manual de hidrometría

REPÚBLICA DE HONDURAS

SECRETARÍA DE FINANZAS

PROYECTO DE MODERNIZACION DEL SECTOR AGUA POTABLE Y SANEAMIENTO

(PROMOSAS)

ASISTENCIA TÉCNICA A LOS PRESTADORES DE SERVICIO DE LOS

MUNICIPIOS BENEFICIARIOS DEL PROMOSAS

Programa de Capacitación en Operación y Mantenimiento Ingeniería de Operación – Hidrometría

Hidrometría

Aspectos Teóricos y Prácticos

Ingeniería de Operación

Ing. Lineu Andrade de Almeida

2013

Ingeniería de Operación - Hidrometría Página 2

CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN.................................................................................................................4

2. PRINCIPIOS DE METROLOGÍA.........................................................................................5

2.1. ERROR DE MEDICIÓN………………………………………………………………..…..5 2.2. CALIBRACIÓN………………….……………………………………………………….….5 2.3. PRECISIÓN……………………………………………………………………………….…6 2.4. ANCHO DEL RANGO O RANGEABILIDAD……………………………………….…….6

3. MEDIDORES DE CAUDAL.................................................................................................7

3.1. MEDIDORES VELOCIMÉTRICOS……………………………………………………….8

3.1.1. MEDIDORES WOLTMANN……………………………………………………………8 3.1.1.1. MEDIDORES WOLTMANN VERTICALES……………………………9 3.1.1.2. HIDRÓMETRO WOLTMANN HORIZONTAL………………………..10 3.1.1.3. PRINCIPALES CARACTERISTICAS DE LOS MEDIDORES

WOLTMANN………………………………………………………..……10

3.1.2. MEDIDORES DE TURBINA O HÉLICE……………………………………………..11

3.1.3. MEDIDORES COMPUESTOS……………………………………………………….13

3.1.4. MEDIDORES PROPORCIONALES O “SHUNT”……………………………….….14

3.1.5. CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS DE LOS MACROMEDIDORES . VELOCIMÉTRICOS………………………………………………………………..….14

3.1.6. CARACTERÍSTICAS DE PRECISIÓN Y DIMENSIONAMIENTO……………..…15 3.1.6.1. HIDRÓMETROS WOLTMANN……………………………………..….15 3.1.6.2. HIDRÓMETRO DE TURBINA O HÉLICE………………………….…16 3.1.6.3. MEDIDORES DE MICROTURBINA………………………….…….…17

3.1.7. OBSERVACIONES GENERALES SOBRE LOS MEDIDORES .

VELOCIMÉTRICOS……………………………………………………………..…….19

3.2. MACROMEDIDORES “DEPRIMOGENEOS”……………………………………….…20

3.2.1. PLACA DE ORIFICIO……………………………………………………………..…..21

3.2.2. TUBOS VENTURI……………………………………………………………….…….22

3.2.3. TUBO PITOT……………………………………………………………………..…….23

3.3. MEDIDORES ELETRÓNICOS………………………………………………….…….…24

3.3.1. MACROMEDIDORES MAGNÉTICOS………………………………………..……..24


3.3.2. SONDAS MAGNÉTICAS……………………………………………………….…….27

3.3.3. MACROMEDIDORES ULTRASÓNICOS……………………………………….…..28 3.3.3.1. MEDIDORES DE EFECTO DOPPLER………………………….…...28 3.3.3.2. MEDIDORES DE TIEMPO DE TRÁNSITO…………………….….…29

3.4. MEDIDORES VOLUMÉTRICOS…………………………………………………….….31

3.4.1. MEDIDORES DE DISCO OSCILANTE………………………………………….….31

3.4.2. MEDIDORES DE PISTÓN OSCILANTE……………………………………….…...32

3.4.3. MEDIDORES DE ENGRANAGE……………………………………………….……32

3.4.4. CARACTERÍSTICAS DE LOS MEDIDORES VOLUMÉTRICOS…………….…..33

3.5. CANAL PARSHALL………………………………………………………………..…….33

4. MICRO MEDICIÓN…………………………………………………………………………..…..37

4.1. EL MICRO MEDIDOR (HIDRÓMETRO)……………………………………….……….38

4.2. EL HIDRÓMETRO, CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN Y LIMITACIONES..…38

4.3. EVALUACIÓN DEL CAUDAL DE TRABAJO Y DIMENSIONAMIENTO………....41

POR DEMANDA DE CONSUMO

4.4. DIMENSIONAMIENTO DE LOS HIDRÓMETROS………………………..…………..43


1. INTRODUCCIÓN Para lograr éxito en los programas de reducción y control de las pérdidas, el conocimiento de los parámetros de volúmenes suministrados por medio de macro medidores, presiones de servicio en diversos puntos y niveles de agua, en general son los que permiten calificar mejor la situación en que se encuentra un determinado sistema público de abastecimiento de agua potable en lo que se refiere a su eficiente operación. En este contexto, es fundamental el establecimiento de una “cultura” de medición de forma a garantizar la apropiación continua de los parámetros hidráulicos que posibilitan la elaboración de un balance hídrico y del completo diagnóstico del sistema de abastecimiento y su modelación hidráulica con base en su efectivo funcionamiento. Para alcanzar el escenario ideal para un sistema de abastecimiento de agua potable es necesario estructurar planes de acción visando la reducción y control de las pérdidas, coherente con la disponibilidad de recursos financieros, humanos y materiales. Estos planes deberán considerar los costos y beneficios resultantes de las acciones correspondientes, conduciéndola a una jerarquización de acciones recomendadas, también es necesario decir que los planes de reducción y control de las pérdidas deben estar asociados a otros programas que lleven a cambios estructurales y comportamentales necesarios, como los programas de calidad, planificación estratégica u otros planes de modernización. De esta forma también deben integrar e involucrar todos los empleados del Prestador de Servicios, adquiriendo carácter permanente y de auto sustentabilidad. El enfoque de esta capacitación en Hidrometría son los referentes a los elementos de macro y micro medición, actividades indispensables para el control y gestión de las pérdidas de agua en los sistemas de abastecimiento de agua. La macro medición es tratada como siendo todo el proceso inherente a la medición y estimación de los parámetros operacionales hidráulicos de los sistemas de abastecimiento, con énfasis en la distribución de agua, así, entre los parámetros de intereses están el monitoreo y operación de los sistemas de abastecimiento con las mediciones de caudal. La micro medición es presentada como fundamento efectivo para cerrar el concepto de reducción y control de las pérdidas de agua. Los gestores de los sistemas se tienen que concientizar que es necesario mantener funcionarios expertos en medición o al revés, la alternativa es continuar con la operación empírica de los sistemas de abastecimiento de agua que pueden traducirse en elevados índices de pérdidas. Basado en tales fundamentos son presentados a continuación los principios de metrología y de medición. Principios de Metrología: En el tema específico se encuentran abordados los principales conceptos referentes a la precisión de los medidores. Medidores de caudal: Son presentados los principales medidores de caudal utilizados en abastecimiento de agua y se describen sus principios de funcionamiento, sus características constructivas, detalles de instalación y observaciones referentes a las ventajas y desventajas de cada modelo. Calibración de macro medidores: Están abordados los procedimientos utilizados para la correcta medición de los macro medidores de caudal.


2. PRINCIPIOS DE METROLOGÍA

Antes de iniciar la descripción de los equipos utilizados en macro medición, es importante el entendimiento de conceptos relacionados al desempeño de los equipos de medición de uso común en agua y saneamiento, apuntando a la confiabilidad de los datos suministrados y posterior interpretación y utilización de los mismos.

2.1. ERROR DE MEDICIÓN El error de medición expresa el desvío que el valor indicado por el aparato de medición presenta con relación al valor real de la grandeza que es medida. Se pueden definir dos tipos distintos de errores: ERROR ABSOLUTO DE MEDICIÓN: Es el resultado del valor de una medición menos el valor real del parámetro medido. ERROR RELATIVO: Es el resultado de la división entre el error absoluto de medición por el valor real del parámetro medido. El error relativo, también es llamado de desvío y es el más utilizado. El valor real del parámetro es determinado por instrumentos o sistema de medición que sea ampliamente reconocido como teniendo las más altas calidades metrológicas y cuyo valor es aceptado como referencia. El instrumento, o método de medición, con estas características puede ser nombrado de Padrón Primario del Sistema Primario de Medición. PADRÓN PRIMARIO PARA MEDICIÓN DE CAUDAL Se considera como padrón primario para las medidas de caudal, la relación del volumen sobre el tiempo, siendo el volumen expreso por el peso de determinado recipiente lleno de líquido en determinada densidad. Este padrón primario es utilizado en los laboratorios de calibración y certificación de macro medidores de caudal. Se puede imaginar que para la calibración de macro medidores de diámetro grande son necesarios grandes volúmenes y por tanto los recipientes para la realización de estos ensayos son tanques de grandes dimensiones. Además de los tanques son necesarias balanzas de gran precisión para la determinación del peso de la masa líquida. Por este motivo, como fue mencionado, estos equipos solamente existen en laboratorios especiales. En la imposibilidad de realizar las mediciones y calibraciones de instrumentos en laboratorios y considerando que muchos de los instrumentos utilizados en agua y saneamiento para medición de caudal, además de grandes dimensiones, tienen características de precisión asociadas a su punto de instalación, se utiliza la determinación de caudal por técnicas de pitometria como siendo un proceso de medición que sirve de referencia en la determinación de caudal (Padrón Primario).

2.2. CALIBRACIÓN Calibración de un aparato es un conjunto de operaciones que establece, bajo condiciones específicas, la relación entre los valores indicados por un instrumento de medición considerado padrón de referencia y el aparato a ser calibrado. El proceso de calibración es resultante del establecimiento de los valores y en la indicación de correcciones a ser aplicadas al instrumento calibrado.


2.3. PRECISIÓN

Representa la posibilidad de error esperado en la medición de la grandeza, siendo un error inherente al proceso de medición utilizado. La precisión puede ser expresa de dos formas: como un intervalo porcentual relacionado al fondo de escala (la capacidad máxima del aparato) o al valor instantáneo indicado.

2.3.1. PRECISIÓN RELACIONADA AL FONDO DE ESCALA (f.e.): Expresa el porcentual máximo admitido de error relacionado al fondo de la escala, así, por ejemplo, un medidor de caudal con escala variando de 0 y 400 m³ /h y precisión de más o menos 2% de fondo de escala (2% f.e), admite un error de más o menos 8 m³/h en cualquier punto do intervalo de medición (8 m³/h = 2% de 400 m³/h).

2.3.2. PRECISIÓN RELACIONADA AL VALOR INSTANTANEO (v.i.): La precisión, en este caso, es expresa en porcentaje del valor instantáneo (v.i), significa que el porcentual de error admitido, se refiere al valor medido. Por ejemplo, un medidor de caudal con precisión de más o menos 2% de valor instantáneo (2% v.i), tendrá un error tolerado de más o menos 1 m³/h, cuando estuviera indicando 50 m³/h (1m³/h = 2% de 50 m³/h). Cuando indicare 150 m³/h tendrá un error tolerado de más o menos 3 m³/h (3 m³/h = 2% de 150 m³/h) y así por delante. Se percibe que para los instrumentos de misma precisión porcentual, aquella que tuviere indicada esta precisión en relación al valor instantáneo, será más precisa que aquella cuya precisión está expresa en términos del fondo de escala.

2.4. ANCHO DEL RANGO O RANGEABILIDAD Es la relación entre el valor máximo y mínimo posible de ser medido por el equipo con la misma precisión. Por ejemplo, para un medidor de presión con un valor máximo de escala de 400 mca, precisión de 2% f.e. y rangeabilidad de 10:1 significa que la precisión de 2% de fondo de escala será respetada en el rango de medición entre 40 mca e 400 mca (400/10 = 40). Fuera de este rango de medición ninguna garantía se tendrá en cuanto al error de medición que puede haber.


3. MEDIDORES DE CAUDAL

Los equipos no determinan directamente el caudal, este valor es obtenido a través de las relaciones existentes entre:

− Velocidad del fluido y área de la sección transversal de la tubería:

Caudal = velocidad x área (ecuación de la continuidad)

− Volumen y tiempo:

Caudal = volumen / tiempo

De esta forma la precisión del macro medidor se relaciona directamente con la precisión con la cual se determina la velocidad y área de la tubería en el primero caso y el volumen y tiempo en el según caso. Cualquier imprecisión que ocurra en uno de los factores refleja en la imprecisión del equipo. Ejemplo: Un macro medidor que tenga en su principio de medición basado en la relación de velocidad y área, caso sea instalado en un local donde ocurren variaciones aleatorias y bruscas del perfil de las velocidades (próximo a las interferencias) puede tener su grado de precisión muy perjudicado en comparación a la precisión definida por el fabricante. Una característica básica de los medidores de caudal es la de tener dos elementos distintos: Elemento primario: es el dispositivo del medidor que se encuentra directamente en contacto con el fluido, teniendo como función transformar el caudal en otra grandeza física medible. Elemento secundario: es el dispositivo responsable por la transformación de la grandeza física obtenida del elemento primario en información adecuada para lectura, ya sea en el propio local o a la distancia. Con estas definiciones se puede agrupar los medidores de caudal utilizados en agua y saneamiento en las siguientes familias: a) Medidores velocimétricos Equipos en el cual el elemento primario percibe el caudal en términos de velocidad. El elemento secundario de estos medidores es un conjunto de engranajes en que la velocidad es contabilizada de forma a ser expresada en volumen. Alternativamente el medidor velocimétrico puede tener un elemento secundario que convierte la velocidad en pulsos, los cuales debidamente contados pueden ser convertidos en volumen o caudal cuando se considera el tiempo. Pertenecen a esta familia los medidores del tipo: - Woltmann; - Turbina o turbo-hélice - Micro turbinas


b) Medidores “deprimogeneos” Equipos en que el elemento primario percibe el caudal en términos de diferencial de presión. La diferencia de presión, por su vez, es asociada con la velocidad del fluido, según la ecuación de Bernoulli. El elemento secundario de estos equipos debe convertir la diferencia de presión en valores de lectura convenientes. Pertenecen a esta familia, los medidores de los tipos: - Tubo pitot - Tubo venturi - Placas de orificio c) Medidores electrónicos Equipos en que el caudal es convertido en impulsos eléctricos. Pertenecen a esta familia, entre otros, los siguientes tipos de medidores: - Magnéticos - Ultrasónicos - Vórtice d) Medidores volumétricos. Equipos en que el caudal es determinado por el número de veces en que es llenada una cámara de volumen conocido. e) Medidores de canal abierto Equipos en que el caudal es relacionado a la pérdida de energía (resalto hidráulico), expresada en altura de columna de agua. Pertenecen a esta familia, entre otros, los siguientes medidores: - Canal Parshall - Vertederos A continuación es presentada las características de los medidores mencionados.

3.1. MEDIDORES VELOCIMÉTRICOS Su funcionamiento está basado en un rotor de varias paletas montadas en ángulos (turbinas), directamente o perpendicularmente al flujo. La velocidad de rotación de la turbina es proporcional al caudal. A continuación se presentan los modelos más utilizados:

3.1.1. MEDIDORES WOLTMANN Reciben este nombre en homenaje al Ing. Reinhard Woltmann que en 1790 introdujo el uso de molinetes en las mediciones de ríos y canales.


El medidor del tipo Woltmann tiene su funcionamiento basado en un “molinete” o turbina instalada dentro de un conducto cerrado, actuando al flujo en la dirección axial en relación al eje del molinete. Dos subclases de medidores Woltmann:

3.1.1.1. MEDIDORES WOLTMANN VERTICALES Tienen el eje de la turbina perpendicular al eje de la tubería donde está instalado. Como característica se destaca que el flujo al atravesar el medidor es obligado a hacer un movimiento en forma de “S”, fenómeno que genera un momento sobre el eje. Este esfuerzo en un medidor malo dimensionado causa el desgaste prematuro de las partes de apoyo de la turbina y del eje.

Hay también un tipo especial de hidrómetro Woltmann vertical, donde su carcaza forma un ángulo recto entre la entrada y salida del aparato. Este hidrómetro es especificado para su uso en pozos.


3.1.1.2. HIDRÔMETRO WOLTMANN HORIZONTAL En estos medidores el eje de la turbina es paralelo al eje de la tubería. Aparatos de mayor capacidad tienen la característica de que se puede remover su kit de medición sin la retirada de la carcasa de la tubería.

3.1.1.3. PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DE LOS MEDIDORES WOLTMANN

Medidores verticales impactan con mayor pérdida de carga en comparación a los medidores horizontales;

La turbina ocupa casi toda el área útil de la tubería, y son mucho más sensibles a la presencia de sólidos gruesos en la agua;

Son menos susceptibles a las variaciones de la curva de velocidad en el punto de instalación, pero, con curvas irregulares de velocidad mayores esfuerzos son generados en el eje de la turbina y sus cojinetes.


3.1.2. MEDIDORES DE TURBINA O HÉLICE Tienen semejanza constructiva con los hidrómetros Woltmann horizontales, difiriendo por la forma y dimensión del elemento móvil.

http://www.tecnofluid.com.br/v2/produtos/detalhes.php?CodProd=106


Medidores de turbina Principales características del medidor de turbina:

Su elemento móvil no “llena” toda el área útil de la sección de la tubería y por tanto, es menos susceptible a presencia de sólidos gruesos en el flujo;

Impactan con baja pérdida de carga;

Presentan baja solicitud de esfuerzos en el eje y cojinetes de la turbina;

Es necesario mayor cuidado con la ubicación de la instalación en función de la forma de la “curva de velocidad”, principalmente en tuberías de gran diámetro.


3.1.3. MEDIDORES COMPUESTOS Consiste en la utilización de un medidor Woltmann en paralelo con un hidrómetro de pequeña capacidad. Estés aparatos tienen una válvula que, a bajos caudales, se cierra automáticamente, desviando toda el agua del medidor Woltmann para el medidor pequeño.

Medidores compuestos


Principales características del medidor compuesto:

Uso para ramales de consumo de grandes volúmenes con gran variación de caudal.

El volumen registrado por el aparato es la suma de los volúmenes registrados en los dos medidores.

Necesidad de mantenimiento periódico en la válvula de control de flujo.

3.1.4. MEDIDORES PROPORCIONALES O “SHUNT” Su principio de medición se basa en la proporcionalidad existente entre la cantidad de agua que atraviesa una tubería principal y la que atraviesa una derivación donde existe un medidor de pequeña capacidad.

Medidor proporcional

Principales características del medidor proporcional:

Generalmente es utilizado para mediciones de volúmenes no continuos como el abastecimiento de embarcaciones e irrigación, por ser de fácil transporte e instalación.

Costo reducido.

Precisión baja.

Es una importante alternativa para mediciones de bajo costo, pero necesita de calibraciones periódicas con más frecuencias.

3.1.5. CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS DE LOS MACROMEDIDORES

VELOCIMÉTRICOS En general los macro medidores velocimétricos permiten la transmisión de señales para indicadores ubicados a distancia del punto de instalación. Por este hecho algunos aparatos no tienen carátulas incorporadas al medidor.


Dependiendo de la capacidad del medidor la indicación de su relojería debe ser multiplicada por 10 o 100, caso haya esta necesidad, existe esta indicación en la carátula del aparato. OBS: Esta es una característica de alta importancia en el proceso de lectura para fines de facturación. Inconsistencias pueden surgir a partir de la siguiente duda: ¿el lector debe anotar la lectura ya multiplicada por el factor o esta multiplicación es realizada por el sistema comercial?

3.1.6. CARACTERÍSTICAS DE PRECISIÓN Y DIMENSIONAMIENTO

3.1.6.1. HIDRÓMETROS WOLTMANN La gráfica a continuación presenta la curva típica de errores de los medidores velocimétricos del tipo Woltmann. Observese que es semejante a la curva de errores de los medidores domiciliares.

Curva típica de errores de los medidores Woltmann


Observase que es característica de este tipo de medidores la existencia de dos campos de medición:

Campo inferior de medición: intervalo de los caudales comprendidos entre el caudal mínimo y el caudal de transición para lo cual la medición puede presentar errores entre +/- 5% del valor instantáneo (vi).

Campo superior de medición: intervalo de los caudales superiores al caudales de transición hasta el caudal de sobrecarga para el cual la medición presenta error admisible +/- 2% vi.

Observando la curva de error presentada se puede definir como criterios básicos para dimensionamiento de medidores velocimétricos Woltmann las siguientes consideraciones: El medidor debe ser dimensionado de manera a funcionar siempre en los caudales del campo superior de medición. Es bueno que el caudal máximo de funcionamiento sea próximo a 70% del caudal nominal, evitándose así desgaste excesivo del aparato. Se debe observar que, por definición, el caudal de sobrecarga solamente puede ser alcanzado durante un corto período de tiempo, bajo el riesgo de dañar el mecanismo de medición.

3.1.6.2. HIDRÓMETRO DE TURBINA O HÉLICE Estos medidores presentan como característica de funcionamiento el desvío de medición de +/- 2% en el intervalo de velocidades de flujo de 0,3 m/s a 3,0 m/s.

La única observación para el dimensionamiento de este medidor es que la velocidad del flujo esté entre 0,3 y 3,0 m/s.

Error (%)

+ 2%

- 2% Velocidad (m/s)

0,30 m/s 3,0 m/s

Curva típica de erro do hidrómetro de hélice


La tabla siguiente presenta para algunos diámetros de tubería y los caudales para los cuales la velocidad está dentro del intervalo de medición de este equipo.

DIAMETRO VELOCIDAD = 0,3 m/s VELOCIDAD = 3,0 m/s

150 5 L/s 53 L/s

200 9 L/s 94 L/s

250 15 L/s 147 L/s

300 21 L/s 212 L/s

350 29 L/s 289 L/s

400 38 L/s 377 L/s

450 48 L/s 477 L/s

500 59 L/s 589 L/s

Para poder garantizar este intervalo de caudal, principalmente la velocidad mínima, se puede reducir el diámetro de la tubería, instalando el medidor entre dos reducciones. En las tuberías de gran diámetro, la conformación de la curva de velocidades pasa a influenciar en la precisión de la medición y en el balance de esfuerzos en la turbina o molinete del equipo. Por esta razón, para la instalación de macro medidores de hélice los fabricantes recomiendan las siguientes distancias mínimas:

PIEZA QUE VIENE ANTES DISTANCIA MÍNIMA

(en relación del diámetro de la tubería)

Junta 5 x D

Reducción o ampliación 5 x D

Curva 12 x D

Válvula de compuerta (abierta) 2 curvas en secuencia

25 x D

La experiencia muestra que, en determinados casos, las distancias recomendadas no son suficientes para garantizar la precisión en las medidas. Por este hecho es recomendable que la determinación del local de la instalación de un macro medidor de hélice en unidades operacionales sea precedida por un minucioso levantamiento pitométrico en el local donde se pretende instalar el medidor. Además, se recomienda que la calibración de macro medidores de gran diámetro sea hecha en campo por medio de pitometría. Para tanto, existe la necesidad de instalación de una estación pitométrica cerca al aparato.

3.1.6.3. MEDIDORES DE MICROTURBINA Son medidores en el cual es inserido una pequeña turbina, en la punta de una varilla introducida al interior de la tubería a medir.


Macro medidor tipo micro-turbina

Por sus características, mide la velocidad puntual de una corriente de flujo y el caudal es calculado multiplicándose el área de la tubería por la velocidad medida, corregida por una constante. En consecuencia del perfil de velocidades que ocurre en el interior da tubería, valores diferentes de velocidad son obtenidos conforme el punto de la sección.

Es fácil de comprender que dependiendo del punto de penetración del equipo, la velocidad medida no representa la velocidad promedio de la sección. Caso una sección aleatoria sea utilizada para la obtención del caudal (Caudal = Velocidad x Área), errores graves pueden ser cometidos. En el caso de una curva de velocidades que tenga perfil perfectamente simétrico y parabólico, se puede determinar teóricamente que el punto situado a 0,7 del radio, medido a partir del eje central de la tubería, representa la velocidad promedio.

R

Curva de velocidades en una tubería


Pero, estas condiciones de curva de velocidad difícilmente son alcanzadas en situaciones reales de campo. Las recomendaciones sobre el punto de instalación (penetración) del equipo hecho por los fabricantes están basadas en esta premisa de curva ideal.

La distribución de velocidades simétrica es observada solamente cuando existe tramo recto relativamente grande antes del punto de levantamiento de la curva de velocidades en la sección (de la orden de 30 a 100 veces el diámetro de la tubería). Por estas razones expuestas, la instalación de este tipo de medidor debe ser precedida de un riguroso levantamiento del perfil de la curva de velocidades en el local de la instalación y solamente después de un análisis del perfil de velocidades hecho con mucho criterio, se escoge el punto de instalación / inserción del equipo.

3.1.7. OBSERVACIONES GENERALES SOBRE LOS MEDIDORES VELOCIMÉTRICOS

• Presencia de impurezas. Los medidores del tipo Woltmann son sensibles a la presencia de partículas sólidas en el líquido, por lo tanto no son aplicables para mediciones en agua cruda. • Influencia del golpe de ariete. Medidas precisas de caudal solamente son posibles para flujos estacionarios. En una red de abastecimiento ocurren aceleraciones y desaceleraciones repentinas, resultando en formación y propagación de olas de choque. El cierre rápido de una válvula, la partida y la parada de bombas, puede resultar en esta ola de choque – el golpe de ariete - con una consecuente sobrecarga sobre los componentes del medidor y, a pos repetidas sobrecargas, desgaste prematuro del aparato. • Facilidades para montar / desmontar. Cuidados especiales deben ser tomados con el objetivo de facilitar la instalación y retirada de los aparatos de grande diámetro. Aconsejase la utilización de uniones Gibault o mecánicas antes y después del aparato. Asimismo, aconsejase cajas protectoras de dimensiones adecuadas para permitir el manoseo de los aparatos. • Condiciones de mantenimiento. Medidores velocimétricos exigen mantenimiento y verificación constante de sus mecanismos móviles (en lo mínimo a cada año).

R 0,7 R PONTO REPRESENTATIVO DE LA VELOCIDAD PROMEDIO (EM CONDIÇÕES ESPECIAIS)


Para posibilitar su desmontaje deben ser instalados válvulas y registros que permiten su aislamiento de la línea. Es común la existencia de medidores velocimétricos que, por la forma como fueron instalados, dificulta o impide su mantenimiento, por lo que hay que hacer parada total del sistema y vaciamiento de redes, conductoras y hasta tanques. Por esta razón es altamente recomendado que medidores velocimétricos sean instalados en líneas que tengan “by-pass” de modo a asegurar su mantenimiento sin la necesidad de interrupción del funcionamiento de la misma. • Instalación y mantenimiento con la línea en carga. Algunos modelos de medidores velocimétricos de hélice permiten su instalación y posterior mantenimiento con la tubería en carga, siendo esta una gran ventaja de estos modelos.

3.2. MACROMEDIDORES “DEPRIMOGENEOS” La mejor forma de comprender el funcionamiento de los medidores “deprimogeneos” es por la aplicación de la Ecuación de Bernoulli entre dos puntos, entre los cuales haya sido insertada una pérdida de carga.

Suponiéndose que los puntos (1) y (2) tengan la misma cota y estén suficientemente próximos, la diferencia de presión entre ellos será proporcional apenas la diferencia de velocidades promedios del flujo en (1) y (2). En los medidores deprimogeneos la determinación del volumen de fluido que atraviesa una sección conocida es hecha por medio de la medición diferencial de presión entre dos puntos. La ecuación de Bernoulli fue formulada considerando velocidades promedios en las secciones transversales. Entretanto, como ya fue visto, cada sección distinta de una tubería puede presentar variaciones en su curva de velocidades. Por esta razón deben se aplicar coeficientes de corrección a la ecuación de Bernoulli cuando se utiliza medidores deprimogeneos. Estos coeficientes de corrección son determinados en laboratorio, en general siendo motivo de exhaustivos ensayos. Con la aplicación del coeficiente de corrección formulase la ecuación general de los medidores deprimogeneos:

√

(1) (2)

𝒑𝟏𝜸

+𝑽𝟏𝟐

𝟐𝒈+ 𝒛𝟏 =

𝒑𝟐𝜸

+𝑽𝟐𝟐

𝟐𝒈+ 𝒛𝟐 + 𝒉(𝟏→𝟐)


Donde: Q….. Caudal K….. Constante del medidor ∆P… Diferencial de presión El valor de la constante “K” engloba correcciones debidas a la sección de flujo, aceleración de la gravedad, deformaciones de la curva de velocidades, pérdidas de carga en el interior del medidor entre otras. Esta constante es determinada en laboratorios o en ensayos en campo. Entre los principales medidores deprimogeneos se destacan:

3.2.1. PLACA DE ORIFÍCIO El diferencial de presión es formado por el paso del fluido a través de un orificio hecho en una placa.

Placa de Orificio

Medidores deprimogeneos son bastante influenciados por el perfil de velocidades y por esta razón se deben tomar cuidados para que su instalación sea alejada de piezas que provocan turbulencias en el flujo. En general, las distancias que deben ser observadas antes y después del medidor son las siguientes:

Pieza Aguas Arriba

Distancias Mínimas

Aguas Arriba

Aguas Abajo

Un solo cambio de dirección (curva, T, Y) 17 D 4,5 D

Dos cambios de dirección en el mismo plano (dos curvas) 22 D 4,5 D

Reducción o Ampliación 13,5 D 4,5 D

Válvula (exceptuando válvula compuerta totalmente abierta) 44 D 4,5 D

VENTAJA • Costo del equipo e instalación bastante reducido; • No necesita de mantenimiento; • Presenta gran precisión cuando correctamente dimensionada.


DESVENTAJA • Introducen grandes pérdidas de carga en las tuberías; • Presentan reducida rangeabilidad (ancho de rango); • Necesita de equipos accesorios (secundario) para detección y registro de los diferenciales

de presión. PRECISIÓN La precisión de las placas de orificio varia conforme los criterios de diseño utilizado, pudiendo variar de 0,5% fe hasta 4% fe, a lo largo de su rango de medición que es definida durante su diseño. Es también definido en diseño el valor del diferencial de presión esperado, que presenta relación directa con el diámetro del orificio.

3.2.2. TUBOS VENTURI En los tubos Venturi el diferencial de presión es provocado por los aumentos de velocidad cuando el fluido atraviesa una sección de diámetro reducido en relación a una sección de aguas arriba. Existe una variedad de modelos de tubo Venturi, cada uno con diseños diferentes de los tramos de diámetro reducido, pero básicamente todos presentan las mismas características.

Diferentes modelos de Tubos Venturi

Análogamente a las placas de orificio, los tubos Venturi tienen los valores de su constante “K” definidas de acuerdo con sus dimensiones y formas de construcción. La constante de un tubo Venturi puede ser determinada en campo por medio de las técnicas de pitometría. INSTALACIÓN Los tubos Venturi son instalados como cualquier otra pieza de una tubería, pudiendo ser con brida, en la instalación en tuberías existentes, entre juntas de montaje (gibault, mecánicas o mismo unión universal).


El tubo Venturi es menos sensible al perfil de velocidades de la sección. Mismo así, debe ser instalado con las siguientes longitudes de piezas de piezas que pueden ocasionar turbulencia en el flujo:

Pieza Aguas Arriba

Distancias Mínimas

Aguas Arriba

Aguas Abajo

Un solo cambio de dirección (curva, T, Y) 4 D 2 D

Dos cambios de dirección en el mismo plano (dos curvas) 4 D 2 D

Reducción o Ampliación 8 D 2 D

Válvula (exceptuando válvula compuerta totalmente abierta) 6 D 2 D

VENTAJAS

Relativamente baratos;

Conocidos hace más de un siglo;

Resistentes (no tienen piezas móviles);

No requieren calibración constante

Tienen respuesta rápida en flujos pulsantes o intermitente

Lectura directa de caudal (control)

No necesita de mantenimiento;

Presenta gran precisión cuando está correctamente dimensionado. DESVENTAJAS

Exactitud pobre (± 2%);

Introduce pérdida de carga;

Sensibles al perfil del flujo;

Rango limitado(1:3 o 1:4), o sea reducida rangeabilidad (ancho del rango);

Depende de la calidad de la medición;

Pérdida de exactitud con el tiempo;

Necesita de equipos accesorios (secundario) para detección y registro de los diferenciales de presión.

PRECISION DEL TUBO VENTURI Análogamente a las placas de orificio, la precisión de los tubos Venturi están directamente relacionada a su diseño y cuidados constructivos, variando de valores de 1% fe hasta 4% vi.

3.2.3. TUBO PITOT El tubo Pitot es un instrumento “deprimogeneo” con la característica de medición de velocidades puntuales. Por esta razón las mismas consideraciones hechas para el medidor de micro turbina son aplicables al tubo Pitot. Así, las técnicas de pitometría involucran varias acciones, desde la determinación del diámetro real de la tubería hasta el trazado de la curva de velocidades.


Tubo Pitot

Las técnicas de determinación de velocidades y realización de ensayos con este instrumento debe ser motivo para hacer un manual específico. Es importante resaltar que por las características de operación de este equipo es de bajo costo, el mismo es utilizado como equipo de referencia para calibraciones de diversos tipos de macro medidores permitiendo evaluar diversos factores que afectan la precisión de equipos de medición en funcionamiento en el campo, como son: • Presencia de aire en la tubería; • Verificación del llenado completo de la tubería; • Levantamiento del perfil de velocidades en la tubería.

3.3. MEDIDORES ELETRÓNICOS Estos medidores son caracterizados por la presencia componentes electrónicos bastante desarrollados como base de sus sistemas de mediciones.

3.3.1. MACROMEDIDORES MAGNÉTICOS El principio básico de los medidores magnéticos es semejante al de un generador eléctrico. De acuerdo con las leyes de Faraday, el movimiento de un fluido conductor atravesando un campo magnético induce una tensión en la dirección normal al del campo magnético y la dirección media de las partículas del fluido. De acuerdo con Faraday, la tensión eléctrica (E) inducida por un conductor en movimiento en un campo magnético es dada por la siguiente fórmula:

𝑽


Dónde: E.... Tensión generada por el fluido conductor B…. Densidad del fluido que atraviesa el campo magnético L…. Distancia entre los electrodos (igual al diámetro interno de la tubería) V…. Velocidad promedio del fluido

Principio de funcionamiento del macro medidor de caudal magnético

El medidor magnético contiene una pareja de bobinas magnéticas ubicadas en vuelta del tubo y una pareja de electrodos se encuentra en contacto con el fluido. Siendo la distancia entre los electrodos conocidos, la tensión que se forma entre los electrodos es directamente proporcional a la velocidad del fluido. Esta tensión es pequeña, de la orden de mili voltios y por esta razón los cables de señal del medidor electromagnético son de construcción especial y deben ser proveídos por el propio fabricante, que debe ser informado sobre las distancias entre el tubo y el elemento electrónico que registra la señal. El principio de funcionamiento está basado en el fluido que es un conductor que cuando pasa por el interior del medidor corta el campo magnético generado por la pareja de bobinas que son alimentadas por una fuente de corriente alternada y en este caso genera una pequeña tensión que es proporcional a la velocidad promedio del fluido.

Funcionamiento del macro medidor magnético


El pequeño voltaje generado es amplificado en una señal analógica estándar para instrumentación (4 – 20mA). El caudal es dado como a continuación:

𝑽 Dónde: Q… Caudal A… Área transversal del medidor V… Velocidad promedio por la Ley de Faraday como a seguir;

𝑽

A la cual sustituyendo viene:

Cuidados que se deben tener: La bobina del medidor magnético no debe estar expuesta a esfuerzos. Recomiéndase que el medidor sea instalado entre juntas mecánicas de forma que estas absorban las tensiones provenientes de la dilatación / retracción de la tubería. El medidor magnético es muy sensible a la presencia de aire disuelto en la agua, por esta razón se debe verificar la presencia del mismo en el local de la instalación. Es de alta importancia que la tubería se quede permanentemente llena en el local de la instalación del medidor magnético. En conductos bajo presión esta observación puede parecer innecesaria, pero es relativamente común la existencia de bolsones de aire en aductoras, impidiendo su llenado total. Se debe instalar el medidor respetando la distancia mínima de 10 veces el diámetro de la tubería en relación a cualquier interferencia presente aguas arriba del medidor. Es extremamente necesario que haya un perfecto aterramiento eléctrico (polo a tierra) del equipo como forma de prevenir que corrientes parasitarias interfieran en las mediciones. El aterramiento debe tener resistencia inferior a 6 ohm. El aterramiento debe incluir el medidor, la tubería y el líquido, garantizando la ecualización del potencial y la eliminación de cargas nocivas. PRECISIÓN Los medidores magnéticos cuando son correctamente instalados y aterrados presentan precisión en el rango de 0,5% vi, en las velocidades de flujo por encima de 0,3 m/s.


VENTAJAS

Tecnología desarrollada y confiable;

Sin partes móviles;

Buena rangeabilidad (10 hasta 100:1);

Presentan gran precisión;

Diámetros variados;

Buena repetitividad;

Buen tiempo de respuesta;

Pérdida de carga despreciable;

Opera con flujos bidireccional;

No tienen piezas móviles, siendo innecesario el mantenimiento en el tubo. DESVENTAJAS

Interferencia electromagnéticas y de la red eléctrica (gran cuidado debe ser dado a la instalación eléctrica y aterramiento del medidor);

Susceptible al perfil de velocidad

Exige tramos rectos: >10D aguas arriba y > 5D aguas abajo

Exige calibraciones sistemáticas

Fluidos con conductibilidad eléctrica entre 0,05 hasta 20 ms/cm

Problemas con electrodos

Necesita de fuente de energía próxima. Dada a la casi ausencia de necesidad de mantenimiento en el tubo del medidor (elemento primario), difícilmente ocurrirán casos en que sea necesario la remoción del tubo, pero, son comunes problemas con contactos de los cables que se encuentra en la “cabeza” del medidor (presencia de humedad o mismo falla de conexión). Por esta razón, a menos que sea plenamente garantizado el aislamiento de la humedad y la perfección de las conexiones, debe ser preservado fácil acceso a la “cabeza” del medidor.

3.3.2. SONDAS MAGNÉTICAS El mismo principio de funcionamiento de los medidores magnéticos es utilizado en las sondas, las cuales pueden ser insertadas en registros de derivación de 1” (conocidos como taps, imprescindibles en las mediciones pitométricas) y, por tanto instalados con la tubería en carga. Estas sondas presentan características semejantes al tubo Pitot, siendo pasibles de ser utilizadas en mediciones de caudal discretos (no permanentes).

Aspecto de la sonda magnética


Estas sondas son instaladas en registros de derivación de 1” (taps), con la tubería en carga. Las mismas observaciones hechas cuanto al perfil de la curva de velocidades para el medidor de micro turbina deben ser consideradas cuando de la utilización de la sonda magnética. VENTAJAS • Medidores magnéticos presentan gran precisión; • Su costo no depende del diámetro de la tubería; • Bajo costo de instalación. DESVENTAJAS • Gran cuidado debe ser dado a la instalación eléctrica y aterramiento del medidor; • Necesita de fuente de energía próxima.

3.3.3. MACROMEDIDORES ULTRASÓNICOS En 1842, Christian Doppler descubrió que se una fuente de sonido se mueve en dirección al oyente, la frecuencia del sonido parecerá más alta para él. Si la fuente de sonido se mueve alejándose del oyente, la frecuencia sonora parecerá más baja.

Aspecto de un medidor ultrasónico

Este principio es utilizado por los medidores ultrasónicos, en dos formas distintas.

3.3.3.1. MEDIDORES DE EFECTO DOPPLER El efecto Doppler se da por la variación de la frecuencia que ocurre cuando las ondas de sonido son reflejadas por las partículas móviles del fluido y por esta razón, estos instrumentos son más adecuados para medir caudal de fluidos que contienen partículas capaces de reflejar ondas acústicas, como agua cruda, por ejemplo.

Funcionamiento de un medidor de efecto doppler


La velocidad del fluido es obtenida mediante una relación directa entre la frecuencia del sonido que es emitido y lo que es captado, en general se utiliza la frecuencia de 0,6 a 1,2 MHz. El medidor mide las diferencias de frecuencia y partir de eso es determinada la velocidad del fluido y consecuente el caudal.

3.3.3.2. MEDIDORES DE TIEMPO DE TRÁNSITO Estos medidores requieren fluidos limpios y en estos medidores, un transductor-emisor-receptor de ultra-sonido es fijado a la parte externa del tubo, a lo largo de dos generatrices diametralmente opuestas. El eje que reúne los emisores-receptores forma con el eje de la tubería un determinado ángulo X.

Funcionamiento de un medidor de tiempo de tránsito


Los transductores transmiten y reciben alternadamente un tren de ondas ultrasónicas de pequeña duración. El tiempo de transmisión - recepción es alterado en función de la velocidad del líquido conforme la ecuación a continuación:

𝟏

𝑽 𝑽

Dónde: T……Tiempo de transmisión - recepción Vs… Velocidad del sonido Vi….. Velocidad promedio del líquido L…... Distancia entre los sensores Las características de propagación y absorción del sonido varían conforme los materiales. Por esta razón los diferentes materiales utilizados en tuberías exigen ajustes específicos en el instrumento. De la misma forma, la presencia de incrustaciones en las tuberías altera las características de la propagación del sonido. La perfecta caracterización del espesor del tubo y la existencia de incrustaciones son necesarias para el correcto ajuste del equipo bajo pena de afectar la precisión de las mediciones en hasta 20%. Los medidores ultrasónicos son bastante afectados por la conformidad de la curva de velocidades, exigiendo su instalación distancias de 20 a 30 veces el diámetro de la tubería de cualquier interferencia. Son instalados externamente a la tubería, debiendo las superficies de contacto de los electrodos estar raspadas, removiéndose las incrustaciones. Los modelos utilizados actualmente incorporan en el mismo instrumento las mediciones por el principio del efecto Doppler y las mediciones por el principio de tiempo de tránsito, pidiéndose así ser instalada en las siguientes configuraciones:

Formas de posicionamiento de las sondas del medidor ultrasónico


PRECISIÓN Cuando son bien instalados y estando debidamente determinado el espesor de la tubería, en la ausencia de incrustaciones en la tubería, estos equipos tienen precisión de 5% fe. Actualmente, desarrollos en la electrónica y compensaciones por algoritmos matemáticos programados tienen elevada la precisión de tales instrumentos.

3.4. MEDIDORES VOLUMÉTRICOS El principio de funcionamiento de estos aparatos consiste en el paso del fluido a través de cámaras de volumen perfectamente conocido. El propio fluido hace la movilización de estas cámaras, siendo el volumen obtenido por mecanismos que hacen el contaje del número de veces que las cámaras se llenan y vacían.

Aspecto de un medidor de caudal del tipo volumétrico

Existen varios modelos de este tipo de medidor, conforme el dibujo y disposición de las cámaras de medida. Básicamente los siguientes modelos son utilizados:

3.4.1. MEDIDORES DE DISCO OSCILANTE

En el medidor de disco oscilante, la pieza móvil es un disco con un rasgo radial que tiene en su centro una esfera y un pino axial y cuando el líquido entra en el medidor forza el disco a realizar la movilización oscilación. El pino superior ejerce un movimiento de rotación siendo su número de giros proporcional al volumen del fluido que pasa.


Medidor volumétrico de disco de oscilación

3.4.2. MEDIDORES DE PISTÓN OSCILANTE

En este modelo de medidor el fluido es forzado a fluir entre una serie de cámaras, entre las cuales se produce un movimiento de un anillo que, dependiendo de su posición obliga al llenado o vaciado de las cámaras. El número de vueltas de este anillo es proporcional al volumen de fluido que pasa.

Medidor volumétrico de pistón oscilante

3.4.3. MEDIDORES DE ENGRANAGE

En este medidor, un conjunto de engranajes es ensamblado de forma que el flujo obligue su movimiento. El número de rotaciones de los engranajes es proporcional al volumen de fluido que pasa.

Medidor volumétrico de engranajes


Este tipo de medidor volumétrico es muy utilizado en la medición de fluidos viscosos. En general es utilizado en las bombas de combustible.

3.4.4. CARACTERÍSTICAS DE LOS MEDIDORES VOLUMÉTRICOS Por las características de funcionamiento de estos medidores, ellos son sensibles a la presencia de partículas sólidas en el fluido, que generan desgaste por abrasión de la cámara de medición y, dependiendo de sus dimensiones, puede provocar el trabamiento del mecanismo. Los medidores volumétricos presentan gran precisión, decreciente con el tempo, en la medida en que haya desgaste y holgura en la cámara de medición. Los medidores volumétricos pueden ser instalados en cualquier posición en la tubería y, por no depender de la interferencia del perfil de velocidades en la sección, no necesitan distanciamiento de cualquier pieza. PRECISIÓN Los medidores volumétricos presentan precisión típica de 0,5% vi, siendo influenciada directamente por la presencia de partículas sólidas en el fluido. VENTAJAS • Presentan gran precisión • No necesitan de suministro externo de energía • Pueden ser instalados en cualquier posición y en la ausencia de tramos rectos y/o con

interferencias. DESVENTAJAS • Necesita de equipos accesorios para indicación de caudal instantáneo; • Necesita de líquidos limpios con ausencia de partículas sólidas; • Causan gran pérdida de carga; • Costo elevado de mantenimiento (sustitución de toda la cámara de medición);

3.5. CANAL PARSHALL Entre los medidores de canal abierto el más utilizado en agua y saneamiento es el canal Parshall. Esto equipo fue desarrollado por R. L. Parshall, en cooperación con el Departamento de Irrigación de los Estados Unidos. El canal Parshall es un tipo de venturi, consistiendo en un canal de entrada con convergencia de las paredes y base; un cuello con paredes paralelas y base inclinada hacia abajo y un canal de salida con paredes divergentes y base inclinada hacia arriba.


Figura 26 – Conformación de un canal parshall En la gran mayoría de las Plantas Potabilizadoras de Agua en Brasil la medición de las aguas crudas son realizadas por este tipo de medidor. No obstante existen en el mercado empresas especializadas en el diseño y ejecución de canal Parshall, muchos de los equipos existentes fueron moldeados en campo, en general aprovechándose de la ejecución del canal de entrada de la conductora de la planta de tratamiento insertándolo como una continuación de las paredes del mismo. Este instrumento de medición es bastante confiable y de bajo costo. Con los debidos cuidados relativos a su calibración, ofrece buenos índices de precisión, en general no presenta variaciones a lo largo del tiempo. Entretanto recomiéndase proceder a la calibración de rutina a cada año y al levantamiento completo de la curva de medición a cada tres años.

3.5.1. PRINCIPALES DIMENSIONES El esquema y tabla a continuación describen las principales dimensiones de este medidor, conforme estandarizado y ensayado por su creador. Las dimensiones originales se refieren a medidas inglesas, a las cuales fueran convertidas en la tabla a continuación. El nombramiento de canal, por convención, es realizada a través de la medida del cuello garganta, en general siendo referenciada en pulgadas, en tabla expresada con el nombre de Wn.


Características dimensionales del canal Parshall, según Parshall

Tabla de dimensiones del canal Parshall y respectivos caudales en función del ancho del cuello

Wn W A B C D E F G K N Qmin Qmax POL cm cm cm cm cm cm cm cm cm cm L/s L/s

3 7,6 46,7 45,7 17,8 17,8 61,0 15,2 30,5 2,5 5,7 1 54 6 15,2 62,1 61,0 39,4 39,4 61,0 30,5 61,0 7,6 11,4 1 110 9 22,9 87,9 86,4 38,1 38,1 76,2 30,5 45,7 7,6 11,4 3 252

12 30,5 137,2 134,3 61,0 61,0 91,4 61,0 91,4 7,6 22,9 3 456 18 45,7 144,8 141,9 76,2 76,2 91,4 61,0 91,4 7,6 22,9 4 697 24 61,0 152,4 149,5 91,4 91,4 91,4 61,0 91,4 7,6 22,9 12 937 36 91,4 167,6 164,5 121,9 121,9 91,4 61,0 91,4 7,6 22,9 17 1427 48 121,9 182,9 179,4 152,4 152,4 91,4 61,0 91,4 7,6 22,9 37 1923 60 152,4 198,1 194,3 182,9 182,9 91,4 61,0 91,4 7,6 22,9 45 2424 72 182,9 213,4 209,2 213,4 213,4 91,4 61,0 91,4 7,6 22,9 74 2931 84 213,4 228,6 224,2 243,8 243,8 91,4 61,0 91,4 7,6 22,9 85 3438 96 243,8 243,8 239,1 274,3 274,3 91,4 61,0 91,4 7,6 22,9 99 3950 120 304,8 435,0 426,7 365,8 365,8 121,9 91,4 182,9 15,2 34,3 170 5663 144 365,8 497,2 487,7 447,0 447,0 152,4 91,4 243,8 15,2 34,3 227 9911 180 457,2 777,2 762,0 558,8 558,8 182,9 121,9 304,8 22,9 45,7 227 16990 240 609,6 777,2 762,0 731,5 731,5 213,4 182,9 365,8 30,5 68,6 283 28317 300 762,0 777,2 762,0 894,1 894,1 213,4 182,9 396,2 30,5 68,6 425 33980 360 914,4 809,6 792,5 1056,6 1056,6 213,4 182,9 426,7 30,5 68,6 425 42475 480 1219,2 842,0 823,0 1381,8 1381,8 213,4 182,9 487,7 30,5 68,6 566 56634 600 1524,0 842,0 823,0 1727,2 1727,2 213,4 182,9 609,6 30,5 68,6 708 84951

3.5.2. EQUACIÓN TÍPICA La ecuación típica del Canal Parshall es exponencial y es representada por la siguiente fórmula genérica:

Dónde: Q = caudal (cuya unidad depende de K)

Cámara Tranquilizadora para mediciones D ( 2/3 ) A W C A F B G E K N


K = constante H = altura (medida a 2/3 de A) n = constante Como ejemplo, para Canal ejecutados rigurosamente conforme a las dimensiones presentadas, tenemos las siguientes ecuaciones:

Canal de 3”: … 𝟐 𝟏

Canal de 6”: … 𝟐 𝟏

Canal de 9”: … 𝟏 Observaciones: Wn y H en pies y Q en pies cúbicos por segundo

3.5.3. PRECISIÓN El canal Parshall y vertederos en general presentan precisiones típicas de +/- 2 a 4% vi. La precisión de canal Parshall está muy asociada a su sumersión, que es expresa por la relación entre los niveles de agua en el cuello (H) y en la sección convergente (H2). La relación H2 / H, expresada en %, es llamada de sumersión o “ahogamiento”. Una sumersión de 60% (para Canal hasta 9”) y 70% para los demás, no afecta las condiciones de flujo. Valores superiores indican que perturbaciones ocurridas aguas abajo del medidor se propagan agua arriba. En estas condiciones el canal parshall es nombrado de “ahogado” y el caudal real será inferior al que se obtiene por el uso de la Fórmula Q = K x Hn. Para la determinación del caudal en canal “ahogado” será necesario e indispensable la aplicación de un factor de corrección. Obstáculos o falta de pendiente agua abajo son causas frecuentes de “ahogamiento” de los canales.

3.5.4. VENTAJAS • No necesitan de suministro externo de energía; • Son equipos de bajo costo; • No necesitan de mantenimiento frecuente, limitándose a limpieza de sus canales; • Permiten la medición de líquidos con sólidos disueltos.

3.5.5. DESVENTAJAS • Necesitan de la existencia de canales a la entrada de las Plantas de Tratamiento de Agua.


4. MICRO MEDICIÓN

Para instalación del micro medidor se deben tener previos requisitos técnicos y criterios

objetivos para su dimensionamiento, además de un catastro de usuarios actualizado que

sustente la selección de los micros medidores a ser instalados.

Para lograr un buen programa de reducción y control de pérdidas (aguas no contabilizadas),

es fundamental que exista un 100% de micro medición en el sistema a ser operado.

CRITERIOS PARA ESTIMACIÓN DE MEDIDORES Y SUS ESPECIFICACIONES

La instalación de micro medidores debidamente dimensionados y adecuados a los caudales

de consumo, su efectiva y correcta lectura y respectiva cobranza, es base fundamental para

una buena gestión comercial, además de garantizar la equidad entre los consumidores que

van a hacer sus pagos bajo la demanda efectivamente consumida y medida, la cual es

sometida a un reglamento tarifario.

Una efectiva medición es fundamental para llevar adelante un programa sostenible de

reducción y control de pérdidas y derroche, ya sea en la red pública o en las instalaciones

hidráulicas domiciliarias.

Con un 100% de micro medición y una macro medición correspondiente, es posible

identificar los volúmenes disponibles (VD) para el consumo y por el total de la micro

medición los volúmenes utilizados (VU) por los consumidores, donde la diferencia entre

ellos representa de manera simplificada la pérdida total que deberá ser disminuida por

medio de acciones en las diversas etapas del sistema operacional y comercial

caracterizadas conforme definiciones de la International Water Association (IWA) como

pérdidas reales (físicas) y perdidas aparentes (comerciales) como se aprecia a continuación.

… Pérdidas Totales

Macro medido Micro medido

(VD)

Volúmenes

Disponibles

(VU)

Volúmenes

Utilizados


4.1. EL MICRO MEDIDOR (HIDRÓMETRO)

Para obtener una información confiable del micro medidor es necesario que el hidrómetro

opere dentro de las condiciones por las cuales fue construido y para que esto ocurra, hay

que hacer su dimensionamiento de forma correcta considerando los caudales de consumo

de cada cliente donde se va a instalar el aparato.

Para el rango de funcionamiento del hidrómetro deben ser considerados los caudales

máximos, nominales, de transición y mínimos de modo que el aparato no funcione por

mucho tiempo en caudales próximos del máximo (ya que en esta situación su vida útil

quedará corta), ni que el mismo opere con caudales debajo del mínimo, donde el error de la

medición es elevado (haciendo que el medidor no registre todo el paso del agua) lo que

contribuye a una sub medición sustancial que genera perjuicios para la operadora de los

servicios de agua y saneamiento.

Basado en estos conceptos es que se desarrolló medidores para caudales nominales de

0,75 m³/h que tienen una buena precisión para actuar en bajo caudal de forma que se

disminuya la sub medición, particularmente para consumos donde se tiene almacenamiento

domiciliario.

El dimensionamiento correcto del hidrómetro se fundamenta en las informaciones de sus

características y limitaciones y en la demanda de agua del consumidor.

Otros factores tales como presión disponible, temperatura del agua y condiciones de la

instalación, todavía importantes en la selección del tipo del medidor, tienen pequeñas

influencias en su dimensionamiento.

4.2. EL HIDRÓMETRO, CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN Y LIMITACIONES

Los medidores de modelos volumétricos son aún utilizados principalmente, en Estados

Unidos, Reino Unido y otros países de lengua inglesa y tienen aplicaciones donde es

necesaria una gran precisión en bajos caudales.


A partir de los años 40 comenzaron a ser utilizados medidores del tipo turbina o de

velocidad, en que la velocidad del agua a través del medidor impulsa un rotor o turbina, cuya

rotación es proporcional a la cantidad de agua que pasa por él.

Estos medidores debido a su costo más bajo (casi tres veces menos que el volumétrico), la

simplicidad de mantenimiento y su tamaño más compacto, se fueron generalizando, siendo

hoy la mayoría absoluta de los micros medidores instalados en el mundo, especialmente en

América Latina y Europa.

Por tanto, los medidores que presentan turbina vertical son conocidos como hidrómetros

taquimétricos o de velocidad.

El hidrómetro taquimétrico, ya sea del tipo chorro único o chorro múltiple es un aparato

relativamente simple y bien conocido que ha sido utilizado hace más de cien años sin

modificaciones sustanciales en su principio de funcionamiento.

Por poseer piezas móviles, ese aparato tiene limitaciones en el caudal máximo, la rotación

excesiva de la turbina por tiempo prolongado puede generar daños, como también en

caudales debajo del mínimo especificado, pues el rozamiento interno pasa a afectar

sensiblemente el movimiento del mecanismo proporcionando errores elevados en la

medición. Por lo tanto el dimensionamiento de un sistema de medición para los

consumidores debe ser fundamentado en las características técnicas específicas y

limitaciones del hidrómetro escogido.

Las referencias de caudales de especificaciones y dimensionamiento pueden ser

visualizados en la figura 1, a continuación;

Figura 1- Grafico genérico de un Hidrómetro

Cau

dal

de

tran

sici

ón

Cau

dal

mín

imo

Cau

dal

No

min

al

Cau

dal

Máx

imo

Erro

res

en

po

rcen

taje

Porcentaje del Caudal Máximo

Chorro múltiple Chorro único


Donde el caudal mínimo, de transición, nominal y máximo son representados por

mediciones de caudales leído y registrado en el hidrómetro en el mismo con errores

máximos admitidos y especificados para el hidrómetro.

A pesar de relacionarse la lectura del hidrómetro con un volumen, él es un instrumento que

funciona de modo continuo con el tiempo, o sea es un medidor de caudal que totaliza el

volumen a través de un sistema que integra el valor instantáneo del caudal detectado por

rotación de la turbina con el tiempo y presenta en la forma de un indicador de volumen

totalizado.

El hidrómetro entonces debe ser dimensionado por el caudal que pasa por él y no por el

volumen totalizado o sea, el hidrómetro está correctamente dimensionado si el caudal por el

cual está sometido no supera el caudal máximo especificado o por largos periodos el caudal

nominal independientemente de la cantidad totalizada en el periodo.

Además del caudal máximo de trabajo, es necesario conocer el caudal mínimo, por lo cual

se prevé que el sistema va a operar y que el medidor deberá presentar registro correcto y

para esto se debe especificar muy bien la clase de precisión del aparato o sea su clase

metrológica A, B o C, conforme se muestra a continuación un ejemplo para el hidrómetro de

caudal nominal de 1,5 m³/hora.

Clase

Caudal Precisión

Inicial

L/h Mínimo

L/h Transición

L/h Nominal

m³/h Máximo

m³/h

A 16 40 150 1,5 3,0 Baja

B 16 30 120 1,5 3,0 Buena

C 8 15 22,5 1,5 3,0 Excelente

Ejemplos de Hidrómetros por Capacidad Nominal:

Capacidad Nominal m³/h

Letra Identificación en la Carcaza

0,75 Y 1,5

1,5 A 3,0

2,5 B 5,0

3,5 C 7,0

5,0 D 10,0

10,0 E 20,0

15,0 F 30,0


Otro factor que también debe tomarse en cuenta es la perdida de carga del hidrómetro. Por

los estándares en general, este valor no puede pasar de 0,1 MPa (cerca de 10 mca (14,5

psi) para el caudal máximo especificado). En casos de presión local baja es posible que se

tenga que dimensionar hidrómetros con caudales más elevados para compensar esta

limitación disponible en la red pública.

4.3. EVALUACIÓN DEL CAUDAL DE TRABAJO Y DIMENSIONAMIENTO POR

DEMANDA DE CONSUMO

El mejoramiento de los métodos de dimensionamiento de las instalaciones prediales está

basado en procedimientos estadísticos aplicados y conjugados a verificaciones

experimentales que tipifican el consumidor y el uso de los diversos aparatos sanitarios

instalados en una unidad consumidora.

Especificar y dimensionar un hidrómetro adecuado al consumo de una unidad consumidora

está sujeto a adoptar el factor de simultaneidad a ser utilizado para los aparatos sanitarios,

de forma que los caudales estimados se ubiquen entre los valores mínimos y máximos

especificados para cada rango de hidrómetro escogido y el aparato funcione dentro de los

límites para los cuales fue diseñado y fabricado.

Diversos son los medios para estimar los caudales prediales. Los métodos más conocidos

son de Hunter (mayormente utilizado en USA) y el método y tablas referenciadas por la

norma brasileña de la ABNT, NBR 5626, que trata de los dimensionamientos de las

instalaciones prediales de agua potable.

La estimación de caudales prevista en esta norma, establece una demanda simultánea

probable de agua menor que la máxima posible. Esa demanda simultánea es estimada tanto

por la teoría de las probabilidades como a partir de la experiencia acumulada en las

observaciones de instalaciones similares, el método de los pesos relativos utilizados por la

ABNT se encuadra en este segundo caso.

En la tabla 1, que forma parte de la norma NBR 5626, traducida para este texto, presentan

estos valores a continuación.


Los pesos relativos son establecidos empíricamente en función del caudal de diseño

conforme la Tabla presentada. La cantidad de cada tipo de pieza de utilización alimentada

por la que está siendo dimensionada, y en este caso el alimentador predial, es multiplicada

por los correspondientes pesos relativos y la suma de estos valores obtenidos en las

multiplicaciones de todos los tipos de piezas de utilización se constituye en la sumatoria total

de los pesos (∑ ).

Utilizando la ecuación presentada a continuación esta sumatoria se convierte en la demanda

simultánea total del grupo de piezas de utilización considerando que se expresa como una

estimativa de caudal a ser utilizado en el dimensionamiento del alimentador predial. Este

método solamente es aplicado para conexiones de consumidores residenciales

unifamiliares o multifamiliares.

√∑

Donde Q es el caudal estimado en L/s

Para otros casos como el comercial, industrial y oficial debe ser establecido otro método en

cada caso en particular y con un reglamento propio.

Tabla 1 - Pesos relativos en los puntos de utilización identificados en función del

aparato sanitario y de la pieza de utilización.

Aparato sanitario Pieza de utilización

Caudal

de diseño

L/s

Peso

relativo

Inodoro Caja de descarga 0,15 0,3

Válvula de descarga 1,70 32

Tina Mesclador (agua fría) 0,30 1,0

Bebedero Válvula de presión 0,10 0,1

Bidé Mesclador (agua fría) 0,10 0,1

Ducha Mesclador (agua fría) 0,20 0,4

Ducha eléctrica Válvula de presión 0,10 0,1

Lavadora de platos o de ropas Válvula de presión 0,30 1,0

Lava manos Grifo o mesclador (agua fría) 0,15 0,3

Urinario

con sifón integrado Válvula de descarga 0,50 2,8

Sin sifón integrado

Caja de descarga, válvula de

Presión o válvula de descarga

para urinario

0,15

0,3

Urinario tipo canal

Caja de descarga o válvula de

presión

0,15

por metro

de canal

0,3

Lava platos Grifo o mesclador (agua fría) 0,25 0,7

Grifo eléctrico 0,10 0,1

Lavandería Grifo 0,25 0,7

Grifo de jardín o de lavado en

general Grifo 0,20 0,4

Fuente: Traducción por la AEG de tabla de la norma brasileña NBR 5626.


4.4. DIMENSIONAMIENTO DE LOS HIDRÓMETROS

a. Conexiones residenciales por caudal estimado

En inmuebles que no cuentan con almacenamiento domiciliario, para el llamado suministro

directo podemos considerar que todos los aparatos de utilización son abastecidos a partir de

la red pública de distribución. El hidrómetro debe ser escogido por el caudal estimado más

probable correspondiente a la instalación.

Para ejemplificar la metodología de cálculo, sea un consumidor residencial de una familia

que se puede considerar un grifo de lavandería de ropas, una lavadora de ropas, grifo de

lava platos, grifo de lava manos, ducha eléctrica e inodoro con caja de descarga. Aplicando

la tabla tendremos una sumatoria total ΣP = 3,1.

Aplicando la ecuación propuesta llegamos a un valor estimado de caudal de 0,53 L/s que es

equivalente a 1,90 m³/h, por lo tanto lleva a considerar un hidrómetro de caudal máximo de

3,0 m³/h y un caudal nominal de 1,5 m³/h.

Además, hay que considerar que este caudal de 1,90 m³/h solamente ocurrirá por pocas de

las 24 horas del día, así se puede considerar que este medidor podrá ser dimensionado por

rangos de hasta 240 m³/mes.

Para conexiones que atienden más de una residencia se puede utilizar la misma

metodología para estimar el caudal y definir el hidrómetro.

b. Conexiones industrial, comercial y publica por caudal dimensionado

Para las conexiones no residenciales por sus características inherentes y propias, se

sugiere utilizar la Tabla 2 a continuación que presenta una estimación de caudal con el tipo

de utilización predial conforme se puede observar a seguir para la definición del caudal del

medidor;


c. Indicativo para especificación del Hidrómetro conforme caudal dimensionado

Conforme el caudal máximo probable calculado para las conexiones residenciales o el

caudal dimensionado conforme las características inherentes de las conexiones comercial,

industrial y publica, a partir de la experiencia de la SABESP indicada en su norma técnica

NTS 181 y expresada en la tabla a continuación, traducida para este texto, especifica que el

hidrómetro a partir de rangos apropiados para cada caudal que considera su utilización y

también no debe ultrapasar los caudales máximos del instrumento, conforme ya dicho

anteriormente.

Tabla 2 - Consumo estimado de instalaciones en función de la tipología ocupacional y

constructiva

Tipo del predio Unidad Consumo (L/día)

Edificios de oficinas por ocupante efectivo 50 a 80

Escuelas, internados per cápita 150

Escuelas, externados por alumno 50

Escuelas, semi internados por alumno 100

Hospitales y centros de salud por lecho 250

Hoteles con cocina y lavandería por huésped 250 a 350

Hoteles sin cocina y lavandería por huésped 120

Lavanderías por kg de ropa seca 30

Cuartéis por soldado 150

Caballeriza por caballo 100

Restaurantes por refrigerio 25

Mercados por m² de área 5

Garajes y puestos de servicios para

automóvil por automóvil 100

Garajes y puestos de servicios para

automóvil por camiones 150

Riego de jardines por m² de área 1,5

Cines, teatros por silla 2

Iglesias por silla 2

Ambulatorios per cápita 25

Jardín de niños per cápita 50

Fábricas (uso personal) por operario 70 a 80

Fábricas con restaurante por operario 100

Plantas de leche por litro de leche 5

Mataderos por animal abatido (de

gran porte). 300

Mataderos Ídem de pequeño porte 150

Fuente: Traducción por la AEG de Macintyre, 1986


Tabla 3 – Indicación de hidrómetros conforme rango especificado para los caudales

máximos definidos para dimensionamientos de conexiones.

Hidrometro Consumo Probable m³/mes

(2)

Conexión Diametro

(mm)

Caudal Diametro

(mm) Nominal m³/hora

Maximo m³/hora

0,75(1)

1,5 15 y 20 0 hasta 240 15 o 20

1,5 3,0 15 y 20 0 hasta 240 15 o 20

2,5 5,0 20 241 hasta 400 20

3,5 7,0 25 401 hasta 800 25

5,0 10,0 25 401 hasta 800 25

10,0 20,0 40 801 hasta 1.600 40

15,0 30,0 50 1.601 hasta 2.400 50

Notas:

(1) Cuando existe tanque domiciliar

(2) Extraido de la norma tecnica de SABESP NTS 181

d. Pérdida de Carga estimada para el micro medidor

La ecuación abajo trae la estimación de la pérdida de carga en los micros medidores, los

cuales no pueden exceder a 100 KPa (10,19 mca o 14,5 psi).

𝒉 𝟏𝟐 (

)𝟐

Dónde: ∆h…..… Pérdida de carga en el micro medidor en unidad kilo pascal (KPa) Q…….. Caudal que pasa por el micro medidor en unidad (litros/segundo) Qmáx… Caudal máximo especificado para el micro medidor en unidad (m³/hora)

e. Planificación de cambio de micro medidores

La tabla a continuación indica un consumo máximo mensual a lo cual el hidrómetro podrá

esta vencido en 24 meses (para los casos de los más pequeños), todavía si este valor no

sea alcanzado en 8 años, este según valor de tiempo será el límite de la vida útil del

aparato.

De esta forma, los valores indicados en la tabla a continuación pueden ser utilizados como

parámetros para planificación de cambios del parque de micro medidores de un sistema de

suministro de agua.

Código Caudal Máximo

m³/hora Consumo Máximo Mes

(m³) Limite Volumen

(m³) Vida Útil (años)

Y 1,5 135 3.240 8

A 3,0 360 8.640 8

B 5,0 600 14.400 5

C 7,0 840 20.160 5

D 10,0 1.200 28.800 5

E 20,0 3.600 57.600 5

F 30,0 5.400 86.400 5


f. Instalaciones

Curvas Medias de Imprecisiones de los Hidrómetros (Nuevos)

Errores de mediciones cuanto a la horizontalidad del eje

EJE A 0º

EJE A 90º

Caudal L/h

Err

or

(%)

100

0

10

5

0

5

50

1000

80

100

500

2000

EJE A 50º

Hidrómetro en la Posición

NORMAL

Hidrómetro en la Posición INCLINADA

manual de hidrometría

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