancia. Estas oscilaciones inducen sobre la bobina 2 una corriente eléctrica que
es llevada al dispositivo electrónico a través de la bobina de lectura.
Etapa Eléctrica, Frecuencia de excitación y Frecuencia de lectura
En los sistemas de excitación por frecuencia y lectura de la frecuencia de resonancia,
normalmente se dispone de un sistema auto-oscilante en el que la señal detectada es
amplificada y realimentada a un excitador electromagnético. A veces el propio
excitador actúa alternativamente como detector, para que la frecuencia de oscilación
no dependa de las características eléctricas del excitador, el factor de calidad Q del
resonador mecánico debe ser del orden de 1000 o superior (alta fidelidad). El Circuito
de acondicionamiento de señal consta de varias etapas:
Diagrama de bloques simplificado de la arquitectura de un transmisor de cuerda vibrante
Estas tres etapas filtrado y amplificación, conversión y procesamiento permitirán
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8. realizar una excitación inicial de alta energía, una etapa de adaptación de la señal de
lectura para que sea compatible con las medidas internacionales definidas.
Etapa de Amplificación, Se utiliza generalmente el amplificador de
instrumentación, ya que tiene como objetivo filtrar la señal de todo el ruido modo
común que se le puede introducir al circuito y adecuar la señal necesaria para la
entrada al conversor, normalmente se maneja una ganancia que esta entre 1y 10000.
Otro modo de realizar esta etapa del acondicionamiento es diseñando un filtro que se
considera como un selector de frecuencia, por que el permite elegir o pasar solo una
determinada banda de frecuencias de entre todas las frecuencias que puede haber en
el circuito, este circuito tiene una ganancia de 1 o 0dB, para la frecuencia resonante,
para las frecuencias de corte superior o inferior la ganancia aumenta o disminuye en
0.707.
Circuito de conversión, Con el transcurrir de los años la transmisión 4-20mA, ha
sido aceptada como una técnica ESTÁNDAR DE TRANSMISIÓN de información
entre el punto del sensado y el área de control, esto como un medio análogo ya que
emplea la variable corriente análoga para tal fin. Inicialmente los datos son extraídos
del proceso mediante un examen analítico e interpretación, diseñado en función de
una señal de entrada de 10mV y de alta ganancia para que la salida sea lo
suficientemente grande. Al final se entrega una señal de pulsos cuadrados no bipolar
con una amplitud de aproximadamente 4Volts, para que de esta manera sea leída en
los niveles TTL. Luego de generarse una apropiada interpretación el siguiente paso es
el tomar una decisión sobre la acción apropiada. Finalmente la acción necesaria podrá
ser implementada.
Circuito de acondicionamiento.
La salida de esta etapa es una señal de pulsos cuadrados con la misma frecuencia de
oscilación de la cuerda vibrante. La idea de digitalizar la señal y colocarla en valores
de voltaje TTL, es para acondicionarla a la entrada de lectura (puerto) del
microprocesador (PIC) que realizará el procesamiento de la data.
Procesamiento del microprocesador, en la actualidad, generalmente son
empleados los PIC, por su versatilidad, economía y alto rendimiento. El puerto del
PIC esta configurado de tal forma que lea los flancos de subida del pulso. Con esta
etapa se garantiza que el acondicionamiento de la señal sea el idóneo para las etapas
subsiguientes. Generalmente configurado para permitir la correcta visualización en el
LCD (pantalla de cristal líquido) después de procesar los datos que le entrega la etapa
de transmisión.
Aplicaciones.
Se utilizan frecuentemente en la Instrumentación dedicada a la Geotécnica, y en el
área de la Geología, ya que son muy útiles en fundaciones y terraplenes para el
monitoreo de la presión de agua de poros. En algunas instalaciones se han utilizado
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9. para chequear la precisión de instrumentos adyacentes. También se utilizan donde se
requiere el monitoreo de presiones de poros negativas.
En años recientes, la tecnología de los dispositivos para medir la filtración, las
tensiones y los movimientos en presas y diques ha mejorado perceptiblemente con
respecto a exactitud, confiabilidad y a economía. El proceso de automatización
incluye generalmente un instrumento o un transductor que se une a un datalogger o a
una computadora con capacidad de comunicación, lo que permitirá la recolección de
los datos, tanto en forma local como remota.
Los sistemas de monitoreo automático le proveen al ingeniero una poderosa
herramienta, que utilizada apropiadamente, contribuye al diseño, construcción y
operación de presas de todo tipo. En un sistema automático de monitoreo los equipos
y tecnología de medición en campo y la tecnología computacional están
interconectadas en un cadena de medición.
Entre las razones más importantes para llevar a cabo un proyecto de automatización
de presas, encontramos:
a. Cambios en el comportamiento histórico de un determinado instrumento que
obliguen a realizar lecturas con mayor frecuencia.
b. Aquellos lugares en donde estudios e investigaciones hayan identificado
condiciones específicas que pongan en peligro las estructuras.
c. Características de la estructura o de la fundación que requiere monitorearse de una
manera que no fue anticipada en el diseño original.
d. Los instrumentos o los sistemas han cumplido su vida útil, no comportándose
satisfactoriamente.
e. O simplemente, las tendencias actuales dado el avance de la tecnología.
El piezómetro se utiliza para medir la presión de poros o el nivel de agua en
perforaciones, terraplenes, cañerías y estanques a presión. La aplicación geotécnica
más común es para determinar la presión de agua en el terreno o el nivel de agua en
perforaciones.
Entre las ventajas del sensor de cuerda vibrante, se incluyen su facilidad de lectura y
mantenimiento, corto tiempo de respuesta en la lectura y la aptitud para suministrar
presiones negativas. El único mantenimiento requerido es el cuidadoso
mantenimiento de las unidades de lectura y alimentación.
Las limitaciones, inhabilidad para desairear las puntas de los piezómetros. En
aplicaciones donde son importantes pequeños cambios de la presión de poros, es
necesario hacer correcciones por cambios en la presión barométrica y por
temperatura, aunque no es generalmente un problema en la mayoría de las presas.
Se requiere algún entrenamiento especial del personal para calibrar y ensayar el
equipo antes de instalarlo.
Problema Práctico Industrial.
La creación de un represa constituye una de las obras de ingeniería más importantes
debido al riesgo potencial que ésta implica para las poblaciones y bienes materiales
ubicados aguas debajo de la misma. A fin de garantizar su buen funcionamiento, a lo
largo de toda su vida útil, una de las modalidades de control esta constituida por un
sistema de auscultación o red de instrumentos geotécnicos que son instalados en el
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10. cuerpo de la presa, en la fundación y en las zonas circundantes aguas abajo. Dicha red
permite conocer parámetros tales como: esfuerzos, desplazamientos, presiones de
poros, filtraciones, entre otros, que proporcionan información acerca del
comportamiento de la estructura, bajo la influencia de distintos factores y eventos
extraordinarios (como sismos), permitiendo detectar cualquier indicio de condiciones
adversas al diseño. Algunos de los instrumentos instalados en la presas son:
Piezómetros de Cuerda Vibrante y Casa Grande, Inclinómetros, Extensómetros,
Vertederos Calibrados, Pozos de Alivio, Pozos de Observación.
En CVG EDELCA el Departamento de Instrumentación y Evaluación de Estructuras,
unidad encargada de monitorear toda esta instrumentación mediante la toma de
lecturas, el mantenimiento de los equipos de medición, el análisis de toda la
información y la búsqueda de acciones correctivas, en caso de ser necesarias.
Completan su trabajo de medición, con la ayuda de numerosos instrumentos que
conforman la red geotécnica de las represas de Guri, Caruachi y Macagua, lo cual
implica una labor multidisciplinaria para el monitoreo y procesamiento de la data.
Además debemos considerar que todos los instrumentos son del tipo pasivo, es decir,
ningún transductor por si solo es capaz de indicar la medición, es por ello que el
personal debe trasladarse al sitio para la toma de las lecturas. Esta condición impide
que se puedan observar, de ser el caso, cambios en las lecturas de los instrumentos en
el momento de la ocurrencia de un evento extraordinario.
Esto ha motivado a desarrollar un sistema de automatización de lecturas sin que esto
implique la sustitución de las tan importantes inspecciones a las estructuras. En
nuestro caso el instrumento que se ha considerado para iniciar los trabajos es el
Piezómetro de Cuerda Vibrante (PCV) por ser uno de los instrumentos más
importantes dentro del sistema de auscultación y por haber sido propuesto por los
asesores de EDELCA.
Se instalo el sensor en la Cresta de la Represa Macagua II, Lago del Macagua. Se
introdujo el piezómetro de cuerda vibrante en el lago de Macagua, realizando una
inmersión de 1 metro15 metros de profundidad, con la intención de ir observando la
presión ejercida por la columna de agua a medida que esta era variada (mayor
profundidad).
Publicado por Glenis Moreno y Fernando Martínez
Faqja e parë
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