Investigación de Enmacosa dentro del proyecto "APLICACIÓN DE SENSORES RADAR PARA DETECTAR Y EVALUAR EL ESTADO DEL PAVIMENTO Y LA RED DE TUBERÍAS Y SERVICIOS EN EL SUBSUELO URBANO", cofinanciado por la Xunta de Galicia (2001-2004).
Capítulo 1: FUNDAMENTOS TEÓRICOS
1.1 Leyes de Maxwell
1.2 Parámetros electromagnéticos de un medio
1.2.1 Conductividad (σ)
1.2.2 Permitividad dieléctrica (ε)
1.2.3 Permeabilidad magnética ( μ )
1.3 Propagación de una onda electromagnética
1.4 Parámetros efectivos
1.5 Impedancia de un medio
1.6 Profundidad nominal de penetración (skin depth)
1.7 Reflexión y transmisión de ondas electromagnéticas
1.8 Pérdidas de energía por procesos internos al medio
1.8.1 Dispersión geométrica del frente de ondas
1.8.2 Absorción
1.8.3 Dispersión de la energía (“scattering”)
1.9 Capacidad de penetración. Ecuación radar
1.10 Capacidad de resolución y zona de influencia
Capítulo 2: CARACTERÍSTICAS DE LOS EQUIPOS GPR
2.1 Origen y desarrollo del GPR
2.2 Características de los equipos
2.2.1 Unidad de control
2.2.2 Parámetros de un registro
2.2.3 Antenas
2.2.4 Accesorios
2.2.5 Equipos complementarios
2.4 Equipos del mercado
2.4.1 Equipos de propósito general
2.4.2 Equipos adaptados al estudio de carreteras
2.4.3 Equipos exclusivamente destinados a la detección de tubos y tuberías
2.5 Presentación de resultados
Capítulo 3: DETECCIÓN DE REDES DE SERVICIOS EN ENTORNOS URBANOS
3.1 Consideraciones sobre tipos de servicios, tipos de suelos y antenas utilizadas
3.2 Aparición de eventos hiperbólicos en los registros
3.3 Otros factores relacionados con la naturaleza y tamaño de los reflectores
3.4 Consideraciones sobre la polaridad de la señal recibida
3.5 Determinación de la velocidad de propagación de la onda
3.6 Ejemplos de estudios realizados
Capítulo 4: EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS
4.1 Aplicaciones
4.1.1 Medición del espesor del pavimento
4.1.2 Control de calidad en nuevas construcciones
4.1.3 Estudio de daños
4.2 Diseño del remolque
4.2.1 Introducción
4.2.2 Descripción técnica
4.3 Ejemplos de registros obtenidos
Conclusiones
Bibliografía
4.2 Diseño del remolque / Trailer design
4.2.1 Introducción / Introduction
Como ya adelantamos en el capítulo 2, los equipos destinados a facilitar el transporte del equipo durante las mediciones y la toma de datos son de vital importancia ya que de su apropiado diseño dependerá que la adquisición de datos sea lo más rápida, eficiente y cómoda posible.
As already proposed in Chapter 2, the teams designed to facilitate the transport of equipment during measurements and data collection are vital because of its appropriate design will depend on the data acquisition as fast, efficient and comfortable as possible .
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En el diseño hay que tener en cuenta, principalmente, el tipo de terreno donde se debe efectuar el estudio, las características del equipo GPR en el que va a ser empleado y la aplicación a la que va a ser enfocado. La utilización de un vehículo de transporte adaptado a estas condiciones facilitará en gran medida los trabajos de campo. En general los vehículos adecuados para el estudio de carreteras permiten transportar con seguridad la antena a velocidades entorno a 60 km/h. Para ello y dependiendo del diseño que se desee implementar la antena o antenas son fijadas en un pequeño remolque situado en la parte delantera o trasera del vehículo desde donde el operario controla el resto del sistema (figura 11).
Teniendo presentes estas consideraciones los esfuerzos de este estudio en cuanto a la evaluación de pavimentos han estado dirigidos al diseño y construcción de un remolque ligero de este tipo y que ha sido adaptado, concretamente, para el transporte de antenas ground-coupled. El remolque, en este caso, se engancha en la parte posterior de un vehículo dónde se situará el resto del equipo (unidad de control y portátil) y desde dónde el operario podrá configurar todo los parámetros del sistema (figura 12).
The design must take into account, in particular, the type of terrain where you must perform the study, the characteristics of the GPR equipment to be used and the application that is going to be focused. The use of a transport vehicle adapted to these conditions will greatly facilitate fieldwork. Generally suitable for the study of roads allow vehicles to safely transport the antenna at speeds around 60 km / h. For this and depending on the design requirements to implement the antenna or antennas are fixed on a small trailer at the front or rear of the vehicle from which the operator controls the rest of the system (Figure 11).
With these considerations in the efforts of this study regarding the evaluation of pavement have been directed to the design and construction of a light trailer of this type and has been tailored specifically for the transport of ground-coupled antennas. The trailer, in this case, is hooked on the back of a vehicle where the rest of the team (and portable control unit) and from where the operator can set all system parameters (Figure 12) is located.
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Los factores limitantes más importantes que se han tenido en cuenta en las etapas de diseño y fabricación están estrechamente relacionados con la velocidad necesaria a la que se desea que el remolque transporte con seguridad el equipo (entre 60-80 km/h). La utilización de antenas ground-coupled impone una mayor dificultad de diseño ya que, como ya comentamos anteriormente, para conseguir sus mejores prestaciones deben de estar muy cerca del suelo. Otra importante limitación tanto en la fabricación de estos remolques como en la de otros elementos que sirven de soporte para las antenas es que no se puede emplear ningún material metálico ya que esto podría introducir interferencias no deseadas en la señal GPR que queremos analizar (figura 4.13). Esta necesaria ausencia de elementos metálicos, dificulta también el diseño y construcción de un remolque lo suficientemente rígido para soportar las velocidades deseadas.
The most important limiting factors have been taken into account in the design and manufacturing stages are closely related to the required rate at which the trailer to safely transport equipment (60-80 km / h) is desired. The use of ground-coupled antennas represents a major constraint design since, as we discussed above, to achieve their best performance must be very close to the ground. Another important limitation in both the manufacture of these trailers and the other elements that support for antennas is that you can not use any metallic material as this may introduce unwanted interference in GPR signal we want to analyze (Figure 4.13 ). This required no metal elements, also complicates the design and construction of a trailer rigid enough to withstand the desired speeds.
4.2.2 Descripción técnica / Technical description
Después del desarrollo de distintos prototipos que han sido probados en el entorno de la empresa y en carreteras locales, se ha conseguido construir un remolque altamente cualificado para el estudio del subsuelo utilizando técnicas de detección radar mediante el uso de sistemas GPR. Ha sido diseñado para su uso específico en la evaluación de firmes en carreteras, autovías, autopistas, pistas de aterrizaje, etc.
After the development of several approaches that have been tested in the environment of the company and local roads, has managed to build a highly qualified trailer for the study of subsurface using radar detection techniques using GPR systems. It has been designed specifically for use in evaluating firm in roads, freeways, highways, runways, etc.
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Una de las características tanto el chasis portante como los componentes de rodadura y dirección es la de estar constituidos por elementos no-metálicos. De esta forma se evita que las ondas electromagnéticas emitidas por las antenas radar produzcan reflexiones adicionales en el mismo que interfieran con la señal recibida.
Su diseño y construcción es altamente resistente a factores atmosféricos (lluvia, nieve,...). Permite el ser remolcado por cualquier clase de vehículo que posea un gancho de remolque homologado, pudiendo alcanzar sin ningún inconveniente velocidades de hasta 60 km/h. Su peso total es de 40 kg y tiene una capacidad de carga dinámica de 430 Kg y una capacidad estática de 300 Kg.
Todos los elementos, exceptuando el chasis, son fácilmente desmontables para su mantenimiento ó reparación en el caso de esta fuese necesaria. Los únicos componentes que precisan de un mantenimiento prolijo son, el sistema de rodadura y el de dirección, aunque muy sencillo y de coste prácticamente nulo. Para ello se debe aplicar vaselina antes de ser utilizado minimizando de esta manera el rozamiento y facilitando la disipación de calor. En su parte posterior se puede acoplar cualquier tipo de soporte para cualquier complemento, como puede ser el uso de una rueda taquimétrica que ayude a posicionar de una forma precisa los registros obtenidos.
One of the characteristics of both the supporting frame and the running gear and direction is to be made of non-metallic elements. In this way it is prevented that the electromagnetic waves emitted by the radar antenna additional reflections occur in the same interfering with the received signal.
Their design and construction is highly resistant to atmospheric factors (rain, snow, ...). Allows be towed by any kind of vehicle that has a trailer hook approved, without any problems and can reach speeds up to 60 km / h. Its total weight is 40 kg and has a dynamic load capacity of 430 kg and a static capacity of 300 Kg.
All elements except the chassis, are easily removable for maintenance or repair in the event it becomes necessary. The only components that require maintenance are a neat, the system rolling and steering, although very simple and virtually no cost. This requires applying petrolatum before use, thereby minimizing friction and facilitate heat dissipation. In the back you can attach any kind of support for any supplement, such as the use of a tachometer wheel that helps precisely position of the records obtained.
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| Figura 15. Rueda taquimétrica acoplada al remolque. Figure 15 tachometer wheel coupled to the trailer. |
4.3 Ejemplos de registros obtenidos / Examples of records obtained
Para la realización de este estudio se ha utilizado una única antena de 500 MHz con motivo de hacer un análisis en profundidad de las distintas capas del firme a evaluar.
En el registro representado se puede observar la existencia de una primera capa de pavimento de unos 30 cm de espesor y de una segunda capa de relleno de espesor variable con profundidades comprendidas entre los 40 y 80 cm.
Se representan tres trazas tomadas del perfil en las que se pueden observar las reflexiones producidas por cada interfaz. La traza numero 3 en la que se observan múltiples reflexiones se corresponde con la presencia de una grieta en el pavimento.
To carry out this study we have used a single antenna 500 MHz occasion to do a thorough analysis of the different layers of the firm to evaluate.
Represented in the record shows the existence of a first layer of pavement about 30 cm thick and a second fill layer of variable thickness with depths between 40 and 80 cm.
Profile taken three traces where you can see the reflections from each interface are shown. The trace number 3 in which multiple reflections are observed corresponding to the presence of a crack in the pavement.
Para la realización de este perfil se ha utilizado una antena de 500 MHz. El registro de la parte superior se corresponde con un registro virgen obtenido con dicha antena. Para su obtención se ha determinado una toma de datos cada 5 metros, un stacking de 8 trazas y una ventana de tiempos de 45 ns, la frecuencia de muestreo deslizante es de 6.64 GHz para un total de 309 puntos por traza.
To carry out this profile has been used an antenna 500 MHz. Registration top corresponds to a blank record obtained with the antenna. To obtain a wall has been determined data every 5 meters, stacking 8 traces and time window of 45 ns, the sampling frequency slider is 6.64 GHz for a total of 309 points per trace.
Continúa en: Continued on: GPR (Geo-radar) Conclusions, Bibliography (XIV)
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