Sensores subterráneos

En este documento se explican detalladamente los materiales necesarios, la construcción (preparación) y la instalación sobre el terreno de las sondas de medición del subsuelo (SMP) de Inform@Risk. Las SMP forman parte del concepto de medición de Inform@Risk, que también consiste en nodos de medición individuales (LoRa Measurement Node) y nodos de subsuperficie más profundos (Low-Cost Inclinometer, LCI), que se explican en dos documentos adicionales, a los que se puede acceder aquí y aquí.

El concepto general de medición, con los casos de uso y los principios de medición de estos tres sensores, se ha descrito en la sección visión general. Como referencia, a continuación se muestra de nuevo la figura del concepto de medición.

El caso de uso de la SMP son los deslizamientos rotacionales poco profundos. En ellos, el movimiento de rotación dentro del cuerpo del deslizamiento se mide mediante el sensor de inclinación en el subsuelo y la SMP actúa como una barra rígida que se inclina en su conjunto (naranja en la figura anterior). Además, se incluye un sensor de agua que mide el nivel de agua (azul en la figura anterior). La SMP se coloca en el interior de una perforación de 1 pulgada de diámetro con un revestimiento de acero o PVC, cuya instalación se explica detalladamente en la sección de instalación.

El SMN se compone de un sensor de nivel de agua en el fondo de la perforación, por encima del cual se acopla una pieza filtrante que se corresponde con los orificios perforados en el revestimiento de la perforación. Por encima de la pieza del sensor de agua, una junta impresa en 3D la conecta con el sensor de inclinación situado más arriba (véase la figura siguiente). El sensor de inclinación está situado entre dos juntas que distan exactamente un metro una de otra. Todas las piezas se conectan mediante varillas roscadas M8 (en el centro de la figura inferior) y orejetas de fijación M8 (10 en la lista de materiales). Esto se explica con más detalle en la sección de instalación. La estructura general se muestra en la siguiente figura.

Los materiales necesarios para la construcción e instalación del SMN se muestran a continuación y se enumeran en las tablas 1 y 2. Los números de las tablas corresponden a los de la imagen. En el sitio web \todo{website link material list} encontrará listas detalladas de materiales con enlaces y costes aproximados.

Se necesitan herramientas básicas como alicates, cutters, destornilladores, llaves allen y un soplete de gas. Además, un multímetro es de gran ayuda. Se recomienda realizar los primeros pasos de construcción en un taller. Para la construcción se requieren conocimientos básicos de electrónica.

Tabla 1: Material list for the inclination sensor.

Tabla 2: Lista de materiales para el sensor de agua.

El diseño se basa en la impresión en 3D de las carcasas de los sensores, las juntas y otras piezas diversas. Si se van a construir muchos sensores, se recomienda una buena impresora 3D. Para cantidades menores o instalaciones de prueba, no hay problema con impresoras 3D de menor calidad. Los archivos del sitio web se han impreso antes con impresoras de Ender, Snapmaker y Ultimaker.

Todos los archivos de impresión 3D se puede acceder en el sitio web en el siguiente enlace: \todo{enlaces para imprimir archivos}. Se recomienda utilizar filamento PETG o ASA para una mayor estabilidad y durabilidad. Para obtener los mejores resultados, se recomienda utilizar filamento de buena calidad y una alta densidad de impresión para evitar roturas. Además, las partes sensibles, como las juntas y la tapa del cabezal deben transportarse con mucho cuidado para evitar roturas, especialmente en el caso de la junta inferior cuando ya está conectada en el laboratorio.

Antes de instalar los sensores sobre el terreno, hay que preparar los sensores de agua e inclinación en sus carcasas, conectarlos al cable de 6 hilos y hacer estancas las conexiones. Este proceso, que idealmente debería realizarse en un taller, se explica en esta sección.

El montaje/preparación del sensor de agua se muestra en la figura anterior. Es necesario seguir los siguientes pasos:

1. Tome el sensor de presión de agua y corte el cable a unos 8 cm (a en la figura anterior)
2. Retire el aislamiento negro de forma que queden expuestos unos 2,5 cm de los cables y, a continuación, retire el aislamiento de cada uno de los cables unos 0,5 cm (b, c en la figura anterior).
3. Realice los mismos pasos para un trozo de cable de 1~m, retirando el aislamiento de los cables rojo, negro y naranja.
4. Coloque el sensor en una mordaza y conéctelo al cable mediante conectores para soldar (negro con negro, rojo con rojo, verde con naranja) como se indica en la letra d de la figura anterior.
5. Instale la tuerca y la varilla roscada en el inserto para el sensor de presión; a continuación, coloque la tuerca en la varilla roscada instalada en el sensor de presión y apriétela con una llave; coloque además un conector en la varilla roscada (e, f en la figura anterior).
6. Pase el cable a través del inserto para el sensor de presión antes de colocar el sensor, de lo contrario el cable no encajará (f en la figura anterior).
7. Instale el vaso para el sensor de presión (g en la figura anterior)
8. Coloque la tuerca en la varilla roscada que está instalada en el sensor de presión y apriétela; además, coloque un conector de varilla roscada en la varilla roscada (k en la figura anterior).
9. Monte la junta y la tapa del filtro para el vellón colocando los conectores en la junta y atornillando las varillas roscadas (h en la figura anterior).
10. Conecte la tapa del filtro y la junta al sensor de agua con una varilla roscada (i en la figura anterior).
11. Añada el vellón en un rollo alrededor de la varilla roscada entre el sensor de agua y la tapa del filtro y, a continuación, pase el cable a través de la tapa del filtro y la junta (l en la figura anterior)
12. Opcional: instale una brida para garantizar que el vellón se mantiene en su sitio.
13. Prepare 45 ml de mezcla epoxi (2 partes de epoxi, 1 parte de endurecedor) y añádala al sensor de agua.

El montaje/preparación del sensor de inclinación se muestra en la figura anterior. Son necesarios los siguientes pasos:

1. Coloque el sensor Step Counter (5) en la ranura adecuada de la impresión 3D (22) como se muestra en a en la figura anterior; Opcionalmente, el Step Counter se puede pegar en la impresión 3D para una mejor fijación
2. Pega el soporte del cable, que pertenece a la pieza primaria impresa en 3D, con pegamento instantáneo.
3. Instale el cable para el Step Counter y córtelo a una longitud de 5,5 cm, eliminando aproximadamente 1 cm de aislamiento de los cables (b)
4. Poner el cable corto en el WLS 24 (22.2) y quitar aproximadamente 5 cm de aislamiento exterior y 1 cm de aislamiento interior.

Con los sensores preparados, la instalación sobre el terreno debería ser relativamente sencilla para el SMN corto, si se ha preparado una perforación. El proceso de perforación varía en función de si se inserta directamente una tubería de revestimiento de acero o se perfora previamente una tubería de revestimiento de PVC. Sin embargo, la inserción de los sensores y la instalación de la protección y del Nodo de Medición es la misma, independientemente del proceso de perforación (véase la figura siguiente).

Este proceso se ha probado con varios métodos. El método más sencillo para profundidades poco profundas es martillar directamente un tubo de acero con un martillo neumático o un pequeño taladro de percusión (véase la figura siguiente). Después de este proceso, la parte superior del tubo suele estar deformada y es necesario cortarla. Para este proceso, se recomienda utilizar una sierra manual o de batería. Este método puede resultar difícil en geología muy accidentada, en la que es preferible la perforación previa.

Esta sección trata de la etapa 2 de la figura anterior a la anterior. Una vez instalada la tubería de perforación, el sensor preparado (figura anterior a la anterior) puede instalarse mediante los siguientes pasos:

1. Medir la profundidad de la perforación
2. Si la profundidad es inferior a 1,5~m, retire la junta superior (el cabezal superior ocupará el lugar de la junta superior)
3. Coloque el sensor preparado en la perforación hasta la junta superior o hasta que llegue al fondo de la perforación.
4. Una vez que la junta superior llega a la parte superior de la tubería de revestimiento, hay varias formas de proceder:
   1. si le faltan menos de 35~cm, añada una varilla roscada y córtela de modo que termine unos 2~cm por encima del revestimiento una vez que el sensor esté totalmente introducido en el revestimiento.
   2. si le faltan entre 35~cm y 1 metro, puede instalar una varilla roscada larga como en la opción a), o instalar dos varillas roscadas con una junta en medio o simplemente una tuerca para conectar dos varillas roscadas.
   3. si le queda 1 metro o mas, puede instalar un segundo sensor de inclinacion y deberia leer en el documento de LCI sobre ello.
   4. si procede, también puede cortar la tubería de PVC o de metal a la longitud adecuada, en función de la parte que quede visible en la superficie.
5. Al final, la longitud del cable de 6 ejes debe sobresalir unos 50~cm por encima de la carcasa, para que sea posible retirar el Nodo de Medición Inform@Risk. Recuerde cortar el cable a través de las juntas antes de colocarlas en la carcasa o de añadir el cable al Nodo de medición.
6. Si necesita aumentar la longitud del cable, puede hacerlo de la siguiente manera:
   1. Añada un trozo de 15~cm de tubo termorretráctil sobre un lado del cable y deslícelo hacia abajo o hacia arriba al menos 30~cm
   2. Retire unos 3~cm del apantallamiento exterior y aproximadamente 1~cm del apantallamiento de cada hilo de ambos lados del cable (véase e en la figura siguiente)
   3. Añada conectores de soldadura (nº 6 en la tabla 1} y en la figura de materiales) sobre cada uno de los hilos individuales
   4. Utilice un quemador de gas para conectar los cables licuando la soldadura y encogiendo el tubo de calor de los conectores de soldadura (d en la figura de abajo)
   5. Una vez que todos los cables estén conectados, desplace el trozo de termorretráctil de 15 cm sobre la parte superior y retractilelo sobre ambos lados del cable
   6. Fije el cable con bridas a las varillas roscadas (b en la figura inferior)
   7. En la parte superior de la carcasa, una vez que la varilla con los sensores y las juntas esté completamente instalada, deberían quedarle unos 50~cm de cable. Para conectar el cable, siga los siguientes pasos:
      1. En primer lugar, pase el cable a través de la tapa del cabezal (nº 18).
      2. A continuación, coja su Nodo de Medición con el prensaestopas preparado y mueva el cable a través de este último. Tire del cable unos 10-20~cm.
      3. Retire unos 15~cm de aislamiento del cable y algunos milímetros de los hilos individuales (c en la figura inferior)

Recomendamos montar todo lo posible en el taller/laboratorio antes de ir al campo para que la instalación in situ sea más eficiente. Además de la recomendación anterior, para los nodos que van protegidos con tubería de PVC, aunque se recomienda dejar 50 cm de cable de 6 ejes, en algunos casos es pertinente dejar un poco más dado que para futuros mantenimientos y revisiones del nodo es más práctico que pueda salir completamente de la tubería de protección y esto permitirá una longitud de cable mayor que la longitud de la tubería de protección.

Para la protección de los sensores (paso 3 de la figura 1), se proponen dos variantes, que varían en la forma de disponer sus partes visibles en la superficie. Una solución, denominada a partir de ahora Tubo de PVC y cimentación, es el enfoque “funcional”, en el que el aspecto no es tan importante. Se propone para regiones remotas, no urbanas. La segunda solución, Totem, ha sido diseñada por el equipo de urbanismo de la Leibniz-Universität Hannover (LUH) y se centra, por tanto, en la incorporación del sensor al contexto urbano.

La solución más técnica y muy sencilla con tubo de pvc y cimientos sólo necesita una cantidad limitada de piezas. Las herramientas necesarias son una taladradora, una sierra, una lima y algunas llaves.

A continuación se enumeran los materiales necesarios:

1. Tubo de PVC con dos tapas y taladros para varillas roscadas y revestimiento del inclinómetro
2. Cimentación con tres varillas roscadas que sobresalen verticalmente
3. Goma elástica de 120 mm de diámetro y unos 5 mm de resistencia
4. Tuercas y arandelas para las varillas roscadas
5. Diversas piezas impresas en 3D: Carcasa para panel solar en el lateral o en la parte superior, espaciadores para tubo de pvc

La tubería se fija con una pequeña base de hormigón de 20×20~cm, que sujeta tres varillas roscadas de tamaño aproximado M8 (de unos 8~mm de diámetro). A continuación, se coloca la tapa de la tubería de PVC al revés (a en la figura anterior) y se fija a la cimentación con tuercas y arandelas. A continuación, una vez fijado el Nodo de Medida al SMN (b, c), se puede fijar el panel solar al tubo de PVC. Para ello, hay dos opciones: Tener el panel solar en el lateral (e) o en la parte superior (f) del tubo de PVC. La tapa de la tubería de PVC puede fijarse a la propia tubería mediante tornillos especiales, de modo que pueda desmontarse fácilmente para trabajos de mantenimiento, pero que no pueda ser manipulada fácilmente por terceros.

El Totem ofrece una solución visualmente más atractiva para la protección de los sensores y una mejor integración en el espacio público. Los detalles del diseño pueden consultarse en LUH aquí \todo{add LUH links}. Como puede verse en la siguiente figura, la construcción que se utilizó en el proyecto Inform@Risk consiste en un sencillo diseño de ladrillo y tapas de madera plástica.

Al igual que el tótem, el diseño del banco ofrece una mejor integración de la parte técnica en el espacio público. Sin embargo, la parte técnica que rodea el Nodo de Perforación y Medición es idéntica.