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Medida de nivel en embalses

Evolución, posibilidades y tratamiento actual

Evolución de los sistemas de medida � Principios de medida aplicables � Medida directa

� Limnímetro de flotador � Medida de presión

� Captación hidrostática � Captación neumática o método de burbujeo � Tecnologías aplicadas

� Tecnología del silicio cristalino � Tecnología del cuarzo

� Medida por tiempo de paso � Tecnologías aplicadas

� Ultrasonidos � Radar

Consideraciones sobre la aplicación de medidas de nivel en embalses � ¿Cómo debe entenderse la precisión en la medida de nivel de embalses con sensores de presión? � ¿Cómo se concibe actualmente la medida de nivel en embalses con sensores de presión?

Preliminares

Ponencia presentada en CONAMA 2006 SMAGUA (Zaragoza) por: Santos Madrid Gonzalez de la Aleja Director de HidroSanco

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Preliminares La construcción de un embalse siempre ha llevado implícita la incorporación de un sistema que informe del nivel de agua existente en el mismo y a partir de las curvas de volumen tener un conocimiento de las reservas disponibles. La necesidad de disponer de esta información de forma continua, fiable y precisa, con el fin de optimizar la explotación del embalse, o controlar situaciones críticas (avenidas) ha situado en una posición relevante estos sistemas. El mercado actual ofrece una amplia gama de posibilidades tanto en métodos de medida como en prestaciones de los diferentes equipos. El presente documento tiene como finalidad analizar los diferentes métodos y equipos disponibles y orientar su aplicación a las necesidades actuales de manera óptima tanto técnica como económicamente. Evolución de los sistemas de medida

Como primer sistema de medida de nivel aplicado en embalses nos encontramos con la escala graduada en cms. instalada en una zona adecuada del paramento de la presa. Sin otros sistemas, el vigilante de la presa toma el valor de nivel en dicha escala a una hora determinada del día bien observando directamente o con ayuda de unos prismáticos.

A pesar de la imprecisión que pueda existir en la toma del valor, como consecuencia de una mala visibilidad por ensuciamiento de la escala con limos y barros y muy particularmente cuando existe oleaje, este sistema sigue aplicándose en la actualidad y se utiliza frecuentemente como referencia para

contrastar los sistemas que le sucedieron.

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Principios de medida aplicables

Presión Tiempo de paso Principio directo Hidrostática Neumática

Ultrasónico (velocidad

sonido)

Radar (velocidad

luz) Instalación de medida

H máx.

H mín. H 0

Campo de medida típica (m)

1-10 2-100 0.2-200 0.2-100 0.2-20 0.2-20

Medida directa. Limnímetro de flotador. Sin considerar la escala limnimétrica que puede identificarse como parte integrante en la construcción de la presa, el primer equipo de medida de nivel aplicado fue el limnímetro de flotador donde un sistema flotador – cadena – contrapeso, al que se incorporaban diferentes poleas guía o de reenvío en función de la disposición de montaje, accionaba, un indicador del valor de nivel a través de un tren de engranajes. Su aplicación estaba particularmente indicada en aguas tranquilas. En embalses era necesario prever pozos o tubos tranquilizadores. Por otra parte tenía sus limitaciones tanto de precisión como de montaje en amplitudes superiores a 10 m.c.a. Estos equipos han sido prácticamente sustituidos por tecnologías actuales.

H HS

H P

Sonda inmersión

HP

H∆t

H ∆t

Aire

H P

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Medida por presión. Sucedió cronológicamente al sistema de medida directa. Actualmente los equipos con este principio son los más aplicados. A una célula de presión se le aplica la columna de agua a medir, la deformación de la célula provocada por la carga de la columna de agua es captada por un elemento generador de una señal proporcional a la deformación producida. La captación de la presión correspondiente a la columna de agua puede realizarse hidrostática o neumáticamente. Captación hidrostática

El peso de la columna de agua a medir se aplica directamente sobre el sensor. El sensor debe montarse por debajo del nivel mínimo establecido. Por las características físicas de las células detectoras de presión, su aplicación se limita a: � Agua bruta o potable � Agua no salobre

Captación neumática o método de burbujeo Un pequeño caudal de aire (3 a 7 Nl/h) se hace circular por una sonda neumática cuyo extremo se sitúa en la cota mínima a medir. La presión de aire creada en la sonda para vencer la columna de agua existente se aplica sobre la célula de presión del sensor instalado. Con el método de burbujeo el sensor se sitúa sobre el nivel de agua máximo a medir permitiendo a su vez una gran flexibilidad de montaje con respecto a la vertical del punto de medida.

mín.

máx

H

∆H1(+)

Sensor

H

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Disposición de instalación

Conducto simple

Conducto doble

Cuando el sensor está muy alejado de la vertical de medida es conveniente aplicar conducto doble hasta el extremo de burbujeo para evitar que las pérdidas de carga del caudal de aire en circulación afecte a la medida. � El primer conducto denominado “de alimentación establece la

circulación de aire desde la unidad de dosificación. � El segundo conducto denominado “de medida” transmite la presión

íntegra de la columna de agua al sensor. El conducto debe tener una pendiente descendente hacia la vertical de medida de al menos 5% para evitar que eventuales condensados del agua contenida en el aire pueda obstruir o reducir la sección del conducto afectando a la medida. La instalación neumática debe disponer de una unidad dosificadora de caudal de aire (rotámetro) y una unidad de servicio que permita el barrido y limpieza de los conductos de alimentación y medida.

Sensor

Conducto de mediday alimentación

Sonda

Suministro de aire

Control de caudal de aire

Válvula dosificadora

Unidad de servicio

Sensor

Conducto de medida

Sonda

Suministro de aire

Control de caudal de aire

Válvula dosificadora

Conducto de alimentación

Distribución

Unidad de servicio

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Tecnologías aplicadas en los equipos de medida por presión Tecnología del silicio cristalino Un sensor de silicio cristalino micromecanizado, se aloja en un módulo sellado de cristal sobre metal al que está soldado un diafragma de aislamiento que transmite la presión a través de un gel de silicona. La deformación de este diafragma compensada por la presión atmosférica varía la resistencia de unas galgas extensométricas de alta precisión. Esta variación es evaluada en la electrónica asociada que a su vez considera la influencia de la temperatura en un amplio campo. La señal elaborada por la electrónica es proporcional a la presión que actúa sobre el diafragma. Clase de precisión:

� 0,05% F.S. Ejecución normal. � 0,01% F.S. Ejecución especial.

Tecnología del cuarzo

� La magnitud presión actúa sobre

un fuelle metálico de precisión, sin histéresis, que la transforma en una fuerza.

� Esta fuerza se transmite mediante un brazo de palanca a un oscilador de cuarzo instalado bajo vacío.

� Las variaciones de presión modifican la frecuencia de resonancia del oscilador de cuarzo.

� La señal de frecuencia se elabora en una electrónica de tratamiento donde se determina la presión medida que se compensa por la influencia de la temperatura.

� Clase de precisión: 0,01%

Oscilador Presión

Oscilador Temp.

Presión atmosférica

Vacío

Fuelle Cuarzo

Columna de

agua

fp

fT

Galgas extensométricas Cavidad de

deformación

Sensor de temperatura

Electrónica de acondicionamiento de la señal

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Medida por tiempo de paso Se basa en la determinación exacta del tiempo empleado por impulsos de una determinada naturaleza para reconocer la distancia entre el equipo emisor de los impulsos y el nivel de agua a medir. Tecnologías aplicadas en los equipos de medida por tiempo de paso. Ultrasonidos (a la velocidad del sonido)

Mediante una sonda ultrasónica situada sobre el nivel del medio a medir y a una cota superior a la máxima medible se emite una serie de impulsos. El transductor mide el tiempo empleado por los impulsos ultrasónicos en recorrer la distancia entre el sensor y el primer obstáculo encontrado mas el tiempo empleado por el eco reflejado para volver al sensor. Clase de precisión: 0,1%

La magnitud que más influye en la velocidad del sonido c es la temperatura del aire por lo que los equipos ultrasónicos para medida de nivel incorporan siempre un sensor de temperatura para la compensación automática de las medidas. Radar (a la velocidad de la luz)

Mediante una antena se emiten impulsos de microondas de 1ns de duración. Las microondas son ondas electromagnéticas que se propagan a la velocidad de la luz sin necesidad de medio transmisor alguno. El sistema combinado de recepción – emisión recoge los impulsos reflectados en la superficie cuyo nivel queremos medir. La distancia se determina a partir de la medición exacta del tiempo transcurrido entre la emisión y recepción.

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� Las variaciones de temperatura no influyen en la medida. � La velocidad de propagación de las microondas a través de medios

como niebla, polvo, o en presencia de viento, no se altera. � Clase de precisión: 0,05% del F.S.

La medida de nivel por radar tiene actualmente un campo de aplicación interesante en el sector hidrográfico, particularmente en medida de niveles en aguas fluyentes. Consideraciones sobre la aplicación de medidas de nivel en embalses Cuando se mide la cota de un embalse se está referenciando la posición de la lámina de agua existente con un punto fijo. Con equipos de medida directa o de tiempo de paso el punto de referencia es el propio equipo de medida situado siempre sobre el nivel máximo medible. Con sensores de presión el punto de referencia con captación hidrostática es el propio sensor (situado por debajo del nivel mínimo a medir) o el extremo de burbujeo cuando se establece una captación neumática. Los dos primeros procedimientos miden directamente una distancia cuyo valor no está influenciado por la presión atmosférica; variaciones temporales de la densidad del agua producidas por sedimentos en suspensión arrastrados en una avenida o aterramientos de los puntos donde se hace la toma de presión o se establece el burbujeo. Sin embargo los equipos con medida directa (flotador) ya no se aplican y los de tiempo de paso tienen sus limitaciones tanto de amplitud de medida como de instalación teniendo su mayor aplicación en aforos de ríos y canales, medidas de nivel de balsas, azudes, etc., por ello el hecho de que los equipos basados en la medida de presión producida por la columna de agua tengan una aplicación generalizada en embalses esta plenamente justificado por el amplio campo de medida que cubren, su gran versatilidad de montaje y su alta precisión y estabilidad. � ¿Cómo debe entenderse la precisión en la medida de

nivel de embalses con sensores de presión? El equipo debe indicar y transmitir valores absolutos de cota (m.s.n.m.) Cuando un equipo se pone por primera vez en servicio, a la altura de la columna de agua medida se le asigna el valor de cota actual

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obtenida topográficamente o dada por el servicio de explotación del embalse. Al implementar como señal para indicación, transmisión y tratamiento el valor absoluto de cota la gravedad local no afecta a la medida. Las células de presión aplicadas son de una gran precisión (1cm. sobre 100m.). La señal generada se trata de forma digital para su indicación y transmisión por lo que teóricamente no hay pérdida de precisión, sin embargo la columna de agua cuyo peso estamos midiendo no es pura, su densidad varía de forma aleatoria dependiendo de la época del año y de condiciones climatológicas puntuales (épocas de fuertes lluvias con formación de avenidas). Para mantener con la precisión de la célula de presión la medida de cota habría que corregir la señal generada por la célula con las variaciones de densidad de la columna de agua en forma continua. Además al tratarse de una columna de mucha altura es normal que existan capas con densidades diferentes. Con medida de la columna de agua por sistema neumático se añade además el error producido por la variación de temperatura en la columna de aire. Véase gráfico.

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0

200

175

150

125

50

25

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 2,0 4,0 8,0 10

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• •

Error (cm) para una variación de temperatura ∆T±10ºC

Máximo error de medida en sistemas neumáticos por variación de temperatura de la columna de aire Para amplitudes de medida de 20 a 100m.

Altura de montaje ∆H2 (m)

100

75

20m 50m 100m

Campo de medida

Sensor

Conducto de medida

Sonda

Suministro de aire

Válvula dosificadora

Unidad deservicio

Control de caudal de aire

max.

min.

∆H2 (-) T ± ∆T

T

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Es evidente que existen condiciones externas de difícil compensación que pueden producir errores en la medida de mayor magnitud que el del propio equipo. Esto, en absoluto, quiere decir que hay que restar importancia al sensor de alta precisión pero si tener en cuenta que en controles periódicos de comparación de la medida por topógrafo o por simple visualización de la regleta limnimétrica pueden detectarse desviaciones que dependiendo de la amplitud, tipo de embalse y disposición de la medida alcancen hasta ±4 cms. Sólo habría que actuar sobre el equipo cuando la desviación permanece en el tiempo o tiene tendencia continua tanto positiva como negativa, por supuesto después de revisar y descartar cualquier anomalía en el sistema de captación bien sea hidrostático o neumático.

� ¿Cómo se concibe actualmente la medida de nivel en

embalses con sensores de presión? Distinguimos dos puntos de actuación en el embalse. 1. Punto donde se sitúa el sensor

� Coronación de presa en caso de captación neumática. � Galería de presa / Cámara de válvulas de desagües de fondo

o tomas, con captación hidrostática. 2. Punto de recepción de la señal emitida por el sensor.

Generalmente en las oficinas de la presa o casa del vigilante. En este punto la señal recibida será tratada para las necesidades especificas de cada caso particular con las unidades adecuadas, pero donde siempre hay un tratamiento mínimo común: La indicación en continuo de la cota del embalse.

El equipo de medida de nivel de embalses debe cumplir unos objetivos fundamentales:

� Captar con la mayor precisión y estabilidad el nivel existente. � Indicar dicho nivel en valores de cota (m.s.n.m.) con la

resolución del cm. � Disponer de una salida del valor de cota adecuada a las

exigencias técnicas actuales para su transmisión y tratamiento en niveles de órdenes superiores.

Incluir como parte integrante del sensor electrónicas con programaciones complejas a través de teclados interactivos para introducción y modificación de parámetros, cálculos de volúmenes, valores, límites, etc no es operativo y necesariamente conducen a un encarecimiento del producto. El sensor debe concebirse como

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una unidad “abandonada” de simple configuración con escaso y sencillo mantenimiento.

666.016.03.0306/SM.ana