2 métodos para la medición de sistemas de puesta a tierra

Te presentamos algunos métodos para realizar la medición de la resistividad del suelo y su interpretación.

Anteriormente hablamos sobre la importancia que tiene el estudio y cálculo de la resistividad del suelo para el diseño de sistemas de tierra. También mencionamos los factores que la determinan como son: sales solubles, composición propia del terreno, estratigrafía, granulometría, estado higrométrico, temperatura y compactación.

En esta ocasión te explicaremos los métodos más utilizados para medir la resistividad del suelo.

1. Método de Wenner

En 1915, el Dr. Frank Wenner del U.S. Bureau of Standards desarrolló este método de prueba y la ecuación que lleva su nombre. Las mediciones de resistividad estarán determinadas por la distancia entre electrodos y la resistividad del terreno, y no por el tamaño y el material de los electrodos, aunque sí dependen de la clase de contacto que se haga con la tierra.

Para medir la resistividad del suelo se insertan los 4 electrodos en el suelo, en línea recta y a una misma distancia entre ellos. El principio básico de este método es la inyección de una corriente directa o de baja frecuencia a través de la tierra entre dos electrodos: C1 y C2, mientras que el potencial que aparece se mide entre dos electrodos: P1 y P2. Estos electrodos están enterrados a una misma profundidad de penetración. La razón V/I es conocida como la resistencia aparente del terreno, que es una función de esta resistencia y de la geometría del electrodo.

En la figura anterior se observa esquemáticamente la disposición de los electrodos, en donde la corriente se inyecta a través de los electrodos exteriores y el potencial se mide a través de los electrodos interiores.

La resistividad está dada por la siguiente expresión:

Donde
p: Resistividad promedio a la profundidad (A) en ohm-m
A: Distancia entre electrodos en metros
B: Profundidad de enterrado de los electrodos en metros
R: Lectura del terrómetro en ohms

Si la distancia enterrada (B) es pequeña comparada con la distancia de separación entre electrodos (A). O sea A > 20B, la siguiente fórmula simplificada se puede aplicar:

La resistividad obtenida como resultado de las ecuaciones representa la resistividad promedio de un hemisferio de terreno en un radio igual a la separación de los electrodos.

Por ejemplo, si la distancia entre electrodos A es de 3 metros, B es 0.15 m y la lectura del instrumento es de 0.43 ohms, la resistividad promedio del terreno a una profundidad de 3 metros es de 8.141 ohm-m según la fórmula completa, y de 8.105 ohms-m siguiendo la fórmula simplificada.

Se insiste en que se tomen lecturas en diferentes lugares y a 90 grados unas de otras para evitar la posible afectación por estructuras metálicas subterráneas. Con las lecturas obtenidas se calcula el promedio.

2. Método de Schlumberger

El método de Schlumberger es una modificación del método de Wenner, ya que también emplea 4 electrodos, pero en este caso la separación entre los electrodos centrales o de potencial (a) se mantiene constante, y las mediciones se realizan variando la distancia de los electrodos exteriores a partir de los electrodos interiores, a distancia múltiplos (na) de la separación base de los electrodos internos (a).

La configuración, así como la expresión de la resistividad correspondiente a este método de medición se muestra en la siguiente imagen.

Este método es de gran utilidad cuando requieres conocer las resistividades de capas más profundas, sin necesidad de realizar muchas mediciones. Se utiliza también cuando los aparatos de medición son poco inteligentes. Solamente se recomienda hacer mediciones a 90 grados para que no resulten  afectadas las lecturas por estructuras subterráneas.

El siguiente vídeo describe la forma de realizar la medición de la resistividad de un terreno:

Ver también: 7 factores que determinan la resistividad del suelo

Perfil de resistividad

La gráfica resultante de trazar el promedio de las mediciones de resistividad (R) contra distancia entre electrodos (a) se denomina perfil de resistividad aparente del terreno.

Para obtener el perfil de resistividad en un punto dado, casi siempre se utiliza el Método de Wenner con espaciamientos entre  electrodos de prueba cada vez mayores. Por lo general, para cada espaciamiento se toman dos lecturas de resistividad en direcciones perpendiculares entre sí.

Ejemplos de perfiles de resistividad

Capa superficial arcillosa y húmeda, capa inferior rocosa. Perfil de resistividad ascendente. Lugar: Parte norte de la zona urbana de León, Guanajuato. Para simular su comportamiento se requiere por lo menos utilizar los valores de 2 capas.

Capa superficial muy seca, capa inferior arenosa. Perfil de resistividad descendente. Lugar: Zona urbana de Aguascalientes, Ags. Para simular su comportamiento se requiere por lo menos utilizar
los valores de 2 capas.

Terreno rocoso y seco. Perfil de resistividad plano. Lugar: Zona del cerro de la Bufa en Zacatecas, Zacatecas. Para simular su comportamiento se puede utilizar la resistividad promedio.

Terreno arcilloso, superficie seca. Perfil de resistividad descendente. Lugar: Zona urbana cerca del Río Silao en Irapuato, Gto. Para simular su comportamiento se usa el modelo de 2 capas.

Para obtener una resistencia de puesta a tierra adecuada en terrenos con resistividad elevada, se recomienda utilir electrodos especiales para terrenos de baja conductividad, electrodos profundos o bien anillos conductores perimetrales.

7 factores que determinan la resistividad del suelo

Uno de los factores más importantes a considerar en el diseño de sistemas de tierra es la llamada resistividad del suelo, ya que es requisito conocerla para calcular y diseñar la puesta a tierra.

La resistividad del suelo es la propiedad que tiene éste para conducir electricidad, también conocida como resistencia específica del terreno. En su medición, se promedian los efectos de las diferentes capas que componen el terreno bajo estudio, ya que éstos no suelen ser uniformes en cuanto a su composición, obteniéndose lo que se denomina Resistividad Aparente, que para el interés de este artículo será conocida simplemente como Resistividad del Terreno.

En la NOM-022-STPS se define el término resistividad como la resistencia que ofrece al paso de la corriente un cubo de terreno de un metro por lado. De acuerdo con la NOM-008-SCFI su representación dimensional debe estar expresada en Ohm-m, cuya acepción es utilizada internacionalmente.

La Resistividad del Terreno varía ampliamente a lo largo y ancho del globo terrestre, estando determinada por:

1. Sales solubles. La resistividad del suelo es determinada principalmente por su cantidad de electrolitos; esto es, por la cantidad de minerales y sales disueltas. Como ejemplo, para valores de 1% (por peso) de sal común (NaCl) o mayores, la resistividad es prácticamente la misma, pero para valores menores de esa cantidad, la resistividad es muy alta.
   
   
   
   
   
2. Composición propia del terreno. Depende de la naturaleza del mismo. Por ejemplo, el suelo de arcilla normal tiene una resistividad de 40 a 500 Ohm-m por lo que una varilla electrodo enterrada 3 m tendrá una resistencia a tierra de 15 a 200 Ω respectivamente. En cambio, la resistividad de un terreno rocoso es de 5000 Ohm-m o más alta, y tratar de conseguir una resistencia a tierra de unos 100 Ohm o menos con una sola varilla electrodo es virtualmente imposible.
   
   
   
   
   
   
   Ver también: ¿Cuándo se requiere conexión a tierra en los sistemas eléctricos?
   
   
3. Estratigrafía. El terreno obviamente no es uniforme en sus capas. En los 3 m de longitud de una varilla electrodo típica al menos se encuentran dos capas diferentes de suelos. Más adelante
   se mencionarán ejemplos de diferentes perfiles de resistividad donde se muestra ese fenómeno.
   
   
   
   
   
4. Granulometría. La porosidad y el poder retenedor de humedad de los materiales influye en la calidad del contacto del suelo con los electrodos. La resistividad aumenta proporcionalmente a mayor tamaño de los granos de la tierra. Por esta razón la resistividad de la grava es superior a la de la arena y ésta -a su vez- es mayor que la de la arcilla.
   
   
   
   
   
5. Estado higrométrico. El contenido de agua y la humedad influyen en forma apreciable. Su valor varía con el clima, época del año, profundidad y el nivel freático. Como ejemplo, la resistividad del suelo se eleva considerablemente cuando el contenido de humedad se reduce a menos del 15% del peso de éste. Pero, un mayor contenido de humedad del 15% mencionado, causa que la resistividad sea prácticamente constante. Y, puede tenerse el caso de que en tiempo de secas, un terreno puede tener tal resistividad que no pueda ser empleado en el sistema de tierras. Por ello, el sistema debe ser diseñado tomando en cuenta la resistividad en el peor de los casos.
   
   
   
   
   
6. Temperatura. A medida que desciende la temperatura aumenta la resistividad del terreno; el aumento se nota aún más al llegar a 0° C. A mayor cantidad de agua en estado de congelación, el movimiento de los electrolitos es menor, lo cual influye directamente en la resistividad del suelo.
   
   
   
   
   
7. Compactación. La resistividad del terreno disminuye al aumentar la compactación del mismo. Por ello, se procurará siempre colocar los electrodos en los terrenos más compactos posibles.
   
   
   
   
   

George Ohm y la resistencia eléctrica

El 16 de marzo de 1789, nace en Erlangen, al sur de Alemania, el docente, físico y matemático alemán Georg Simon Ohm, conocido por sus estudios en el campo de la corriente eléctrica.

Fue hijo de Johann Wolfgang Ohm, cerrajero de oficio, y de Maria Elizabeth Beck. A pesar de no tener educación formal, su padre era un autodidacta y les dio una excelente educación a partir de sus propias enseñanzas.

Alternó en los años de adolescencia el trabajo con los estudios, en los que demostró preferencia por los de carácter científico. En 1803 empezó a asistir a la Universidad de Erlangen, donde hizo rápidos progresos. Primero enseñó como maestro en Bamberg; pero en 1817 fue nombrado profesor de matemáticas y física en el Instituto de Colonia, que contaba con su propio y bien equipado laboratorio de física.

Una vez instalado allí, Ohm prosiguió sus estudios en matemáticas, leyendo los trabajos de destacados matemáticos franceses de la época. Prosiguió más tarde con trabajos experimentales en el laboratorio de física del colegio.

Usando los resultados de sus experimentos, Ohm fue capaz de definir la relación existente entre las magnitudes presentes en un circuito eléctrico: la tensión eléctrica, la corriente y la resistencia. La descripción de estas relaciones fundamentales, que representa el verdadero comienzo de análisis de circuitos eléctricos y ahora se conoce como la ley de Ohm, apareció en su obra más famosa: un libro publicado en 1827 titulado "El circuito galvánico investigado matemáticamente".

Ver también: Alessandro Volta y la pila eléctrica

En la actualidad, la Ley de Ohm es fundamental para comprender el comportamiento de la electricidad en los circuitos de las instalaciones eléctricas residenciales.

Ohm también concluyó que existen cuatro factores que influyen en la resistencia eléctrica de un conductor: el material de que esté hecho, su longitud, su área transversal y su temperatura.

Sus trabajos fueron recompensados con la “Medalla Copley” de la Royal Society de Londres. También recibió el reconocimiento de varias academias, entre ellas las de Turín y Berlín, que lo nombraron miembro electo. En 1845 era ya miembro activo y formal de la Bayerische Akademie.

En 1849 Ohm aceptó un puesto en Múnich como conservador del gabinete de Física de la Bayerische Akademie y dictó numerosas conferencias en la Universidad de Múnich. En 1852 alcanzó la ambición de toda su vida: fue designado profesor titular de la cátedra de física de la Universidad de Múnich.

Georg Simon Ohm falleció el 6 de julio de 1854 en Múnich, Baviera, actual Alemania.

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