Contribución al desarrollo del sensor capacitativo

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(1)CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO MIC 2003-II-27. CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO. Ing. FRANKLEN CARLOS SUTA PICO. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL PROGRAMA DE MAGÍSTER EN GEOTECNIA BOGOTÁ, FEBRERO DE 2004.

(2) CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO MIC 2003-II-27. CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO. Ing. FRANKLEN CARLOS SUTA PICO. Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar al título de Magíster en Geotecnia Asesor: Ing. BERNARDO CAICEDO, PhD.. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL PROGRAMA DE MAGÍSTER EN GEOTECNIA BOGOTÁ, FEBRERO DE 2004.

(3) CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO MIC 2003-II-27. AGRADECIMIENTOS. Los autores expresan sus agradecimientos:. Al. Ingeniero BERNARDO CAICEDO, PhD. Profesor del Programa de. Ingeniería Civil, de magíster en Geotecnia y Asesor del trabajo.. A. Las Directivas de la Universidad de los Andes.. A. Todas aquellas personas que en una u otra forma colaboraron en la. realización de este trabajo..

(4) CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO MIC 2003-II-27. TABLA DE CONTENIDO. TABLA DE CONTENIDO.......................................................................ii LISTA DE GRAFICAS...........................................................................iv LISTA DE TABLAS................................................................................vi INTRODUCCIÓN...................................................................................1. 1.. ANTECEDENTES ................................................................................ 7. 2.. MARCO TEORICO............................................................................... 8 2.1. CAPACITANCIA............................................................................ 8. 2.2. RESISTENCIA .............................................................................. 9. 2.3. LA GEOELECTRICIDAD ............................................................ 10. 2.3.1. La resistividad ...................................................................... 10. 2.3.2. Flujo de corriente continua................................................... 11. 2.3.3. Corriente a través de materiales térreos.............................. 12. 2.3.4. Campos potenciales ............................................................ 12. 2.3.4.1 Aspectos físicos y geométricos del campo....................... 13 2.3.4.2 Variación de la intensidad del campo............................... 13 2.3.4.3 Nociones del campo aplicadas a la geoelectricidad......... 13 2.3.4.4 Campo eléctrico entre dos partículas cargadas ............... 14 2.3.5. Corriente continua en los suelos.......................................... 14. 2.3.5.1 La ley de Ohm en geoelectricidad.................................... 15 3.. EXPERIMENTACIÓN......................................................................... 17 3.1. CARACTERISTICAS DEL SUELO Y MATERIALES .................. 17. 3.2. CALIBRACIÓN DEL SENSOR.................................................... 17. 3.2.1. Circuito integrado 555.......................................................... 18.

(5) CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO MIC 2003-II-27. 3.2.2. Detalles para el montaje del circuito .................................... 19. 3.2.3. Censor final y toma de muestras ......................................... 24. 3.2.4. Preparación del lixiviado sintetico ........................................ 25. 4.. RESULTADOS ................................................................................... 27. 5.. CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES ........................................... 31. 6.. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ................................................... 32.

(6) CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO MIC 2003-II-27. LISTA DE GRÁFICAS. Tabla 1: Especificaciones del 555 17 ..........¡Error! Marcador no definido. Tabla 2: Composición del lixiviado sintético* 24¡Error!. Marcador. no. definido. Gráfico 1: Relación general entre la resistividad ρ y la litología*................... 11 Gráfico 2: Electrodos de corriente circuito en la Tierra circuito equivalente en la parte inferior*............................................................................................. 16 Grafica 3: Diagrama interno del integrado .................................................... 19 Gráfica 4: Circuito básico .............................................................................. 20 Gráfica. 6:. Humedad. volumétrica. contra. frecuencia. para. diferentes. condensadores ............................................................................................. 21 Gráfica 7: Humedad volumétrica contra resistencia del suelo para diferentes condensadores ............................................................................................. 22 Gráfica 8: Frecuencia contra humedad volumétrica variando la cantidad de lixiviado para C = 10 nf ................................................................................. 22 Gráfica 9: Resistencia del suelo contra humedad volumétrica variando la cantidad de lixiviado para C = 10 nf .............................................................. 23 Gráfico 10: Frecuencia contra humedad volumétrica variando la cantidad de lixiviado para C = 100 nF .............................................................................. 23 Gráfico 11: Resistencia del suelo contra humedad volumétrica variando la cantidad de lixiviado para C = 100 nF........................................................... 24 Grafica 12. Circuito utilizado en la calibración .............................................. 25 Gráfico 13: Frecuencia contra humedad volumétrica variando la cantidad de caolín ............................................................................................................ 27.

(7) CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO MIC 2003-II-27. Gráfico 14: Resistencia del suelo contra humedad volumétrica variando la cantidad de caolín......................................................................................... 28 Gráfico 15: Frecuencia contra humedad volumétrica variando la cantidad de bentonita ....................................................................................................... 28 Gráfico 16: Resistencia del suelo contra humedad volumétrica variando la cantidad de bentonita.................................................................................... 29 Gráfico 17: Frecuencia contra humedad volumétrica variando la cantidad de arena............................................................................................................. 29 Gráfico 18: Resistencia del suelo contra humedad volumétrica variando la cantidad de arena ......................................................................................... 30.

(8) CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO MIC 2003-II-27. LISTA DE TABLAS. Tabla 1: Especificaciones del 555. 18. Tabla 2: Composición del lixiviado sintético*. 26.

(9) CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO MIC 2003-II-27. INTRODUCCIÓN. El desarrollo de la ingeniería esta encaminada desde hace algunos años a realizar experimentos en modelos a escala los cuales generan resultados aproximados y con un alto porcentaje de confiabilidad. Por tal motivo para la instrumentación de estos modelos se construyen sensores, deformimetros (strain gage) y un sin número de elementos los cuales nos proporcionan medidas que son posteriormente analizadas.. Todos estos instrumentos presentan un proceso constructivo y una posterior calibración la cual permite determinar constantes y parámetros para realizar las respectivas mediciones durante los experimentos y su posterior análisis.. Las investigaciones de los procesos de transporte en los suelos se están desarrollando en la actualidad, este es un problema que muchos investigadores tratan de observar y donde el comportamiento de los suelos es estudiado a través de diversos métodos. Dentro de los estudios realizados para observar el comportamiento se tiene: el estudio de la conductividad hidráulica de los fluidos dentro del suelo, los cambios del ángulo de fricción en los suelos contaminados, modelos matemáticos para simular el comportamiento de los fluidos dentro del suelo, la migración de metales pesados en suelos, entre otros.. Para realizar estas investigaciones se utilizan equipos como triaxiales estáticos. y. dinámicos,. centrifugas. geotécnicas,. consolidometros,. permeametros de cabeza constante y variable, entre otros; con estos equipos.

(10) CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO MIC 2003-II-27. podemos simular condiciones reales del terreno, escalar el tiempo, los espesores, los esfuerzos en el suelo, entre otros.. El objetivo general de esta investigación es calibrar un sensor para determinar los cambios de humedad, la resistencia de diferentes suelos y el posterior estudio del transporte de masas en los suelos.. Los objetivos específicos de la investigación son los siguientes:. -. Realizar la calibración de los sensores resistivos e identificar las variaciones de resistividad en el suelo.. -. Observar si la resistividad del suelo cambia por la cantidad de lixiviado sintético acumulado dentro de los poros del suelo.. -. Determinar los cambios de resistividad dependiendo del contenido de humedad de los materiales.. Es importante entender el comportamiento generado por la relación arcillalixiviado, caolín-agua, bentonita-agua y arena-agua y así modelarla para predecir el comportamiento del suelo, determinar la resistividad eléctrica del suelo, entre otras variables. Con esto se busca establecer parámetros para el estudio del transporte de fluidos en suelos.. Con el estudio desarrollado se pretende establecer parámetros que permitan el estudio del transporte de fluidos en suelos, esta investigación puede ayudar. al. calculo. de. los. espesores. mínimos. de. las. capas. de. impermeabilización en rellenos sanitarios para evitar las posibles filtraciones de lixiviados al subsuelo y aguas subterráneas..

(11) CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO MIC 2003-II-27. El material bibliográfico consultado está constituido por los siguientes documentos: Environmental geomechanics and transport proceses, el cual plantea una metodología acerca del proceso de modelación con centrífuga de una solución salina en una muestra de arena; Métodos Geofísicos con la Aplicación a la Ingeniería Civil, en la cual se estudian los conceptos dela geoelectricidad..

(12) CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO MIC 2003-II-27. 1. ANTECEDENTES. Las investigaciones que contempla el uso de modelos a escala requiere en la actualidad de instrumentos para medición que sean de pequeños tamaños, que permita una fácil ubicación y en lugares en donde se espera que ocurran los fenómenos importantes.. En varios estudios se encontró que la técnica de la centrífuga provee una buena opción para la utilización de pequeños instrumentos de medición en estados naturales de los suelos(Ref. 1 y Ref. 2). En la investigación “Environmental geomechanics and transport processes” (Ref. 2), se utilizaron instrumentos de medición de con tamaños muy pequeños, en donde se instrumento con circuitos eléctricos y elementos de medición desarrollados para tal fin.. El principal componente a. tener en cuenta al desarrollar un mecanismo. comparativo para la modelación fue la construcción de biosensores capaces de medir la resistividad en función de las concentración del contaminante y humedad del suelo.. Sin embargo, este estudio no contempla la realización de una calibración del sensor utilizado, por esto se hace necesario realizar las investigaciones sobre los instrumentos utilizados..

(13) CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO MIC 2003-II-27. 2. MARCO TEORICO. La modelación a escala de los problemas de ingeniería en los últimos años, ha generado nuevas inquietudes y soluciones a cada una de las variables que se involucran en los casos estudiados. Esto genera la necesidad de diseñar, construir y utilizar instrumentos de medición de pequeños tamaños, con los cuales se pueden obtener parámetros y medidas.. Para la implementación de nuevos instrumentos de medición se debe estudiar el problema o los problemas en los cuales van a intervenir, los soportes teóricos proporcionan las bases para la calibración de los instrumentos a utilizar.. En el desarrollo del sensor resistivo se consideraron los conceptos utilizados en los Métodos Geofísicos, conceptos técnicos para la implementación de circuitos y algunos parámetros en la fabricación del lixiviado artificial.. 2.1. CAPACITANCIA. Es producida por el elemento llamado capacitor (faradios) al momento de energizar con corriente continua este elemento presenta un comportamiento de circuito abierto que luego de ser desenergizado libera toda su energía de forma exponencial en descenso..

(14) CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO MIC 2003-II-27. 2.2. RESISTENCIA. Es un elemento pasivo el cual crea cargas en el sistema y divide el voltaje a diferentes partes (se comporta como una carga en el sistema).. Para la calibración se consideraron dos variables importantes como lo son la humedad volumétrica que para nuestro análisis es una humedad relativa y la densidad del material que involucra la relación de vacíos. La humedad volumétrica es definida como: θ = Vw / Vt Donde Vw = volumen de agua, Vt = volumen total, la humedad volumétrica que se utilizo para cada uno de los materiales se utilizo un intervalos de cinco porciento hasta llegar a 30% de humedad. Para cada uno de los materiales se utilizaron pesos unitarios variables, el peso unitario puede ser definido como: γd = W s / Vt. Donde Ws = peso del suelo seco y Vt = volumen total del cilindro. Para calcular la resistencia del suelo se calcula primero la frecuencia con la siguiente ecuación:. F=1/T. Donde T = periodo, el cual se lee en el osciloscopio. Para determinar la resistencia del suelo conla siguiente ecuación:.

(15) CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO MIC 2003-II-27. F = 1.144 / C ( R1 + 2R2 + 2RS ). Donde C = condensador de 0.01 microfaradios, R1 = resistencia de 160 ohmnios, R2 resistencia de 82 ohmnios y RS = resistencia del suelo.. 2.3. LA GEOELECTRICIDAD. La investigación geofísica es utilizada en la ingeniería civil para determinar por medio de la aplicación de conceptos eléctricos a las técnicas de investigación de suelos y rocas la conformación de los mismos. 2.3.1 La resistividad. Es también llamada resistencia especifica, la resistividad es la propiedad de los cuerpos a oponerse al avance de la corriente eléctrica. La unidad de medida es el ohmio por metro. Los materiales geológicos tienen resistividades que varían entre 10-2 y 105 ohn.m,. en. la. figura. se. puede. observar. la. variación. mencionada. anteriormente, donde podemos encontrar la menor resistividad en menas sulfúricas y la máxima en arenas y gravas..

(16) CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO MIC 2003-II-27. Gráfico 1: Relación general entre la resistividad ρ y la litología*. * Tomado de Métodos geofísicos con aplicaciones a la Ingeniería Civil (Ref. 5). La resistividad del agua depende del grado de saturación, de la salinidad, de la movilidad electroquímica y en nuestro caso también dependerá de la acidez. La cantidad de agua en el suelo depende de la porosidad y puede suponerse que la resistividad del suelo depende del agua de saturación.. 2.3.2 Flujo de corriente continua. El flujo de corriente continua entre dos electrodos hincados en el suelo produce un cambio de cambio de potencial a medida que se los separa. Este fenómeno ha sido estudiado desde hace casi un siglo por las empresas de exploración de hidrocarburos y tiene crecientes aplicaciones en la solución de problemas tradicionales de la mecánica de suelos..

(17) CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO MIC 2003-II-27. La generación de pulsos electromagnéticos externos o internos en el suelo produce fenómenos relacionados con la facilidad o dificultad del medio para que los electrones exteriores de los átomos se muevan(suelo o roca).. Con el registro y análisis de estos fenómenos se generan nuevas opciones en la ingeniería civil moderna que permiten auscultar el estado de pavimentos y bases o conocer de manera más amplia algunos parámetros del suelo, necesarios para el proyecto y diseño de obras.. 2.3.3 Corriente a través de materiales térreos. Entre dos electrodos se establece un flujo de corriente continua impulsada por el potencial eléctrico, conformándose un campo de equipotenciales de tensión ortogonal a las líneas de corriente. El fenómeno corresponde a una configuración de superficies tridimensionales similares a los frentes de onda de las perturbaciones sísmicas.. 2.3.4 Campos potenciales. El estudio de los campos se refiere al conjunto de funciones de las coordenadas de un punto en el espacio que permite abstraer condiciones de orden físico y su empleo es común en muchas actividades de la ingeniería civil..

(18) CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO MIC 2003-II-27. 2.3.4.1. Aspectos físicos y geométricos del campo. Muchos fenómenos físicos se plantean por medio de condiciones locales con el propósito de asimilarlos. Una importante característica del campo es su invariancia. Independiente del sistema coordenado seleccionado para estudiarlo su valor es el mismo.. El campo se idealiza con superficies equipotenciales sobre las cuales el valor del campo es constante. Por ejemplo ψ = 1 / ( x2 + y2 + z2 ) ½, entonces la superficie equipotencial se expresara de la siguiente forma r = ( x2 + y2 + z2 ) que corresponde a las superficies esféricas.. 2.3.4.2. Variación de la intensidad del campo. La derivada de ψ con respecto las coordenadas cartesianas locales x, y, z indica la intensidad con que varía el campo en un punto. Si en campo tridimensional se quiere pasar del punto x, y, z a otro con coordenadas ( x + dx ),( y + dy ),( z + dz ), el cambio del campo es:. dψ =. 2.3.4.3. ∂ψ ∂ψ ∂ψ dx + dy + dz ∂z ∂y ∂x. Nociones del campo aplicadas a la geoelectricidad. Dos partículas con cargas positiva y negativa, q2 y q1, como se observa en la figura siguiente, conforma un campo eléctrico que se visualiza suponiendo que las partículas interactúan entre sí mediante líneas de campo..

(19) CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO MIC 2003-II-27. El campo eléctrico E siempre es tangente a las líneas de campo, y el número de líneas por unidad de área que cruza una superficie ortogonal a éstas es una medida de la intensidad del campo en dicha posición; el concepto esta íntimamente ligado con el concepto de flujo eléctrico.. 2.3.4.4. Campo eléctrico entre dos partículas cargadas. Las líneas de campo van de la carga positiva a la negativa y su cantidad es proporcional a la intensidad de la carga de donde parten y no se pueden cruzar unas con otras. Las partículas q1 y q2 a una distancia r se atraen o repelen con una fuerza F , con módulo:. F =k. q1 q 2 r2. El vector de campo eléctrico E en un punto del espacio es igual al de fuerza F ejercida sobre una carga de prueba positiva en el sitio de medida, dividido por el valor de la carga de prueba qo:. E =. F g0. 2.3.5 Corriente continua en los suelos. El comportamiento de dos conductores eléctricos hincados en la superficie terrestre se puede asimilar al de dos partículas cargadas. El conductor positivo es la fuente; las líneas del campo salen de allí para llegar al negativo.

(20) CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO MIC 2003-II-27. denominado sumidero; se establece un flujo de energía de tal que la energía generada en el circuito se inyecta al medio recorrido.. 2.3.5.1. La ley de Ohm en geoelectricidad. La ecuación que se presenta esta compuesta por la intensidad medida en amperios (a) y la resistencia medida en ohmios (ohm), como resultado tenemos el voltaje que se mide en voltios (v).. V=I*R. Con la expresión siguiente podemos calcular la resistividad del medio. Donde. ρ es la resistencia especifica, L es la longitud y A es el área. R=ρ*(L/A). En el gráfico 2 se puede observar la corriente eléctrica entre conductores.

(21) CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO MIC 2003-II-27. Gráfico 2: Electrodos de corriente circuito en la Tierra circuito equivalente en la parte inferior*. * Tomado de Métodos geofísicos con aplicaciones a la Ingeniería Civil (Ref. 5).

(22) CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO MIC 2003-II-27. 3. EXPERIMENTACIÓN. Para el desarrollo del sensor se debe realizar la calibración con varios materiales y realizando algunas modificaciones necesarias para obtener mejores resultados. Dentro de la experimentación se debe llevar un proceso y tener en cuenta variables que pueden intervenir en la toma de resultados.. 3.1 CARACTERISTICAS DEL SUELO Y MATERIALES. Los materiales utilizados para la investigación son arcilla, Caolín, Bentonita y Arena. La arcilla utilizada en la presente investigación se tomó de la cantera del Relleno Sanitario Doña Juana. Los ensayos realizados a la muestra inalterada. fueron. humedad. natural,. límite. liquido,. límite. plástico,. consolidación, granulometría por el método del hidrómetro, proctor estándar. Los resultados obtenidos se encuentran en el anexo 3. 3.2 CALIBRACIÓN DEL SENSOR. Se seleccionó un sensor de humedad marca cekit con los siguientes componentes: un circuito integrado 555, una resistencia de 1000 Ω , una resistencia de 6800 Ω , un condensador de 10 µF/16V, un condensador cerámico de 0.01 µF/50V, una resistencia de 220 Ω ..

(23) CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO MIC 2003-II-27. 3.2.1 Circuito integrado 555. El circuito integrado 555 es uno de los mas populares y versátiles , este incluye 23 transistores, 2 organizadores y 16 resistores en un chip de silicona, instalados en 8 pines en un mini paquete de dos líneas. El circuito integrado 555 posee dos principales modos de operación:. Modo monoestable: en este modo el 555 funciona como un “un tiro”, las aplicaciones incluye temporizadores, detector de pulso, interruptores automáticos, interruptores de vos, etc.. Modo estable: el 555 puede operar como un oscilador. Incluye un led y un alampara de flash, generador de pulso, cierres lógicos, generadores de tonos, alarmas de seguridad, etc.. Tabla 1: Especificaciones del 555. ESPECIFICACIONES Suministro de voltaje (Vcc). 4.5 a 15 V. Suministro de corriente (Vcc = + 5V) 3 a 6 mA Suministro de corriente (Vcc = + 15V)10 a 15 mA Corte de corriente (máx.). 200 mA. Disipación de energía. 600 mw. Temperatura de operación. 0 a 70 grados C.

(24) CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO MIC 2003-II-27. 3.2.2 Detalles para el montaje del circuito La construcción de circuitos se debe realizar sobre placas para este fin, en los circuitos monoestables el disparador pude causar problemas, el vinculo entre el pin 5 con el polo a tierra con un condensador de 0.1µF. Si la dirección de la energía son altas o si un circuito esta en mal funcionamiento, la posición del condensador de 0.1µF con el pin 8 y 1. El condensador de 1µF puede ser necesario. Estar seguro de ensayar con valores del temporizador, resistencias y condensadores. En la grafica3 y 4 se puede observar los diagramas del integrado y el circuito básico para el sensor. En la grafica 5 se observa los rangos entre los condensadores y las frecuencias.. Grafica 3: Diagrama interno del integrado.

(25) CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO MIC 2003-II-27. Gráfica 4: Circuito básico. Vcc (+5TO +15V). 8 R1. 4 OUT 3. 7 6. R2. 555. 2 C1. + 1. Grafica 5: rangos de condensadores con frecuencias. Los pin 2 y 6 están conectados con el circuito que disparara este mismo en cada ciclo de tiempo, por esto funciona como un oscilador. La carga de C1 completa R1 y R2 pero descarga en R2. La carga sobre C1 dentro de los.

(26) CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO MIC 2003-II-27. rangos 1/3 Vcc a 2/3 Vcc. La frecuencia de oscilación es independiente de Vcc.. A este sensor se le realizaron las siguientes modificaciones: se cambió la resistencia de 6800 Ω por una de 1000 Ω , el condensador de 10 µF/16V por un condensador de 10 ηF/16V.. Con estos cambios se llevó a cabo una calibración en arena y agua, en donde se variaba la humedad y se mantenía constante el volumen de arena. A continuación se muestra las gráficas 6 y 7 correspondientes a la calibración del sensor con arena, cambiando el condensador. En la gráfica 6 se observa el comportamiento del sensor con la variación de parámetros de humedad, frecuencia y resistencia del suelo. En el anexo 2 se muestran las tablas y gráficos de donde se obtuvieron los gráficos 6 y 7.. Gráfica. 6:. Humedad. volumétrica. contra. frecuencia. para. condensadores. Humedad Volumetrica Vs Frecuencia para diferentes condensadores Humedad Volumetrica. 60 50 40. 10. 30. 22 47. 20. 104. 10 0 0. 2500. 5000. 7500. 10000. Frecuencia (Hetrz). 12500. 15000. diferentes.

(27) CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO MIC 2003-II-27. Gráfica 7: Humedad volumétrica contra resistencia del suelo para diferentes condensadores. Humedad Volumetrica. Humedad Volumetrica Vs Resistencia del Suelo para diferentes condensadores 60 50 40. 10. 30. 22 47. 20. 104. 10 0 0. 5000. 10000. 15000. 20000. 25000. 30000. Resistencia del Suelo (Ohmios). En las gráficas 8 y 9 se muestra la calibración del sensor con un condensador de 10 nF, utilizando arcilla y variando la humedad volumétrica y la cantidad de lixiviado presente en la arcilla.. Gráfica 8: Frecuencia contra humedad volumétrica variando la cantidad de lixiviado para C = 10 nf Frecuencia Vs Humedad Volumétrica variando la cantidad de lixiviado 50. Humedad Volumétrica. 45 40 0% 35. 25%. 30. 50% 75%. 25. 100% 20 15 10 22000. 24000. 26000. 28000. 30000. 32000. 34000. Frecuencia (Hertz). 36000. 38000. 40000.

(28) CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO MIC 2003-II-27. Gráfica 9: Resistencia del suelo contra humedad volumétrica variando la cantidad de lixiviado para C = 10 nf. Resistencia del Suelos Vs Humedad Volumétrica variando la cantidad de lixiviado 50. Humedad Volumétrica. 45 40. 0%. 35. 25% 30. 50%. 25. 75% 100%. 20 15 10 0. 200. 400. 600. 800. 1000. 1200. Resistencia del suelo(Ohmios). En las gráficas 10 y 11 se muestra la calibración del sensor con un condensador de 100 nF.. El suelo utilizado fue arcilla y se varió las. cantidades de lixiviado y la humedad volumétrica.. Gráfico 10: Frecuencia contra humedad volumétrica variando la cantidad de lixiviado para C = 100 nF Frecuencia Vs Humedad Volumétrica variando la cantidad de lixiviado 50. Humedad Volumétrica. 45 40 0%. 35. 25%. 30. 50%. 25. 75% 100%. 20 15 10 1600. 2000. 2400. 2800. 3200. Frecuencia (Hertz). 3600. 4000. 4400.

(29) CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO MIC 2003-II-27. Gráfico 11: Resistencia del suelo contra humedad volumétrica variando la cantidad de lixiviado para C = 100 nF Resistencia del Suelos Vs Humedad Volumétrica variando la cantidad de lixiviado 50. Humedad Volumétrica. 45 40 0% 35. 25% 50%. 30. 75%. 25. 100% 20 15 10 10000. 15000. 20000. 25000. 30000. 35000. Resistencia del suelo(Ohmios). Para utilizar el sensor en el ensayo se realizaron cinco curvas de calibración en donde el contenido de lixiviado en cada uno de los ensayos era de 0, 25, 50, 75 y 100 % de lixiviado artificial, en estas curvas de calibración el condensador del sensor era de 10 ηF y la con la densidad y humedad optima que es utilizada en el relleno sanitario Doña Juana, después se realizo una calibración conservando las condiciones anteriores pero utilizando un condensador de 104 ηF.. 3.2.3 Censor final y toma de muestras. Con el circuito definitivo se realizo la calibración de este con bentonita, caolín y arena. El circuito consta de una carcasa de 17cmde diámetro y 35 cm de longitud, provista con dos anillos de acero inoxidable de3mm de espesor. La carcasa posee una salida por la cual se lleva la alimentación de 9V al circuito. También se realiza la salida de la señal que va al osciloscopio para tomar las lecturas de frecuencia..

(30) CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO MIC 2003-II-27. Grafica 12. Circuito utilizado en la calibración. CONECCION ANILLOS. 1. 6. 2. 6. 3. 7. 4. 8. SEÑAL OSCILOSCOPIO. R2. FUENTE +. FUENTE -. R3 C1. R1 CONECCION ANILLOS. C2. SEÑAL OSCILOSCOPIO. A este sensor se le realizaron los siguientes cambio s con el propósito de hacer que fuese mas sensible a los cambios de humedad y acidez. Los cambios son resistencias de 160 y 82 ohmnios, los condensadores utilizados son de 0.10 microfaradios y 0.010 microfaradios.. 3.2.4 Preparación del lixiviado sintetico. Para llevar a cabo la preparación del lixiviado sintético, se utilizaron los datos reportados en el trabajo de tesis desarrollado por Mónica Ríos en el Centro de Investigación de Ingeniería Ambiental de la Universidad de los Andes (1999).. En la tesis realizada por Ríos, se realizó un seguimiento a la. concentración de los diferentes ácidos durante un proceso de digestión anaerobia llevado a cabo en un reactor, en el cual se simuló el proceso de descomposición que ocurre en un relleno sanitario (Relleno sanitario Doña Juana).. En el reactor se hizo un montaje a escala experimental de un. digestor anaerobio con altos contenidos de sólidos, alimentado usando la.

(31) CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO MIC 2003-II-27. fracción orgánica de desechos sólidos municipales de Santafé de Bogotá elaborado sintéticamente en el laboratorio. El proceso desarrollado en el reactor es mucho más acelerado que el ocurrido en un relleno real y por lo tanto es posible hacer un estudio de las diferentes etapas de la digestión. Los datos de la composición del lixiviado reportados por Ríos, se muestran en la tabla 2: Tabla 2: Composición del lixiviado sintético* Tiempo de Concentración (mg/l) descomposición Acido acético Acido Propionico Acido Butírico Acido valérico (días) 5 1100 90 35 35 10 3000 175 42 25 15 11000 115 60 20 20 500 47 77 90. *Tomado de Ríos, 1999. Los días mostrados en la tabla 1, representan cada una de las etapas en las que se divide la digestión anaerobia: hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis.. La solución utilizada como lixiviado sintético corresponde al tiempo de descomposición de 20 días, con la cual obtenemos un lixiviado viejo, debido a que en esta es la etapa de descomposición correspondiente a la metanogénesis..

(32) CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO MIC 2003-II-27. 4. RESULTADOS. Los resultados presentados a continuación se realizaron con el circuito final y utilizando caolín, bentonita y arena. La calibración se realizo considerando diferentes pesos de los materiales y el volumen de 804 cm3 del cilindro donde se colocaba el sensor para medir las frecuencias.. En las graficas 13 a 18 se encuentran los resultados de la calibración con caolín, bentonita y arena realizando la variación de material y de la humedad, con esto se proporciona una serie de curvas para la utilización del sensor en experimentos en la centrífuga geotecnica.. Gráfico 13: Frecuencia contra humedad volumétrica variando la cantidad de caolín Frecuencia Vs Humedad Volumétrica variando la cantidad de Caolín 35. Humedad Volumétrica. 30 1.00 gr/cm3. 25. 1.12 gr/cm3 20. 1.24 gr/cm3. 15. 1.37 gr/cm3 1.49 gr/cm3. 10. 1.74 gr/cm3. 5 0 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. 3500. Frecuencia (Hertz). 4000. 4500. 5000.

(33) CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO MIC 2003-II-27. Gráfico 14: Resistencia del suelo contra humedad volumétrica variando la cantidad de caolín Resistencia del Suelos Vs Humedad Volumétrica variando la cantidad de Caolín. 35 1.00 gr/cm3. Humedad Volumétrica. 30. 1.12 gr/cm3 25. 1.24 gr/cm3. 20. 1.37 gr/cm3. 15. 1.49 gr/cm3 1.74 gr/cm3. 10 5 0 0. 100000. 200000. 300000. 400000. 500000. 600000. Resistencia del suelo(Ohmios). Gráfico 15: Frecuencia contra humedad volumétrica variando la cantidad de bentonita Frecuencia Vs Humedad Volumétrica variando la cantidad de Bentonita 35. Humedad Volumétrica. 30 25 1.24 gr/cm3 20. 1.36 gr/cm3. 15. 1.49 gr/cm3 1.62 gr/cm3. 10 5 0 0. 5000. 10000. 15000. 20000. Frecuencia (Hertz). 25000. 30000. 35000.

(34) CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO MIC 2003-II-27. Gráfico 16: Resistencia del suelo contra humedad volumétrica variando la cantidad de bentonita Resistencia del Suelos Vs Humedad Volumétrica variando la cantidad de Bentonita 35. Humedad Volumétrica. 30 25. 1.24 gr/cm3. 20. 1.36gr/cm3 1.49 gr/cm3. 15. 1.62 gr/cm3. 10 5 0 0. 2000. 4000. 6000. 8000. 10000. 12000. Resistencia del suelo(Ohmios). Gráfico 17: Frecuencia contra humedad volumétrica variando la cantidad de arena Frecuencia Vs Humedad Volumétrica variando la cantidad de Arena 35. Humedad Volumétrica. 30 25 1.36 gr/cm3. 20. 1.46 gr/cm3. 15. 1.55 gr/cm3 1.74 gr7cm3. 10 5 0 0. 500. 1000. 1500. 2000. Frecuencia (Hertz). 2500. 3000.

(35) CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO MIC 2003-II-27. Gráfico 18: Resistencia del suelo contra humedad volumétrica variando la cantidad de arena. Resistencia del Suelos Vs Humedad Volumétrica variando la cantidad de Arena. 35. Humedad Volumétrica. 30. 1.36 gr/cm3. 25. 1.46 gr/cm3 20. 1.55 gr/cm3. 15. 1.74 gr/cm3. 10 5 0 0. 50000. 100000. 150000. 200000. 250000. Resistencia del suelo(Ohmios). 300000. 350000. 400000.

(36) CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO MIC 2003-II-27. 5. CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES. 1.. Se observo que la resistencia del suelo es menor cuando la humedad es mayor en la arcilla, el caolín, la bentonita y la arena.. 2.. Se encontró que a mayores densidades la resistencia del suelo es menor, y que estas resistencias se mantienen dentro de un rango cuando las densidades están cercanas a la densidad optima, este comportamiento se presento en el caolín y la bentonita.. 3.. Se determino que la frecuencia en la arcilla, el caolín, la bentonita y la arena son altas cuando aumenta la humedad.. 4.. Se observo que a densidades cercanas a la densidad optima el comportamiento del caolín y la bentonita esta dentro de un rango.. 5.. Se encontró que a mayor acidez y humedad la resistencia del suelo es menor, y las resistencia del suelo disminuye cuando el suelo tiene presencia de ácidos.. 6.. La frecuencia del suelo es mayor cuando aumenta la acidez del suelo y su contenido de humedad.. 7.. Se debe evitar que el sensor se humedezca o se moje dentro del cascaron.. 8.. Se debe tomar resultados conservando la relación de vacíos y la humedad.. 9.. Es necesario que la humedad del suelo sea lo mas homogénea posible para así evitar malos resultados durante el ensayo.. 10.. Se debe secar el suelo a temperatura ambiente e iniciar el ensayo con el suelo seco..

(37) CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO MIC 2003-II-27. 6. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS. 1. Environmental geomechanics and transport processes. Culligan-Hensley and Savvidou. 2. RIOS VILLEGAS, Mónica María. “Inhibición y valerogénesis de la digestión anaerobia de los desechos sólidos” Tesis de Magíster, Universidad de los Andes,1999 , Bogotá. 3. SARRIÁ MOLINA, Alberto.. “Métodos geofísicos con aplicaciones a la. ingeniería civil”. Ediciones Uniandes. Mayo 1996. 371p..

(38) CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO MIC 2003-II-27. ANEXOS. 1.. Registro fotográfico. 2.. Tabla de resultados.

(39) CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO MIC 2003-II-27. Foto 1. Equipo de consolidación de las muestras con el cilindro para consolidar. Foto 2. Cilindro de consolidación y colocación del sensor.

(40) CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO MIC 2003-II-27. Foto 3. Montaje para tomarlas mediciones. Foto 4. Sensor capacitivo.

(41) CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO MIC 2003-II-27. Foto 5. Sensor capacitivo. Foto 6. Montaje interno del Sensor.

(42) CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO MIC 2003-II-27. Foto 7. Onda producida por el sensor.

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