Post on 17-Feb-2022
Ingeniería del Agua. Vol. 1 Num. 2 (1994) p. 33
ESTADO DEL ARTE EN LA MEDICION
DE MAGNITUDES HIDRAULICAS (I):
Medición de caudales en conducciones
cerradas, en diámetros pequeños y medianos
Andoni Larreategui Fadrique
Laboratorios LABEIN. Bilbao
"Si te addiviene di tratare dell'acqua prima consulta la esperienza e poi la
raggione" (Leonardo da Vinci)
RESUMEN: En este artículo y entregas sucesivas se pasa revista al estado actual de la
tecnología y el conocimiento, en lo concerniente a mediciones hidráulicas. En este
número la exposición se centra en los caudales, en tuberías de pequeño y mediano
diámetro. Por su extensión este primer artículo se divide en dos partes:
En primer lugar se realiza una descripción básica de los principales equipos de medida
disponibles en el mercado. Se incluye un listado de normas técnicas y legales y a
continuación se analizan los criterios fundamentales de selección.
Por último, la exposición se centra en la calibración, el diseño de instalaciones de medida
y aspectos relativos al mantenimiento.
INTRODUCCION
La medida de caudal en una sección de control dada,
consiste en la determinación de la cantidad de masa o
volumen que circula por dicha sección en la unidad de
tiempo. Los equipos que realizan esta función se
denominan genéricamente caudalímetros. Una modali-
dad particular utilizada para medir y documentar
volúmenes, la constituyen los contadores.
El conocimiento de caudales y volúmenes circulantes es
muy importante en toda transacción comercial
(suministro de agua, gasolinas, productos químicos,
gas...). No le van a la zaga aspectos como regulación en
redes de abastecimiento, ensayos de rendimiento en
turbinas hidráulicas, mediciones en laboratorio, docu-
mentación de caudales ecológicos, medición de canti-
dades de líquidos contaminantes, etc.
Desgraciadamente en la vida diaria nos encontramos con
bastantes aplicaciones de caudalímetros incorrecta-mente
implementados, mal elegidos o dimensionados y, aunque
no siempre, a un precio injustificadamente elevado. La
conclusión suele ser una incorrecta medi-ción del caudal,
que en los tiempos que corren es un lujo que no
podemos permitirnos. El agua, líquido al que se ceñirá el
artículo, es un fluido estratégico, con una importancia
superior al petróleo. Sin agua no hay vida. Desde tiempos
remotos ha sido origen de disputas y guerras. Como
anécdota se puede citar que en muchos "westerns"
forma parte del guión de la película. Ahondando en
a cuestión se deduce que para el agua existen
dos precios: uno el correspondiente a la factura
y otro el político y social. Incluso podríamos añadir
el ecológico. Sin ningún baremo objetivo, pero
analizando la actitud de la opinión pública se asume
que estos dos últimos "precios" son muy superiores al
que se abona en el recibo correspondiente.
Por simple filosofía deductiva se concluye que la
correcta medición de algo valioso, raro u objeto de
disputa es parte fundamental para evitar fraudes,
derroches o nuevas disputas. Si se analiza el reciente
caso del transvase de 55 Hm3 desde la Cuenca del
Tajo a la Vega del Segura se observa que un error del
1% en esta medición supone 0,55 Hm3 (medición
considerada como muy buena), un 2,5% equivale a
1,375 Hm3 (medición buena) y un 5% a 2,75 Hm3
(medición que puede ser la que suceda en la realidad).
Esta última cifra cabe en un embalse como el de
Linsoles (Huesca) que alimenta dos grupos Francis 18
MW cada uno y produce una energía anual de 140
GWh.
La Tecnología
En la medida del flujo se ha producido un avance
importante en las últimas décadas. Algunas técnicas
MEDICIÓN DE MAGNITUDES HIDRÁULICAS
Ingeniería del Agua. Vol. 1 Num. 2 (1994) p. 34
antiguas han sobrevivido, otras se han mejorado, otras
han caído en desuso y algunas todavía no han podido ser
desarrolladas comercialmente. Fenómenos físicos
descubiertos hace muchos años (el teorema de Coriolis, los
vórtices de Von Karmann, la ley de Laplace), han sido
utilizados como punto de partida para el diseño de nuevos
caudalímetros. El desarrollo tecnológico en disciplinas
como simulación numérica de flujos, óptica, acústica,
electromagnetismo, electrónica y nuevos materiales ha
mejorado sensiblemente la sensórica y electrónica de
equipos que podemos considerar "clásicos", además de la
aparición de los nuevos conceptos de instrumentos.
Los avances en la tecnología han supuesto una mejora en
la exactitud, repetibilidad de las medidas y estabilidad a
largo plazo. Sin embargo las cifras de precisión que se
alcanzan son bastante modestas en comparación
con otras áreas de la metrología. Las dificultades
inherentes a la medida de caudal pueden venir de:
- se trata de una magnitud derivada no fundamental.
- las mediciones se realizan en régimen dinámico.
- un gran número de factores influencian la calidad
de las mediciones.
Factores de influencia
Son los siguientes:
- temperatura y presión.
- número de Reynolds.
- rugosidad en la tubería o paredes del canal, encas-
tramientos.
- condiciones de instalación (tramos rectos y tipos
singularidades).
Figura 1. Diafragmas (placas de orificio)
Figura 2. TOBERA ISA 1932
Figura 3. Tubo de venturi clásico
ME D I C I Ó N D E MA G N I T U D E S H I D R Á V L I C A S
Ingeniería del Agua. Vol.. 1 Num. 2 (1994) p. 35
− presencia de burbujas de aire o de cavitación.
− envejecimiento de componentes mecánicos.
− presencia de pulsaciones y/o fluctuaciones de presión.
− presencia de vibraciones en la tubería.
− ausencia de calibración periódica.
Sobre estos factores se volverá más adelante.
El ciclo de la correcta medida de caudal
Garantizar la exactitud de las mediciones de un cauda-
limetro significa realizar bien las siguientes tareas:
− selectión del principio de medida y tamaño
adecuado.
− diseñar correctamente el tramo de conductión o canal
en que va a ser alojado.
− calibrar el equipo en laboratorio. Para tamaños supe-
riores a 1 m de diámetro (tuberias en carga) prever
disposiciones especiales de ensayo previo de recep
ción.
− montar adecuadamente el caudalímetro y el equi-
pamiento auxiliar.
− realizar un mantenimiento eficaz que incluya la
recalibración periódica.
El desarrollo de estos puntos y algunos temas conexos
focalizarán el contenido de este artículo.
CLASIFICACION Y PRINCIPIO DE MEDIDA
La clasificación que se realiza a continuatión es un
compromiso entre las propuestas por diversos autores
(Spitzer 1991, Benard 1988, LABEIN 1993, Lefebvre
1986). Para cada grupo se adjunta una breve definición y
algunos comentarios (ventajas, inconvenientes, incerti-
dumbre,...). El lector que desee una profundización mayor
puede consultar a Spitzer (1991), Benard (1988), LABEIN
(1993), Lefebvre (1986) y Norma BS 7405/1991.
Deprimógenos clásicos
Nos referimos a los instrumentos que emplean en la
medición de una presion diferencial: placas de orificio o
diafragmas, toberas y venturis. Se basan en el respeto
simultáneo de la ecuación de continuidad y del teorema de
Bernoulli, Un estrechamiento más o menos brusco en la
tubería y la medición de la presion diferencial en la
entrada y la garganta (o una sección cercana a ella)
permiten determinar el caudal a través de la bien conocida
expresión:
]/[2
4
3
5.02
smw
dECQ D
ρ∆Ρ
π= (II.1)
En esta expresión el coeficiente de caudal depende del
numero de Reynolds de la tubería, cuya expresión es:
]-[·
ν
DVReD = (II.2)
Los tipos más comunes se refieren a tubería entre
sección circular y garganta concéntrica sin orificio de purga
o venteo. Existen variantes especiales, utilizadas en
sectores como hidrocarburos o para medir vapor, de los
siguientes tipos: placas de chaflán inverso, seg-mentales,
con orificio de purga y venteo o excéntricas. Para estos
casos se puede recurrir a la Norma BS 1042, Section
1.2 (1989).
Tipos más usuales y límites de aplicación: En la
Tabla on 1 se realiza un resumen de las variantes que
se presentan, asi como las limitaciones, en diámetros y
números de Reynolds prescritas por la norma ISO 5167-1
(1991). También se incluye la precisión alcanzable
sobre el coeficiente del caudal. Dicha norma describe
en profundidad todos los detalles, constructivos,
tolerancias, excentricidad, rugosidad,etc.
Ventajas:
• Gozan, quizás, del más extenso y detallado cuerpo
normative de todos los caudalímetros.
• Faciles (relativamente) de diseñar, fabricar e
instalar por medios propios.
Inconvenientes:
• Rango no muy elevado; típico 3 a l. Puede au-
mentarse con el uso de dos transductores de pre
sión y también por calibración (10 a 1).
• Se ven afectados por las singularidades aguas
arriba, sobre todo a P grandes. A modo de ejemplo
se incluyen las Tablas ng 2 y 3, procedentes de la
Norma ISO 5167-1 (1991).
• Perdida de carga permanente, apreciable.
• La erosión (en placas de orificio) y la variatión de
rugosidad modifican las prestaciones de estos
caudalímetros.
Anotaciones:
• Es fundamental asociar al elemento primario un
buen transductor de presión diferencial como
instrumento secundario. Las conexiones se pueden
realizar siguiendo la Norma ISO 2186 (1973).
• La utilización de rectificadores o enderezadores de
flujo permite reducir a la mitad (generalmente) los
tramos rectos citados en las Tablas on 2 y 3 (de
acuerdo con nuestra opinion). Este tema será
tratado mas en profundidad en capítulos siguientes.
• Conviene controlar la presión aguas abajo del
caudalimetro para evitar la aparición de cavitación
en la garganta u orificio.
Tamaños y rangos: Ver la Tabla ns 1 para tamańos
normalizados. Diámetros mayores son tratados en el
tercer artículo de la serie.
ME D I C I Ó N D E MA G N I T U D E S H I D R Á U L I C A S
Ingeniería del Agua. Vol. 1 Num. 2 (1994) p. 36
Precisión: Se consigna en la Tabla on 1, la precisión
típica, según la Norma ISO 5167-1 (1991), de los
coeficientes de caudal. Esto supone respetar los tramos
rectos aguas arriba/abajo citados en las Tablas on 2
y 3. La precisión aumenta con la calibración.
– Variantes de los deprimógenos clásicos citados
anteriormente: placas con orificio en media caña,
con agujeros de purga y venteo, excéntricas, tobe-
ras y diámetros inferiores a 50 mm. Ver Norma BS
1042 (1989).
– Tubos de Dall ® (nota de marca registrada),
Figura 4. Placas de orifico, excéntricas y segmentales
Figura 5. Placas de orificio para bajos números de
Reynolds
El empleo de rectificadores de flujo para distancias
más cortas que las citadas está muy recomendado
(siempre que sea posible, desde el punto de vista
pérdida de carga).
Para el cálculo global de la incertidumbre, se debe
considerar la propia del transductor, etc. El cálculo de la
incertidumbre para medida de caudal en un solo
punto se puede realizar según la Norma ISO 5168
(1978). Los deprimógenos con ß pequeño aumentan la
sensibilidad, resolución y por tanto la precisión. En
contrapartida también aumentan la pérdida de carga y el
riesgo de cavitación.
Otros deprimógenos
Se trata, como en el caso anterior, de caudalímetros que
se basan en la medida de una presión diferencial. Bajo
este título tan genérico se engloba una enorme variedad de
posibilidades. Los principales tipos son los siguientes:
Figura 6. Caudalimetro en V
Gentile, tubos en V, Epiflo, Rotary Shunt ®.
– Diafragma con arena variable.
– Rotámetros ®.
– Tipos de inserción.
– Codos.
– Clapetas.
La mayoría de estos equipos están reducidos al empleo
en diámetros pequeños o para fluidos diferentes al
agua. El lector que desea profundizar puede recurrir a
Spitzer (1991), Lefebvre (1986) y Norma BS 7405
(1991). El codo como equipo de medida se tratará en
el tercer artículo de la serie. En este capítulo vamos a
tratar los Rotámetros ® y los Tipos de Inserción.
Rotámetro ®
Rotámetro es el nombre de una marca registrada por
ROTA, aunque es la denominación más empleada para
un tipo de caudalímetro denominado genéricamente
"flotador de sección variable". El principio consiste en
conocer la posición de un flotador (metálico, en PVC,
ME D I C I Ó N D E MA G N I T U D E S H I D R Á U L I C A S
Ingeniería del Agua. Vol. 1 Num. 2 (1994) p. 37
Figura 7. Tubo de Pitot
Figura 8. Sonda Annubar ®
Figura 9. Principio de medida del Rotámetro ®
Figura 10. Tipos de flotador para Rotámetros ®
ME D I C I Ó N D E MA G N I T U D E S H I D R Á U L I C A S
Ingeniería del Agua. Vol. 1 Num. 2 (1994) p. 37
teflón con lastre, etc) que busca el equilibrio de
fuerzas debidas a su propia masa, el empuje de Arquí-
medes y el creado por la pérdida de carga originada. A
cada caudal le corresponde una altura de flotador. Para
más detalles consultar Spitzer (1991), LABEIN (1993) y
Norma BS 7405 (1991).
Tipos más usuales y límites de aplicación: Existe una
gran variedad de diseños y construcciones con tubos de
vidrio o inoxidable, lectura directa o bien por detección
magnética (en este caso puede haber salidas en 4-20
mA).
En general son instrumentos limitados a bajos caudales,
montaje en posición vertical y en los casos en que no se
requiere una gran precisión.
Ventajas:
• Teóricamente su principal atractivo radica en el
precio que es bajo (en los modelos más sofisticados
esto no es, en absoluto cierto).
• En general los tramos rectos necesarios son peque-
ños (2 a 3).
• Util (por su simplicidad) para el manejo por perso-
nal sin cualificación (salvo el mantenimiento).
Inconvenientes:
• Prestaciones pobres.
• Limitación en caudal.
• Montaje vertical.
• Limpieza y mantenimiento del flotador que requie-
ren actuar delicadamente.
Tamaños y rangos:
• Diámetros: desde 5 mm a 120 mm
• Caudales: desde ml/minuto hasta 40.000 l/h
Precisión:
• Típica 2 a 3%
• Equipos especiales, y después de calibración: 0,5%
Tipos de inserción
Nos referimos a los dos tipos por excelencia: el tubo de
Pitot y los tubos de integración parcial (sondas tipo
Annubar ®, etc). En general se mide la velocidad de
flujo en un punto (Pitot) o en un plano (Annubar ®. El
principio de medida se describe en Spitzer (1991),
Lefebvre (1986) y Norma BS 7405 (1991). El tubo de
Pitot está amparado por la norma ISO 3966 (1977). En
general son equipos que se adaptan mejor para medi-
ciones puntuales tipo ensayo, etc. Son también útiles para
evaluar la forma de los perfiles de velocidades en una
sección dada. No son recomendables para instalación en
permanencia.
Figura 11. Diversos tipos de caudalimetros de desplazamiento
positivo
Tipos más usuales y límites de aplicación:
- Tubo de Pitot, tipos AMCA y CETIAT.
- Tubo de Pitot doble (sonda de 5 agujeros: veloci-
dad tridimensional).
- Tubo de Darag, Beri, etc.
- Sondas Annubar ®.
- Microventuris, sondas Preso.
Los límites de aplicación vienen dados por la aparición
de vibraciones en el tubo o sonda, que a su vez es
función del diámetro, longitud de inserción y velocidad
del flujo.
Ventajas:
• Utilidad para conocer el perfil de velocidades.
• Bajos coste (con excepción de las sondas Annu-
bar ®).
ME D I C I Ó N D E MA G N I T U D E S H I D R Á U L I C A S
Ingeniería del Agua. Vol. 1 Num. 2 (1994) p. 39
TIPO DE
DEPRIMOGENO
d min
[mm]
D min
[mm]
D max
[mm]
ß min
[-]
ß max
[-] ReDmin
[-]
ReDmax
[-]
Precisión
[%]
DIAFRAGMA
* Tomas en los ángulos
+ 0,20 ≤; ß ≤; 0,45 12,5 50 1000 0,20 0,45 5.103 1.108 0,6
+ 0,45 ≤ ß ≤ 0,6 12,5 50 1000 0,45 0,60 1.104 1.108 0,6
+ 0,6 ≤ ß ≤ 0,75 12,5 50 1000 0,60 0,75 1.104 1.108 ß
* Tomas en la brida 12,5 50 1000 0,20 0,6 1260.ß?.D 1.108 0,6
* Tomas a D y D/2 12,5 50 1000 0,60 0,75 1260.ß?.D 1.108 ß
12,5 50 1000 0,20 0,6 1260.ß?.D 1.108 0,6
TOBERA 12,5 50 1000 0,60 0,75 1260.ß?.D 1.108 ß
* ISA 1932
+ 0,30 ≤ ß ≤ 0,44 _ 50 500 0,30 0,44 7.104 1.107 0,8
+ 0,44 ≤ ß ≤ 0,60 _ 50 500 0,44 0,60 2.104 1.107 0,8
+ 0,60 ≤ ß ≤ 0,80 _ 50 500 0,60 0,80 2.104 1.107 2.ß-0,4
* Radio grande _ 50 630 0,2 0,80 1.104 1.107 2
VENTURI
* Clásico
+ fundición _ 100 800 0,3 0,75 2.105 2.106 0,7
+ mecanizado _ 50 250 0,4 0,75 2.105 1.106 1,0
+ chapa soldada _ 200 1200 0,4 0,70 2.105 2.106 1,5
* Venturi tobera _ 65 500 0,316 0,775 1.5.105 2.106 1,2+1,5.β4
Tabla N21.
ME D I C I Ó N D E MA G N I T U D E S H I D R Á U L I C A S
Ingeniería del Agua. Vol. 1 Num. 2 (1994) p. 40
LONGITUDES EN D PARA LOS CORRESPONDIENTES ß DE DIAFRAGMAS, TOBERAS Y VENTURI-TOBERAS
SINGULARIDAD 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80
AGUAS ARRIBA
* Codo 90 a TE, flujo por una rama. 10 10 10 12 14 14 14 16 18 22 28 36 46
* Dos codos o más a o90 en el mismo plano. 14 14 16 16 18 18 20 22 26 32 36 42 50
* Dos codos o más a o90 en planos diferentes. 34 34 34 36 36 38 40 44 48 54 62 70 80
* Reducción 2D/1D en longitud 1,5D a 3D. 5 5 5 5 5 5 6 8 9 11 14 22 30
* Expansión 0,5D/1D en longitud D a 2D. 16 16 16 16 16 17 18 20 22 25 30 38 54
* Válvula globo abierta 100%. 18 18 18 20 20 20 22 24 26 28 32 36 44
* Válvula esférica paso total o compuerta
abierta 100%. 12 12 12 12 12 12 12 14 14 16 20 24 30
* Reducción brusca simétrica D a 0,5D. 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30
* Capilla de termómetro a ≤ 0,03D. 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
AGUAS ABAJO * Todas las singularidades anteriores.
4 4 5 5 6 6 6 6 7 7 7 8 8
Tabla № 2.
ME D I C I Ó N D E MA G N I T U D E S H I D R Á U L I C A S
Ingeniería del Vol. 1 Num. 2 (1994) p. 41
SINGULARIDAD LONGITUDES EN D PARA LOS CORRESPONDIENTES ß DE VENTURIS CLASI COS
0,3 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75
AGUAS ARRIBA
* Codo simple o90 . 0,5 0,5 0,5 1,0 1,5 2,5 3,0 4,0 4,0 4,5
* Dos codos o más a o90 en el mismo
plano.
1,5
1,5 1,5 1,5 2,5 2,5 3,5 4,5 4,5 4,5
* Dos codos o más a o90 en planos
diferetes.
Aplicar longitudes de la tabla on 2
* Reducción 3D/1D en una longitud de
3,5D.
0,5
1,5
1,5
1,5
2,5
1,5
4,5
2,5
5,5
2,5
6,5
3,5
8,5
3,5
9,5
4,5
10,5
5,5
11,5
6,5
* Expansión 0.75D/1D en una longitud
ID.
1,5
2,5
2,5
3,5
3,5
4,5
4,5
4,5
5,5
5,5
* Válvula esférica paso total o
compuerta abierta 100%.
AGUAS ABAJO 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4
* Todos los obstáculos a contar desde la
sección de tomas en la garganta
distancia en "d".
Tabla o
N 3.
ME D I C I Ó N D E MA G N I T U D E S H I D R Á U L I C A S
Ingeniería del Agua. Vol. 1 Num. 2 (1994) p. 42
� Pequeña pérdida de carga.
� Posibilidad de inserción sin detener el funciona-
miento en la tubería.
Inconvenientes:
� Limitado a bajos caudales/cortas longitudes de
inserción. El Annubar ® no se recomienda para
diámetros superiores a 600 mm.
� Salvo la Annubar ® no son recomendables para
medida precisa de caudal. Si este es el caso, se
impone calibrar la sonda o tubo correspondiente.
de un reloj interno/externo determinar el caudal cuasi-
instantáneo. En muchos aspectos esta familia de
instrumentos recuerda el funcionamiento de las bombas
volumétricas. El movimiento del rotor se produce por
la diferencia de presiones que se origina entre las
secciones aguas arriba y aguas abajo. Una pequeña
parte del flujo cortocircuita el rotor por el entrehierro.
Tipos más usuales y límites de aplicación: Son los
siguientes: pistón oscilante, paletas retráctiles, oval,
trirrotor, birrotor, disco nutante. Los límites de aplica-
Figura 12. Caudalímetro de turbina
� La sonda Annubar ® precisa mantenimiento fre-
cuente por el riesgo de obturación de las tomas.
� El personal que utiliza estos equipos debe tener la
adecuada formación para medir e interpretar los
resultados.
Tamaños y rangos: En la práctica se impone una
limitación en diámetro y caudal. No se recomienda para
diámetros superiores a 1 m y velocidades superiores a 3
m/s. Un límite aconsejable a no superar es la aparición
de vibraciones. Las sondas Annubar ® admiten
velocidades mayores.
Precisión:
� Tubos de Pilot y su s variantes: 1,5% - 5%
� Sondas Annubar ® : 1,5% - 3,5%
Desplazamiento positivo
En este tipo de equipos, el caudal volumétrico es
fraccionado mecánicamente, en segmentos de volumen
conocidos y momentáneamente aislados. Por conteo del
número de veces que se repite el ciclo, se puede conocer
el volumen total trasegado, o bien por medio
ción vienen dictados por las necesidades de lubricación
del caudalímetro. No todos los tipos admiten el agua
como fluido. El riesgo de abrasión es otro límite a
tener en cuenta.
Ventajas:
� Precisión mejor que el 1%.
� Posibilidad de documentar las mediciones y de ser
utilizados como instrumentos
� Tramos rectos necesarios no muy largos.
� Robustos, soportan altas presiones.
Inconvenientes:
� El problema de la lubricación requiere consulta
especial con el suministrador.
� El agua debe estar exenta de sólidos en suspensión
� El precio es elevado.
� Mantenimiento por personal especializado.
Tamaños y rangos: Existen aplicaciones con diámetros
comprendidos entre 25 y 400 mm. Los caudales pueden
variar entre 10.000 1/h y 1500 m3/h.
Precisión: Hay una gran variedad de valores depen-