metodos de aforo en causes abiertos

5/24/2018 Metodos de Aforo en Causes Abiertos.

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mediciones de caudal en tuberia

I. INTRODUCCIN.El conocimiento de la variacin del caudal que fluye por una determinada seccin

de un cauce natural es de suma importancia en los estudios hidrolgicos. De

acuerdo con la calidad y la cantidad de los registros de caudales necesarios en un

estudio hidrolgico, las mediciones se pueden hacer de una manera continua o

permanente o de una manera puntual o instantnea, las mediciones continuas de

caudales requieren de la instalacin de una estacin medidora (limnimtrica) o

de una estacin registradora (limnigrfica). Las mediciones aisladas, puntuales o

instantneas, se realizan en determinados momentos en que se desee conocer la

magnitud de una corriente en particular.

la mayora de los mtodos de aforo se basan en la ecuacin de continuidad ( Q =

V * A ), como se observa a continuacin en el trabajo realizado.


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II. METODOS DE AFORO EN CORRIENTES NATURALES.2.1.AFORO VOLUMTRICO.

El aforo volumtrico consiste en medir el tiempo que gasta el agua en llenar un

recipiente de volumen conocido para lo cual, el caudal es fcilmente calculable

con la siguiente ecuacin:Q=V/t.

Se aplica generalmente en los laboratorios de hidrulica, ya que solo es funcional

para pequeos caudales; sin embargo se pueden implementar tambin en

pequeas corrientes naturales de agua.

Fig 1. instalacin temporal para Fig 2. Instalacin para un aforoaforoVolumtrico con vertedero. Volumtrico.

2.2.AFORO POR EL METODO DEL FLOTADOR.Son los ms sencillos de realizar, pero tambin son los ms imprecisos; por lo

tanto, su uso queda limitado a situaciones donde no se requiera mayor precisin.

Con este mtodo se pretende conocer la velocidad media de la seccin para ser

multiplicada por el rea, y conocer el caudal, segn la ecuacin de continuidad.

Q = velocidad *rea


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Flotadores.-Consisten en objetos flotantes que adquieren la velocidad del agua

que los circundan. Pueden ser de tres tipos.

a) Simples o de superficie: El inconveniente presentado por este flotador se debeal hecho de ser muy influido por el viento, por las corrientes secundarias y por las

olas.

b) Dobles o superficiales: Constituyen un pequeo flotador de superficies, al cualest unido por una cuerda un cuerpo sumergido, a la profundidad deseada. Se

hace que el volumen del primero sea despreciado frente al segundo. En estas

condiciones, mantenindose el cuerpo sumergido cerca de seis dcimos de la

profundidad, se determina la velocidad media.

c) Bastones flotadores o flotadores lastrados: Son tubos metlicos huecos ode madera, que tienen en la parte inferior un lastre de plomo para que flote en

una posicin prxima a la vertical. L debe ser igual o aproximadamente 0,95 H,

Entre los objetos que pueden servir como buenos flotadores se encuentra una

bola de caucho, un trozo de madera, un limn, una hoja seca o un envase plstico

tapado.

Para la ejecucin del aforo se procede de la siguiente forma. Se toma un techo de

la corriente de longitud L; se mide el rea A, de la seccin, y se lanza un cuerpo

que flote, aguas arriba de primer punto de control, y al paso del cuerpo por dicho

punto se inicia la toma del tiempo que dura el viaje hasta el punto de control

corriente abajo. Como se muestra en la siguiente figura.

Fig. 5. Esquema ilustrativo para aforo con flotador.


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La velocidad superficial de la corriente, Vs, se toma igual a la velocidad del cuerpo

flotante y se calcula mediante la relacin entre el espacio recorrido L, y el tiempo

de viaje t.

Se considera que la velocidad media de la corriente, Vm, es del orden de 0.75Vsa

0.90 Vs, donde el valor mayor se aplica a las corrientes de aguas ms profundas y

rpidas ( con velocidades mayores de 2 m/s. Habitualmente, se usa la siguiente

ecuacin para estimar la velocidad media de la corriente. Vm= 0.85VS.

Si se divide el rea de la seccin transversal del flujo en varas secciones, de reaAi, para las cuales se miden velocidades superficiales, V si, y se calculan

velocidades medias, Vmi, el caudal total se podr determinar como la sumatoria

de los caudales parciales qi, de la siguiente manera:

Se pueden obtener resultados algo ms precisos por medio de flotadores

lastrados , de sumersin ajustable, como muestra en la figura 5. Estos flotadores

consisten en un tubo delgado de aluminio, de longitud L fl, cerrado en ambosextremos y con un lastre en su extremo inferior, para que pueda flotar en una

posicin prxima a la vertical, de tal manera que se sumerjan hasta una

profundidad aproximadamente de 25 a 30 cm sobre el fondo, y emerjan unos 5 a

10 cm.

La velocidad observada de flotador sumergido, Vf, permite la determinacin de la

velocidad media de la corriente, Vm, a lo largo de su curso, por la siguiente

formula experimental:

donde y es la profundidad de la

corriente de agua.


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Aplicacin.- El mtodo del flotador, al igual que los molinetes, tubos Pitot,

mtodos de la trayectoria y trazadores, se utiliza para medir la velocidad

superficial del flujo, no el caudal directamente, y se utiliza en el aforo de surcos,

acequias, canales, ros, diques, etc.

El lugar elegido para hacer el aforo o medicin debe cumplir los siguientes

requisitos:

La seccin transversal debe estar bien definida y que en lo posible no se

presente agradacin o degradacin del lecho.

Debe tener fcil acceso.

Debe estar en un sitio recto, para evitar las sobre elevaciones y cambios en la

profundidad producidos por curvas.

El sitio debe estar libre de efectos de controles aguas abajo, que puedan

producir remansos que afecten luego los valores obtenidos con la curva de

calibracin.

2.3. AFORO POR EL METODO DEL CORRENTOMETRO O MOLINETE.El principio de la medicin de velocidad con molinete es el siguiente: Supngase

un molinete puesto en un punto de una corriente que tiene una velocidad V. La

longitud S, es el recorrido de una partcula fluida movindose a lo largo del

contorno completo de la lnea que determina una vuelta de la hlice. La situacin

es anloga al suponer quieta el agua y el molinete desplazndose a travs de sta

con velocidad V. Para un desplazamiento S, la hlice tambin dar una vuelta.


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Para un movimiento uniforme,

El espacio, S, recorrido por la hlice, o por la partcula lquida a travs de sta, se

representa por el nmero de rotaciones, N, que da el molinete en t segundos.

Luego

Como existen fricciones en las partes mecnicas del aparato, es necesario

introducir un coeficiente de correccin, b.

Entonces

Yhaciendo , la frecuencia de giro, se tiene: V=b*n

Con la sensibilidad del aparato se hace sentir a partir de determinada velocidad

mnima, a, que en general, es del orden de 1 cm/s, por debajo de la cual el

aparato no se mueve, la ecuacin del aparato se transforma en:

V= a+ b*n

Ecuacin que corresponde a una lnea recta. Los aparatos vienen con su

respectiva ecuacin de calibracin, dependiendo del tipo de molinete y de la casa

productora, o tabuladas las velocidades en funcin del nmero de revoluciones

por minuto.


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Por ejemplo, para el correntmetro Prince's Electric Currentmeter No 17110B,

Serial No 101-A, la ecuacin de calibracin para la velocidad, en m/s es:

V = 0.019 + 0.702 * n

2.3.1. LA ESTACIN DE AFORO EN UN RO

El aforo de un ro tambin tiene lugar en una seccin transversal del curso de

agua, a la que llamaremos la seccin de control.

El lugar donde siempre se va a aforar el agua, toma el nombre de estacin de

aforos o foronmica. A lo largo del presente libro nos hemos referido

repetidamente a la EA 027 (Ro Ebro en Tortosa).

El lugar que se escoja para establecer una estacin de aforo debe reunir ciertos

requisitos, algunos de los cuales ya fueron mencionados al tratar las condiciones

de la seccin de aforos. A saber:

1. El tramo del ro que se escoja para medir el caudal del agua circulante debe ser

aproximadamente recto, en una distancia de 150 a 200 metros, tanto aguas

arriba como aguas abajo de la estacin de aforo. En este tramo recto, no debe

confluir ninguna otra corriente de agua, ni existir prdidas o derivaciones del

recurso.

2. La seccin de control debe estar ubicada en un tramo en el cual el flujo sea

calmado y, por lo tanto, libre de turbulencias, y donde la velocidad de la corriente

est ubicada dentro de un rango que pueda ser registrado por un correntmetro.

3. El cauce del tramo recto debe estar limpio de malezas o matorrales, de piedras

grandes, bancos de arenas, etc., para evitar imprecisiones en las mediciones de

agua. Estos obstculos hacen ms imprecisas las mediciones en pocas de estiaje.

4. Tanto agua abajo como aguas arriba, la estacin de aforo debe estar libre de la

influencia de puentes, presas o cualquier otra construccin que pueda afectar las

mediciones.


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5. El sitio debe ser de fcil acceso para realizar las mediciones.

2.3.2. AFORO POR EL MTODO DEL CORRENTMETRO

En un ro cualquiera, para determinar el caudal que pasa por una seccin

transversal, se requiere, a su vez, saber el caudal que pasa por cada una de la

subsecciones en que se divide la seccin transversal. Para eso, se realiza el

siguiente procedimiento para registrar las observaciones y calcular las

velocidades y caudales. A saber:

1. La seccin transversal del ro donde se va a realizar el aforo se divide en varias

subsecciones. El nmero de subsecciones depende del caudal estimado que

podra pasar por la seccin: en cada subseccin, no debera pasar ms del 10%

del caudal estimado que pasara por la seccin. Otro criterio es que, en cauces

grandes, el nmero de subsecciones no debe ser menor de 20.

2. El ancho superior de la seccin transversal (superficie libre del agua) se divide

en tramos iguales, cuya longitud es igual al ancho superior de la seccin

transversal dividido por el nmero de subsecciones calculadas

3. En los lmites de cada tramo del ancho superior del cauce, se trazan verticales,

hasta alcanzar el lecho o fondo. La profundidad de cada vertical se puede medircon la misma varilla del correntmetro que est graduada. Las verticales se

trazan en el mismo momento en que se van a medir las velocidades.

4. Con el correntmetro se mide la velocidad a dos profundidades en la misma

vertical a 0.2 y a 0.8 de la profundidad de la vertical, para lo cual se toma el

tiempo que demora el correntmetro en dar 100 revoluciones y se calcula el

nmero de revoluciones por segundo; con este dato, se calcula la velocidad del

agua en cada una de las profundidades utilizando la frmula correspondiente,

segn el nmero de revoluciones por segundo (n). En el caso de la medicin de la

velocidad en una parte del tramo final estudiado del ro Ebro (Tortosa-Amposta),

se emplean las siguientes frmulas:


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v = 0,2590n + 0,005 cuando n es > 1,51

v = 0,2517n + 0,016 cuando n es < 1,51

5. Se obtiene la velocidad promedio del agua en cada vertical. La velocidad

promedio del agua en cada subseccin es el promedio de las velocidades

promedio de las verticales, que encierran la subseccin. En nuestro caso, ver

anexo 2.3.

6. El rea de cada subseccin se calcular fcilmente considerndola como un

paralelogramo cuya base (ancho del tramo) se multiplica por el promedio de las

profundidades que delimitan dicha subseccin.

7. El caudal de agua que pasa por una subseccin se obtiene multiplicando su

rea por el promedio de las velocidades medias registradas, en cada extremo de

dicha subseccin.

8. El caudal de agua que pasa por el ro es la suma de los caudales que pasan por

todas las subsecciones.

2.4.AFORO QUIMICO.Esta tcnica se usa en aquellas corrientes que presenten dificultades para la

aplicacin del mtodo rea velocidad o medidas con estructuras hidrulicas,

como en corrientes muy anchas o en ros torrenciales.

Los trazadores pueden ser de tres tipos:

1) Qumicos: de esta clase son la sal comn y el dicromato de sodio

2) Fluorescentes: como la rodamina

3) Materiales radioactivos: los ms usados son el yodo 132, bromo 82, sodio.


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La sal comn puede detectarse con un error de 1% para concentraciones de 10

ppm

(partes por milln).

El dicromato de sodio puede detectarse a concentraciones de 0.2 ppm y

los trazadores fluorescentes con concentraciones de 1/1011. Los trazadores

radioactivos se detectan en concentraciones muy bajas (1/1014). Sin

embargo su utilizacin requiere personal muy especializado.

El mtodo de los trazadores puede implementarse de dos maneras:

a) Inyectar rpidamente un volumen de trazador. Este mtodo es llamadotambin

mtodo de integracin. Supngase que en una seccin 1 de un ro se adiciona un

pequeo volumen de trazador V1 con una concentracin alta C1. Si existe en el

ro una concentracin, Co, el perfil de concentraciones en el ri se comporta con

el tiempo as:


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b) Inyeccin a caudal constante. En los aforos qumicos o radioactivos se aade

de

forma continua y constante una concentracin conocida (C1) de una sustancia

qumica o radioactiva a la corriente cuyo caudal (Q) desea determinarse.


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Por la estequiometra de las reacciones qumicas, cuando un caudal constante (q)

de una solucin salina es descargado dentro del caudal (Q),conteniendo las mismas constituyentes a la concentracin (C2), la mezcla

resultante de caudales (Q + q) alcanzar una concentracin (C) proporcional a las

concentraciones iniciales (C1 y C2) de los caudales antes del mezclado, como lo

indica la siguiente expresin:

Para el aforo qumico se emplea generalmente la sal de cocina (Na Cl), la cual, por

conveniencia, se disuelve a razn de 260 g/l de agua antes de introducirla en la

corriente. La solucin salina eleva la conductividad elctrica del agua, la cual

puede ser determinada por el puente Wheatstone.

Para aplicar el mtodo se necesita conocer la conductividad elctrica en tres

muestras de agua, la primera muestra (C1) es tomada de la solucin salina, la

segunda muestra (C2) se toma aguas arriba, poco antes del punto de aplicacin; y

la tercera muestra (C) es colectada a una distancia aguas abajo del punto de

inyeccin, donde se asegure el completo mezclado de la sal con el agua de la

corriente.


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Un caudal constante (q) de solucin salina se puede aplicar utilizando una botella

Mariotte construida con un garrafn, un tapn bihoradado y dos tubos de vidrio

En una botella Mariotte el volumen de agua desalojado es restituido por la

entrada de aire atmosfrica, de tal forma que la presin interna se mantiene

constante con respecto al nivel indicado por el extremo sumergido del tubo

abierto a la atmsfera.

Cuando se utiliza la solucin salina para medir la velocidad de la corriente, solo

se inyecta una porcin de la misma. El tiempo de desplazamiento del prisma

de agua que contiene la solucin, es detectado en dos puntos de control

mediante electrodos en contacto con la corriente, conectados a un ampermetroo registrador. A partir de las seales de este ltimo, se calcula la velocidad del

caudal, dividiendo la distancia entre los puntos de control, por el tiempo de

desplazamiento.

Es importante anotar que para aplicar este mtodo se supone que el flujo

es permanente. Los trazadores deben tener las siguientes propiedades:

No deben ser absorbidos por los sedimentos o vegetacin, ni deben

reaccionar qumicamente.

No deben ser txicos.

Se deben detectar fcilmente en pequeas concentraciones.

No deben ser costosos.

2.4.1 AFOROS CON TRAZADORES QUMICOS Y RADIOACTIVOS.

Es un mtodo muy adecuado para corrientes turbulentas como las de montaas.Estos trazadores se utilizan de dos maneras: como aforadores qumicos, esto es,

para determinar el caudal total de una corriente y como medidores de velocidad

de flujo.


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En los aforos qumicos y radioactivos, se inyecta una tasa constante q t, de la

sustancia qumica, radioactiva o trazador, de concentracin conocida, C ti, a lacorriente cuyo caudal, Q, desee determinarse y cuya concentracin de la

sustancia, Ca, en la corriente, tambin se conoce. A una distancia corriente abajo,

suficientemente grande para asegurar que se han mezclado totalmente el

trazador y el agua, se toman muestras de sta, y se determina la concentracin

de la sustancia qumica o radioactiva, Ct. ( Fig 4 )

Fig.4. Procedimiento de inyeccin yhago un muestreo en un aforocontrazador.

El caudal de la corriente se puede determinar, entonces, empleando la siguiente

ecuacin.

En su empleo como medidores de velocidad, los trazadores qumicos y

radioactivos se inyecta aguas arriba del primer punto de control de la corriente.

Se calcula el tiempo de paso del prisma de agua que contiene el trazador entre

dicho punto de control y otro situado aguas abajo a una distancia previamente

determinada. El cociente entre esta distancia y el tiempo de paso es la velocidad

media de la corriente.


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Cuando se emplea la sal comn ( NaCl ) como trazador qumico, se mide el

tiempo de paso entre los dos puntos de control, utilizando electrodos conectados

a un ampermetro, esto es, un conductivmetro. Este mtodo de medicin esposible debido a que la sal inyectada aumenta la concentracin de slidos

disueltos y, por lo tanto, la conductividad del agua.

Un compuesto qumico comnmente empleado como trazador es la mezcla de 2g

de Anhdrido Ttico con 0.1259 de Difenil - Carbazida y 50 cm3de alcohol de 98.

Tambin, se utiliza el clorato de sdico, la fluorena y el bicromato de sodio.

Los trazadores radioactivos ms usuales son: el Tritio ( T, istopo del Hidrgeno,

con tres protones).

Las sustancias qumicas y radioactivas empleadas para medicin decaudales

deben reunir las siguientes condiciones:

Debe mezclarse fcil y homogneamente con el agua, para lo cual se

requiere de una fuerte turbulencia en el trayecto comprendido desde donde se

inyecta la sustancia al cauce, hasta donde se recogen las muestras.

Debe ser barato, soluble en agua, inocuo, no corrosivo, ni txico, de

densidad cercana a la del agua.

Debe ser fcilmente detctable en el agua, an en concentraciones

pequeas.

Debe ser conservativo, es decir, no degradable ni reactivo, entre el

momento de la inyeccin y el momento del anlisis final de las muestras.

Debe ser fotoestable, es decir, no decolorable ni reactivo ante la accin de

la luz.


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2.4.1. AFORO CON TRAZADORES FLUORESCENTES 0 COLORANTES.

El empleo de colorantes para medir la velocidad del flujo en corrientes de agua es

uno de los mtodos ms sencillos y de mayor xito. Una vez elegida la seccin de

aforo, en la que el flujo es prcticamente constante y uniforme se agrega el

colorante en el extremo de aguas arriba y se mide el tiempo de llegada al

extremo de aguas abajo. Conocida la distancia entre los dos extremos de control,

se puede dividir esta por el tiempo de viaje del colorante, obtenindose as la

velocidad superficial o subsuperficial de la corriente liquida. La velocidad media

de flujo se obtendr dividiendo la distancia entre los dos extremos o puntos de

control, por el tiempo medio de viaje.

Si se inyecto un colorante detipo brillante, como la eosina, y si se suspendehorizontalmente una lmina brillante, de longitud conocida, en un sitio aguas

debajo de la inyeccin, es posible detectar los instantes en que desaparecen y

aparece el colorante en los extremos de dicha lamina. La medida del tiempo que

transcurre entre los instantes de desaparicin y aparicin del colorante se puede

emplear como representativo del tiempo medio del flujo a lo largo de la lmina.

La velocidad media superficial del flujo se obtendr dividiendo la longitud de la

lmina por el tiempo medio del flujo.

Otros colorantes, comn y eficazmente empleados como trazadores, son la

fluorescena, el rojo congo, el permanganato de potasio, la rodamina b y elpontacil rosa B brillante. Este ltimo es especialmente til en estudios de

dispersin de contaminantes en el agua. En los ltimos aos se han logrado

considerables mejoras en las tcnicas de medicin con trazadores fluorescentes,

especialmente con la rodamina B, rodamina WT, las sulforrodaminas B y G la

uraminay el bromuro 82.


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2.5. AFORO CON VERTEDEROS Y CANALETAS.Se utilizan principalmente en la medicin de caudales en pequeas corrientes, en

canales artificiales y de laboratorio; su uso en corrientes naturales es muy

restringido. Un funcionamiento tpico de un vertedero para aforar corrientes

naturales se muestra en la Fig 3.

Fig. 3. Secciones de control artificiales para aforar corrientes naturales.

2.6.AFORO CON TUBO DE PITOT.Su mayor aplicacin se encuentra en la medicin de velocidades en flujo a presin,

es decir, flujos en tuberas. Sin embargo, tambin se utiliza en la medicin de

velocidades en canales de laboratorio y en pequeas corrientes naturales. Es

tubo de pitot permite medir la velocidad de la corriente a diferentes

profundidades, por lo cual se puede conocer la velocidad media en la seccin,

que multiplicada por el rea de sta, produce el caudal de la corriente.


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III. CONCLUSIONES. Podemos concluir que la medicin echa por el mtodo del flotador es sencilla pero a la vez

es muy imprecisa y no es conveniente si se desea realizar trabajos de precisin.

El mtodo volumtrico puede ser en cierto modo preciso pero tiene mucha limitacin encuanto a los volmenes grandes o caudales grandes como por ejemplo riachuelos o ros,

este mtodo es casi por no decir imposible de realizar.

El mtodo del correntmetro es efectivo y ala vez preciso pero tiene algunas limitacionescuando por ejemplo el rio es demasiado tormentoso en esos casos es muy conveniente el

uso del mtodo qumico.

En el mtodo qumico se aplica para la medicin en causes de canales anchos y de ros degran capacidad. Podemos encontrar trestipos de trazadores que se usaran segn la

necesidad que se tenga y son:

o Qumicos: de esta clase son la sal comn y el dicromato de sodioo Fluorescentes: como la rodaminao Materiales radioactivos: los ms usados son el yodo 132, bromo 82, sodio.

El mtodo de canaletas se usan para caudales pequeos generalmente para usos enlaboratorios, su uso es muy limitado.

En el mtodo del tubo de PITOT su mayor aplicacin se encuentra en la medicinde velocidades en flujo a presin, es decir, flujos en tuberas. Sin embargo,

tambin se utiliza en la medicin de velocidades en canales de laboratorio y en

pequeas corrientes naturales.


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IV. ANEXOS.

Mtodo de aforo qumico.


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Aforo con correntmetro.


22/22

metodos de aforo en causes abiertos

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