El sensor de masa es el componente de un sistema WIM que más tiende a sufrir desperfectos, por lo que al analizar los costos de un sistema WIM el ciclo de vida de este componente es uno de los elementos que más se debe tener en cuenta. Según los vendedores de sistemas WIM el ciclo de vida de un sensor de masa es de 3 a 12 años. [1]
En el diseño de dispositivos de pesaje dinámico se han aplicado mecanismos que sufren un cambio cuantificable en sus propiedades mecánicas, eléctricas, magnéticas u ópticas, entre otras, cuando son sometidos a un esfuerzo mecánico. Las tecnologías de sensado en sistemas WIM que se están utilizando actualmente son los sensores piezoeléctricos, placas flexibles, celdas de carga y Pad Capacitivo. La fibra óptica es una de las nuevas tecnologías que se investigan como posible alternativa de sensado, por su bajo costo, alta precisión e inmunidad a la interferencia electromagnética y la temperatura.
5.1 Sensores actualmente usados:
5.1.1 Placa Flexible.
Esta tecnología incorpora acero y caucho conformando una placa a la cual se le adhiere galgas extensiométricas. Las galgas en una placa flexible son usualmente fijadas permanentemente y se comportan como una sola pieza con la placa. Las galgas extensiométricas desarrollan una señal de esfuerzo proporcional a la deflexión de la placa bajo el eje de un vehículo. La señal de esfuerzo es amplificada y procesada para proporcionar el peso del eje del vehículo. [1]
Figura 5.1.1 Placa Flexible con
galgas extensiométricas.
galgas extensiométricas.
En cuanto a la instalación de este elemento, existen dos formas distintas de hacerlo, dependiendo del material en el que está construida la vía. Si la vía está construida en concreto se debe hacer una excavación pequeña en la superficie de la carretera, mientras que en el asfalto u hormigón es necesaria la construcción de una loza de concreto en la cual se monta el sistema. Los costos de instalación son inferiores a la mitad del costo de instalación de las celdas de carga, en cualquiera de las superficies (alrededor de US$21,500) y necesita un presupuesto anual aproximado de $6,400 para su mantenimiento.
La precisión esperada es de un 10% en el 95% de los casos durante su vida útil, que es de 6 años. Ver tabla 2.5.1.1. [5]
5.1.2 Celda de Carga.
Este dispositivo está compuesto por dos plataformas puestas una junto a la otra, cada una con una celda de carga hidráulica empotrada en la parte media. La celda es comprimida lo cual genera variaciones de voltaje proporcionales a las variaciones de peso sobre ella; usualmente la celda de carga está acompañada de dos lazos inductivos y un sensor de espaciamiento y tamaño de ejes.
Para la instalación del dispositivo es necesario cavar una bóveda del doble del tamaño de la celda de carga en el pavimento, lo cual eleva los costos haciéndolo uno de los sistemas más costosos (alrededor de US$48,700). La ventaja fundamental es que la vida útil es de 12 años. Los costos de mantenimiento son de $8,300 por año.
Para este tipo de sistemas se espera que la precisión sea de un 6% en el 95% de las mediciones. Ver tabla 2.5.1.1.
Figura 5.1.2 Celda de Carga.
5.1.3 Cable Piezoeléctrico.
El cable piezoeléctrico es usualmente montado en un canal de aluminio en forma de U colocado sobre la superficie de la carretera. El paso del eje de un vehículo sobre el cable crea una forma de onda de corriente que es proporcional a la masa del vehículo. la piezoelectricidad es presentada por cierto tipo de cristales que al ser sometidos a tensiones mecánicas adquieren una polarización eléctrica en su masa, apareciendo una diferencia de potencial y cargas eléctricas en su superficie. [1]
La instalación en la vía de estos dispositivos de sensado es muy sencilla debido a la pequeña magnitud de la obra civil necesaria, comparada con la requerida por los otros tipos de sensores. Lo anterior hace que la instalación de este tipo de sistemas tenga un costo inferior al de sensores como las placas flexibles y las celdas de carga (alrededor de US$9000), el costo por año de la operación de este sistema esta avaluado en US$4,750 aunque este precio varía dependiendo del lugar donde se instale.
Se espera que estos sistemas tengan una precisión de un 15% en el 95% de las medidas, aunque el error aumenta a medida que su vida útil disminuye; su vida útil está estimada en 4 años. Ver tabla 5.1.1.
Figura 5.1.3. Sensor piezoeléctrico de cuarzo.
Actualmente hay una nueva invención en este campo. La empresa inglesa Kistler Instruments Corporation desarrolló un sensor basado en cuarzo; el cuarzo es el material más cercano al transductor perfecto, con una impecable salida lineal y estable ante el cambio de la temperatura. Sin embargo, su sensibilidad es hacia cargas verticales solamente, no es sensible a presiones en otras direcciones, lo cual lo limita para implementaciones en medición de peso dinámico a altas velocidades.
Cable Piezoeléctrico | Placa Flexible | Celda de Carga. | |
Exactitud (%) | +/- 15 | +/- 10 | +/- 6 |
Ciclo de vida (Años) | 4 | 6 | 12 |
Costos de instalación | 9,000 | 21,500 | 48,700 |
Costos anuales de mantenimiento (US$) | 4,750 | 6,400 | 8,300 |
Tabla 5.1.1 Comparación entre los tres tipos de sensores más usados.
5.1.4 Pad Capacitivo.
El pad capacitivo es un dispositivo esférico de caucho y acero, el cual está hecho con tres hojas de acero, separadas por un material dieléctrico, usualmente caucho suave. La compresión del pad bajo el eje de un vehículo produce un incremento en la capacitancia, el cual es interpretado para obtener una medición de peso. [1]
Figura 2.5.1.4 Pad capacitivos
5.2 Sensores en Investigación:
5.2.1 Fibra Óptica
La fibra óptica como sensor en medición de peso dinámico es una nueva tendencia, con la fibra se mide la atenuación en la luz recibida, dicha atenuación es producida por el paso del vehículo y es proporcional al peso del vehículo. [6], [7]
La aplicación de fibra óptica en un sistema WIM necesita del uso de una fibra especial (special FTDM dual core optical fiber), la cual es capaz de medir las magnitudes de la fuerza que está siendo aplicada en diferentes puntos de una fibra óptica. Se encontró una relación polinomial de cuarto orden que permite relacionar el radio de la deformación y la luz original que traspasa al ser deformado el material.
Figura 5.2.1 Transductor de fibra óptica
Figura 5.2.2 Fotografías transductor de fibra óptica.
Los resultados obtenidos tienen que ver con la buena relación entre la amplitud de la carga aplicada y los cambios en la señal óptica de salida.
Otro punto importante es la similitud entre los datos obtenidos en laboratorio con una máquina de carga y los obtenidos debido al paso de un vehículo. [8]
5.2.2 Medida de la Resonancia de microondas.
El sensor de microondas WIM, es un sensor activo basado en la teoría de la perturbación de cavidades resonantes por microondas. El sistema consiste de un emisor de microondas (Circuito sintetizador DDS), acoplado al sensor, la señal de retorno es medida para determinar la carga aplicada, este dispositivo muestra una excelente linealidad y una buena precisión de medida. [9]
5.2.3 Piezoeléctrico plástico.
Una nueva invención en el campo de los sensores piezoeléctricos se ha realizado recientemente. La novedad es el desarrollo de un sensor piezoeléctrico plástico y piezoresistivo. Este material se clasifica como un elastómero, este nuevo material plástico piezoeléctrico flexible conocido como polyvinylidenefluoride, es un polímero de alto peso molecular semicristalino. Aún no se han hecho pruebas con estos sensores en un sistema WIM. [10]
Martha gracias por comentar, hicimos este blog como parte de nuestro trabajo de grado para obtener el titulo de ingeniero electronico.
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