Las mediciones de la resistividad del suelo constituyen la base de cualquier estudio de puesta a tierra y, por consiguiente, son de una importancia capital.

Se llevan a cabo inyectando corriente a tierra entre dos electrodos externos y midiendo la tensión resultante entre dos electrodos de sondeo de potencial ubicados a lo largo de una línea recta entre los electrodos de inyección de corriente. Cuando la corriente adyacente y los electrodos de sondeo de potencial se encuentran cercanos, la resistividad del suelo medida es un indicativo de las características del suelo de la superficie local. Cuando los electrodos se encuentran lejanos entre sí, la resistividad del suelo medida es un indicativo de las características del suelo profundo promedio a través de un área mucho más grande.

En principio, las mediciones de la resistividad del suelo se deben efectuar a espaciamientos (entre la corriente adyacente y los electrodos de sondeo de potencial) que son al menos del mismo orden que la extensión máxima del sistema de puesta a tierra (o sistemas) en estudio, aunque es preferible extender los perfiles de medición de tales mediciones a varias veces las dimensiones máximas del sistema de puesta a tierra, en la medida de lo posible. Con frecuencia, se encontrará que el espaciamiento máximo entre electrodos se gobierna por otras consideraciones, tales como la extensión máxima de terreno disponible que está libre de conductores desnudos enterrados fuente de interferencia.

Las hojas de datos (proporcionadas en los paquetes de software de SES) proporcionan espaciamientos entre electrodos que se pueden utilizar, iniciando a espaciamientos cortos entre los electrodos, para obtener información acerca de las capas del suelo superficiales y finalizando a grandes espaciamientos entre los electrodos. Como se puede ver, los espaciamientos entre los electrodos aumentan exponencialmente a fin de abarcar todo el rango de profundidades de medición requeridas tan eficientemente como sea posible.

Precauciones especiales

Ruido de fondo Debido a fuentes cercanas de corriente de 50 o 60 Hz y sus armónicos, es de esperarse ruido eléctrico en dichas frecuencias en los instrumentos, particularmente para grandes espaciamientos entre los electrodos. Los métodos de medición convencionales pueden confundir dicho ruido con la señal de las mediciones, lo que resulta en lecturas aparentes de la resistividad del suelo que pueden ser de un orden de magnitud por encima de los valores reales. Esto hace patente la necesidad de un equipo que utilice una frecuencia de señal distinta a 50 o 60 Hz y sus armónicos y que pueda discriminar eficientemente entre el filtro de la señal y el ruido. Un evaluador de la resistividad del suelo como el SYSCAL Junior o el R1 Plus (este último se recomienda fuertemente cuando se esperan muy grandes espaciamientos entre los electrodos o una alta resistividad de la superficie del material), fabricado por Iris Instruments (Orleans, Francia) o el medidor de la resistividad del suelo y de polarización inducida (IP, por su sigla en inglés) SuperSting R1 IP con memoria de un solo canal fabricado por Advanced Geosciences, Inc. de Austin, Texas, Estados Unidos, logra dicha función. Ambos equipos pueden medir con precisión la señal de baja frecuencia, incluso cuando el ruido de fondo de 50 o 60 Hz es miles de veces mayor en magnitud. En lo sucesivo, nos referiremos al medidor de la resistividad SYSCAL. Sin embargo, el medidor SuperSting también posee capacidades equivalentes. Algunos medidores de resistividad de alta gama fabricados por otras organizaciones en diversos países pueden poseer capacidades similares o mejores. Compare tales productos antes de seleccionar el equipo que mejor se ajuste a sus necesidades y presupuesto.

Acoplamiento interconductores. Otro problema que se puede presentar a grandes espaciamientos entre electrodos, particularmente cuando las resistividades aparentes son de bajas a moderadas, es el acoplamiento de campo magnético entre los conductores de inyección de corriente y los conductores de medición de la tensión. Dicho acoplamiento induce ruido a ciertas frecuencias como la señal en la tensión medida y amplifica la resistividad medida. Mientras que ciertos equipos pueden detectar el desplazamiento de fase resultante en la tensión medida y llevar a cabo una corrección parcial, otros no lo pueden realizar. Un evaluador de la resistividad del suelo de última generación evita dicho problema utilizando una muy baja frecuencia en la señal (a partir de 500 hasta 2 000 pulsos de onda cuadrada por milisegundo, siendo 2 000 milisegundos el parámetro preferido), lo que genera un acoplamiento de campo magnético insignificante.

Influencia de estructuras metálicas enterradas desnudas. Las estructuras metálicas desnudas (incluyendo metales recubiertos de concreto) de una longitud significativa enterradas cerca del perfil de medición pueden distorsionar las resistividades de tierra medidas. Cuando un perfil de medición se ubica paralelamente a una larga estructura de este tipo, se puede presentar un error significativo cuando el espacio libre entre el perfil de medición y la estructura es del mismo orden que el espaciamiento entre electrodos. El error aumenta a medida que el espaciamiento entre electrodos crece en comparación con el espacio libre. Un efecto similar se observa cuando los electrodos se ubican cerca de sistemas de puesta a tierra relativamente pequeños, los cuales se interconectan por medio de hilos aéreos. Por regla general, a fin de evitar errores significativos, no debe haber estructuras metálicas desnudas de tamaño significativo enterradas dentro de un radio r de ningún electrodo de medición, en donde r es el espaciamiento entre los electrodos de inyección de corriente y los de sondeo de potencial. Cuando el perfil de medición se ubica perpendicular a una estructura metálica enterrada sin cruzarla, el espacio libre que se requiere no tiene que ser tan amplio. El modelado por computadora de la estructura enterrada y de los electrodos de medición puede proporcionar un estimativo del error de medición a esperar para diferentes tipos de estructura de suelo.

Señal débil. Una señal de medición débil puede resultar de una fuente de baja potencia, una fuente de baja tensión o una alta resistencia de contacto de uno o de los dos electrodos de inyección de corriente. El problema se presenta con mayor frecuencia cuando se entierran electrodos en suelos cuya superficie presenta una alta resistividad o cuando el espaciamiento entre electrodos se vuelve grande (la intensidad de la señal es inversamente proporcional al espaciamiento entre los electrodos para el método de Wenner de 4 electrodos, e inversamente proporcional al cuadrado del espaciamiento entre los electrodos para el método de Schlumberger de 4 electrodos, siendo todas las otras cosas iguales). La utilización de una poderosa fuente de alta tensión es la primera consideración obvia para evitar este tipo de problema. Incluso con una buena fuente, sin embargo, la resistencia de contacto puede volverse fácilmente un problema en suelos con alta resistividad a espaciamientos mayores entre electrodos. La solución en tal caso es la enterrar los electrodos de inyección de corriente tan profundamente como sea posible y humedecer el suelo alrededor de dichos electrodos con agua salada: dicho proceso se debe llevar a cabo únicamente para espaciamientos mayores entre los electrodos. Si es necesario, se pueden enterrar múltiples varillas en la tierra y conectarlas unas con otras para constituir un electrodo más largo de menor impedancia. En roca sólida o en roca con una capa de suelo superficial sobre ella, los electrodos se pueden ubicar horizontalmente sobre la roca y cubrirlos con un material conductivo como tierra humedecida con agua salada. Si la roca se encuentra altamente localizada, entonces la posición de los electrodos se puede alterar (y notar) para evitar la roca; el software de interpretación, como el módulo RESAP del paquete de software CDEGS tendrá en cuenta este aspecto.

Diversos evaluadores de la resistividad del suelo proporcionan una fuente de alta tensión y de alta potencia en comparación con muchos otros modelos disponibles en el mercado: su tensión de salida varía entre los 50 y los 400 V o mayores y su potencia de salida puede alcanzar entre los 50 y 250 W (dependiendo del modelo).

Una señal débil se puede detectar examinando las magnitudes de la tensión de la señal medida y la corriente inyectada; además, verificando la consistencia de las lecturas. Tales evaluadores pueden proporcionar lecturas razonablemente precisas para corrientes de inyección bajas de aproximadamente 1 mA (es preferible un mínimo de 5 mA) y tensiones de señal del orden de 1 mV en presencia de ruido de 50 o 60 Hz, el cual es 4 389 veces mayor en magnitud. Por otra parte, el ruido de fondo de muy baja frecuencia puede requerir una señal más fuerte para obtener una buena precisión. Dicha necesidad se puede detectar por medio del valor de la desviación estándar u otros indicadores de calidad reportados por el dispositivo de medición puesto que efectúa una serie de lecturas con una onda cuadrada de polaridad alterna. Cuando el indicador de calidad es igual a 0 al final de la serie de lecturas, la medición se considera confiable; de lo contrario, se debe buscar una señal más fuerte. Una serie de aproximadamente 10 ciclos se debe seleccionar para cada medición. Además, debe observarse un indicador de calidad al momento en el que se efectúen las mediciones: si la cadena “***” aparece durante las lecturas, la medición debe rechazarse. Esto es usualmente un indicativo de que uno de los conductores de inyección de corriente se desconectó. Una precaución adicional es la de leer la resistividad en dos corrientes de inyección diferentes, en la medida de lo posible. Si dichas lecturas son consistentes, entonces la lectura es buena. Se debe utilizar una tabla de datos por parte del operador del instrumento para asegurar que dichos valores importantes se graben apropiadamente.

Lecturas erráticas. Lecturas erráticas pueden ocurrir debido a pobres conexiones o a alta resistencia de contacto, ruido de fondo a una frecuencia similar a la utilizada por el equipo de medición, estructuras metálicas cercanas enterradas, fallas en el equipo, error del operador y otros factores. Las resistividades medidas se deben graficar en papel logarítmico en las pruebas de campo a fin de detectar mediciones irregulares y, de este modo, se puedan llevar a cabo las medidas correctivas inmediatamente. La resistividad se debe graficar versus el espaciamiento entre electrodos: se espera una suave curva. Cambios bruscos sugieren la necesidad de revisar la configuración del equipo, repetir las mediciones y llevar mediciones adicionales a espaciamientos más cortos y más largos entre los electrodos que se encuentren cerca de aquel que sea problemático.

Magnitud de tensión excesiva. Ciertos medidores de resistividad requieren una tensión de entrada (incluyendo tanto la señal como el ruido) de menos de 5 V para proporcionar una lectura. Una tensión que exceda los 5 V puede ocurrir cuando el ruido de fondo es excesivo: en tal caso, la tensión de entrada se debe reducir utilizando un circuito divisor de tensión (por ejemplo, la tensión a partir de dos electrodos interiores de sondeo de potencial se aplica a una resistencia de 100 kV en serie con una resistencia de 1 MV y la tensión a través de la resistencia de 100 kV se mide por medio de los terminales del medidor de resistividad, lo que resulta en una reducción de la tensión de 90.9%). Una tensión excesiva también puede ocurrir en espaciamientos cortos entre los electrodos debido a una intensidad excesiva de la señal. En dicho caso, se puede reducir la tensión reduciendo el parámetro de la tensión fuente o disminuyendo la profundidad del electrodo de corriente.

Tenga en cuenta que la profundidad de los electrodos de inyección de corriente nunca debe exceder el 33% del espaciamiento entre los electrodos de inyección de corriente y de sondeo de potencial adyacentes; los electrodos interiores de medición del potencial se deben enterrar a profundidades incluso más superficiales. Este procedimiento mejora la precisión de las mediciones a espaciamientos cortos entre los electrodos.

Detalles de las mediciones

Los electrodos de inyección de corriente se conectan a los terminales del dispositivo de medición de inyección de corriente (etiquetados “A” y “B” o C1 y C2) y los electrodos de sondeo de potencial se conectan a los terminales de sondeo de potencial (etiquetados “M” y “N” o P1 y P2). El espaciamiento entre electrodos se teclea y se lanza el proceso de mediciones. El dispositivo graba y promedia la cantidad de lecturas que el usuario establezca para que el dispositivo lleve a cabo (por ejemplo, aproximadamente 6).

Las mediciones se efectúan a lo largo de los perfiles de medición determinados en conjunto con SES (proporcionadas en un documento aparte). Es importante que el espaciamiento máximo entre los dos electrodos de inyección de corriente a lo largo del perfil de medición más largo sea al menos igual a tres veces la extensión del sistema de puesta a tierra que se diseñe, como mínimo, si ello se puede lograr sin interferencia de estructuras metálicas cercanas enterradas.

Método de Schlumberger

Las mediciones se efectúan con base en el método de Schlumberger de 4 electrodos, tomando las precauciones descritas en el presente documento. Los electrodos de sondeo de potencial P1 y P2 se deben instalar en el centro del perfil de medición, inicialmente separados a 1.0 m de distancia. Los electrodos de inyección de corriente C1 y C2 se deben enterrar en la tierra a distancias progresivamente mayores a partir de los electrodos de sondeo de potencial respectivos, iniciando a 0.10 m a partir del electrodo de sondeo de potencial más cercano e incrementando dicha distancia hasta el espaciamiento máximo entre los electrodos especificado por SES para cada uno de los perfiles de medición. El “espaciamiento máximo entre electrodos” indicado para cualquier perfil de medición es la distancia máxima entre cada electrodo de sondeo de potencial y su electrodo de inyección de corriente adyacente. La distancia de separación entre los electrodos interiores de sondeo de potencial permanece a 1.0 m para las primeras pocas mediciones. Luego, aumentar lo que sea necesario para obtener una señal de medición lo suficientemente fuerte (es decir, al menos entre 1 y 10 mV, en la medida de lo posible, y un valor del indicador de calidad de 0). Tenga en cuenta que antes de incrementar el espaciamiento entre los electrodos de sondeo de potencial, se deben llevar a cabo todos los intentos prácticos a fin de mejorar la resistencia de contacto de los electrodos externos de inyección de corriente. Ello se puede lograr enterrándolos más profundamente, utilizando grupos de varillas en los espaciamientos más grandes o humedeciendo la tierra cercana a los electrodos con agua salada (sin, por supuesto, humedecer la tierra cercana a los electrodos de sondeo de potencial). Asegúrese de que la corriente de inyección sea de 5 mA o más y que la tensión medida de la señal sea de 1 mV o más, si todo ello es posible. Cada vez que el espaciamiento de los electrodos de sondeo de potencial se aumente, repita la medición precedente. Es decir, ubique los electrodos de inyección de corriente a una distancia que los separe de los electrodos de sondeo de potencial durante la medición precedente, para validación.

Método de Wenner (electrodos C1 y C2 fijos): Por un solo lado

Las mediciones se efectúan con base en el método de Wenner modificado de 4 electrodos, tomando las precauciones descritas en el presente documento. El método de prueba elegido aquí da mayor importancia a los potenciales transferidos a partir del electrodo C1 a ubicaciones probadas en la futura área minera y también obvia la necesidad de desplazar el electrodo de prueba C2.

El electrodo C1 se debe instalar en el centro de las futuras instalaciones de la subestación de 260 kV en prueba (existen dos de tales instalaciones de la subestación). El electrodo C2 se debe instalar a 4 km de distancia (las ubicaciones se especifican a continuación). Los electrodos C1 y C2 se deben instalar como si tuvieran una baja resistencia de tierra: deseamos obtener aproximadamente 500 mA o más de flujo de corriente a partir del medidor de la resistividad del suelo cuando se conecte en serie con los dos electrodos. Inicie enterrando 3 varillas de tierra a una profundidad de entre 0.7 y 1.0 m, formando un triángulo espaciadas alrededor de 1.7 m entre sí estando las 3 interconectadas. Entierre las varillas más profundamente y añada varillas si es necesario; también vierta agua salada alrededor de cada una de las varillas, si es necesario, para lograr una resistencia de tierra lo suficientemente baja. Conecte un conductor a partir del terminal “A” del medidor de pruebas al arreglo del electrodo C1 y otro a partir del terminal “B” del medidor al arreglo del electrodo C2. Utilice la función apropiada (Rtest para el medidor SYSCAL) para verificar que la resistencia total del circuito C1-C2 es del orden de los 800 ohmios o menos.

Dicha configuración de los electrodos se debe utilizar para todas las lecturas en las cuales el electrodo P1 sea de 30 m o más a partir del centro del arreglo del electrodo C1. Cuando el electrodo P1 es de menos de 30 m de longitud a partir del electrodo C1, este último se debe reducir a una varilla simple de tierra enterrada a aproximadamente una profundidad de 0.7 m. Para espaciamientos aún más cortos, la profundidad a la cual el electrodo C1 se entierra no debe nunca exceder el 30% de la distancia entre C1 y P1. No es necesario modificar la configuración del electrodo C2: puede permanecer la misma para todos los espaciamientos de los electrodos.

Los electrodos P1 y P2 se instalan entre los electrodos C1 y C2 de tal manera que todos los electrodos permanecen en línea recta. Conecte el electrodo P1 al terminal “M” del evaluador SYSCAL y el electrodo P2 al terminal “N”. Para la primera medición de cada perfil de medición, ubique P1 y P2 de tal manera que las distancias entre electrodos adyacentes (es decir, C1-P1, P1-P2 y P2-C2) sean todas iguales. Se trata del arreglo estándar de Wenner. Después de dicha primer prueba, sin embargo, únicamente los dos electrodos de potencial se desplazan y siempre hacia el electrodo C1. Los espaciamientos C1-P1 y P1-P2 son siempre iguales; de hecho, si no fuera el electrodo C2 el que permanece inmóvil, la prueba sería efectivamente una prueba de Wenner. A partir de cada espaciamiento entre electrodos hacia el siguiente, los espaciamientos C1-P1 y P1-P2 se reducen en 1/3: en otras palabras, multiplique cada espaciamiento entre electrodos por 2/3 a fin de obtener el siguiente espaciamiento entre electrodos más pequeño. El espaciamiento mínimo requerido entre electrodos es de 0.3 m.

Las varillas P1 y P2 (tan solo una varilla o enterrar cada una) deben enterrarse únicamente unas pocas pulgadas de tal manera que se alcance una resistencia de contacto razonable: si el electrodo presenta resistencia cuando se saque de la tierra, entonces se encuentra enterrado a una profundidad adecuada. Para espaciamientos aún más cortos, la profundidad a la cual los electrodos P1 y P2 se entierran no debe nunca exceder el 10% del espaciamiento entre los electrodos.

Para estimar la resistividad aparente, doble el espaciamiento entre C1 y P1, en vez de simplemente el espaciamiento entre C1 y P1 como lo haría para el método estándar de Wenner: es decir, la resistividad aparente es aproximadamente igual a 4 π a R, en donde a es el espaciamiento C1-P1 y R es la resistencia aparente. Si está utilizando el evaluador SYSCAL para efectuar los cálculos de las resistividades aparentes, ingrese siempre dos veces el espaciamiento que esté probando. Ello será válido para la mayor parte de espaciamientos entre electrodos y ciertamente será satisfactorio para el propósito de verificación de los datos en caso de comportamientos erráticos.

Todos los datos indicados en las hojas de datos se grabarán para cada perfil de medición, a partir del espaciamiento mínimo entre electrodos indicado en el formulario hasta un espaciamiento máximo asociado con el perfil de medición (como se indicó en la lista de perfiles de medición requeridos para el presente proyecto).

En cada espaciamiento entre electrodos, las mediciones se llevarán a cabo en dos niveles de inyección de corriente significativamente diferentes, lo cual se puede lograr variando la tensión fuente aplicada: se obtendrá un factor de diferencia de dos (en ese orden) entre dos corrientes de inyección. La resistividad medida debe ser la misma para ambos niveles de corriente. Si no es el caso, inicie el solucionador de problemas.

En el formulario apropiado de datos de las mediciones proporcionado por SES:

• “Tensión fuente” es la tensión aplicada a los electrodos de inyección de corriente (12 V, 50 V, 100 V, 200 V, 400 V o 600 V) y se establece por medio de un botón en algunos dispositivos. En otros, se establece de manera automática por el dispositivo mismo.
• “Q:***?” indica si 3 asteriscos aparecen como un valor para el indicador de calidad Q, mientras que el medidor está inyectando corriente en los electrodos C1 y C2. En dicha columna se deberá ingresar “sí” o “no”.
• “Q%” es el valor de la desviación estándar, Q, o el indicador de calidad reportado por el medidor.
• “Vsignal” es la tensión medida por el medidor de la resistividad del suelo entre los electrodos de sondeo de potencial (P1 y P2).
• “Iinject” es la corriente inyectada por el medidor de la resistividad del suelo a los electrodos de inyección de corriente (C1 y C2).
• “Resistividad aparente” es la resistividad aparente del suelo calculada por el medidor o a mano.

Las resistividades aparentes medidas se deben graficar versus el espaciamiento entre electrodos en papel logarítmico cuando se tomen las mediciones. Como resultado de ello, se debe obtener una curva suave. Se deben verificar las conexiones de hilos y el contacto de las varillas al suelo si se observan cambios abruptos; la presencia de largas estructuras metálicas enterradas también puede ser la responsable de tales variaciones. Como se indicó anteriormente, si los valores bajos de prueba de la corriente no corresponden con los valores de prueba de corrientes altas, entonces existe un problema y su fuente se debe investigar. Similarmente, si Q% es mayor que 0, se deben revisar la conexión y el contacto de la varilla al suelo.

Además, para cada perfil de medición: 

• Adjunte un bosquejo que muestre la ubicación del perfil de medición y el punto inicial en relación con estructuras cercanas existentes, incluyendo las distancias aproximadas a partir de ellas; además, muestre el perfil de medición sobre un plano de las instalaciones.
• Reporte todas las señales de tubos, tuberías, conductos, largas secciones de concreto reforzado o alguna otra estructura larga metálica en cualquier ubicación cercana al perfil de medición.

Si se utiliza un dispositivo que no filtra las tensiones inducidas en los conductores de medición de potencial por medio de los conductores de inyección de corriente (se considera que no hay indicación de lo contrario), entonces se deben tomar las siguientes precauciones:

1. Separe los conductores de prueba de inyección de corriente de los conductores de medición de sondeo de potencial a una distancia fija (por ejemplo, 10 pies).
2. Para cada espaciamiento entre electrodos, lleve a cabo las mediciones utilizando otro conjunto de conductores de sondeo de potencial que se encuentre significativamente alejados de los conductores de inyección de corriente y separados de ellos a una distancia fija (por ejemplo, 100 pies).
3. SES puede comparar dichos dos conjuntos de datos para estimar las tensiones inducidas y corregir los datos para las tensiones inducidas.

Interpretación

Las resistividades aparentes del suelo medidas en cada una de las instalaciones se puede graficar con la curva correspondiente al suelo equivalente calculado por el módulo RESAP del paquete de software CDEGS. Cada gráfica también muestra la estructura de suelo equivalente que corresponde con dichos datos e indica la ubicación a la que corresponde en la tubería. Normalmente, se puede obtener una buena correspondencia entre los dos perfiles de medición ortogonales y la curva calculada de modo que se pueda obtener un modelo de suelo multicapa y utilizarlo para el análisis de interferencia por CA.

1. Los métodos de Wenner y Schlumberger de 4 electrodos difieren únicamente en el espaciamiento de los dos electrodos interiores.
2. Tenga en cuenta que solamente el área cercana a los electrodos de inyección de corriente se humedecerá de esta manera. Ello no influencia las mediciones de forma significativa, siempre y cuando el área humedecida sea pequeña en comparación con el espaciamiento entre electrodos.