Galgas

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Índice Introducción  Introducción .................................................................................................................................. ................................................................................................................................. 3 Objetivos  Objetivos ...................................................................................................... ...................................................................................................................................... ................................. 3 Programación de Arduino ......................................................................................................... ......................................................................................................... 3 Simulación y realización del dispositivo .............................................................. .................................................................................... ...................... 3 Marco teórico ............................................................ ............................................................................................................................... ................................................................... 4 1.

Sostenimiento de madera ................................................................................................ madera ................................................................................................ 4

2.

Diseños de sostenimientos.............................................................. sostenimientos............................................................................................... ................................. 4 Cuadro recto  recto .......................................................................................................................... ......................................................................................................................... 4 Cuadros cónicos  cónicos ..................................................................................................................... .................................................................................................................... 4 Cuadro cojo .................................................................... ........................................................................................................................... ....................................................... 4

3.

Clases de terreno  terreno .............................................................................................................. 4 Terreno compacto ......................................................... ................................................................................................................. ........................................................ 4 Terreno fracturado  fracturado ................................................................................................................ 4 Terreno arcilloso:  arcilloso: ................................................................................................................... .................................................................................................................. 5 Terreno suave:  suave: ....................................................................................................................... ...................................................................................................................... 5

4.

Principios de sostenimiento con cuadros de madera ......................................................... 5

5.

Tiempo de vida de la madera  madera ............................................................................................... .............................................................................................. 6 6.

7.

Utilización de placas de arduino ...................................................................................... arduino ...................................................................................... 6 Galgas extensométricas extensométricas  ........................................................................................................ ....................................................................................................... 7

7.1.

Características Características de una galga extensométrica .............................................................. extensométrica .............................................................. 7

Longitud de una galga ............................................................................................................... ............................................................................................................... 7 Concentración del esfuerzo ...................................................................................................... 7 Promediación del esfuerzo........................................................... ........................................................................................................ ............................................. 7 Tratamiento de la señal..................................................... señal............................................................................................................. ........................................................ 8 7.2.

Tipos de galgas:  galgas: ............................................................................................................. ............................................................................................................ 8

Galgas cortas ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. 8 Galgas largas........................................................... .............................................................................................................................. ................................................................... 8 8.

Uso de las galgas extensometricas ................................................................... ...................................................................................... ................... 9

9.

Limitaciones  Limitaciones  .......................................................................................................................... ......................................................................................................................... 9

10.

Ventajas ..................................................................... ............................................................................................................................ ....................................................... 9

11.

Desventajas  Desventajas ..................................................................................................................... .................................................................................................................... 10

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Introducción

En minería subterránea es muy común que parte del sostenimiento pasivo que se instala en las galerías es muy frecuente el uso de madera ya que esta es económica y de fácil acceso con esta se pueden construir cuadros, pack Wood, criben, o simplemente puntales o también conocido como cachacos; una vez que son instalados la mayoría de estos no reciben ningún seguimiento o una simple inspección empírica, por lo cual nuestros trabajo consiste en implementar un sistema que pueda brindarnos información del sostenimiento con madera utilizando que se sensores de presión, el cual nos brindara información del estado de nuestro sostenimiento con madera, después de haber realizado una investigación bibliográfica hemos decidido que el sensor que utilizaremos serán los conocidos como galga extenso métricas del cual describiremos en el marco teórico. Objetivos

Programación de Arduino  Para el procesamiento de información vamos a programar nuestro dispositivo con Arduino ya que esta es una interfaz accesible de programación, así obtendremos la información el cual será registrada en una computadora Simulación y realización del dispositivo  La simulación que buscamos con nuestros dispositivos, se realizara en un marco de madera a escala en el cual instalaremos nuestro sistema.

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Marco teórico 1. Sostenimiento de madera

El sostenimiento con madera tiene por objetivo mantener abiertas las labores mineras durante la explotación, compensando el equilibrio inestable de las masas de roca que soporta. En la mina la mayor parte del sostenimiento se hace con madera tipo pino patula, pino ciprés o eucalipto. En las clavadas principales, cruzadas y niveles de explotación se asegura mediante puertas alemanas cuya densidad depende de las condiciones de inestabilidad del techo. En promedio puede considerarse la instalación de una puerta por cada metro de avance, en los frentes de explotación exp lotación se sostiene con tacos de pino pi no y guadua acompañado de tablas (orillo) usados provisionalmente para mantener segura la explotación, estos se distribuyen aproximadamente un taco por metro cuadrado de techo. 2. Diseños de sostenimientos

Cuadro recto Son usados cuando la mayor presión procede del techo, están compuestos por tres piezas, un sombrero y dos postes, asegurados con bloques y cuñas, en donde los postes forman un ángulo de 90ºcon el sombrero. Cuadros cónicos Son usados cuando la mayor presión procede de los hastíales, la diferencia con los cuadros rectos, solo radica en el hecho de que los cuadros cónicos se reduce la longitud del sombrero, inclinando los postes, de la tal manera de formar un Angulo de 78º a 82º, respecto al piso, quedando el cuadrado de forma trapezoidal. Cuadro cojo Estos están compuestos por solo un poste y un sombrero, se utilizan en vetas angostas menores de 3 m de potencia, su uso permite ganar espacio de trabajo pueden ser verticales o inclinados, según el buzamiento de la estructura mineralizada, estos cuadros deben adecuarse a la forma de la excavación para que cada elemento trabaje de acuerdo a las  presiones ejercidas por p or el terreno 3. Clases de terreno

El conocimiento de las diversas clases de terrenos es fundamental para el enmaderado a fin de terminar la necesidad de sostenimiento de las labores. Desde un punto de vista  práctico podemos dividir divid ir los terrenos en cuatro clases. cl ases. Terreno compacto Es el formado por cristales o por partículas bien cementadas Terreno fracturado Muestra una serie de planos paralelos de discontinuidades como los planos de estratificación en la roca sedimentaria

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Terreno arcilloso: Constituido por rocas casi elásticas que se deforman bajo la presión Terreno suave: El cual está formado por fragmentos gruesos o finos o una mezcla de ambos tamaños

4. Principios de sostenimiento con cuadros de madera

Las estructuras deben ser colocada lo más cerca posible al frente para permitir solo el mínimo reajuste de terreno antes de dicha colocación. Ella debe ser rígida para que el reajuste que se produce después de la colocación sea reducido al mínimo. La estructura debe estar constituidas por pieza fácil de construcción manipuleo e instalación. Las partes de la estructura que han de recibir las presiones o choques más fuertes deben tener tales características y ubicación que trabajen con el menor efecto sobre la estructura  principal misma. Ellas deben interferir lo menos posible a la ventilación y no estar sujetos a riesgos de incendio. Su costo debe de ser tan bajo como lo permita su buen rendimiento

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5. Tiempo de vida de la madera

La madera es el material más barato que puede utilizarse. En la mayoría de casos es satisfactorio; desde el punto de vista de su resistencia, pero su corta duración es la característica desfavorable. La duración de la madera en la mina es muy variable, pues depende d epende de las condiciones condicion es en que trabaje, por ejemplo:     

La madera seca; dura más. La madera descortezada, dura más que aquella que conserve la corteza. La madera “curada” (tratada con productos químicos para evitar su descomposición) dura más que la que no ha sido tratada. La madera en una zona bien ventilada dura más que en una zona húmeda y caliente. Puede estimarse que la madera tiene una vida que fluctúa entre uno o tres años

6. Utilización de placas de arduino

Arduino puede “sentir” el entorno mediante la recepción de entradas desde una variedad de sensores y puede afectar a su alrededor mediante el control de luces, motores y otros artefactos. El microcontrolador micro controlador de la placa se programa usando el “Arduino Programming Language”  (basado en Wiring) y el “Arduino Development Environment”   (basado en Processing). Los proyectos de Arduino pueden ser autónomos o se pueden comunicar con software en ejecución en un ordenador (por ejemplo con Flash, Processing, MaxMSP, etc.). Las placas se pueden ensamblar a mano o encargarlas pre ensambladas; el software se  puede descargar gratuitamente. Los diseños de referencia referen cia del d el hardware hardwar e (archivos (arch ivos CAD) están disponibles bajo licencia open-source, por lo que eres libre de adaptarlas a tus necesidades. Arduino recibió una mención honorífica en la sección Digital Communities del Ars Electronica Prix en 2006.

Ventajas: 

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Barato: Las placas Arduino son relativamente baratas comparadas comparad as con otras  plataformas microcontroladoras. microcontrol adoras. La versión menos cara del módulo Arduino  puede ser ensamblada a mano, e incluso los módulos de Arduino pre ensamblados cuestan menos de 50$. Multiplataforma: El software de Arduino se ejecuta en sistemas operativos ope rativos Windows, Macintosh OSX y GNU/Linux. La mayoría mayorí a de d e los lo s sistemas microcontroladores están limitados a Windows. Entorno de programación simple y claro: El entorno de programación de Arduino es fácil de usar para principiantes, pero suficientemente flexible para que usuarios avanzados puedan aprovecharlo también. Para profesores, está convenientemente  basado en el entorno de programación Processing, de manera que estudiantes aprendiendo a programar en ese entorno estarán familiarizados con el aspecto y la imagen de Arduino. Código abierto y software extensible: El software Arduino está publicado como herramientas de código abierto, abi erto, disponible para extensión extensió n por programadores 6

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experimentados. El lenguaje puede ser expandido mediante librerias C++, y la gente que quiera entender ent ender los detalles técnicos pueden hacer el salto desde desd e Arduino a la programación en lenguaje AVR C en el cual está basado. De forma similar, puedes añadir código AVR-C directamente en tus programas Arduino si quieres. Código abierto y h hardware ardware extensible: El Arduino Ardu ino está basado en microcontroladores ATMEGA8 y ATMEGA168 de Atmel. Los planos para los módulos están publicados p ublicados bajo licencia li cencia Creative Commons, por p or lo que diseñadores experimentados ex perimentados de circuitos circuito s pueden hacer hace r su propia versión del módulo, extendiéndolo y mejorándolo. Incluso usuarios relativamente inexpertos  pueden construir la versión de la placa del módulo para entender cómo funciona y ahorrar dinero.

7. Galgas extensométricas

Para realizar nuestro dispositivo haremos usa de sensores conocidos como extensómetros o galgas extensometricas. Se tratan de sensores que miden la deformación, presión o cargas basándose en el efecto piezorresistivo, que es la propiedad que tienen ciertos materiales de cambiar el valor nominal de su resistencia cuando se les somete a ciertos esfuerzos y se deforman en los ejes mecánicos. 7.1.Características de una galga extensométrica

Longitud de una galga Corresponde a la región activa sensible al esfuerzo de una galga. Los codos y las almohadillas de soldadura no se consideran consid eran sensibles a los esfuerzos, debido a que poseen una gran sección transversal ya que tienen una baja resistencia eléctrica para poder satisfacerlas necesidades o requerimientos de análisis de los esfuerzos. Podemos encontrar longitudes que van desde los 0.2 mm hasta los 100mm. Concentración del esfuerzo Uno de los factores más importantes para determinar un óptimo rendimiento rendimie nto de una galga extensométrica es su longitud. Por ejemplo, cuando se desea determinar las medidas de esfuerzo sobre alguna pieza o estructura crítica de una máquina, estas medidas se deben realizar en las partes donde se concentran los mayores esfuerzos. Que generalmente son aquellas que poseen un mayor grado de fatiga. Promediación del esfuerzo Unas de las aplicaciones de las galgas extensión métricas largas es la capacidad de poder determinar los esfuerzos en materiales no homogéneos. Tomando como ejemplo el concreto, en el que podemos encontrar una mezcla de agregados, generalmente piedra, y cemento; cuando medimos los esfuerzos sobre un material de este tipo es aconsejable utilizar una galga lo suficientemente larga como para abarcar varias piezas de agregado, con el fin de tomar una muestra representativa de los esfuerzos que se estén generando sobre la estructura. Lo que se busca en este tipo de mediciones son los promedios y no los puntos máximos de esfuerzo generados en la interfaz agregado-cemento. Cuando se 7

desee medir los esfuerzos en este tipo de estructuras no homogéneas, la longitud de la galga debe ser mayor que la longitud de las partículas del material no homogéneo. Tratamiento de la señal Para tratar la variación de voltaje, se utiliza un puente de Wheatstone, que está formado  por cuatro resistencias unidas en un círculo cerrado, y una de ellas es la resistencia resis tencia bajo medida. El puente de Wheatstone puede operar en corriente continua y alterna,  permitiendo las medidas de diferentes resistencias. La sensibilidad de este elemento depende de cómo está compuesto. De esta manera, es posible medir resistencias desconocidas mediante el equilibrio de los brazos del puente. Sin embargo, este método puede tener ciertos errores en su medición, debido a aspectos como los siguientes: 

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sensibilidad insuficiente; los cambios en la temperatura afectan las resistencias y pueden generar cambios  bruscos en los valores de d e las resistencias.

La forma más común para obtener una señal eléctrica como resultado de una medida utilizando el puente de Wheatstone es mediante el método de deflexión. Este método, en vez de valorar el equilibrio del puente, lo que hace es medir la diferencia de tensión entre ambas ramas o la corriente a través de un detector colocado en el brazo central. Para poder utilizar el puente de Wheatstone con las galgas hay que tener ciertos aspectos en cuenta, como, por ejemplo, el cableado del puente. Muchas veces, la galga y el puente no se encuentran situados en un mismo lugar: por lo tanto, las resistencias y los cambios de temperatura de los cables pueden afectar los resultados arrojados. Para evitar esto es necesario equilibrar y calibrar el puente. Este procedimiento consiste en que no puede haber tensión a la salida del puente y debe hacerse la calibración adecuadamente, comprobando que el puente de Wheatstone está arrojando correctamente los resultados. 7.2.Tipos de galgas:

Galgas cortas Las galgas extensiométricas cuya longitud se encuentra alrededor de los 3 mm. tienden a experimentar un rendimiento un tanto degradado, especialmente lo que tiene que ver con respecto a su máxima elongación, a su estabilidad bajo condiciones de esfuerzo estático y en cuanto a su durabilidad cuando están sometidas a esfuerzos cíclicos alternativos. Cuando cualquiera de estas condiciones hace que se vea disminuida la precisión de la medición en mayor medida que el promedio del esfuerzo, es necesario utilizar una galga de mayor longitud. Galgas largas Cuando es necesario utilizar este tipo de galgas, vale la pena mencionar algunas ventajas que se pueden obtener con su uso: Su manipulación es mucho más fácil y hace que su instalación inst alación y cableado sea mucho más rápido que el de las galgas pequeñas. Las galgas largas tienen un mayor factor de disipación de calor, porque debido a su resistencia nominal tienen menor potencia por unidad de área de grilla. 8

Todas estas consideraciones pueden ser muy importantes al realizar trabajos con materiales plásticos o algún otro tipo de material que posea una disipación de calor baja. 8. Uso de las galgas extensometricas

Las galgas se utilizan para la medición electrónica de diferentes magnitudes mecánicas tales como la presión, la carga, la deformación, el torque, entre otras. Estas mediciones  pueden catalogarse cat alogarse en mixtas, mix tas, dinámicas y estáticas. Las mixtas se usan para elementos element os sometidos a cargas que están variando, las dinámicas a elementos que vibran o son impactados y las estáticas, como su mismo nombre indica, son elementos sometidos a cargas que no están en movimiento. Antiguamente se usaban las galgas metálicas y su estructura era de metal. En la actualidad actualid ad es más común usar las galgas semiconductoras, porque tienen la capacidad de soportar mayor resistencia, sobre todo porque este tipo de galga posee una mejor sensibilidad al compararlas con las metálicas, aunque estas últimas tienen menor sensibilidad térmica. Los precios varían según los materiales que qu e se desean usar ya que la obtención de algunos alguno s es muy complicada. Este sistema de medición es muy usado en construcción para ver los asentamientos que tiene el hormigón al siguiente mes de ser construido. También se utiliza para hacer un seguimiento a la deformación que pueda sufrir un puente pu ente y así evitar que llegue al colapso sin notar el problema.

9. Limitaciones   

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El esfuerzo aplicado no debe llevar a la galga fuera del margen elástico o también llamado esfuerzo de fluencia. La deformación de la galga. El incremento en la galga debe ser se r en la misma dirección al del soporte sopo rte para evitar tensiones opuestas en lo que alineación de la galga se refiere, ya que mide en una sola dirección. La galga solo proporciona los datos para las direcciones hacia las cuales se diseñó la galga. Si se quiere medir en direcciones perpendiculares, se puede poner otra galga igual a 90° de la inicial y, por lo tanto, una sola galga puede medir únicamente una dirección.

10. Ventajas     

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Pequeño tamaño. Pueden alimentarse con corriente continua o con corriente alterna. Tienen una excelente respuesta en frecuencia. Son simples y adecuada en medidas estáticas y dinámicas 6 Compensación de temperatura relativamente fácil, al instalar dos galgas idénticas en brazos adyacentes elimina los efectos de temperatura en la galga medidora, ya que, al tener dos galgas, si se mide la diferencia de resistencia entre ambas, se descuenta con ello el efecto de la temperatura.  No se ven influidas por los lo s campos magnéticos. 9

11. Desventajas         

La señal de salida es débil. Pequeño movimiento de la galga. Se ven afectadas por muchos factores de variación, en condiciones ambientales. La galga es ultrasensible a las vibraciones Con el tiempo, la galga puede perder adhesión al espécimen de prueba. Para umbrales pequeños, la técnica de construcción es cara. Los cambios en la temperatura pueden afectar la resistencia. Son afectadas por la presencia de ruido térmico que establece un mínimo para la variación de resistencia detectable. Son poco estables.

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