Automatización de un Consolidómetro Neumático Geotest S2847
Carlos Salazar García
Instituto de Ingeniería UNAM
“Automatización deConsolidómetro Neumático Geotest S2847”
Área: GeotecniaLaboratorio de Mecánica de Suelos
Presentan:PIC: Carlos Salazar GarcíaDr. Osvaldo Flores
Castrellón
Mayo del 2012
Resumen
El Instituto de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma
de México cuenta con un consolidómetro de tipo neumático, mismo que
era utilizado para realizar ensayes de consolidación de velocidad
controlada y además de forma indirecta se obtenía la permeabilidad
del suelo ensayado. Dicho consolidómetro fue donado al Instituto
por la bien reconocida empresa Ingenieros Civiles Asociados
(ICA).
El consolidómetro, que en su momento fue de lo más sofisticado
en el país, ya que durante los años 1980 y 1990, en el país sólo se
contaba con un par de consolidómetros neumáticos. Uno fue donado a
Geociencias de la UNAM, y el otro es este equipo que fue donado al
Instituto, que se dió a la tarea de automatizarlo.
(Figura 1. Consolidómetro Neumático antes de la
automatización.)El trabajo que se presenta corresponde a la
instrumentación y automatización del consolidómetro neumático, que
cuenta con reguladores de presión, válvulas y sensores
electrónicos, con el fin de ejecutar ensayes de consolidación del
tipo: Carga Incremental, Velocidad Controlada y Gradiente
Hidráulico.
1.- Condiciones iniciales del equipo y adecuaciones
realizadas.
En un inició el consolidómetro era operado por un programaba que
funcionaba con el sistema operativo MS-DOS, este programa que
operaba el equipo (COMPUCON) tenía la capacidad de realizar pruebas
de consolidación de Velocidad Controlada.
Antes de hacer la automatización el equipo contaba con:
· Reguladores de presión electrónicos, potenciómetros que podían
ser controlados de forma manual o bien mediante el programa
COMPUCON.
· Válvulas Solenoide, al igual que los reguladores funcionan de
forma electrónica.
· Sensores electrónicos, para hacer la medición de las presiones
aplicadas.
· Test Gauge, testigo de aguja para realizar la calibración de
los sensores electrónicos, mismo que se presentaba deteriorado.
· Sensor de desplazamiento tipo CDI, para medir la deformación
de la muestra y registrar en programa de control.
(Figura 2. Distribución de válvulas y sensores.)
El equipo original que consta de una cámara de autocarga, tenía
la capacidad de aplicar cargas desde ¼ hasta 40 tsf (0.27 hasta
42.8 Kg/cm2), dicho rango de carga permite hacer contacto el disco
de carga sin impacto a una muestra de suelo de 3.5” (6.35 cm) de
diámetro y una altura de 2.5” (2.54 cm). La capacidad máxima del
equipo es de 100 Psi (7.030 Kg/cm2).
El software COMPUCON brindaba al usuario la posibilidad de
llevar a cabo las etapas que a continuación se describen. Las
unidades que el S 2847 manejaba en un inicio eran inglesas.
1.- Calibración.
El proceso de calibración sólo permitía calibrar de forma manual
con el testigo de aguja (test gauge) los sensores de presión de
línea (se registraban solo dos puntos), presión axial (se
registraban 7 incrementos de presión de 10 Psi iniciando desde 0) y
contrapresión (se registraban 6 incrementos de presión de 10 Psi
iniciando desde 0). Por lo que la calibración del sensor de
esfuerzo axial (aceite) y presión de poro, el equipo los calibraba
de forma automática, por lo que existía cierta incertidumbre de que
tal calibración fuera confiable.
2.- Montaje
(Figura 3. Montaje de muestra en equipo)Finalizada la
calibración se procedía a montar la muestra en el domo de carga y
posteriormente aplicar las condiciones iniciales de la muestra, se
abría la válvula de alimentación y se regulaba la presión axial con
el potenciómetro hasta registrar una presión de 8 Psi. (0.562
kg/cm²), enseguida se abría la válvula de contrapresión y con el
potenciómetro se regulaba la presión aplicada hasta leer 4 Psi
(0.281 kg/cm²), por último se procedía a iniciaba a aplicar la
carga en la muestra de forma gradual hasta leer 0.05 Psi (0.035
kg/cm²) en carga aplicada, esto para asegurar el contacto del disco
que aplica el esfuerzo axial.
3.- Saturación por contrapresión
Al aplicar las condiciones el programa de control aplicaba
incrementos de presión axial y contrapresión para saturar la
muestra, lo cual se logra abrir alternadamente las válvulas
solenoides de presión axial y contrapresión. El programa Compucon
conseguía terminar el proceso de saturación en cuatro etapas en un
lapso de 20 a 40 min.
(Figura 3. Gráfica de saturación de muestra)
4.- Prueba.
(Figura 4. Curva de compresibilidad del ensaye.)Completada la
saturación se proseguía a iniciar el proceso del ensaye, debido a
que el ensaye es de velocidad controlada, ésta se regulaba desde la
perilla del consolidómetro para aplicar la carga axial de forma
gradual y en el software COMPUCON se determinaban los incrementos
de carga y descarga y de forma automática terminaba en proceso. Al
finalizar el ensaye en pantalla se mostraba la curva de
compresibilidad.
Los factores que llevaron a la automatización y sistematización
del consolidómetro fueron los siguientes:
· El software “COMPUCON” que funcionaba con plataforma MS-DOS,
era obsoleto, por ende la extracción de los resultados arrojados se
dificultaba ya que solo se podía extraer las pruebas en discos de 3
½ .
· La salida de calibración del consolidómetro presentaba fugas,
por lo que se decidió remplazar el sistema de calibración del
testigo por el sistema de la columna de mercurio (Hg).
· El esfuerzo por contrapresión era aplicado antes de medirlo,
por lo que se decidió cambiar la configuración neumática para medir
la presión antes de aplicarla.
· Los sensores de presión de poro (σu) y esfuerzo axial (σv) se
calibraban de forma automática, por lo que se acondicionaron
cambios neumáticos con el fin de calibrar de forma manual estos
sensores.
En base a los desperfectos que presentaba el equipo se procedió
a realizar la automatización e instrumentación de éste, en la fig.
5 se presentan los cambios neumáticos que se realizaron al
consolidómetro para su funcionamiento con el nuevo programa de
control (LabView), que operaba bajo Windows XP.
(Figura 5. Distribución general de los acondicionamientos de
válvulas, reguladores y sensores que componen el consolidómetro
(automatizado))
Se diseñó un sistema de acondicionamiento para adquirir datos de
cuatro sensores de presión y uno de deformación. Simultáneamente se
desarrolló un programa de adquisición de datos para que éste de
forma automática controlara dos reguladores digitales y dos
válvulas solenoides (existentes en equipo). Además dicho programa
tiene la capacidad de adquirir datos de los cinco sensores con que
cuenta el consolidómetro.
Para la adquisición de datos, se hizo el acondicionamiento de
cinco sensores de presión, uno de desplazamiento, dos válvulas
solenoides y dos reguladores digitales con una tarjeta modelo PC
NI-USB-6009 de National Instrument con 8 canales analógicos de
entrada y dos de salida, con la cual se hace el registro de las
señales durante toda la ejecución de los ensayes. Dicho programa de
operación LabView, que opera bajo el sistema operativo Windows
XP.
El equipo con las nuevas condiciones permite saturar la probeta
pro contrapresión, medir la B se Skempton y además realizar ensayes
de consolidación en tres variantes que debido al arreglo neumático
y electrónico que se llevó a cabo en el consolidómetro:
· Carga incremental(CI)
· Velocidad controlada(VC)
· Gradiente controlado (GC)
2.- Descripción del equipo y funcionamiento del
consolidómetro
El consolidómetro cuenta con una cámara metálica en la cual se
aloja una probeta de suelo de 2.5” (6.3 cm) de diámetro y una
altura de 1” (2.5 cm). La cámara del equipo es montada sobre una
base de acero, la muestra está en contacto con una piedra porosa en
su base, que es por donde se aplica el esfuerzo de contrapresión
mediante agua presurizada desde una interfaz aire-agua, además en
la base de la muestra se mide la presión de poro con un sensor (1)
durante todo el ensaye. En la parte superior de la muestra se
coloca otra piedra porosa y enseguida una placa metálica, ésta se
encarga de aplicar el esfuerzo axial a la probeta de manera
uniforme. El domo de la cámara, que cuenta con una placa metálica y
anidada una membrana de hule, es la que hace contacto con la placa
metálica de la cámara. La placa del domo es empujada mediante
aceite presurizado desde la interfaz aire-aceite, aplicando así el
esfuerzo axial a la probeta de suelo.
La presurización que se infiere tanto al agua como al aceite se
genera de una línea externa (presión de línea), que es registrada
por su respectivo sensor (3), esta es controlada por un regulador
manual ①, dicha alimentación es separada en dos líneas. La primera
que suministra presión a el regulador digital de presión axial ③ y
a su vez registrado por el sensor de dicha presión (5). La segunda
alimenta el regulador de contrapresión ④ y registrado por su sensor
(2). Los reguladores digitales (PROPORTION-AIR QB1TFEE) regulan la
presión, tienen la capacidad máxima para calibrarse hasta con 500
Psi (35 kg/cm2).
Así mismo el equipo cuenta con dos válvulas solenoides, una de
presión axial ⑲ y otra de contrapresión ⑩, las cuales tienen lugar
antes de la interfaz donde se presuriza aceite en el caso de la
presión axial y después de la interfaz en el caso de la
contrapresión. El control de dichas válvulas se hace de forma
automática desde el programa de control. En ambos casos la función
de estas válvulas es aislar la probeta y además permiten suministra
la presión que se requiera en la probeta para saturar la muestra o
en su caso iniciar el ensaye, según sea el caso.
El consolidómetro cuenta también con un sensor de desplazamiento
tipo LDVT, se encuentra en la parte superior del domo, que registra
la deformación axial de la probeta durante toda la etapa de ensaye.
Este sensor tiene una longitud de carrera de 15 mm.
Por último, el consolidómetro cuenta con cuatro salidas a la
columna de mercurio, estas deberán estar cerradas en todo momento a
menos que se utilice para la calibración de algunos de los sensores
de presión, ya que el aire que retienen los tapones de estas
salidas son lo que provocan que el mercurio suba en la columna para
así poder llevar a cabo la lectura y con la constante del mercurio
tener el registro de presión en los sensores.
3.- Calibración del equipo
Una vez realizados los cambios neumáticos e instalados la
tarjeta adquisición de datos y el programa de control (hecho por el
Dr. Enrique Gómez), se inició el proceso de calibración de los
cinco sensores que forman parte del sistema neumático y del sensor
de desplazamiento.
3.1.- Calibración experimental
(Figura 6. Selección de sensor a calibra.)El programa de control
cuenta con un módulo de calibración, mismo que funciona realizando
una comparativa de la presión medida por los sensores contra un
sistema de columna de Mercurio (Hg). Con lo cual se obtienen las
constantes de calibración de cada uno de los sensores. Éstas son la
pendiente, que corresponde al peso específico del mercurio y la
ordenada es la altura inicial del mercurio en la columna de
medición.
Dicho proceso consiste en tomar lecturas de los incrementos de
presión o desplazamiento, según sea el caso, que van desde el punto
inicial (0) hasta el valor máximo que está en función de la
capacidad de los sensores, la presión de línea o bien de la altura
disponible en la columna de mercurio. Es importante tomar la mayor
cantidad de puntos (incrementos) como sea posible ya que el
programa de control, para obtener las constantes de calibración
hace una regresión lineal de los puntos obtenido de cada
incremento.
La calibración de cada uno de los sensores se guarda de forma
automática, y queda disponible la vista previa de la última
calibración que se realice a cada sensor. Las constantes obtenidas
de la calibración actualizan el programa de operación de forma
automática.
(Figura 7. Obtención de las constantes de calibración)Se
recomienda realizar la impresión de las constantes de calibración
obtenidas para una posible pérdida o interrupción del archivo, para
introducirlas de forma manual si repetir el procedimiento.
3.2.- Calibración de verificación
Posteriormente a la calibración se procedió a realizar una
calibración independiente para cada sensor de presión, haciendo una
comparación de la presión registrada por el sensor y su
correspondiente medición en la columna de mercurio (Hg). Para cada
una de ellas se siguió un procedimiento similar a la calibración
experimental. A diferencia de la calibración experimental, en esta
etapa de verificación lo que se busca comprobar es que tanto los
sensores, válvulas y reguladores manejen presiones reales
(homogéneas), y a su vez controladas desde el programa de
operación.
Esta operación se realizó para cada uno de los sensores y se
llevo a cabo con la intención de buscar un error de ± 0.3 %, por lo
que al presentarse en cada sensor de presión, se dio por aprobada
la calibración de la válvulas y los reguladores.
Una vez completada la calibración de los reguladores, se llevó a
cabo el procedimiento de la verificación de las calibraciones antes
mencionadas, para con esto asegurarse de que al regular una presión
que será suministrada por los reguladores electrónicos sea con el
menor error posible. Esto se logró comparando las presiones de
suministradas con los reguladores y verificadas con la columna de
mercurio.
Esto se busco graficando cada una de las combinaciones de
presiones que fueron comparadas unas con otras. Dichas
combinaciones se llevaron a cabo como se enlista enseguida.
· Esfuerzo axial vs Presión axial
· Esfuerzo axial vs Presión de poro
· Esfuerzo axial vs Contrapresión
· Presión axial vs Presión de poro
· Presión axial vs Contrapresión
· Presión de poro vs Contrapresión
Al graficar cada una de las combinaciones antes mencionadas se
buscó que la presión que se registró en cada uno de los sensores
sea la misma, esto se logra partiendo de que al graficar se debería
de registra un valor de la pendiente es 1 y la ordena 0 con un
error de ± 0.3 %.
4.- Puesta en operación del consolidómetro neumático S 2847
Una vez que se tenía la certeza de que el equipo estaba
debidamente calibrado, tanto en sus sensores como en su reguladores
y válvulas. Se dio inicio con la puesta en operación del
consolidómetro.
Se realizó una prueba experimental para verificar que el equipo
realizará los procesos de forma adecuada y desde el programa de
operación.
Se monta una muestra de 2.5” de diámetro y 1” de altura, con sus
respectivas piedras porosas y asegurando la hermeticidad de los
sellos respectivos del domo de carga. Al colocar el domo de forma
correcta se debe ajustar el vástago del sensor de desplazamiento.
De forma que se disponga de toda la carrera probable que pueda
desarrollarse por la deformación de la muestra.
4.1.- Saturación por contrapresión
En esta etapa se regulan y aplican desde el equipo de operación
incrementos de esfuerzo axial y contrapresión a la muestra de
suelo, este proceso controlando un esfuerzo efectivo de 0.05 a 0.10
kg/cm2, dicho esfuerzo se obtiene de la resta de la presión axial
menos la contrapresión. Después de aplicar varios incrementos de
los esfuerzos antes descritos, se dejan saturar la muestra durante
al menos 12 horas.
4.2.- Medición de la B de Skempton
Realizada la saturación se aísla la probeta, posteriormente se
registran los valores iniciales de esfuerzo axial y contrapresión
(presión de poro inicial), y sin permitir el drenaje se aplica un
incremento de esfuerzo axial. Entonces el sensor de presión de poro
registra un exceso, si existe una relación entre el exceso de
presión de poro y esfuerzo axial mayor a 0.96 el suelo se puede
considerar saturado, y por lo tanto se puede iniciar el ensaye de
consolidación.
4.3.- Etapa de Consolidación
El equipo brinda la oportunidad de realizar tres tipos de
ensaye: Carga incremental, velocidad controlada y gradiente
controlado.
Carga Incremental: se suministran incrementos de esfuerzo
efectivo a la probeta, éstos se aplican durante un mínimo de 24
horas, registrando la deformación axial durante todo el proceso. El
programa de operación muestra las curvas en consolidación y de
compresibilidad, en el caso de la curva de consolidación se
presenta en los formatos Casagrande y Taylor.
Velocidad Controlada: en este caso los incrementos de esfuerzo
efectivo son muy pequeños, durante tiempos constantes. En este
proceso se registran las lecturas de deformación al inicio y fin de
cada incremento, por lo que solo se obtiene la curva de
compresibilidad, el número de incrementos en este caso es mucho
mayor al ensaye de carga incremental.
Gradiente Controlado: el procedimiento es similar al de
velocidad controlada, sólo que en este caso el criterio para los
incrementos es un umbral de disipación de la presión de poro,
además sólo se obtiene la curva de compresibilidad.
5.- Descripción del programa de control
El programa funciona a base de pestañas, de forma que en el menú
principal, donde dichas pestañas se encuentra en la parte superior,
se puede acceder cada una de estas:
· Datos de suelo
En esta opción se despliega las subpestañas:
· Archivos:
· Generalidades:
· Datos de la probeta:
· Relaciones volumétricas iniciales:
· Configuración de la prueba
En esta etapa se puede seleccionar el tipo de carga, al
seleccionar el tipo de carga se debe establecer las condiciones de
prueba “vectores de tiempo, esfuerzos para los ciclos de carga.
· Carga incremental
· Velocidad controlada
· Gradiente controlado
· Saturación por Contrapresión.
Al seleccionar esta pestaña, de manera automática el programa
cierra las válvulas solenoides (aísla la probeta), se introducen
los valores deseados de presión axial y contrapresión, enseguida el
programa registra los valores los mide desde los sensores y
posteriormente en la pantalla de software aparase un icono para
aplicar las presiones y entonces aplica primero el esfuerzo axial y
posteriormente la contrapresión. Una vez que se estabilizan los
valores que registran los sensores se puede dar paso al siguiente
incremento. Después de varios incrementos se deja saturar la
probeta por al menos 12 horas.
· B de Skempton
Al presionar la pestaña correspondiente a la B de Skempton la
probeta aísla la probeta, registrando así los valores iniciales de
esfuerzo axial y presión de poro. El usuario debe teclear el nuevo
valor de esfuerzo axial, se regula, registra y aplica dicho
esfuerzo desde la válvula solenoide de esfuerzo axial. La válvula
de contrapresión debe permanecer cerrada, entonces el software
registra un incremento en el exceso de presión de poro.
· Ensaye
Carga incremental: se aísla la probeta, se aplican los esfuerzos
iniciales de esfuerzo axial y contrapresión, de tal forma que el
esfuerzo efectivo alcance el valor definido en la etapa
correspondiente. Dichas presiones son aplicadas de forma alternada,
primero esfuerzo axial y luego contrapresión, se inicia el registro
de deformación axial, este proceso se completa de acuerdo al tiempo
establecido por cada incremento.
Velocidad controlada y Gradiente controlado: en estos tipos de
ensaye los incrementos de esfuerzo axial se hace de forma
automática, sin aislar la probeta entre cada incremento. Se muestra
una curva continua de desplazamiento vs tiempo y presión de poro vs
tiempo. Se muestra también la curva de compresibilidad, ésta se
actualiza al aplicar cada incremento de esfuerzo axial.
· Relaciones Volumétricas Finales
Con los valores de altura, peso y contenido de agua inicial y
final de la probeta, se determinan de forma automática las
relaciones volumétricas al finalizar el ensaye. Esto se guarda de
manera automática en un archivo de datos generales.
· Reportes
Al entrar a este modulo se puede visualizar las curvas de
compresibilidad y consolidación de ensayes previos. Se pueden
imprimir de forma tabular y/o gráfica.
· Diseño de Vectores
Se pueden generar vectores de tiempo y carga.
Vectores de tiempo: es posible generar vectores de hasta 100
datos, con un intervalo de 0.1 s, en un formato de HH:MM:SS.
Vectores de carga: se pueden generar dos tipos de vectores; el
primero que se aplica al ensaye de carga incremental, donde se
teclean los valores de esfuerzo efectivo a aplicar, estos van de
forma incremental o descarga, según corresponda; el segundo para
los ensayes de velocidad controlada y gradiente controlado, donde
se registran los valores inicial y final de esfuerzo efectivo en
cada etapa, el último valores de cada etapa será el inicial de la
etapa subsecuente. Ya sea que estos corresponda a carga o descarga
de cada etapa.
· Modelo de Control Manual
En este modelo se ven los valores de los sensores siempre y
cuando en equipo no esté en la etapa ensaye. El usuario tiene la
posibilidad de abrir y cerrar las válvulas selenoides, regular y
medir los valores de presión axial y contrapresión. En la figura se
mostrará la pantalla del modo de control manual.
036.87315634218295973.74631268436589110.61946902654869147.49262536873161184.36578171091446221.23893805309754258.11209439528028294.98525073746316331.85840707964638368.7315634218286400.511.522.533.544.55
Lectura en columna de Mercurio "Hg" (cm)
Presion del Sensor
σv Agua011.522.533.544.55011.522.533.544.55
Presion axial (kg/cm2)
Esfuerzo axial (kg/cm2)
11
Depósito de aceite
Alimentación de agua destilada y desairada
Probeta
cámara presión axial
Purga
17
15
1
2
3
1
3
2
4
1´
5
9
28
29
4
11
12
14
16
18
Línea de agua
Línea de aire (Alimentación)
Línea de aceite
Dibujó: Carlos Salazar García
1
Llave de paso de línea de alimentación
2
Válvula de auja (Presión de Linea).
Regulador de presión axial
3
1
Trasductor de presión de poro
Trasductor de presión de línea (Presión de confinamiento).
3
2
Trasductor de contrapresión
Regulador de contrapresión
4
Válvula de tres vias (Para elegir presión a calibrar)
5
Salida a testigo de calibración
6
Trasductor de esfuerzo axial (aceite)
4
1´
Trampa de aire
Trasductor de presión axial (aire)
5
Válvula de auja (Contrapresión)
9
Válvula de auja (Purga)
11
Manguera para purga de agua
12
Válvula de auja (Ecualizador)
13
Interfaz agua - aire
14
Purga de agua del domo
15
Alimentación de agua al domo
17
Suministro de presión al domo con aceite
16
Interfaz aceite - aire
18
Válvula de tres vías (Para elegir la velocidad de carga)
28
Regulador de velocidad
29
Test gauge
6
Línea de aire (Calibración)
Válvula solenoide (Presión axial)
19
Válvula solenoide (Contrapresión)
20
5
19
13
20
Depósito de agua
Depósito de aceite
Probeta
cámara presión axial
17
2
3
1´
4
1
20
21
10
14
6
18
Línea de agua
Línea de aire (Alimentación)
Línea de aceite
Dibujó: Carlos Salazar García
1
Llave de paso de línea de alimentación
2
Válvula de auja (Presión de Linea).
Regulador de presión axial
3
1
Trasductor de presión de poro
Trasductor de presión de línea (Presión de confinamiento).
3
2
Trasductor de contrapresión
Regulador de contrapresión
4
Trasductor de esfuerzo axial (aceite)
4
1´
Trampa de aire
Trasductor de presión axial (aire)
5
Trasductor de desplazamiento
7
Trampa para suministrar aire al depósito de aceite
8
Válvula de auja (Contrapresión)
Válvula de auja (Ecualizador)
13
Interfaz agua - aire
14
Línea de llenado de agua del domo
15
Alimentación de agua al domo
17
Válvula de auja para calibrar el trasductor de P. de poro
16
Interfaz aceite - aire
18
Válvula de tres vías (Para elegir la velocidad de carga)
20
Regulador de velocidad
21
Línea de aire (Calibración)
Válvula solenoide (Presión axial)
19
19
1
11
2
4
3
5
0
Filtro para mantenimiento
0
7
12
Llave de paso para aplicar presión al trasductor de P. de
poro
5
Suministro de presión axial al domo con aceite
6
Válvula de auja (Purga)
11
Manguera para purga de agua
12
9
13
8
9
Válvula solenoide (Contrapresión)
10
22
23
24
25
Calibración de Presión Axial
24
Calibración de Presión de Línea
25
Calibración de Contrapresión
22
Calibración de Presión de Poro
23
amarillo
15
azul
rojo
rojo
16
16
negro
negro
5
Depósito de aceite
