contribuciÓn al desarrollo del sensor capacitivo

CONTRIBUCIÓN AL DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO

MIC 2003-II-27


Ing. FRANKLEN CARLOS SUTA PICO

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

PROGRAMA DE MAGÍSTER EN GEOTECNIA

BOGOTÁ, FEBRERO DE 2004


MIC 2003-II-27


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


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.


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


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


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


caolín ............................................................................................................ 27


MIC 2003-II-27


cantidad de caolín......................................................................................... 28


bentonita ....................................................................................................... 28


cantidad de bentonita.................................................................................... 29


arena............................................................................................................. 29


cantidad de arena ......................................................................................... 30


MIC 2003-II-27

LISTA DE TABLAS

Tabla 1: Especificaciones del 555 18

Tabla 2: Composición del lixiviado sintético* 26


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


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 arcilla-

lixiviado, 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.


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.


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.


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.


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 = Ws / 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:


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.


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.


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.


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:

dzz

dyy

dxx

d∂∂

+∂∂

+∂∂

=ψψψ

ψ

2.3.4.3 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.


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:

221

rqq

kF =

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:

0gFE =

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


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


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)


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.


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


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


MIC 2003-II-27

Gráfica 4: Circuito básico

5557

6

2

8 4

3OUT

1C1

R2

R1

+

Vcc (+5TO +15V)

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


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 diferentes

condensadores

Humedad Volumetrica Vs Frecuencia para diferentes condensadores

0

10

20

30

40

50

60

0 2500 5000 7500 10000 12500 15000

Frecuencia (Hetrz)

Hum

edad

Vol

umet

rica

102247104


MIC 2003-II-27

Gráfica 7: Humedad volumétrica contra resistencia del suelo para diferentes

condensadores

Humedad Volumetrica Vs Resistencia del Suelo para diferentes condensadores

0

10

20

30

40

50

60

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000

Resistencia del Suelo (Ohmios)

Hum

edad

Vol

umet

rica

102247104

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

10

15

20

25

30

35

40

45

50

22000 24000 26000 28000 30000 32000 34000 36000 38000 40000

Frecuencia (Hertz)

Hum

edad

Vol

umét

rica

0%

25%

50%

75%

100%


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 Volumétricavariando la cantidad de lixiviado

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 200 400 600 800 1000 1200

Resistencia del suelo(Ohmios)

Hum

edad

Vol

umét

rica

0%

25%

50%

75%

100%

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.


lixiviado para C = 100 nF

Frecuencia Vs Humedad Volumétrica variando la cantidad de lixiviado

10

15

20

25

30

35

40

45

50

1600 2000 2400 2800 3200 3600 4000 4400

Frecuencia (Hertz)

Hum

edad

Vol

umét

rica

0%

25%

50%

75%

100%


MIC 2003-II-27


cantidad de lixiviado para C = 100 nF

Resistencia del Suelos Vs Humedad Volumétricavariando la cantidad de lixiviado

10

15

20

25

30

35

40

45

50

10000 15000 20000 25000 30000 35000


Hum

edad

Vol

umét

rica

0%

25%

50%

75%

100%

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.


MIC 2003-II-27

Grafica 12. Circuito utilizado en la calibración

4 8

3

1

2

6

7

6

R1R3

C2

R2

C1

CONECCION ANILLOS

CONECCION ANILLOS

SEÑAL OSCILOSCOPIO

SEÑAL OSCILOSCOPIO

FUENTE +

FUENTE -

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


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*

*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.

Acido acético Acido Propionico Acido Butírico Acido valérico

5 1100 90 35 3510 3000 175 42 2515 11000 115 60 2020 500 47 77 90

Concentración (mg/l)Tiempo de descomposición (días)


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.


caolín

Frecuencia Vs Humedad Volumétrica variando la cantidad de Caolín

0

5

10

15

20

25

30

35

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

Frecuencia (Hertz)

Hum

edad

Vol

umét

rica 1.00 gr/cm3

1.12 gr/cm3

1.24 gr/cm3

1.37 gr/cm3

1.49 gr/cm3

1.74 gr/cm3


MIC 2003-II-27


cantidad de caolín

Resistencia del Suelos Vs Humedad Volumétricavariando la cantidad de Caolín

0

5

10

15

20

25

30

35

0 100000 200000 300000 400000 500000 600000


Hum

edad

Vol

umét

rica

1.00 gr/cm3

1.12 gr/cm3

1.24 gr/cm3

1.37 gr/cm3

1.49 gr/cm3

1.74 gr/cm3


bentonita

Frecuencia Vs Humedad Volumétrica variando la cantidad de Bentonita

0

5

10

15

20

25

30

35

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000

Frecuencia (Hertz)

Hum

edad

Vol

umét

rica

1.24 gr/cm3

1.36 gr/cm3

1.49 gr/cm3

1.62 gr/cm3


MIC 2003-II-27


cantidad de bentonita

Resistencia del Suelos Vs Humedad Volumétricavariando la cantidad de Bentonita

0

5

10

15

20

25

30

35

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000


Hum

edad

Vol

umét

rica

1.24 gr/cm3

1.36gr/cm3

1.49 gr/cm3

1.62 gr/cm3


arena

Frecuencia Vs Humedad Volumétrica variando la cantidad de Arena

0

5

10

15

20

25

30

35

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Frecuencia (Hertz)

Hum

edad

Vol

umét

rica

1.36 gr/cm3

1.46 gr/cm3

1.55 gr/cm3

1.74 gr7cm3


MIC 2003-II-27


cantidad de arena

Resistencia del Suelos Vs Humedad Volumétricavariando la cantidad de Arena

0

5

10

15

20

25

30

35

0 50000 100000 150000 200000 250000 300000 350000 400000


Hum

edad

Vol

umét

rica 1.36 gr/cm3

1.46 gr/cm3

1.55 gr/cm3

1.74 gr/cm3


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.


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.


MIC 2003-II-27

ANEXOS

1. Registro fotográfico

2. Tabla de resultados


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


MIC 2003-II-27

Foto 3. Montaje para tomarlas mediciones

Foto 4. Sensor capacitivo


MIC 2003-II-27

Foto 5. Sensor capacitivo

Foto 6. Montaje interno del Sensor


MIC 2003-II-27

Foto 7. Onda producida por el sensor

contribuciÓn al desarrollo del sensor capacitivo

Documents