INFORME DE LABORATORIO MEDICIÓN DE RESISTENCIA DE PUESTA ATIERRA
GEOVANNY RONALDO VARGAS RINCON DANIEL ARTURO AVELLA CANTOR GABRIEL CHACON VARGAS
ING. EDGAR EFREN TIBADUIZA
UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA FACULTAD SECCIONAL DUITAMA ESCUELA INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA METROLOGÍA ELÉCTRICA DUITAMA – BOYACÁ 2010
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U.P.T.C. Electrónica) Facultad Seccional Duitama luminotecnia Escuela de Ingeniería Electromecánica
Formación básica profesional. Área (Eléctrica – Metrología eléctrica y 54020605-04
Contenido
1
INTRODUCCION.......................... ......................... .......................... ......................... ................ 4
2
OBJETIVOS ........................ .......................... ......................... .......................... ........................ 4
3
GENERALIDADES ........................ ......................... .......................... ......................... ................ 5 3.1
MEDICIÓN DE RESISTENCIA DE PUESTA TIERRA........................... ......................... ........... 5
3.2
Resistividad del Suelo .......................... .......................... ......................... ........................ 6
3.3
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UN TELURÍMETRO .......................... ....................... 8
4
REQUISITOS PRELIMINARES......................... .......................... ......................... ........................ 9 4.1
PRECAUCIONES............................................ .......................... .......................... ............... 9
5
AUTOEXAMEN....................... .......................... .......................... ......................... .................. 10
6
MATERIALES Y EQUIPOS ......................... .......................... ......................... ........................... 12
7
PROCEDIMIENTO........................ ......................... .......................... ......................... .............. 13
8
TOMA DE DATOS ........................ ......................... .......................... ......................... .............. 17 8.1
Lecturas de tension y resistividad ......................... .......................... ......................... ..... 17
8.2
Lecturas de tension y resistencia .......................... .......................... ......................... ..... 18
9
CARACTERISTICAS A OBTENER......................... .......................... ......................... .................. 19 9.1
GRAFICAS DE RESISTENCIA VS DISTANCIA .......................... ......................... .................. 21
10
CUESTIONARIO........................... ......................... ........................... ......................... ......... 23
11
BIBLIOGRAFIA......................... ......................... .......................... ......................... .............. 29
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TABLA DE ILUSTRACIONES
Figura 1 Telurimetro ERASMUS ERT 100. Fuente http://www.erasmus.com.co/IMAGEN _________ 5
Figura 2 Detalle de los puertos de conexion del dispositivo_______________________________ _______________________________ 13 Figura 3 Descripcion de la distribucion de las barras y sus conexiones ______________________ 14 Figura 4 las mediciones se realizan con el dispositivo sobre el suelo ___________________ ________________________ _____ 14 Figura 5 la tension de las baterias no debe caer por __________________ ____________________________________ __________________ 15 Figura 6 Detalle de conexion para medida de la resistencia __________________ ______________________________ ____________ 16 Figura 7 Para mejorar la medicion se debe permitir que el valor que muestre el dispositivo sea estable _____________________________________ ________________________________________________________ __________________________________ _______________ 16 Figura 8 Se realizan mediciones con distintas distribuciones de las barras, es decir variando el area. _____________________________________ _______________________________________________________ ______________________________________ ______________________ __ 17 Figura 9 La medicion de la resistencia varia segun la distancia entre las barras ______________ 18
Figura 10.Tensión pt vs distancia tabla 3 _____________________________________ _________________________________________ ____ 19 Figura 11.Tensión pt vs distancia tabla 4 _____________________________________ _________________________________________ ____ 20 Figura 12.Tensión pt vs distancia tabla 5 _____________________________________ _________________________________________ ____ 20 Figura 13.Resistencia Vs Distancia Tabla 3 __________________ ______________________________________ _____________________ _ 21 Figura 14.Resistencia Vs Distancia Tabla 4 _____________________________________ ______________________________________ _ 22 Figura 15.Resistencia Vs Distancia Tabla 5 _____________________________________ ______________________________________ _ 22 Figura 16 gráfica resultante de trazar el promedio de las mediciones de resistividad (R) contra distancia entre electrodos __________________ ______________________________________ ______________________________________ __________________ 28
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INTRODUCCION
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La finalidad de poner a potencial de tierra, un equipo o estructura metálica es de extrema importancia, ya sea para su funcionamiento como para la prevención de accidentes fatales, puesto que en el caso de una falla del aislamiento de un equipo eléctrico, la descarga descarga se produce a través de la conexión de puesta puesta tierra y no a través de una persona que se encuentre en contacto con la instalación mencionada.
En esta práctica el estudiante estudiante podrá medir la resistencia de un terreno y seleccionar el punto adecuado para la instalación antes mencionada.
2 •
OBJETIVOS
Medir la resistencia eléctrica de un terreno por medio del telurímetro.
4
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3.1
GENERALIDADES
MEDICIÓN DE RESISTENCIA DE PUESTA TIERRA
Figura 1 Telurimetro ERASMUS ERT 100. Fuente http://www.erasmus.com.co/IMAGEN
Informacion del Producto ERT-100 · Incluye reporte de calibració calibración. n. · Determina rango rotatorio de dirección.
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·
Desarrollado con la norma IEC 61010/EB 61010/ IEC 61557/ EN 6155761557-77
Especificaciones
3.2
Función
Rango
Máxima resolución resoluci ón Exactitud
Resistencia a tierra
10Ω/100Ω/1000Ω/
0.01Ω/0.1Ω/1Ω
±3%rdg
Voltaje AC
750V
1V
±1.2%rdg
Voltaje DC
1000V
1V
±0.8%rdg
Resistencia
200KΩ
0.1kΩ
±1.0%rdg
Resistividad del Suelo Representa la resistencia específica del suelo a cierta profundidad, o de un estrato del suelo; se obtiene indirectamente al procesar un grupo de medidas de campo; su magnitud se expresa en (Ohm-m) o (Ohm-cm), es inversa a la conductividad. La resistividad eléctrica (ρ): Es la relación entre la diferencia de
potencial en un material y la densidad de corriente que resulta en el mismo. Es la resistencia específica de una sustancia. Numéricamente es la resistencia ofrecida por un cubo de 1m x 1m x 1m, medida entre dos ca ras opuestas. El mejor método para probar la resistencia del suelo es el método de 4 puntos Wenner. Utiliza un medidor de resistencia del terreno digital de 4 electrodos, tal como es ERT 100 100 y otros nstrumentos, cuatro puntas de prueba y conductores. Prueba de Resistencia del Suelo Requiere la inserción de cuatro puntas de prueba en la zona de prueba. Las puntas de prueba están instaladas en una línea 6
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recta y equidistante. Las puntas de prueba establecen un contacto eléctrico con la tierra. El medidor de prueba de cuatro puntos inyecta una corriente constante a través de la tierra vía del probador y las dos puntas externas. La corriente fluyendo a través de la tierra (un material resistente) desarrolla una diferencia de voltaje/potencial. Esta caída de voltaje resultando del flujo de corriente es entonces medido entre las dos puntas de prueba internas. El medidor entonces sabe la cantidad de corriente que esté atravesando la tierra y la caída de voltaje a través de las dos puntas de prueba de centro. Con esta información el medidor utiliza la ley de ohmios (R=E/I) para calcular y para exhibir la resistencia en ohmios. Este valor exhibido de la resistencia está en ohmios y se debe convertir a ohmiometro, que son unidades de medida para la resistencia del suelo. Ohmiometro es la resistencia de un volumen de tierra que es un metro por un metro por un metro, o un metro cúbico.
Para convertir de los ohmios exhibidos a ohmio-metro, la lectura del medidor es multiplicada por 1.915 y el resultado es multiplicado las veces del espaciamiento de la punta de prueba. A continuación se muestra la fórmula de cálculo. p (ohmios-m)= 1.915xRxA p= resistividad del suelo en ohm- metros (Ω -m). 1.915 constantes R= Lectura digital en ohmios (Ω).
A= distancia entre electrodos in ft. (pies)
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3.3
PRINCIPIO PRINCIPI O DE FUNCIONAMIENTO DE UN TELURÍMETRO TELURÍME TRO
El telurímetro es el instrumento utilizado en la medición de resistencias de puesta a tierra, pueden existir diferentes estilos estilos pero en esencia el circuito circuito equivalente equivalente del aparato es el mismo para todos, con unas ligeras variaciones, el circuito equivalente es esencialmente el presentado en la figura 3.
Generalmente la distancia recomendada aproximada para electrodos de mayor tamaño deberá ser como mínimo 5 o más veces su longitud.
Existen casos donde la resistividad resistivi dad es muy alta, y es en estos donde se preparan tierras químicamente, para disminuir considerablemente la resistividad de los terrenos que servirán como emplazamiento de de una puesta a tierra en particular. particula r. En la tabla 1, se muestran algunas resistividades específicas medias de distintos terrenos.
Tabla 1 Valores medios de algunas resistividades específicas de la tierra.
Piso
Piso
pantanos arcilloso
Resistividad es ecí ecífic fica
30
100
o Clases de sue l l o Arena Grava
húmeda
húmeda
200
500
Arena o grava
Piso
1000
3000
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REQUISITOS PRELIMINARES PRELIMINARES
•
Conocimiento del manual de instrucciones del telurómetro (KYORITSU Mod 4102) a utilizar, mostrado en la figura 4.
•
Conocimiento de las resistividades de diferentes terrenos y tierras preparadas para puestas a tierra.
4.1
PRECAUCIONES
•
No toque con las manos manos las terminales terminales E1 y 2 o P 1 y P2, puesto puesto que entre estas se presenta un voltaje de 1000 VDC durante la medición o cuando el botón “TEST” está presionado.
•
Cuando se conecten los cables a las respectivas terminales, procure que éstos no estén entrelazados entre sí y que se mantengan separados durante la medición puesto que las medidas pueden verse afectadas por inducciones de voltaje o corriente.
•
Utilice guantes y zapatos aislantes (preferiblemente de suela de goma) y sea aún más estricto para mediciones en terrenos húmedos.
•
Procure desconectar desconectar el electrodo del sistema eléctrico bajo prueba, y retirar toda clase de metales enterrados paralelamente a la dirección de prueba.
•
Revise que el aislamiento de los cables de conexión al instrumento están en óptimas condiciones.
•
Antes de utilizar las barras sírvase enseñar las conexiones al profesor de la asignatura. 9
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a.
AUTOEXAMEN
¿Por qué es necesaria la medición de resistencia de puesta tierra?
Resguardar a las personas de los peligros de fallas de aislación en equipos eléctricos. Prevenir incendios en plantas industriales. Evitar daños por sobretensiones en equipos e instalaciones domiciliarias e industriales. Proteger contra corrosión cañerías, cubiertas metálicas de cables subterráneos, estructuras, etc.
b. ¿En qué consiste el método de caída de potencial para la medición de resistencia de puestas a tierra? Como en todo metodo de medicion de resistencia se usa un terrometro, en este caso uno digital; El principio básico de este método es la inyección de una corriente directa o de baja frecuencia a través de la tierra entre los dos electrodos P1 y P2 , mientras que el potencial que aparece se mide entre dos electrodos E1 y E2. Estos electrodos están enterrados en línea recta y a igual separación entre ellos. La razón V/I es conocida como la resistencia aparente. La resistividad aparente del terreno es una función de esta resistencia y de la geometría del electrodo
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c. ¿Qué quiere decir, bajo gradiente de potencial? El gradiente de potencial es la relación que da el valor de un campo eléctrico en cualquier punto del aislamiento, en función de la posición de este punto. Un bajo gradiente refiere a la inlfuencia de una alta resistencia al paso de la corriente afectando el potencial aplicado.
d. ¿Qué fenómenos electrolíticos aparecen para uso de corriente continua con V 0 ? La resistividad del suelo es determinada principalmente por su cantidad de electrolitos; ésto es, por la cantidad de humedad, minerales y sales disueltas. Por esta razón la resistividad de la mayoría de los suelos aumenta abruptamente cuando el contenido de humedad es menor al 15%. La presencia de estas sustancias ademas de incidir en la resistividad, tambien afectas los electrodos de descarga, al existir tension y flujo de corriente continua se puede producir desprendimientos de iones , oxigeno en su mayoria los cuales causan corrosion.
d. ¿Qué es la resistividad específica de un terreno y cuáles variables incluyen en ella? Representa la resistencia específica del suelo a cierta profundidad, o de un estrato del suelo; se obtiene indirectamente al procesar un grupo de medidas de campo; su magnitud se expresa en (Ohm-m) o (Ohm-cm), es inversa a la conductividad. La resistividad eléctrica ( ρ): Es la relación entre la diferencia de potencial en un material y la densidad de corriente que resulta en el mismo. Es la resistencia específica de una sustancia. Numéricamente es la resistencia ofrecida por un cubo de 1m x 1m x 1m, medida entre en tre dos caras opuestas.
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MATERIALES Y EQUIPOS
Tabla 2 Equipos
Cantidad 1
Elemento
Observación
Telurímetro
ERASMUS ERT 100
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PROCEDIMIENTO
Verifique las condiciones de uso de la batería del telurímetro a utilizar, para el caso del telurinetro usado se verificaron en la pantalla los 9v de funcionamiento El dispositivo cuenta con con cuatro salidas respectivamente E1,E2, P1 y P2, basicamente minetras medimos la resistividad del terreno se genera entre E1 y E2 una tension equivalentea los 1000VDC o750VAC, mientras que fluye una corriente de P1 a P2 proporcional a la resistencia del terreno.
Figura 2 Detalle de los puertos de conexion del dispositivo
Elija un terreno amplio y uniforme, luego entierre la barras de hierro, si la resistencia del terreno es baja se deben colocar colocar a menos menos de 30 metros, metros, a unos 2 5 cm de profundidad.
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MEDIDA DE LA RESISTIVIDAD MÉTODO WENNER DE CUATRO PUNTOS
Figura 3 Descripcion de la distribucion de las barras y sus conexiones
En la medicion de la resistividad vamos a hallar la constante del terreno, para ello usamos las cuatro barras, una de las cuales se toma como referencia y se conecta al puerto E1, ubicamos las siguientes 3 barras a 3 metros entre si y describiendo una recta.
Figura 4 las mediciones se realizan con el dispositivo sobre el suelo
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1) Encedemos el dispositivo dispositi vo y lo colocamos en la escala de 100 Ω o 1000Ω segun se requiera, seguidamente oprimimos “TEST” hasta que aparesca un valor estable, para mantener la medicion usamos “HOLD”, y registramos los datos.
Figura 5 la tension de las baterias no debe caer por debajo de los 9v para una medicion correcta correcta
2) Se repite el procedimiento anterior variando la distancia entre las barras en intervalos de 1 m , Todos los datos deben ser tomados sobre el mismo terreno y la misma línea recta, ademas se realizan mediciones con con distintas formaciones formacione s de las varillas.
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MEDIDA DE LA RESISTENCIA METODO DE LA CAIDA DE POTENCIAL
Figura 6 Detalle de conexion para medida de la resistencia
Para la medida de la resistencia conectamos los puertos E1 y P1 a la varilla de referencia y realizamos el procedimiento anterior.
Figura 7 Para mejorar la medicion se debe permitir que el valor que muestre el dispositivo sea estable
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8.1
TOMA DE DATOS
Lecturas de tension y resistividad
Tabla 3 Valores de la resistividad a diferentes distancias con escala de 1000 Ω
Nº
Longitud E1-P1 (m )
Longitud E2-P2 (m )
V pt
R pt
1
3
3
1000
18 3 KΩ
2
2
2
1000
187 KΩ
3
1
1
1000
203 KΩ
Tabla 4 lecturas con los cables en varias direcciones
Nº
Angulo E1-P1 (°) (°)
Longitud E2-P2 (m )
V pt
R pt
1
90°
2
1000
176 KΩ
2
45°
20
1000
204 KΩ
3
15°
18
1000
201 KΩ
Figura 8 Se realizan mediciones con distintas distribuciones de las barras, es decir variando el area.
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8.2
Lecturas de tension y resistencia
Tabla 5 lecturas con los Puertos E1 y P1 conectados a la varilla de cobre
Nº
Longitud E1-P2 (m )
Longitud E2-P2 c
V pt
R pt
1
5
5
1000
330 KΩ
2
4
5
1000
317 KΩ
3
3
5
1000
315 KΩ
Figura 9 La medicion de la resistencia varia segun la distancia entre las barras
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CARACTERISTICAS A OBTENER
3,5 3 ) m 2,5 ( 2 P 2 2 E d u 1,5 t i g n o 1 L
0,5 0 1000
1000
1000
Vpt (v)
Figura 10.Tensión pt vs distancia tabla 3
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25 20
) m ( 2 P - 15 2 E d u t i 10 g n o L
5 0
1000
1000
1000
Vpt (v)
Figura 11.Tensión pt vs distancia tabla 4 6 5 2 P 2 E d u t i g n o L
4 3 2 1 0 1000
1000
1000
Vpt (v)
Figura 12.Tensión pt vs distancia tabla 5
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9.1
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GRAFICAS DE RESISTENCIA VS DISTANCIA 205 200 195 )
Ω
K ( T P R
190 185 180 175 170 1
2
3
Longitud E1-P1 (M)
Figura 13.Resistencia Vs Distancia Tabla 3
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210 205 200 195 )
Ω
K ( T P R
190 185 180 175 170 165 160 2
20
18
Longitud E1-P1 (M)
Figura 14.Resistencia 14.Resistencia Vs Distancia Distancia Tabla 4 335 330 325 )
Ω
K ( T P R
320 315 310 305 5
4
3
Longitud E1-P1 (M)
Figura 15.Resistencia 15.Resistencia Vs Distancia Distancia Tabla 5
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10 CUESTIONARIO
1. Describa las tierras preparadas químicamente, para puestas a tierra y suministre suminist re aplicaciones, ventajas y desventajas de cada una de ellas. R/ Las sustancias que se usan para un eficiente tratamiento químico deben tener lassiguientes características: - Higroscopicidad -Alta capacidad de Gelificación - No ser corrosivas -Alta conductividad conductividad eléctrica -Químicamente -Químicamen te estable en el suelo -No ser tóxico - Inocuo para la naturaleza Existen diversos tipos de tratamiento químico para reducir la resistencia de un SPATlos más usuales son: - Cloruro de Sodio + Carbón vegetal
El Cloruro de Sodio forma una solución verdadera muy conductiva que se precipita fácilmente junto con el agua por efecto de la percolación, capilaridad y evapotranspiración; evapotranspirac ión; la solución salina tiene una elevada actividad corrosiva con el electrodo, reduciendo ostensiblemente su tiempo de vida útil, la actividad corrosiva se acentúa si el electrodo es de hierro cobreado (copperweld). - Bentonita 23
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Las bentonitas constituyen un grupo de sustancias minerales arcillosas que no tienen composición mineralógica mineralógic a definida y deben su nombre al hecho hecho de haberse descubierto el primer yacimiento cerca de Fort Benton, en los estratos cretáceos cret áceos de Wyoming Wyom ing en 1848; Aun cuando las distintas variedades de bentonitas difieren mucho entre sí en lo que respecta a sus propiedades respectivas, es posible clasificarlas clasificar las en dos grandes grupos: - Bentonita Sódica.- En las que el ion sodio es permutable y cuya característic característicaa más importante es una marcada tumefacción o hinchamiento que puede alcanzar en algunas variedades hasta 15 veces su volumen y 5 veces su peso. - Bentonita Cálcica. Cálcica.-- En En las que el ion calcio es permutable, tiene menor capacidad para absorber agua y por consiguiente solo se se hinchan en la misma proporción que las demás arcillas. - Thor-Gel
Es un compuesto químico complejo que se forma cuando se mezclan en el terreno las soluciones acuosas de sus sus 2 componentes. componentes. El compuesto químico qu ímico resultante tiene naturaleza coloidal, formando una malla tridimensional, que facilita facili ta el movimiento de ciertos iones dentro de la malla, de modo que pueden cruzarlo en uno u en otro sentido; sentido; convirtiéndose en un excelente conductor eléctrico. Tiene una gran gran atracción por el agua, de modo que puede aprisionarla manteniendo un equilibrio con el agua superficial superficial que la rodea; esto lo convierte en una especie de reservorio acuífero. 2. ¿Cómoesladistribucióndevoltajeyresistenciadepuestatierra,segúnlascurvas obtenidas?Justifique su respuesta. R/ Teniendo en cuenta los datos de la tabla 5, podemos inferir que la medida de la resistencia crece conforme aumenta el área sometida la diferencia de potencial, la cual se mantuvo constante.
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Este valor exhibido de la resistencia está en ohmios y se debe convertir a ohmio-metro, que son unidades de medida para la resistencia del suelo. Ohmiometro es la resistencia de un volumen de tierra es decir ohmios por metro cúbico.
2. ¿Cómo se podrían mejorar mejorar los resultados en lasmediciones realizadas? R/ Hacer que el equipamiento de protección sea más sensible y permita una rápidaderivación de las corrientes defectuosas a tierra.
Un suelo específico con concentración diferente de humedad presenta una gran variación de su resistividad, por tanto seria recomendable realizar las mediciones en suelos de composición uniforme.
Dos o tres lecturas constantes y consecutivas pueden asumirse como representativas del valor de resistencia verdadero.
3. Situviesequerealizarunapuestatierradeunequipoeléctricoenparticular,¿dónde clavaría el electrodo, cerca o lejos de dicho equipo?, ¿por qué? R/
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La resistencia aumenta conforme la distancia lo hace, por lo tanto si dejamos el electrodo auna buena distancia de el equipo la corriente de fuga no podra afectar la zona donde este el equipo ya que el volumen de suelo opondra una gran resistencia.
5. Describa el procedimiento para determinarla resistividad específica de un terreno. El factor más importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en sí, sino la resistividad del suelo mismo, por ello es requisito conocerla para calcular y diseñar la puesta a tierra de sistemas. La resistividad del suelo varia con la profundidad, el tipo y concentración de sales solubles, el contenido de humedad y la temperatura del suelo. La presencia de agua superficial no necesariamente indica baja resistividad. Dado el impacto de éste parámetro parámetro en el valor final de la RPT, es necesario que la resistividad del suelo en el sitio donde será ubicado el sistema de puesta a tierra, sea medida en forma precisa MÉTODO DE WENNER. En 1915, el Dr. Frank Wenner del U.S. Bureau of Standards desarrolló la teoría de este método de prueba, y la ecuación que lleva su nombre. Con objeto de medir la resistividad del suelo se hace necesario insertar los 4 electrodos en el suelo. Los cuatro electrodos se colocan en línea recta y a una misma profundidad de 26
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penetración, las mediciones de resistividad dependerán de la distancia entre electrodos y de la resistividad del terreno, y por el contrario no dependen en forma apreciable del tamaño y del material de los electrodos, aunque sí dependen de la clase de contacto que se haga con la tierra. 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 en línea recta y a igual separación entre ellos. La razón V/I es conocida como la resistencia aparente. La resistividad aparente del terreno es una función de esta resistencia y de la geometría del electrodo La resistividad obtenida como resultado de las ecuaciones representa la resistividad promedio de un hemisferio de terreno de un radio igual a la separación de los electrodos.
PERFIL DE RESISTIVIDAD Para obtener el perfil de resistividad en un punto dado, 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.
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Figura 16 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. Fuente:
http://www.ruelsa.com/ http://www.ruelsa.com/notas/tierras/pe70 notas/tierras/pe70.html .html
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11 BIBLIOGRAFIA BOLTON,Bill. Medicionesypruebaseléctricas Medicionesyp ruebaseléctricasyelectrónicas. yelectrónicas. Maracaibo S.A., 1995.
Barcelona,España: Barcelona,España :
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