Piezómetro: qué es, los tipos y cómo automatizar la lectura
Casagrande, neumático y de cuerda vibrante: qué mide cada piezómetro, cómo la lectura de cuerda vibrante se convierte en presión y qué cambia cuando el instrumento pasa a leerse solo.
El piezómetro es el instrumento que mide la presión del agua en los poros del suelo, la roca o los relaves, la llamada presión de poros, en un punto definido del macizo o de la fundación de una presa. Convertida en altura de columna de agua, esa presión da el nivel piezométrico, la lectura que sigue el ingeniero para saber cómo el agua se está infiltrando por la estructura.
Por qué importa la presión de poros
La resistencia de un suelo depende del esfuerzo efectivo: la parte de la carga que realmente soportan los granos. Cuando el agua en los poros gana presión, alivia el contacto entre los granos y la resistencia cae. Es el principio de esfuerzos efectivos de Terzaghi, y por eso un nivel piezométrico que sube sin explicación es una de las primeras señales que el ingeniero de presas quiere ver.
Los tres tipos más comunes
Casagrande (tubo abierto). Un tubo con punta porosa instalado en la perforación, sellado por encima y por debajo del tramo de interés. La lectura es el nivel de agua dentro del tubo, tomada con una sonda eléctrica que emite un pitido al tocar el agua. Sencillo y robusto, pero lento para responder en suelos poco permeables, y siempre manual si no se le instala un transductor.
Neumático. Un diafragma separa el agua del suelo de un circuito de gas. La lectora inyecta gas hasta equilibrar la presión del agua y lee el valor. No tiene electrónica enterrada, pero la lectura es manual y lenta.
Cuerda vibrante. Un hilo de acero tensado está sujeto a un diafragma. La presión del agua deforma el diafragma, cambia la tensión del hilo y, con ella, la frecuencia a la que vibra el hilo cuando lo excita una bobina. El instrumento también incluye un termistor. Es el tipo más utilizado hoy en presas mineras, y el más fácil de automatizar, porque la señal es una frecuencia, poco sensible a la longitud del cable.
Cómo la lectura de cuerda vibrante se convierte en presión
La lectora mide la frecuencia de resonancia y suele expresarla en "dígitos": la frecuencia al cuadrado dividida por mil. La conversión a presión usa las constantes del certificado de calibración de cada instrumento. La forma habitual de los fabricantes es:
P = G × (R0 − R1) + K × (T1 − T0)
donde G es el factor de calibración, R0 y R1 son las lecturas en dígitos en la instalación y en el momento actual, K es el factor de corrección por temperatura, y T0 y T1 son las temperaturas correspondientes. Cada modelo tiene su forma exacta y sus unidades: la conversión correcta es la del certificado de ese número de serie, y por eso el registro de las constantes viene antes que cualquier gráfico.
Qué cambia cuando la lectura es automática
En la lectura manual, un técnico recorre los instrumentos con la lectora portátil y anota los valores en una planilla, en general una vez por semana o cada quince días. La automatización conecta un registrador con multiplexor a los cables que ya existen y lee todos los instrumentos con la cadencia programada. Las ventajas:
- frecuencia: de una lectura por semana a varias por día, o más durante las lluvias;
- consistencia: mismo horario, misma lectora, sin errores de transcripción;
- tiempo de reacción: la lectura fuera de rango aparece en el panel en minutos, y no en la siguiente campaña;
- registro: cada lectura guardada con la hora en que ocurrió, disponible para el ingeniero, el auditor y el ente regulador.
Cuidados en campo
- Aprovechar lo que existe. El piezómetro instalado se mantiene; lo que cambia es quién lo lee.
- Proteger contra sobretensiones. Un cable largo en lo alto del macizo es una antena para los rayos: el registrador necesita protección en las entradas.
- Energía propia. Batería con panel solar y bajo consumo entre lecturas.
- Poner en marcha en paralelo. Durante las primeras semanas, lectura automática y manual juntas, hasta que los valores coincidan instrumento por instrumento.
- Dos caminos para los datos. Radio hasta un gateway y, desde él, celular y satélite: si la torre cae en la tormenta, la lectura sigue llegando.
Dónde entra IoTData
La red (radio LoRa, celular y la red satelital DG, que entrega en minutos), la estación meteorológica y la plataforma ya existen. El lector de cuerda vibrante con multiplexor está en desarrollo y entrará en piloto con el primer cliente, leyendo los piezómetros ya instalados. Vea monitoreo de presas.
Fuentes: principio de esfuerzos efectivos (K. Terzaghi); documentación técnica de fabricantes de piezómetros de cuerda vibrante (dígitos y fórmula de conversión con las constantes del certificado de calibración).