sábado, 9 de enero de 2010

MÉTODOS DE MEDICIÓN DE CAUDALES

MÉTODOS DE MEDICIÓN DE CAUDALES
AFORO
El aforo es la operación de medición del caudal en una sección de un curso de agua. En los ríos se mide en forma indirecta, teniendo en cuenta que:
Q [m3/seg] = V [m/seg] x A [m2]
CAUDAL = VELOCIDAD x AREA
El método consiste entonces en medir la sección del curso y la velocidad en la misma. Ello se hace a través de verticales referidas a las márgenes en las que se mide profundidad y velocidad. Se determinan así áreas parciales y velocidades medias en las áreas parciales con las cuales se determinan caudales parciales, cuya sumatoria arroja el caudal total.
MÉTODOS DE MEDICIÓN
Para efectuar mediciones en las corrientes líquidas se utilizan, en ingeniería, una gran variedad de dispositivos. A continuación, vamos a contemplar aquellos métodos de medida cuyo uso resulta más generalizado en la práctica. Conviene advertir que para el uso correcto de los instrumentos de medida es preciso previamente conocer sus características y coeficientes, siendo necesario, en la mayoría de los casos, realizar el calibrado de los mismos de acuerdo con las aplicaciones del proceso. Los métodos de aforo más utilizados, amén del empleo de los clásicos tubos de Pitot-Darcy y Venturi, que no se detallarán, son los siguientes:
1. VELOCIDAD Y SECCIÓN MOJADA.

Los métodos de aforo basados en este método son los más empleados; se requiere medir el área de la sección transversal del flujo de agua y la velocidad media de este flujo. Se emplea la expresión:
Q = A x v,
Donde:
Q es el caudal del agua.
A es el área de la sección transversal del flujo de agua.
V es la velocidad media del agua.
Generalmente, en el caso de los caudales ecológicos, el caudal Q se expresa en litros por segundo (L/s.) o bien en metros cúbicos por segundo (m3/s). En la ecuación anterior, si Q el caudal se expresa en m3/s, A se expresa en m2 y v en m/s, V se expresa en m3 y T, que es el tiempo, viene expresado en segundos.
Es fácil convertir m3/s a L/s, sabiendo que 1 m3 equivale a 1.000 litros. La abreviatura L/s, se puede expresar también como LPS (litros por segundo).
El problema principal es medir la velocidad media en los ríos o cauces naturales, ya que la velocidad varía en los diferentes puntos del interior de una masa de agua. Los métodos más conocidos de aforos de agua son los siguientes:
a. Método del correntómetro o molinete.
b. Método del flotador.
c. Método usando dispositivos especiales, tales como: vertederos y canaletas (Parshall, trapezoidal, sin cuello, orificio, etc.).
d. Otros.
Para la medición del agua circulante por un cauce natural, pues, existen varios métodos, siendo los más utilizados el método del correntómetro y el método del flotador.

2. ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS.
De acuerdo a su funcionamiento las estructuras pueden dividirse en cuatro grupos que son:
o Estructuras que funcionan a régimen crítico.
o Estructuras que funcionan a medio de un resalto.
o Estructuras que funcionan como orificio.
o Estructuras que funcionan primero a régimen crítico y posteriormente como orificio.
o Medidor parshall.
Estructuras que funcionan a régimen crítico: dentro de este grupo de estructura podemos mencionar toda la gama de vertedores, tanto de cresta ancha delgada que consisten en una escotadura a través de la cual se hace circular el agua.
Estructuras que funcionan a medio de un resalto: se forma por medio de una reducción de la sección transversal de la corriente, aumentando la velocidad de la misma y presentándose el régimen critico, al salir del agua de la sección reducida, la velocidad disminuye produciéndose un resalto hidráulico. Ejemplo de ellas es el medidor parshall.
Estructuras que funcionan como orificio: en este tipo de estructuras el agua fluye a través de una sección de control operada por medio de una compuerta que permite regular la carga H con que trabaja el orificio.
Estructuras que funcionan primero a régimen crítico y posteriormente como orificio: en este tipo de estructura se tienen los módulos aforadores, los cuales tiene en su parte inferior un vertedor de cresta ancha tipo cimacio y junto con una o dos placas fijas que obstruyen la parte superior, se forma un orificio, por donde pasa el agua cuando el nivel del agua en la derivación se incrementa y toca la parte inferior de las placas
Medidor parshall: es una estructura de aforo, consta de tres partes fundamentales que son la entrada, formada por dos paredes verticales simétricas y convergentes y de una plantilla horizontal, la garganta que está formada por dos paredes verticales y paralelas con la plantilla inclinada hacia abajo, por último la salida que está formada también por dos paredes verticales pero divergentes y la plantilla ligeramente inclinada hacia arriba. La arista formada por la unión de las plantillas de la entrada y de la garganta se llama cresta del medidor y a su longitud, o sea, la distancia entre las paredes de la garganta se le llama tamaño de medidor. La estructura tiene dos pozos amortiguadores para medir la carga Ha y Hb, antes y después de la Creta, colocados en los lados de la escritura y comunicados a ella por tubería que se conecta a puntos bien definidos de la entrada y la garganta. Si el medidor trabaja a descarga libre basta medir únicamente la carga Ha para calcular el gasto.
3. MÉTODO VOLUMÉTRICO.
Se emplea por lo general para caudales muy pequeños y se requiere de un recipiente para colectar el agua. El caudal resulta de dividir el volumen de agua que se recoge en el recipiente entre el tiempo que transcurre en colectar dicho volumen.
Q = V / T
Q: Caudal m3 /s V: Volumen en m3 T: Tiempo en segundos
Aforo volumétrico La medición del caudal se realiza de forma manual utilizando un cronómetro y un recipiente aforado, generalmente un balde. El procedimiento a seguir es tomar un volumen de muestra cualquiera (V) y medir el tiempo transcurrido (t) desde que se introduce a la descarga hasta que se retira de ella; la relación de estos dos valores permite conocer el caudal (Q) en ese instante de tiempo. Se debe tener un especial cuidado en el momento de la toma de muestra y la medición del tiempo, ya que es un proceso simultáneo donde el tiempo comienza a tomarse en el preciso instante que el recipiente se introduce a la descarga y se detiene en el momento en que se retira de ella. Se deben realizar varias mediciones y calcular el promedio. El caudal se calcula como: Q = V / t Siendo: Q = caudal, en L/s; V = volumen, en L; t = tiempo, en segundos. Este método tiene la ventaja de ser el más sencillo y confiable, siempre y cuando el lugar donde se realice el aforo garantice que al recipiente llegue todo el volumen de agua que sale por la descarga. Entre sus desventajas se cuenta que la mayoría de veces es necesario adecuar el sitio de aforo para evitar pérdida de muestra en el momento de aforar; también se deben evitar represamientos que permitan la acumulación de sólidos y grasas.
Aforo en canales abiertos Vertedero El vertedero es un canal en el cual se coloca una estructura de rebose que puede adoptar distintas formas; el líquido represado alcanzará distintas alturas en función del caudal, relacionadas por ecuaciones dependientes del tipo de vertedero, que puede ser rectangular, triangular o trapezoidal. Las ventajas de este tipo de vertederos radican en su fácil construcción, bajo costo y buen rango de precisión en líquidos que no contengan sólidos.
Vertedero rectangular Es el más utilizado y puede ser de dos tipos:
Con contracción: Tiene una abertura rectangular más pequeña que el ancho del canal, la cual produce con el caudal un chorro angosto y más acelerado que el flujo del canal. El flujo se calcula con la fórmula de Francis:
Q = 1.83 ´ L ´ H 1.5
Donde: Q= caudal en m 3 /s; L= longitud de la cresta, en m; H= cabeza, en m.
Sin contracción: Tienen el ancho de la cresta igual al ancho del canal, por lo tanto los lados del canal actúan como los lados del vertedero. La ecuación para el cálculo del caudal es la siguiente: Q = 3.3 ´ L ´ H 1.5
Donde: Q = caudal, en pies cúbicos/s; L = longitud de la cresta, en pies; H = cabeza, en pies.
Vertedero triangular Consiste en una ranura angular cortada en el centro del vertedero de tal forma que el ápice de la ranura esté a la misma distancia del fondo del canal como los lados del ángulo a la pared del canal. Los ángulos más utilizados son de 90° y 60°. Son los mejores para medir caudales menores de 28 L/s. El cálculo del caudal es:
Para 90°: Q = 1.4 ´ H (2.5) Para 60°: Q = 0.775 ´ H (2.47)
Donde: Q = caudal, en m 3 /s; H = altura, en m.
Vertedero trapezoidal También llamado vertedero Cipolleti, se caracteriza por su forma trapezoidal siendo las proyecciones de sus paredes 1horizontal y 4 vertical. El cálculo del caudal se hace aplicando la expresión: Q = 1.859 ´ L ´ H 1.5 Donde: Q = caudal, en m 3 /seg; H = Altura, en m; L = Longitud de la cresta, en m.
Método de área–velocidad Este método es utilizado para hallar el caudal en corrientes superficiales y canales abiertos. Para ello es necesario definir el área de la sección (A) y la velocidad promedio (V). El caudal se calcula como: Q = A ´ V En la práctica, el área transversal total de la corriente o canal se divide en pequeñas áreas seccionales y en cada una de estas áreas se determina el flujo o caudal parcial (q i). El caudal total se obtiene sumando los caudales parciales. Para medir la velocidad se pueden utilizar correntómetros, molinetes o flotadores.
Medida de la velocidad con correntómetro o molinete El medidor de corriente o molinete es un dispositivo constituido por una serie de paletas las cuales giran al estar en contacto con una corriente de agua, siendo el número de revoluciones proporcional a la velocidad de la corriente. Los aforos del flujo pueden realizarse siguiendo diversos métodos:
•Con el método de un solo punto se mantiene el medidor a una profundidad de 0.6 h por debajo del agua y en el centro de la misma, siendo poco confiable los resultados obtenidos. •En el método de dos puntos se observa la velocidad a 0.2 y 0.8 h, tomándose el promedio de estos dos valores para representar la velocidad media en la sección vertical. La profundidad en el canal o corriente deberá ser suficiente para que pueda trabajar el molinete. Hay varios tipos de hélices dependiendo de la velocidad de la corriente; si es para poca velocidad se requiere una hélice liviana (#3). En estos medidores la relación entre velocidad del agua y el número de revoluciones está dado por:
Q = V ´ A
Donde: Q= caudal; V= velocidad; A= área de la sección; V= a+bnV= velocidad del agua, en m/seg; a y b son constantes de calibración del equipo; n= N° de revoluciones/seg. El tramo o sección a medir debe ser canal abierto, más o menos recto, de fácil acceso, sin turbulencia. Medir el ancho de la sección y dividirla en 4 franjas, tomando las distancias en cada punto. En la parte central de cada una de estas franjas medir la altura de la lámina de agua (h). Ajustar el molinete a 0.4h y medir el número de revoluciones en 1 minuto; medir mínimo 2 veces en cada punto y a esa altura. (Si los datos son muy diferentes entre sí es necesario hacer otra lectura). Ajustar el equipo a 0.6h y medir nuevamente la velocidad por duplicado en cada punto. Nota: Es importante la selección del número de la hélice utilizada; en el caso nuestro la más común es la No. 3. La ecuación en este caso es:
Para n < 0,6: V= 0,236 ´ n + 0,016 Para n > 0,6: V= 0,256 ´ n + 0,004
Medida por velocidad superficial (flotadores) Este método sólo se aplica en tramos uniformes. Consiste en determinar la velocidad del flujo colocando uno ó varios flotadores tales como esferas plásticas huecas, hojas, etc., del mismo tamaño y midiendo el tiempo gastado en recorrer una distancia. Para determinar el área de la sección transversal se mide el largo de la sección escogida, las alturas de la lámina de agua y el ancho de la sección en varias partes. Para medir el tiempo de recorrido del flotador colocar este suavemente sobre la superficie del agua; no se los debe arrojar porque le imparte velocidad y puede afectar la medición. Medir el tiempo de recorrido en la distancia seleccionada varias veces y calcular el promedio. La velocidad resultante se multiplica por un factor entre 0,4 y 0,92 dependiendo de la textura del fondo del lecho o canaleta así:
•Poco áspera 0,40 - 0,52 •Grava con hierba y caña 0,46 - 0,75 •Grava gruesa y piedras 0,58 - 0,70 •Madera hormigón pavimento, 0,70 - 0,90 •Grava 0,62 - 0,75 •Arcilla y arena 0,65 - 0,83
Q = V ´ A Donde: V = velocidad promedio; A = área transversal promedio. Este método solo sirve para estimar el caudal. Se recomienda hacer mínimo 3 lecturas para el cálculo de la velocidad; Si hay muchas diferencias el proceso se debe repetir de 20 a 30 veces, luego se debe elaborar una curva y obtener el valor medio.
Medida de Caudal en tuberías total o parcialmente llenas Horizontes ó inclinadas por el método de las Coordenadas X Y. Es posible hacer el cálculo aproximados del caudal que es descargado libremente por una tubería, midiendo las longitudes en las direcciones X, Y del chorro, una vez ha dejado la tubería. Después de medido los valores de X, Y se procede a medir el área Hidráulica. Donde: D = Diámetro de la Tubería (cm) A 0 = Área Total de la Tubería (cm 2) h = Borde Libre (cm) A = Área Hidráulica (cm 2) Con los valores anteriores se calcula el valor del caudal con la siguiente ecuación:

Q = Caudal en Litros /seg. 0.0221 = factor de conversión L* cm -5/2 * s -1 A = Área Hidráulica en cm 2 X = Valor de Abscisa en cm. Y = Valor de la ordenada en cm.
4. MÉTODO QUÍMICO.
Consiste en hallar el caudal introduciendo en proporción conocida una sustancia química en el agua de la corriente y determinando la cantidad de dicha sustancia que contiene está en una sección situada suficientemente lejos aguas abajo para asegurar su mezcla perfecta con el agua. La sal común es la sustancia empleada comúnmente. Por conveniencia se disuelve la sal en agua antes de introducirla en la corriente. Representamos por Q el caudal en metros cúbicos por segundo. Si se introducen w kilogramos por segundo de sal después de tener una mezcla perfecta se toma una muestra de la corriente y esta indica que 1 kilogramo de agua contiene n kilogramos de sal, además de la sal que contiene el agua natural,
Ó
La formula anterior no es de fácil aplicación, debido a la dificultad de determinar n con exactitud. Se describió el método de los tres grupos de muestras que siguen:
1. El agua de la corriente dosificada, es decir, el agua de la corriente después de introducir la sal y de que esta se ha mezclado perfectamente con dicha agua.
2. la muestra de la solución de sal; es decir, la salmuera que se prepara para introducirla en la corriente.
3. la disolución espacial; es decir, la mezcla de la solución salina con el agua de la corriente natural, preparada en el laboratorio.
Por este método no es necesario analizar el agua de la corriente, ya que el efecto de la sal que contiene es eliminado en los cálculos.
Es conveniente tener la salmuera que ha de introducirse en el agua lo más concentrado posible para reducir el tamaño del tanque mezclador. No se aconseja una solución saturada debido a la tendencia de la sal a cristalizarse en los bordes del tanque, pero una solución de 260Kg de sal por metro cúbico de agua será satisfactoria.
La solución de sal debe agregarse a la corriente en proporción tal que aumente el contenido de sal de ésta a lo menos en 0.05Kg por metro cúbico y bajo ninguna circunstancia debe exceder el contenido inicial de sal de 25 por ciento de contenido de sal de agua dosificada.
Para conseguir la máxima exactitud al hacer las pruebas químicas, debe usarse el método de evaporaciones de equilibrado. Esto requiere que las muestras del agua de la corriente dosificada y de la disolución especial sean evaporadas, y la de la solución de sal diluida, hasta que cada una contenga, tan aproximadamente como pueda estimarse, la misma cantidad de sal. Se toman muestras de 500 centímetros cúbicos del agua de la corriente dosificada y de la disolución especial, y se evaporan hasta que su volumen sea de unos 10 centímetros cúbicos. Luego se obtendrá por dilución una muestra de 10cm3 de la solución de sal que contenga aproximadamente la misma cantidad de sal que las muestras anteriores.
En general será necesario investigar anticipadamente el lugar apropiado para tomar muestras del agua de la corriente dosificada y el intervalo de tiempo necesario entre la iniciación de la dosificación y el de muestreo. Parker da las siguientes recomendaciones:
Representemos por v la velocidad media de la corriente, y por b su ancho. Entonces para las corrientes con profundidas comprendidas entre 1/10b y 1/3b, la mezcla completa no tendrá lugar hasta que una distancia a lo menos de 6b haya sido recorrida y la descarga de la solución haya continuado durante 24b/v segundos por lo menos. Es evidente que el aforo por el método químico es más adecuado para aguas turbulentas y es dudoso que se pueda aplicar satisfactoriamente a corrientes lentas.
5. MÉTODO COMBINADO. CALIBRACIÓN DE COMPUERTAS.
Calibración de Compuertas. La compuerta es un orificio en donde se establecen para determinadas condiciones hidráulicas los valores de caudal, con respecto a una abertura medida en el vástago de la compuerta. Este principio es utilizado dentro de la operación normal de una compuerta; para la construcción de una curva característica, que nos permita determinar tomando como referencia la carga hidráulica sobre la plantilla de la estructura, cual es el gasto en litros por segundo que discurre por el orificio. Sin embargo, al cambiar las condiciones hidráulicas del canal del cual están derivando, dan lugar a la variación de las curvas establecidas, razón por la cual es necesario establecer una secuencia de aforos para conocer cuál es el grado de modificación de la curva utilizada.
Calibración de la Sección Tanto el área de la sección como la velocidad del agua pueden variar con los cambios de altura en el nivel del agua, si hacemos esto en una sección adecuada, esta relación es generalmente fija, circunstancia que podemos aprovechar para que, una vez conocida esta relación entre nivel del agua, sección transversal y velocidad, puedan obtenerse y registrarse los caudales mediante una escala de alturas, que indica la variación del caudal. Cuando una sección esta calibrada significa que se conoce la variación de la altura del nivel del agua y el caudal, para el caso de medidores y vertederos existen las formulas en función a la altura y en los casos de los ríos y canales se tienen las curvas de calibración llamadas (h – Q.).
PARA QUE SE MIDE CAUDALES DE UNA CUENCA Y DE UNA MICROCUENCA
Para proveer de datos oportunos y veraces que, una vez procesados, proporcionen información adecuada para lograr una mayor eficiencia en la programación, ejecución y evaluación del manejo del agua en un sistema hidráulico. A su vez, el uso de una información ordenada nos permite: a. Dotar de información para el ajuste del pronóstico de la disponibilidad de agua de la fuente (río, aguas subterráneas, etc.), que nos permite conocer los volúmenes probables de agua que podemos disponer. Esta información resulta de suma importancia para la elaboración del balance hídrico, la planificación de siembras y el plan de distribución del agua de riego y el acueducto. b. Monitorear la variación del caudal del preciado líquido. Donde se nos permiten conocer la cantidad de agua existente en la cuenca.
CUAL METODO SE UTILIZARIA EN LAS VISITAS REALIZADAS
Principalmente el método del flotador. este método se utiliza cuando no se tiene equipos de medición y para este fin se tiene que conocer el área de la sección y la velocidad del agua, para medir la velocidad se utiliza un flotador con él se mide la velocidad del agua de la superficie, pudiendo utilizarse como flotador cualquier cuerpo pequeño que flote: como un corcho, un pedacito de madera, una botellita lastrada, Este método se emplea en los siguientes casos:
o A falta de correntómetro.
o Excesiva velocidad del agua que dificulta el uso del correntómetro.
o Presencia frecuente de cuerpos extraños en el curso del agua, que dificulta el uso del correntómetro.
o Cuando peligra la vida del que efectúa el aforo.
o Cuando peligra la integridad del correntómetro.
Él calculo consiste en Q = A x v
v = e / t
V es la velocidad en m / s E espacio recorrido en m del flotador T tiempo en segundos del recorrido e por el flotador A Área de la sección transversal Q Caudal

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