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Automatizacin de un consolidmetro neumticoAutomation of a pneumatic consolidometer Salazar G. C., Instituto de Ingeniera, UNAM, IPNFlores C. O., Instituto de Ingeniera, UNAMGmez R. E., Instituto de Ingeniera, UNAMRESUMEN: Se desarroll un software que permite operar de forma automtica dos reguladores digitales y dos vlvulas solenoides, la adquisicin de datos de cinco sensores de presin y uno de desplazamiento, para el control automtico de un consolidmetro neumtico. Con este programa ser posible saturar la probeta, medir la B de Skempton, realizar pruebas de consolidacin con carga incremental, gradiente controlado y velocidad controlada, adems de visualizar en tiempo real las curvas de consolidacin y compresibilidad, segn sea el caso.ABSTRACT: Software was developed that allows to operate two digital regulators and two solenoid valves, the acquisition of data from five pressure sensors and a displacement sensor, for automatic control of a pneumatic consolidometer. With this program will be possible to saturate the specimen, measuring Skempton B and consolidation tests run with incremental load, gradient controlled and speed control, in addition to display in real time curves consolidation and compressibility. InTRODUCCINEl Instituto de Ingeniera, UNAM, cuenta con un consolidmetro neumtico que operaba con un sistema de adquisicin de datos muy limitado, en ambiente DOS6.22, con tarjeta de adquisicin de datos con bus ISA para la cual ya no existe respaldo, y con poca interaccin por parte del usuario para disear los ensayes (figura1). Por esta razn se propuso actualizar el sistema neumtico, de control del equipo y disear un programa de operacin nuevo, en ambiente Windows 7, que el medio de comunicacin con el consolidmetro fuese va USB y tuviese ms versatilidad para el diseo de la prueba. Esto implic hacer un cambio en el sistema de calibracin de los sensores, en el de control automtico del ensaye y el clculo de parmetros.El proyecto inici con la conceptualizacin de los ensayes a realizar: consolidacin con carga incremental, velocidad controlada y gradiente controlado. Se redise la distribucin neumtica del sistema, se construyeron acondicionadores de seal para los sensores, reguladores y vlvulas, de forma que dichos elementos fuesen controlados y registrados desde los programas de calibracin y operacin.El programa permite ejecutar de forma automtica ensayes de consolidacin, saturando previamente por contrapresin la probeta de suelo y visualizar en tiempo real las curvas de consolidacin y compresibilidad.Este trabajo da a conocer de forma general las adaptaciones neumticas y electrnicas que se realizaron al equipo de consolidacin, la descripcin del funcionamiento del equipo en sus mdulos de calibracin experimental y operacin, y se muestran resultados experimentales que permiten definir el nivel de avance del proyecto.

Figura 1. Distribucin inicial de vlvulas y reguladores del consolidmetro neumtico.

Condiciones iniciales del equipo y cambios generadosEn un inicio el consolidmetro era operado por un programa que funcionaba con el sistema operativo DOS6.22 (COMPUCON). Este programa tena la capacidad de realizar pruebas de consolidacin de carga incremental y velocidad controlada, pero era difcil configurar los ensayes y hacer la toma de datos de los ensayes realizados. Entre las particularidades que posea el consolidmetro y que sufrieron un cambio, se encuentran: El mdulo de calibracin slo permita calibrar de forma manual los sensores de presin, utilizando un manmetro patrn de aguja, integrado al equipo.Se realizaron cambios neumticos para tener la posibilidad de calibrar todos los sensores de forma manual (figura2), haciendo uso de un tornillo micromtrico para los sensores de desplazamiento y una columna de mercurio para los de presin. Se cambi el sensor de 12mm de carrera por uno de 25mm.

Figura 2. Distribucin general de vlvulas, reguladores y sensores que componen el consolidmetro.

Se dise un sistema de acondicionamiento para adquirir datos de cinco sensores de presin y uno de desplazamiento. Simultneamente, se desarroll un programa de adquisicin de datos y control que opera bajo la plataforma de LabView, que permite ejecutar las diferentes etapas del ensaye y controla de forma automtica los reguladores digitales y las vlvulas solenoides, adquiere datos de los seis sensores con los que cuenta el sistema. En la tabla 1 se muestran las caractersticas generales de operacin de los sensores.El equipo actualizado permite saturar por contrapresin la muestra, medir la B de Skempton y llevar a cabo la consolidacin bajo tres modalidades de ensaye: Carga incremental(CI) Velocidad controlada(VC) Gradiente controlado (GC)Tabla 1. Presiones de trabajo de los elementos del consolidmetro.ElementoMarcaPresin mxima de operacin (kg/cm2)

Regulador digitalProportion Air7.5

Sensores de Presin-7.5

Vlvulas solenoideProportion Air7.5

Sensor de desplazamiento-25 mm

descripcin del equipo y funcionamien-to del consolidmetroDescripcin del equipoEl consolidmetro (figura 3) cuenta con una cmara metlica en la cual se aloja una probeta de suelo de 2.5 (6.35cm) de dimetro y una altura de 1 (2.54cm).La cmara del equipo est montada sobre una base de acero, la probeta est en contacto con una piedra porosa en su base, por donde se aplica el esfuerzo de contrapresin mediante agua presurizada desde una interfaz aire-agua, adems en la base de la muestra se registra la presin de poro con el sensor (1), durante todo el ensaye. En la parte superior de la muestra se coloca otra piedra porosa y enseguida una placa metlica, la cual permite aplicar el esfuerzo axial a la probeta de manera uniforme. El domo de la cmara est compuesto por una placa metlica, anidada una membrana de hule que hace contacto con la placa metlica de la cmara. La placa del domo es empujada mediante aceite presurizado desde la interfaz aire-aceite, aplicando as el esfuerzo axial a la probeta de suelo.

Figura 3. Consolidmetro neumtico (Instituto de Ingeniera, UNAM).La presurizacin que se infiere, tanto al agua como al aceite, se genera de una lnea externa (presin de lnea), que es registrada por el sensor de presin (3) ver figura2-, controlado por medio de un regulador manual . Dicha alimentacin es separada en dos lneas,la primera suministra presin al regulador digital de presin axial y se registra por el sensor correspondiente (5) y la segunda alimenta el regulador de contrapresin y se registra por el sensor (2). Los reguladores digitales (PROPORTION-AIR QB1TFEE) controlan la presin que se aplica a la probeta de suelo, tienen una capacidad mxima de operacin de 100 psi (7.5kg/cm2). As mismo, el equipo cuenta con dos vlvulas solenoides, una de presin axial y otra de contrapresin , las cuales se encuentran despus de la interfaz donde se presuriza el aceite, en el caso de la presin axial; y antes de la interfaz, en el caso de la contrapresin. El control de las vlvulas se hace de forma automtica desde el programa de control. En ambos casos la funcin de estas vlvulas es, primero, aislar la probeta para medir las nuevas condiciones a las que se someter la probeta (presin axial y contrapresin), sin alterar las condiciones previas de la muestra y, segundo, permitir el paso de las nuevas condiciones de esfuerzo.El consolidmetro cuenta tambin con un sensor de desplazamiento tipo LDVT , el cual se ubica en la parte superior del domo y registra la deformacin axial de la probeta durante toda la prueba.El sistema cuenta con cuatro salidas en la parte lateral que conectan directamente hacia cada uno de los cuatro sensores de presin, donde se conecta el elemento patrn que sirve de referencia durante la calibracin experimental, que en este caso es comn utilizar la columna de mercurio.Descripcin de la prueba MontajePara efectuar el montaje de la probeta de suelo se coloca una piedra porosa en la base, acompaada de un papel filtro en la parte superior; enseguida, la muestra de suelo, otra piedra porosa con su respectivo papel filtro y finalmente, las placas metlicas que transmiten la carga de forma uniforme al espcimen (figura 4).Una vez montada la probeta se coloca la tapa de la cmara, a la cual est unido el sistema de aplicacin de esfuerzo axial. Posteriormente, se coloca el sensor de desplazamiento, ajustando su vstago de forma que el sensor tenga toda la carrera disponible.

Figura 4. Diagrama de montaje de la probeta. Saturacin por contrapresinEn esta etapa se regulan y aplican al suelo incrementos de esfuerzo axial y contrapresin, tal que el esfuerzo efectivo se mantenga entre 0.05 y 0.1kg/cm, y se obtiene de la resta del esfuerzo axial menos el esfuerzo de contrapresin.Se aplican de dos a tres incrementos de esfuerzos axial y contrapresin (se acostumbra que sean a cada 0.5kg/cm), manteniendo el esfuerzo efectivo indicado en el prrafo anterior. Se debe poner atencin en cerrar la vlvula del depsito de agua , antes de aplicar cada incremento. Medicin de la B de SkemptonSe asla la probeta, cerrando la vlvula del depsito de agua y se registran los valores iniciales de esfuerzo axial y presin de poro; posteriormente, se regula y aplica un incremento de esfuerzo axial. Dicho proceso genera un exceso de presin de poro que se registra en el sensor correspondiente (1). La relacin del exceso de presin de poro entre el incremento de la presin axial es el valor la B de Skempton y cuando est entre 0.96 y 1, se considera que el suelo est saturado. ConsolidacinEl equipo tiene la capacidad de efectuar tres tipos de ensaye de consolidacin: Carga incremental, Velocidad controlada y Gradiente controlado.Carga incremental. Se aplican incrementos de esfuerzo efectivo a la probeta, los cuales se dejan en un lapso mnimo de 24 horas, o bien cuando se termina la consolidacin primaria. En todo el proceso el software de control registra la deformacin axial, adems, muestra las grficas de consolidacin en formato Taylor y Casagrande, as como la curva de compresibilidad.Velocidad Controlada. En este ensaye se aplican incrementos de esfuerzo efectivos muy pequeos, en intervalos de tiempo constantes. En este proceso slo se toman lecturas de deformacin al inicio y al final de cada incremento de esfuerzo efectivo, de forma que slo se obtiene la curva de compresibilidad.Gradiente Controlado. Al igual que en el procedimiento anterior, se aplican incrementos de esfuerzo efectivo muy pequeos, a diferencia del ensaye de velocidad controlada, el criterio para realizar el siguiente incremento es un umbral de disipacin de presin de poro. Al final se obtiene slo la curva de compresibilidad.descripcin del sistema y de los Mdu-los de calibracin y operacin. Los acondicionamientos de seal contemplan cinco sensores de presin y dos reguladores digitales con capacidad de 0a7.5kg/cm, un sensor de desplazamiento tipo LVDT de 25mm de carrera total y dos vlvulas solenoides, cuya distribucin se observa en la figura 2. Mediante una tarjeta modelo PC NI-USB-6009 de National Instrument con 8 canales analgicos de entrada y dos de salida, se hace el registro de las seales durante toda la ejecucin de los ensayes.El programa de control tiene dos mdulos, el de calibracin, en el cual se determinan de forma experimental las constantes de calibracin de cada uno de los sensores; y el de operacin, que posee las etapas de montaje, saturacin y consolidacin.Mdulo de calibracin (figura 5)En este mdulo el usuario tiene la posibilidad de obtener de forma experimental las constantes de calibracin de cada uno de los sensores con que cuenta el consolidmetro. Al iniciar este mdulo se despliega una pantalla para seleccionar la actividad a ejecutar: Calibrar sensores, Cambiar Constantes de Sensores, Verificar Constantes de Calibracin y salir.

Figura 5. Men principal del mdulo de calibracin.Al seleccioar el sensor a calibrar, aparecen las constantes y la fecha que se realiz en la ltima calibracin. Adems, muestra los parmetros patron a utilizar para calibrar; para los sensores de presin se utiliza 0.01356, cuando se usa la columna de mercurio, y 1.0 para el sensor de desplazamiento (figura 6).

Figura 6. Seleccin de sensor a calibrar.Calibracin de sensores de presin (figura 7)Se lleva a cabo aplicando incrementos de presin, en un rango de 0 a 5kg/cm, tomando como elemento patrn la columna de mercurio. El software aplica una regresin lineal, cuyos resultados de pendiente y ordenada corresponden a las constantes de calibracin del sensor.Calibracin del sensor de desplazamientoEl procedimiento es similar a la calibracin de los sensores de presin, la diferencia radica que se utiliza un tornillo micromtrico digital como elemento patrn. La calibracin se guarda de forma automtica en un archivo de texto, compatible con cualquier hoja de Excel, dicho archivo contiene las constantes obtenidas, as como la fecha y hora de calibracin. Al finalizar el proceso de calibracin de sensores el programa de control actualiza de forma automtica las constantes en el sistema.

Figura 7. Obtencin de constantes de calibracin.Cambiar constantes de sensores (figura 8)En esta etapa se pueden introducir las constentes de calibracin, en caso de corrupcin del archivo de calibracin.

Figura 8. Obtencin de constantes de calibracin.Mdulo de operacinEl programa de control utiliza el concepto de pestaas, de tal forma que en la parte superior se muestran las etapas del men general de software, al dar click en alguna de las pestaas superiores se muestran en la parte central las funciones a desarrollar en la etapa seleccionada. A continuacin se muestran todas la etapas del programa de control.Datos de sueloEn esta opcin se muestran las pestaas de izquierda a derecha, correspondientes a: Archivos. En el disco duro del equipo se genera una carpeta llamada c:/Resultados, en la cual a su vez se puede crear una subcarpeta independiente por cada ensaye a efectuar; as mismo, se puede ingresar el nombre del archivo, que puede o no coincidir con el nombre de la carpeta creada. Generalidades. En esta etapa se ingresan los datos de proyecto, localizacin, nmero de sondeo, profundidad de la muestra, as como el operador y responsable del proyecto. Datos probeta. En esta pestaa se ingresan los datos de dimensiones, pesos, contenido de agua y densidad de slidos, necesarios para el clculo de las relaciones volumtricas de la probeta a ensayar. Rel. Vol. Iniciales. El software obtiene las relaciones volumtricas a partir de datos ingresados en la pestaa anterior.

Figura 9. Captura de datos generales, pesos y dimensiones del espcimen para el clculo de las relaciones volumtricas inicialesConfiguracin de la pruebaEn esta etapa el usuario selecciona y disea la prueba a efectuar. Carga incremental (figura 10). Se cargan los archivos que contengan los vectores de tiempo de carga y descarga, stos se generan en la pestaa de diseo de vectores. Se presiona el botn cargar datos de archivos, en la pantalla, aparecen los datos contenidos en los vectores previamente diseados. En caso de requerir modificaciones al vector de esfuerzos, se introduce el valor directamente en la celda correspondiente, o bien, se inserta un cero en la etapa donde se desea termine el ensaye; enseguida, al presionar el botn Aceptar puntos adicionales, de forma automtica se actualiza en el sistema. Es posible adicionar etapas o finalizar el ensaye, siempre y cuando la etapa que se desee modificar no haya iniciado.Figura 10. Configuracin de ensaye de Carga incremental. Velocidad controlada (figura 11). Se requiere cargar el archivo de vector de esfuerzos que contiene nicamente los valores inicial y final, que corresponden a las etapas de de carga y descarga, respectivamente.El usuario define el incremento o decremento de esfuerzo por aplicar y el intervalo de tiempo que se mantendr. Adems, se definir el intervalo de tiempo de muestreo, para que en cada incremento o decremento se almacenen los valores registrados.Al igual que en el ensaye de carga incremental, se podrn hacer modificaciones al vector de esfuerzos, una vez iniciado el ensaye.Figura 11. Configuracin de ensaye de Velocidad controlada. Gradiente controlado (figura 12). Al igual que en el ensaye anterior, se requiere cargar el archivo de vector de esfuerzos que contiene nicamente los valores inicial y final, que corresponden a las etapas de carga y descarga, respectivamente.Se define tambin el incremento de esfuerzo efectivo por aplicar, as como el intervalo de tiempo de muestreo durante todo el ensaye. La diferencia radica en que la condicin para aplicar el incremento o decremento lo da la presin de poro de umbral. sta corresponde al exceso de presin a la que se llega en el proceso de disipacin de la etapa de consolidacin.Figura 12. Configuracin de ensaye de Gradiente controlado.Saturacin por contrapresinAl momento de presionar la pestaa de saturacin por contrapresin, de manera automtica se asla la probeta con el cierre de las dos vlvulas solenoide. Enseguida, se deber cerrar de forma manual la vlvula del depsito de agua (15), el usuario teclea en el recuadro correspondiente a esfuerzo axial y contrapresin deseados y de manera automtica el regulador mide dicha presin, la cual se verifica en el sensor correspondiente. Ya que se alcanzaron los esfuerzos, se presiona el botn de aplicar presiones e inmediatamente se abre la vlvula del depsito de agua (15), primero aplica el esfuerzo axial y posteriormente la contrapresin. Unos minutos despus de aplicarlos, se aplica el siguiente incremento. Figura 13. Saturacin por contrapresin.B de SkemptonAntes de medir la B de Skempton se debe verificar que la vlvula del depsito de agua (15) est cerrada. Al presionar la pestaa la probeta se asla con el cierre de las vlvulas solenoides, y se registran los valores iniciales de esfuerzo axial y presin de poro. Figura 14. Medicin de la B de SkemptonEl usuario teclea el valor final de esfuerzo axial, al momento de aplicar el incremento de esfuerzo axial, la vlvula solenoide de contrapresin permanece cerrada, se registra el incremento de presin de poro en el sensor correspondiente. De forma grfica se muestra este incremento y cuando se observa un comportamiento asinttico en sta (figutra 14), se presiona el botn de toma de lectura de presin de poro final. El programa determina los valores de incremento de presin de poro y esfuerzo axial, calcula la relacin entre stos y lo muestra como valor de B. EnsayeAl ingresar a esta etapa hay tres opciones:1. Carga incremental. Al iniciar la etapa de ensaye, el equipo asla la probeta cerrando las vlvulas solenoides, regula y mide el valor del esfuerzo axial, de tal forma que se llegue al esfuerzo efectivo definido en la etapa correspondiente. Primero se aplica la carga axial y posteriormente la contrapresin y, simultneamente, inicia el registro de deformacin axial, de acuerdo a los tiempos definidos en el vector diseado previamente, para las etapas de carga y descarga. La etapa concluye cuando el vector de tiempo llega a su trmino o cuando el usuario presione el botn terminar etapa.Figura 15. Curvas de consolidacin.Con los resultados de deformacin axial inicial y final de cada etapa se determinan los valores para el clculo y la grfica de la curva de compresibilidad, (figura 16).El usuario puede visualizar los esfuerzos aplicados y los valores de los sensores en cualquier momento del ensaye.Figura 16. Grfica de compresibilidad.1. Velocidad controlada y Gradiente controlado. En estos tipos de ensaye los incrementos de esfuerzo axial se hacen de manera automtica, sin aislar la probeta entre cada incremento. Se muestra una curva continua de desplazamiento vs tiempo y presin de poro vs tiempo. Se muestra, adems, la curva de compresibilidad, la cual se actualiza al momento de aplicar cada incremento, (figura16). Al igual que en la prueba de carga incremental, el usuario visualiza los valores de esfuerzo aplicados en cada incremento, as como el valor de cada uno de los sensores en cualquier momento del ensaye.Relaciones Volumtricas Finales (figura 17)A partir de las relaciones iniciales introducidas por el usuario y con la deformacin obtenida de la prueba realizada, el programa LabView, en automtico obtiene y muestra las relaciones volumtricas finales.Figura 17. Relaciones volumtricas finales.Estos resultados se calculan dos das despus de realizado el ensaye. Se puede realizar aunque se haya iniciado un nuevo ensaye. Y los parmetros obtenidos se almacenan en el archivo de datos generales. Reportes (figuras 18 y 19)En este mdulo, el software permite visualizar en cualquier momento las curvas de compresibilidad y consolidacin de ensayes anteriores. Adems tiene la posibilidad de imprimir los resultados en forma grfica o tabular. Figura 18. Grficas de consolidacin mostradas en el mdulo de Reportes.Figura 19. Grfica de compresibilidad mostrada en el mdulo de Reportes.

Diseo de VectoresSe generan dos tipos de vectores:Vector de tiempos. Se generan vectores de hasta 100 datos, con el intervalo mnimo de 0.1s, con formato (HH:MM:SS). Se puede generar de forma manual, introduciendo los valores en la casilla correspondiente o bien de forma automtica, indicando el nmero de puntos y horas de toma de datos deseadas (figura 20).Figura 20. Diseo de vectores de tiempo.Vector de esfuerzos. Se generan dos tipos, uno para carga incremental y otro para velocidad o gradiente controlado. En el primer caso se teclean los valores de esfuerzos efectivo por aplicar (sea carga o descarga). Para el segundo tipo, se coloca el valor inicial y final de cada etapa, el valor inicial de cierta etapa corresponde al final de la etapa anterior (figura 21).Figura 21. Diseo de vectores de esfuerzos.Manual (figura 22)En esta etapa se visualizan los valores que registran en tiempo real los sensores, siempre y cuando el equipo no est en operacin. El usuario puede abrir y cerrar las vlvulas solenoides de presin axial y contrapresin. Sirve de apoyo para hacer calibraciones, verificacin de calibracin o bien calibrar los reguladores electrnicos con que cuenta el sistema. Figura 22. Visualizacin de sensores y manejo de vlvulas.CONCLUSIONESLa automatizacin para el control automtico del consolidmetro neumtico brinda al usuario la oportunidad de interactuar con el sistema de forma ms sencilla y eficiente, mayor certidumbre de los resultados obtenidos, debido a la calibracin de los sensores y reguladores del equipo, respecto al sistema con el que contaba con anterioridad.Una ventaja relevante es que, mediante la medicin de la B de Skempton, se garantiza que la probeta a ensayar est saturada.Con el uso de los sensores de presin y desplazamiento, permite graficar con mayor precisin las curvas de consolidacin, lo cual implica que se aprecie con facilidad el fin de la consolidacin primaria.Permite generar resultados de mayor confiabilidad, se reducen los errores humanos y el tiempo dedicado a la toma de lecturas, repercutiendo en el costo del ensaye.Se recomienda calibrar los sensores y reguladores electrnicos de forma peridica, en intervalos mximos de medio ao.AGRADECIMIENTOSLos autores agradecen al Sr. Germn Aguilar Ramrez su valioso apoyo en la puesta en operacin del equipo. Su experiencia en el uso del equipo enriqueci de forma importante el proyecto.referencias Rowe, P. V. y Barden, L. (1996) A new consolidation cell. Geotechnique 16 (2). Flores, O., Romo, M., Castellanos, E. y Gmez, E. (2002) Automatizacin del equipo triaxial dinmico de columna resonante. XXI Reunin de Mecnica de Suelos, Santiago de Quertaro, Noviembre. Flores, O., Romo, M., Gmez, E. y Flores, R. (2002) Instrumentacin y automatizacin del equipo triaxial cclico MTS. XXI Reunin de Mecnica de Suelos, Santiago de Quertaro, Noviembre. Flores, O., Romo, M. y Gmez, E. (2003) Mediciones locales en probetas de suelos para determinar propiedades dinmicas. Congreso Internacional de Instrumentacin. Mxico D. F. Octubre. Flores, O., Gmez, E. y Linares, O. (2008) Programa para la semiautomatizacin de los consolidmetros del laboratorio de Geotecnia del Posgrado. FI-BUAP. Revista Ingeniera y Tecnologa. Ao. 3, No. 7 FI-BUAP. Enero.