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RESISTIVIDAD DEL TERRENO
Generalidades
La resistividad eléctrica del suelo en la vecindad de los elementos que integran los sistemas de puesta a tierra, constituye uno de los parámetros más críticos en su operación. Esto se debe a la gran influencia de la resistividad del terreno sobre el valor de la resistencia de puesta a tierra y, en consecuencia, sobre las variaciones del potencial del suelo en la vecindad de las instalaciones al momento de circular la corriente anómala o indeseable. El objetivo central del análisis de los sistemas de puesta a tierra es limitar estos dos parámetros a valores seguros. La resistividad eléctrica o resistencia específica del suelo, es la resistencia de un volumen que tenga un área con sección transversal y longitud unitarias. Figura 1.
FIGURA 1 ARREGLO BÁSICO PARA LA MEDICIÓN DE RESISTIVIDAD
Dr. Arturo Galván Diego.
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De la ecuación: R
L
= ρ
A
Despejando ρ: ρ
= R
A L
= ohms
longxlong long
= ohms ⋅ long
En el sistema métrico: = R= A = L= ρ
Resistividad del terreno en Ohms-metro (Ωm) Resistencia en Ohms (Ω) Área de la sección transversal en m 2 Longitud en m.
La resistividad del terreno, para propósito de diseño y evaluación de los sistemas de puesta a tierra, debe ser determinada a partir de mediciones en campo, las que requieren una interpretación adecuada. Considerando que la resistividad del terreno varía significativamente tanto en el sentido lateral como en la profundidad, los valores que se miden en campo para una condición particular, se designan como “resistividad aparente” y son característicos de cada sitio del área bajo estudio. Consecuentemente, para propósitos de diseño, es necesario adoptar un modelo práctico, simple o complejo, el cual permita evaluar en forma confiable los parámetros que definen el comportamiento de los sistemas de puesta a tierra (resistencia de puesta a tierra y variaciones del potencial del terreno en la vecindad de los sistemas de puesta a tierra).
Composición del suelo
La composición geológica del suelo a profundidad es usualmente compleja y diferente de un sitio a otro. En particular la composición del suelo cercano a la superficie de la tierra está determinada por una mezcla de elementos de sílice como son el cuarzo, las arenas, la arcilla y la graba combinados con alguno o varios metales. Los silicatos son el principal elemento constitutivo del suelo y en particular éste es un elemento con buenas propiedades aislantes. Por tanto, la conductividad del suelo proviene de sales minerales y de la cantidad de agua que complementa la composición del suelo. Otro factor importante en las propiedades conductoras del suelo es el volumen, particularmente si consideramos que aun los semiconductores Dr. Arturo Galván Diego.
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pueden permitir el paso de grandes cantidades de corriente, siempre que la sección transversal por la que circula sea lo suficientemente grande, y dentro de este contexto, la tierra, debido a sus dimensiones, es prácticamente ilimitada. Conociendo la naturaleza de la composición del suelo a profundidad, es posible evaluar a partir de estudios geotécnicos la composición del terreno y el nivel del manto freático, y de una forma aproximada mediante clasificaciones genéricas la conductividad del suelo. Desafortunadamente, los tipos de suelo no se pueden definir claramente. Por ejemplo, la palabra arcilla puede involucrar tipos de suelo con resistividad del terreno variable en una amplia gama. Debido a esto, no es recomendable determinar las características de conductividad del terreno exclusivamente a partir de clasificaciones genéricas como la indicada en la Tabla 1.
FIGURA 2 COMPOSICIÓN TÍPICA DEL SUELO Dr. Arturo Galván Diego.
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Tabla 1 VALORES GENÉRICOS DE LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO PARA ALGUNOS TIPOS DE SUELO. Tipo de suelo
Resistividad ( Ωm)
Tierra vegetal
5 a 50
Arcillas
10 a 100
Arcillas mezcladas con arena y/o graba
100 a 1000
Roca
200 a 10000
Variaciones de la resistividad del suelo
La resistividad del suelo se eleva considerablemente cuando el contenido de humedad se reduce a menos del 15% del peso de éste. La cantidad de agua en el suelo depende del tamaño de las partículas y de su compactación. Sin embargo, como se muestra en la Figura 3, curva 2, la resistividad se afecta muy poco una vez que el contenido de humedad excede el 22%. La curva 3 de la Figura 3 muestra la variación típica de la resistividad del suelo, con respecto a la temperatura para un terreno arcilloso que contenga 15.2% de humedad por peso. El efecto de la temperatura sobre la resistividad del suelo, puede considerarse despreciable para temperaturas arriba del punto de congelación. A 0º C el agua en el suelo se empieza a congelar y la resistividad se incrementa rápidamente. La composición y la cantidad de sales solubles, ácidos o alkalis presentes en el suelo, pueden afectar considerablemente su resistividad. La curva 1 de la Figura 3, ilustra el efecto típico de la sal común (Cloruro de Sodio), sobre la resistividad del suelo al contener 30% de humedad por peso.
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FIGURA 3 PARÁMETROS QUE AFECTAN LA RESISTIVIDAD
Otro elemento que afecta en forma importante la resistividad del terreno esta formado por la no homogeneidad del suelo, lo que explica el hecho de tener valores diferentes de resistividad en direcciones diferentes sobre la superficie y a diferentes profundidades sobre una misma dirección. A partir de este planteamiento, resulta claro que la representación de la resistividad del suelo para un análisis riguroso de la circulación de corriente es complicada, debido a la multiplicidad de situaciones que determinan la composición y el comportamiento del suelo como conductor. Sin embargo, el conocimiento de la composición del suelo y su representación mediante un modelo característico de su comportamiento ante la circulación de corriente transitoria, resulta de gran utilidad para establecer las condiciones de operación de los sistemas de protección contra tormentas eléctricas como parte integral de su trayectoria.
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Método de medición
Considerando las limitaciones que plantea la clasificación de la resistividad del terreno a partir de aproximaciones genéricas (Tabla 1), se han desarrollado procedimientos para caracterizar la conductividad del terreno con el propósito de evaluar en forma más adecuada la oposición a la circulación de la corriente eléctrica a través del suelo. Entre los métodos planteados destaca por su simplicidad y eficacia el de Frank Wenner, el cual es también conocido como método de los cuatro electrodos. Existen instrumentos comerciales adecuados para la ejecución de las mediciones de la resistividad del terreno, mediciones que deben realizarse dentro del área de interés para la instalación en evaluación o diseño. El procedimiento de medición utiliza cuatro electrodos auxiliares enterrados sobre una línea recta y a una distancia uniforme entre ellos como se ilustra en la Figura 4. Una fuente de corriente, conectada entre los electrodos externos, inyecta una corriente a tierra. El flujo de esta corriente a tierra produce una variación del potencial en el terreno, dando como resultado, que sobre la posición de los electrodos internos exista una diferencia de potencial diferente de cero, debido a la corriente inyectada por la fuente del instrumento de prueba. La relación entre la diferencia de potencial de los electrodos internos y la corriente inyectada, corresponde con la resistividad del suelo.
I
P a
a
a
I
I I
P
P
I b
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a a
a
FIGURA 4 MÉTODO DE LOS CUATRO ELECTRODOS
En forma práctica, el método se puede resumir en lo siguiente: i)
Seleccionar un eje de referencia sobre el suelo para efectuar las mediciones.
ii)
Colocar los cuatro electrodos auxiliares como se indica en la Figura 4.
iii)
Inyectar una corriente a tierra a través de los dos electrodos externos.
iv)
Medir y obtener la relación entre la diferencia de potencial de los dos electrodos interiores y la corriente inyectada a través de los electrodos exteriores.
v)
Repetir los puntos ii, iii y iv para distancias diferentes entre electrodos de prueba.
Para este arreglo y procedimiento de medición, la resistividad del terreno esta dada por:
ρ
4π aR
= 1+
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2a a2
+ 4b 2
−
2a 4a 2
=
4π aR n
+ 4b 2 7
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En donde: a = distancia entre los electrodos, (m) b = profundidad de los electrodos, (m) = resistencia resultante del cociente V/I, (Ω) R =
ρ = resistividad del terreno (Ωm)
Para condiciones prácticas en las que se mantiene la desigualdad b < a/20, la distancia entre electrodos auxiliares es mucho mayor que la profundidad a la que se entierran, por lo que la la ecuación anterior puede simplificarse de la siguiente manera:
ρ = 2πa R Para b = a/5 , el denominador de la fórmula es igual a 1.8763, lo que implica un error de menos del 5% para el cálculo de la resistividad. El valor de la resistencia resultante del cociente de V e I , usualmente se obtiene directamente en los instrumentos utilizados para este tipo de mediciones. El método se complementa al realizar varias mediciones para diferentes distancias entre electrodos.
Resistividad aparente del suelo
La interpretación de las mediciones de la resistividad del terreno obtenidas en campo constituye uno de los problemas importantes dentro del conocimiento de los sistemas de puesta a tierra. En la práctica es poco usual encontrar una recta horizontal como curva de resistividad del suelo en función de la separación entre electrodos, debido a la presencia de diferentes materiales que constituyen las capas para diferentes profundidades, cada una de ellas con valores diferentes de resistividad y con variaciones laterales. Con base en este comportamiento físico de las características del terreno, es común en la práctica utilizar, para representar la variación de la resistividad con la distancia entre electrodos de prueba, el concepto de resistividad aparente del suelo, teniendo como resultado, una curva de la resistividad en función de la separación entre electrodos de prueba. La representación, para propósitos de análisis, de los resultados de las mediciones de resistividad del terreno, considerando los casos típicos encontrados, conducen a adoptar modelos conocidos como de resistividad homogénea y de resistividad heterogénea . Dr. Arturo Galván Diego.
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Resistividad homogénea
Si la curva de la resistividad aparente presenta variaciones dentro de una banda de <10%, podemos considerar que tenemos un suelo homogéneo; como ejemplo tenemos la Curva 1 de la Figura 5. En estos resultados, si despreciamos los valores iniciales, los que corresponden normalmente a variaciones superficiales influenciadas por la humedad y la temperatura estacionales, la resistividad aparente es característica de un suelo homogéneo. El valor único de la resistividad aparente homogénea ρhm se calcula mediante la siguiente ecuación:
ρ hm
=
ρ 1
+ ρ 2 + ρ 3 + ρ 4 + ρ 5 + ρ 6 + ... + ρ n n
En donde: es el número de mediciones en cada dirección realizadas en campo; y ρ 1, ρ 2 ρ n son las resistividades promedio calculadas en cada 2,… medición. n
Resistividad heterogénea
Para el caso de un suelo donde las variaciones de la resistividad con la profundidad son sensiblemente mayores, las mediciones con el método de Wenner, mediante la curva de resistividad aparente permiten establecer claramente estas variaciones, como se muestra en las Curvas 2 y 3 de la misma Figura 5.
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FIGURA 5 TENDENCIA DE LA RESISTIVIDAD RESISTIVIDAD DEL SUELO
Una curva de resistividad aparente del suelo se considera heterogénea, cuando existe una tendencia ascendente o descendente, como se ilustra en las curvas 2 y 3 de la figura 5. Si no es posible obtener un modelo de dos capas para el suelo, puede obtenerse un valor indicativo de la resistividad aparente ρ del suelo, conocido como resistividad uniforme equivalente, mediante la siguiente expresión:
ρ hm
=
ρ max
+ ρ min 2
En donde:
ρmax y ρmin representan el valor máximo y el valor mínimo, respectivamente, de la resistividad aparente promedio obtenido en la última columna de la tabla 2.
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Interpretación de las mediciones de resistividad
Para los sitios donde se efectúan mediciones de la resistividad del terreno, usualmente se acumula una serie de resultados correspondientes a diferentes distancias entre electrodos. La representación gráfica de estos valores reporta resultados como los mostrados en la Figura 5. Con el fin de lograr utilizar esta información, es necesario realizar la interpretación de las mediciones. Para esta interpretación existen diversos métodos, los cuales se pueden clasificar en métodos empíricos y métodos analíticos . La interpretación de los resultados, independientemente de la metodología empleada, conduce a la representación de la conductividad del terreno mediante un modelo homogéneo o un modelo heterogéneo. El modelo heterogéneo se utiliza cuando es posible definir a través de un valor medio único las variaciones de resistividad con la separación entre electrodos. El modelo heterogéneo se utiliza cuando las variaciones de la resistividad con la separación entre electrodos no permiten adoptar un valor medio único. Los modelos heterogéneos más conocidos son: los de Thapar y Gross, quienes propusieron un modelo con variación exponencial (ascendente o descendente) de la resistividad con la profundidad; y el de Tagg, Tagg, quien propuso un modelo integrado por dos capas paralelas a la superficie del suelo con valores de resistividad uniforme para cada una de ellas. En la practica actual el modelo más utilizado es el de las dos capas propuesto por Tagg, ver figura 6. Está integrado por dos capas horizontales de resistividad uniforme ρ 1 y ρ 2, la primera de ellas delimitada por la superficie del suelo y con una profundidad h a partir de la superficie del suelo, y la segunda que se inicia a partir de la profundidad h, tendrá una profundidad ilimitada. En forma práctica la interpretación de las mediciones consiste en determinar los valores característicos de las dos capas y la profundidad de la primera de ellas.
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FIGURA 6 MODELO DE DOS CAPAS PARA LA RESISTIVIDAD DEL SUELO
Los cambios abruptos de la resistividad en la frontera de ambas capas puede describirse por medio de un factor de reflexión “K”, definido mediante: ρ
K=
2
ρ
2
− ρ 1
+ ρ 1
Este factor de reflexión varía entre los limites limites –1 y +1. Un suelo con cambios extremos en los valores de resistividad, tendrá asociado un factor de reflexión cercano a la unidad . Mientras que un suelo con valores de resistividad similares, tendrá asociado un factor de reflexión cercano al cero. Para un suelo con valores de resistividad crecientes con la profundidad (Curva 3 de la Figura 5), le corresponde un factor de reflexión positivo ( +K ); ); mientras que un suelo con valores de resistividad decrecientes con la profundidad (Curva 2 de la Figura 5), le corresponde un factor de reflexión negativo ( -K ). ).
Método empírico de interpretación.
Para la mayoría de los problemas de circulación de corriente a través del suelo, la representación matemática que permite una interpretación adecuada de las mediciones de la resistividad del suelo, está constituida por el modelo de las dos capas horizontales de la resistividad uniforme. Los métodos empíricos buscan determinar las características de las dos capas a partir de la apariencia de la curva de resistividad aparente (definición del punto de inflexión o cambio de pendiente). Bajo este criterio, la profundidad de la primera capa se define como la distancia entre electrodos para la que se establece el punto de inflexión. Con relación a las Dr. Arturo Galván Diego.
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resistividades de ambas capas, éstas se asocian con los valores estables antes y después del punto de inflexión. Este criterio se ilustra con un ejemplo indicado en la Figura 7. Método analítico de interpretación .
Los métodos analíticos a partir de los modelos propuestos por Thapar y Gross y por Tagg, mediante un análisis numérico determinan los parámetros que permiten que la función matemática que describe el modelo se aproxime a la curva de resistividad aparente medida en campo. Para nuestro caso en el que adoptamos el modelo de las dos capas propuesto por Tagg, su expresión análitica es:
n n ∞ ρ a K K = 1 + 4∑ − 2 2 ρ 1 n =1 2 nh 2 nh 1+ 4+ a a Donde, además de las cantidades ya definidas, n es un número entero y a es la distancia entre electrodos de la curva de resistividad aparente.
FIGURA 7 MÉTODO EMPÍRICO DE INTERPRETACIÓN DE LA RESISTIVIDAD DEL SUELO Dr. Arturo Galván Diego.
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Una vez adoptado el modelo representativo de la conductividad del terreno, se procede a evaluar los parámetros del modelo para lograr que la función correspondiente se ajuste lo más posible a la curva de resistividad. El proceso de ajuste se realiza con procedimientos numéricos diversos, los que generalmente utilizan programas de cómputo que determinan los parámetros característicos del modelo, a partir de las mediciones de resistividad obtenidas en campo con el método de Wenner o de los cuatro electrodos. Uno de los programas de cómputo se basa en un método de ajuste que busca minimizar las diferencias entre valores calculados y los valores medidos en campo. Los valores calculados se obtienen a partir de estimaciones iniciales de la profundidad y las resistividades de la primera y segunda capas. Este programa de cómputo aplica la técnica de minimización del gradiente, con lo cual, a partir de las diferencias entre los valores calculados y medidos, se determinan valores de corrección a las estimaciones iniciales y se calculan nuevos valores para la resistividad de ambas capas y para la profundidad de la primera. El proceso se realiza en forma iterativa hasta lograr un valor predefinido de las diferencias entre los valores medidos y los valores calculados. La Figura 8 muestra un ejemplo de la curva de ajuste suministrada por el programa de cómputo.
FIGURA 8 RESULTADOS POR COMPUTADORADE LA RESISTIVIDAD DEL SUELO Dr. Arturo Galván Diego.
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Los resultados que se obtienen con este programa son: 1. 2. 3. 4.
Resistividad de la primera capa. Resistividad de la segunda capa. Profundidad de la primera capa. Curva ajustada de la resistividad aparente. Alternativa de conexión de los electrodos auxiliares
Para la configuración del Wenner el arreglo usual de los electrodos es C-P-P-C; donde (C), representa el electrodo de corriente y (P), al electrodo de potencial. Los electrodos (P) y (C) pueden intercambiarse sin alterar el valor de la resistencia medida. Los arreglos posibles de los electrodos son: ARREGLOS
FÓRMULA DE LA RESISTIVIDAD
CPPC PCCP
1 -------------------------------- -
ρ1 =
2 π a R1
CCPP PPCC
2 -------------------------------- -
ρ2 =
6 π a R2
CPCP PCPC
3 -------------------------------- -
ρ3 =
3 π a R3
Al llevar a cabo una serie de lecturas con diferentes espaciamientos de los electrodos, se encuentran valores distintos de resistividades que al graficarse en papel logarítmico, indican la presencia de las capas distintas de suelo o de roca, su resistividad respectiva y la profundidad de la capa más cercana a la superficie. Es usual aplicar la formulación anterior para los suelos no-homogéneos y el resultado obtenido se conoce como la Resistividad aparente que varía con el espaciamiento de los electrodos.
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Equipos de medición.
Los aparatos que más se utilizan para la medición de resistividad del terreno se conocen como Megger de tierra y por su principio de operación pueden ser de dos tipos: Megger del tipo compensación de equilibrio en cero o Megger de lectura directa.
El Megger de equilibrio en cero genera una corriente alterna. El de lectura directa, una corriente directa que se invierte periódicamente con el fin de evitar corrientes parásitas de tipo electrolítico, presentes en el suelo, que pueden alterar las mediciones. Accesorios Los cables
Para realizar la conexión de los electrodos a las terminales del instrumento de medición, se debe seleccionar un cable eléctrico aislado y flexible (cal. 14 ó 12 AWG). En general, son las consideraciones mecánicas más que las eléctricas las que determinan sus características. Para obtener un enrollamiento rápido, se recomienda construir un sistema devanador que permita reducir, considerablemente, el tiempo de enrollado y desenrollado durante la medición Electrodos
Los electrodos se construirán de un material que tenga la dureza suficiente para permitirles soportar el trabajo de campo. Por lo general, se recomiendan varillas de Copperweld, de una longitud aproximada de 60 cm y un diámetro de 16 mm. Otros
Además del instrumento de medición, los cables y los electrodos es necesario ne cesario contar con una cinta métrica de aprox. 50 m, un martillo con el peso adecuado, y un termómetro; asimismo, como equipo opcional puede utilizarse una cámara fotográfica. En general, el equipo necesario es el siguiente: 1)
Equipo calibrado de medición de resistencia de tierra con las características siguientes: Intervalo de frecuencia de 100 Hz a 200 Hz o mayor Posibilidad de proveer alta y baja corriente con valores de 9 mA a 250 mA.
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2) 3)
Accesorios provistos por el fabricante del equipo de medición. En caso de no contar con accesorios para el equipo de medición, utilizar cable o cordón aislado de cobre tipo SCE o SCT con una designación de uso más común de 2,08 mm 2 (14 AWG) o 1,307 mm2 (16 AWG), con accesorios en sus extremos para la correcta conexión al equipo y electrodos auxiliares con una longitud mínima de 50 cm y un diámetro mínimo de 13 mm de alguno de los siguientes materiales: Acero inoxidable Acero con recubrimiento de cobre Acero galvanizado
Medidas de seguridad durante las mediciones
Los cables de conexión al aparato de medición deben manejarse con precaución, debido a la posibilidad de que existan potenciales diferentes al potencial del suelo; las conexiones se realizarán usando guantes aislantes de preferencia. Es de gran importancia cuando se mide la resistencia de un electrodo a tierra, estar los más lejos posible del electrodo de corriente en el momento en que se inyecte la corriente al suelo. Procedimiento de medición
Una vez que se conoce el área en que se instalará la estación o instalación, las mediciones se efectuarán en las direcciones indicadas en la Figura 9. Algunos equipos de medición proporcionan directamente el valor de la resistividad aparente, por lo que no es necesario aplicar las ecuaciones anteriores. Las distancias entre electrodos pueden ser arbitrarias, pero iguales entre electrodos. Se recomienda que al inicio de las mediciones la distancia mínima de separación entre éstos sea de 1 m con un mínimo de 6 mediciones, graficando los valores obtenidos. Debido a que en las mediciones de resistividad se involucra el volumen del suelo, es necesario que se realice el mayor número de direcciones de medición posibles en el lugar de medición, con el fin de obtener un perfil representativo del suelo. La Figura 9 muestra un ejemplo de medición de resistividad del suelo en un área determinada mediante direcciones ortogonales o diagonales. .
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2
2
4
1
4
3
1
6
3
6
8
5
8
7
5
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FIGURA 9 DIRECCIONES Y LONGITUD DE ACUERDO AL PREDIO DISPONIBLE RECOMENDADAS PARA LAS MEDICIONES DE RESISTIVIDAD.
Los resultados de las mediciones se registran en una tabla como la indicada en la Tabla 2. Tabla 2 Registro típico típico de mediciones mediciones de resistividad Número de medición
Distancia de separación m
Dirección 1 m
Dirección 2 m
Dirección 3 m
Dirección n m
Promedio m
1 2 3 4 5 6
1 2 3 4 6 8
ρ11 ρ12 ρ13 ρ14 ρ15 ρ16
ρ21 ρ22 ρ23 ρ24 ρ25 ρ26
ρ31 ρ32 ρ33 ρ34 ρ35 ρ36
ρn1 ρn2 ρn3 ρn4 ρn5 ρn6
ρ1 ρ2 ρ3 ρ4 ρ5 ρ6
Durante las mediciones de campo deberá realizarse la gráfica correspondiente de resistividad contra la separación entre electrodos, ya que ésta permitirá detectar errores de medición. INFORME DE RESULTADOS
Los resultados obtenidos en las mediciones deben presentarse en un informe que contenga lo siguiente y debe contener las unidades, conforme con NOM-008-SCFI: 1) 2) 3) 4)
equipo utilizado. arreglo de medición. valores obtenidos de la medición contenidos en tabla. grafica de los valores de resistividad contra distancia de separación de electrodos.
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5) 6) 7) 8)
valor estimado de la resistividad representativa del suelo. observaciones. responsable de efectuar la medición fecha de realización de la medición
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FORMATO PARA MEDICIÓN DE RESISTIVIDAD DEL TERRENO
NOMBRE DE LA ESTACIÓN: _______________________ ___________________________________ ________________________ ___________________ _______
Fecha: _________________ _________________ Dirección :__________ Equipo usado _________________________ ____________________________________ ________________________ _________________________ _____________ _ Método ________________________ ____________________________________ ________________________ ________________________ __________________ ______ Temperatura ________________________ ____________________________________ ________________________ _______________________ ______________ ___
Descripción del Suelo Estado superficial del terreno _______________________ ___________________________________ _________________________ ______________ _ Naturaleza del terreno ______________________ __________________________________ ________________________ _____________________ _________
Resultados de las mediciones Instrumento de medición _______________________ ___________________________________ _________________________ __________________ _____ a – Distancia entre electrodos R – Resistencia ρ – Resistividad del suelo ( Ω-m)
a _________________ _________________ _________________ _________________ _________________ _________________ _________________ _________________ _________________ _________________ ________________ ________________ _________________ _________________
R _________________ _________________ _________________ _________________ _________________ _________________ _________________ _________________ _________________ _________________ _________________ _________________ _________________ _________________
2πaR _________________ _________________ _________________ _________________ _________________ _________________ _________________ _________________ _________________ _________________ _________________ _________________ _________________ _________________
Observaciones _________________ _________________ _________________ _________________ _________________ _________________ _________________ _________________ _________________ _________________ _________________ _________________ _________________ _________________
La época más favorable para obtener el valor más crítico en la lectura es en la temporada de sequía.
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