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Informe Nº 028E-1/12
Servicio:
Aforadores Sin Cuello
(Parshall de Fondo Plano)
Empresa: Junta de Vigilancia de la cuenca del Río
Huasco y sus Afluentes
Fecha: Noviembre de 2012
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Emisión informe: 03/12/2012
OT Nº: OT71
Identificación del Cliente
Empresa: Junta de Vigilancia de la cuenca del Río Huasco y sus Afluentes
Nombre Cliente: Junta de Vigilancia de la cuenca del Río Huasco y sus Afluentes
Dirección: Arturo Prat Nº 661, Vallenar/Atacama
Descripción del Servicio
Ítem Objetivo del Servicio
4 Elaboración de informe Aforadores Sin Cuello (Parshall de fondo plano)
Equipo de Trabajo
Nº Nombre Cargo Responsabilidad
1 Enrique Rosa Vollmann Instrumentista Elaboración de informe
2 Ricardo Farías Muñoz Ingeniero Mecánico Elaboración de informe
3 Osvaldo Rosa Pérez Ingeniero Electrónico Elaboración de informe
Elaboración de Informe (Según estándares de normas NCh 2451.Of1999 y NCh-ISO 17025.Of2005)
Elaborado por: Revisado y autorizado por:
Firma
Nombre Enrique Rosa Vollmann Ricardo Farías Muñoz
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INDICE
1. Introducción ..................................................................................................................... 4
2. Objetivo ............................................................................................................................. 4
3. Metodología .................................................................................................................... 4
4. Aforador Sin Cuello ......................................................................................................... 5
4.1.Antecedentes Generales .............................................................................................. 5
4.2.Desarrollo del Aforador Sin Cuello .............................................................................. 6
4.3.Descripción General del Aforador Sin Cuello .......................................................... 7
4.4.Principio de medición de caudal ............................................................................... 7
4.5.Ecuaciones de Diseño ................................................................................................... 8
4.5.1.Flujo libre ........................................................................................................................ 8
4.5.2.Flujo sumergido............................................................................................................. 9
4.6.Instalación y Mantenimiento ...................................................................................... 11
4.6.1.Selección del sitio de instalación ........................................................................... 11
4.6.2.Mantenimiento ........................................................................................................... 12
5. Bibliografía ...................................................................................................................... 13
6. Anexos ............................................................................................................................. 14
6.1 Anexo N° 1: Esquema de la planta y perfil del Aforador Sin Cuello. ................ 14
6.2 Anexo N° 2: Tabla de relación de longitud de Aforador Sin Cuello. ................ 14
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1. Introducción
Por requerimiento de la Junta de Vigilancia de la Cuenca del Río Huasco y sus
Afluentes, Liquidflow Ltda. ha elaborado un informe de Aforadores Sin Cuello
(Parshall de Fondo Plano).
2. Objetivo
Realizar la descripción, desarrollo, operación, determinación de caudal,
instalación, mantenimiento y aspectos relevantes de los Aforadores Sin Cuello,
mediante síntesis de la nutrida documentación técnica disponible en la
actualidad y pruebas realizadas en laboratorios.
3. Metodología
La metodología aplicada para el desarrollo del presente informe, se basa en la
recopilación y síntesis de antecedentes técnicos de documentos según
bibliografía (Punto N° 5) y experiencia en la medición de flujo líquido en canales
abiertos.
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4. Aforador Sin Cuello
4.1. Antecedentes Generales
Este aforador es un instrumento para medir caudal, y es conocido en la
lengua inglesa como el “Cutthroat Flume” o como “Aforador Sin Cuello” o
Parshall de Fondo Plano y es el resultado de estudios teórico – prácticos y
esfuerzos de G.V Skogerboe, M.L. Hyatt, R.K. Anderson y K.O. Eggleston.
Existe un gran número de medidores de caudal para canales abiertos y uno
de los más conocidos es el aforador Parshall, sin embargo su diseño es
relativamente complicado en comparación al Aforador Sin Cuello, que
ofrece todas las ventajas del aforador Parshall, además de su fácil
construcción, instalación (Permanente o transitoria en canales) y más
económico.
Una de las características sobresaliente de los aforadores Sin Cuello, es la
baja ocurrencia de sedimentación en el fondo y su fácil limpieza, debido a
su fondo plano.
La determinación del flujo con Aforadores Sin Cuello se puede efectuar por
medio de ecuaciones de descarga, nomogramas (Para flujo libre) y tablas.
Los nomogramas y tablas permiten la determinación rápida de caudal, pero
si se requiere mayor exactitud en la determinación de la descarga (Caudal),
es recomendable el uso de las ecuaciones (Punto N° 4.5).
Las características de su comportamiento dependen de la existencia o
ausencia de un flujo crítico, que independice la influencia aguas abajo del
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comportamiento aguas arriba. En otros tipos de aforadores, como Parshall, se
ha normado su uso sólo en flujo libre (flujo crítico). Especial consideración
debe tenerse al utilizar un Aforador Sin Cuello, en flujo sumergido.
4.2. Desarrollo del Aforador Sin Cuello
El Aforador Parshall, es uno de los más conocidos para medir el flujo del agua
en canales abiertos y fue creado en los laboratorios de la Universidad del
Estado de Colorado en los EEUU. Este aforador consta de tres secciones, la
sección de entrada de paredes verticales convergentes y de fondo
horizontal; la sección de garganta de paredes verticales paralelas y con
fondo inclinado hacia abajo; y finalmente, la sección de salida de paredes
verticales divergentes con fondo ligeramente inclinado hacia arriba.
Posteriormente con el objeto de investigar las características hidráulicas de
una modificación del aforador Parshall, se realizaron estudios en los
laboratorios de Utah State University, utilizando aforadores de fondo plano
horizontal.
Estos estudios revelaron que los aforadores de fondos plano horizontal
pueden operar satisfactoriamente ya sea bajo condiciones de flujo libre o
sumergido.
Posterior a los estudios y resultados de experiencias, se dio paso al diseño del
Aforador Sin Cuello, llamado así por sus autores, debido a la ausencia de la
sección del cuello.
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4.3. Descripción General del Aforador Sin Cuello
El Aforador Sin Cuello, es un instrumento para medir caudal basado en la
creación de flujo crítico mediante el estrechamiento de la sección
transversal. El lecho del aforador es horizontal, lo que facilita su instalación.
Está conformado por una sección de entrada convergente (3:1) y longitud L1
de paredes verticales. El cuello es una sección divergente (6:1) de paredes
verticales y longitud L2. El fondo del aforador es horizontal.
Los Aforadores Sin Cuello, se identifican por el ancho del cuello W y su
longitud L. El ancho de la sección de entrada y salida son de igual dimensión.
Para calcular el caudal, es necesario medir las alturas del nivel de agua
tanto aguas arriba como aguas abajo del cuello y con respecto al fondo del
canal, para lo cual, se requiere instalar los piezómetros a las longitudes La
(Medición del nivel de agua ha)y Lb (Medición del nivel de agua hb).
En el Anexo N° 1, puede apreciarse un esquema de la planta y perfil del
Aforador Sin Cuello, con sus respectivas dimensiones.
4.4. Principio de medición de caudal
Como se ha indicado la medición de caudal se basa en la producción de
flujo crítico. Si el grado de sumergencia (hb/ha) es mayor que el valor límite
para el tipo de aforador, se dice que trabaja en flujo sumergido1, para lo
1 El Aforador Sin Cuello, opera sumergido cuando las condiciones de flujo aguas abajo son afectadas de
tal manera que la resistencia es suficiente para disminuir la velocidad y aumentar la profundidad del flujo,
resultando en un aumento de la profundidad de flujo aguas arriba del aforador. Bajo estas condiciones la profundidad de las aguas en cualquier punto a lo largo del medidor sería mayor que la profundidad crítica.
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cual se requiere de las lecturas de altura aguas arriba y abajo (ha y hb,
respectivamente) para determinar el caudal. En caso contrario, es decir, si el
grado de sumergencia es menor que el valor límite para el tipo de aforador,
se dice que trabaja en flujo libre y bastará sólo con la lectura de la altura
aguas arriba ha.
4.5. Ecuaciones de Diseño
4.5.1. Flujo libre
Los Aforadores Sin Cuello, permiten medir el caudal pasante en función de
la altura de escurrimiento en sólo un punto, aguas arriba (ha). La función
del caudal con respecto a la altura, bajo flujo crítico (flujo libre) es:
Q (m3/s) = C (ha)n
Dónde:
C = K * W1,025
K y n se pueden obtener de las tablas estándar de estos aforadores (Ver
tabla de relación de longitud, según Anexo N° 2, mientras W es el ancho
del cuello (angostura).
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La exactitud de estos aforadores, si están correctamente construidos e
instalados, es satisfactoria para fines de riego. Para instrumentar estos
equipos, basta un transmisor de presión con la resolución y exactitud
acorde al rango de alturas a medir, instalado aguas arriba, desde el
cuello, a 0.222 del largo total. El caudal será en función a la ecuación
potencial indicada.
Estos dispositivos pueden ser calibrados in-situ, cuando existen dudas con
respecto a su coherencia dimensional, mediante aforo con molinete 2, con
un mínimo de tres caudales diferentes, donde se obtiene finalmente una
ecuación independiente a la obtenida por tablas.
Una contrastación mediante aforo con molinete a cualquier caudal
existente, permite verificar la ecuación y sus parámetros.
4.5.2. Flujo sumergido
Al utilizar estos aforadores sin flujo crítico, es decir en flujo sumergido, la
fiabilidad de ellos es directamente dependiente de la precisión de su
construcción e instalación.
El caudal ya no es función de la altura de escurrimiento de un sólo punto
aguas arriba (ha), ya que al no haber crisis, los eventos aguas abajo no son
independientes del nivel aguas arriba. El caudal pasante es ahora función
2 El aforo con molinete solo es viable si este incluye un procedimiento para determinar la incertidumbre, ya
que un aforo mal ejecutado puede presentar un error mayor al del Aforador Sin Cuello. Es requisito esencial conocer la banda de incertidumbre de los aforos para la calibración, y para la verificación, de estos dispositivos.
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del nivel aguas arriba ha y del nivel aguas abajo hb en una proporción no
lineal:
Q(m³/s) = (Cs (ha – hb)ⁿ) / ( (Log (1/S))ⁿs
Dónde:
Cs = Ks * W1,025
S = hb / ha
Ks y ns se pueden obtener de las tablas estándar de estos aforadores (Ver
tabla de relación de longitud, según Anexo N° 2, mientras W es el ancho
del cuello (angostura), hb se mide a 0.555 del largo total, aguas abajo
desde el cuello.
Las experiencias con los aforadores Sin Cuello, recomiendan evitar su uso
en flujo sumergido, debido a que no es posible su calibración mediante
aforo con molinete.
Como el grado de sumersión puede ser variable, a un mismo caudal
pasante, puede haber infinitas relaciones entre ha y hb.
La recomendación general es, en caso de uso sumergido, verificar con un
aforo con molinete 3, a cualquier caudal pasante y contrastar el caudal
resultante con el calculado mediante la ecuación estándar del aforador.
3 Los aforos deben incluir la estimación de la incertidumbre, para evaluar la calidad de la medición y no
emitir un juicio equivocado en la verificación.
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Este ejercicio permite verificar el correcto o deficiente funcionamiento de
la instalación.
La instrumentación bajo flujo sumergido, obliga a medir simultáneamente
ha y hb.
Además debe compararse la relación (hb/ha)*100, con el factor de
sumergencia transitoria St de las tablas (Anexo N° 2), para determinar si
corresponde aplicar la ecuación de flujo sumergido o la ecuación de flujo
libre. Esto requiere de Dataloggers con capacidad de ejecución de
programas.
4.6. Instalación y Mantenimiento
4.6.1. Selección del sitio de instalación
Es aconsejable que el aforador se instale en un tramo uniforme del canal
para que las líneas de corriente ingresen uniformemente a la sección
convergente del aforador. Para seleccionar el tipo de aforador es
necesario conocer los caudales normales máximos y mínimos que pasarán
por el aforador. También los respectivos tirantes así como el ancho, talud y
el borde libre del canal. Debe destacarse que la introducción del aparato
en el canal, perturbará el flujo, especialmente aguas arriba.
Por la facilidad en la determinación del caudal, se prefiere que el aforador
funcione en flujo libre y una vez instalado, debe verificarse su correcto
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funcionamiento. Es necesario calibrar el aforador para encontrar los
valores correspondientes que permitirán determinar el caudal en función
de ha.
4.6.2. Mantenimiento
Para asegurar una operación satisfactoria es necesario seguir un plan de
mantenimiento periódico. En las paredes del aforador muchas veces se
acumulan musgos, lo mismo que incrustaciones en aforadores metálicos
las que se pueden eliminar por medio de escobilla de alambre.
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5. Bibliografía
5.1. J.F. Alfaro 1973. Medidas de Aguas en canales por medio del Aforador
“Sin Cuello”, Departamento de Ingeniería Agrícola e irrigación, Utah State
University.
5.2. J.F. Alfaro 1980. Medidas de aguas en canales por medio del aforador
“Sin Cuello”. Sub-Secretaria de Recursos Naturales. Departamento de
Tierras y Aguas. Santo Domingo. República Dominicana.
5.3. H. Pizarro 1994. Introducción al diseño hidráulico de canales y a la
medición de caudales. Banco Interamericano de Desarrollo Fondo de
Inversión de Venezuela. Servicio Nacional de Aguas Subterráneas, Riego y
Avenamiento. Oficina del IICA en Costa Rica.
5.4. Skogerboe, Gaylord V. V., "Cutthroat Flow Measuring Flumes for Flat
Gradient Channels" (1969). Reports. Paper 96.
http://digitalcommons.usu.edu/water_rep/96.
5.5. Skogerboe, Gaylord V.; Hyatt, M. Leon; Anderson, Ross Kay; and Eggleston,
Keith O., "Design and Calibration of Submerged Open
Channel Flow Measurement Structures: Part 3 - Cutthroat Flumes" (1967).
Reports. Paper 86.
http://digitalcommons.usu.edu/water_rep/86.
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5.6. Skogerboe, Gaylord V. V. and Hyatt, M. Leon, "Rectangular Cutthroat Flow
Measuring Flumes" (1967). Reports. Paper 87.
http://digitalcommons.usu.edu/water_rep/87.
6. Anexos
6.1 Anexo N° 1: Esquema de la planta y perfil del Aforador Sin Cuello.
6.2 Anexo N° 2: Tabla de relación de longitud de Aforador Sin Cuello.
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Anexo N° 1: Esquema de la planta y perfil del Aforador Sin Cuello
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Figura N° 1: Esquema de la planta del Aforador Sin Cuello
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Figura N° 2: Esquema de perfil (Corte), del Aforador Sin Cuello
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Anexo N° 2: Tabla de relación de longitud de Aforador Sin Cuello
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Tabla N° 1: Tabla de relación de longitud de Aforador Sin Cuello
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