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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.

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

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 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.

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 + r/ro)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 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.

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 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 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 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).