Medición de caudal en canales abiertos con vertederos y aforadores

Medición de caudal en canales abiertos con vertederos y aforadores

Un sensor de nivel de canal abierto mide la carga, que una curva validada del elemento primario convierte en caudal. La pendiente de la curva amplifica el error de carga. La incertidumbre total también incluye la geometría del vertedero o aforador, el coeficiente, las condiciones de aproximación y el levantamiento de la cota de referencia.

La fórmula determina la sensibilidad al error

Para un vertedero triangular de 90° en condiciones de descarga libre, una aproximación ilustrativa en SI es:

Q = 1.38 × h^2.5 (Q en m³/s, h en metros). Este coeficiente es un supuesto del ejemplo, no una curva universal; utilice la ecuación o calibración aprobada para la escotadura y la instalación reales.

Las curvas de los vertederos rectangulares y aforadores también dependen de su geometría exacta y de las condiciones hidráulicas. Una aproximación sencilla para un vertedero rectangular puede emplear un exponente de carga próximo a 1.5, pero deben determinarse su coeficiente y las correcciones por contracción. Para una curva Q = C × h^n, la sensibilidad de primer orden a un pequeño error de carga es:

ΔQ/Q ≈ n × (Δh/h)

donde n es el exponente. Un error de carga del 1% con n = 2.5 supone un error de caudal del 2.5%.

Ejemplo de cálculo. Un vertedero triangular de 90° con h = 0.20 m: Q = 1.38 × 0.2^2.5 = 1.38 × 0.0179 ≈ 0.0247 m³/s ≈ 89 m³/h. Un error de nivel de 10 mm —fácil de producir por una regla mal situada, una capa de espuma o un sensor sin calibrar— da ΔQ/Q = 2.5 × (0.01/0.2) = 12.5%, es decir, 11 m³/h de caudal imaginario. Con h = 0.40 m, esos mismos 10 mm suponen solo el 6.25%. La lección es inherente al sistema: los vertederos pierden exactitud precisamente en el intervalo de bajo caudal que suele importar más para los informes de cumplimiento ambiental.

La carga debe medirse en agua tranquila, en el punto correcto

La fórmula supone que la carga es el nivel aguas arriba del elemento, medido en una zona de superficie tranquila y representativa:

Ubicación: aguas arriba de la curva de descenso; en un vertedero triangular, en la sección de medición especificada. Para un vertedero triangular tradicional de 90° con contracción completa, al menos a cuatro veces la carga máxima aguas arriba y nunca en la zona de caída próxima a la escotadura.

Tranquilización: disponga un tramo de aproximación adecuado o una disposición tranquilizadora aprobada sin alterar la hidráulica del elemento primario. Las ondas aumentan la dispersión; el radar no mide siempre sus crestas. Valide la carga media temporal y la respuesta del instrumento.

Cero: la cota de la cresta del vertedero o del fondo del aforador constituye el cero y debe medirse, no suponerse a partir de un plano. Un error de cero de 5 mm produce un sesgo permanente de caudal con cualquier carga.

Los instrumentos de radar o ultrasónicos sin contacto evitan un sensor sumergido, pero requieren un montaje rígido y un trayecto libre. Un desplazamiento del soporte de 3 mm puede convertirse directamente en un error de carga. Los sensores de presión añaden una hipótesis de densidad y pueden verse afectados por sedimentos, suciedad o una toma de presión obstruida; el material sedimentado no se suma automáticamente a la carga de agua con toda su densidad.

La descarga libre es una condición, no un deseo

Una curva de descarga libre solo es válida dentro de sus condiciones hidráulicas especificadas. Verifique la ventilación de la lámina vertiente y los límites del nivel aguas abajo para un vertedero, y el límite de sumersión y las secciones de medición específicos del tamaño para un aforador. Existen correcciones de descarga sumergida para algunos diseños, pero no son intercambiables con la curva de descarga libre.

Si el canal puede sufrir remanso —por mareas, maniobras de compuertas o tormentas—, mida también la carga aguas abajo y corrija la sumersión, o elija otro principio de medición. Una fórmula aplicada en condiciones ahogadas produce silenciosamente cifras convincentes pero erróneas.

Elegir entre vertedero y aforador

Elija el elemento primario según el intervalo de caudal requerido, la pérdida de carga, los sólidos, el nivel aguas abajo y el método de informe aplicable. Un vertedero triangular puede resultar útil para caudales pequeños y limpios; un aforador adecuado puede dejar pasar mejor los sólidos, pero ningún diseño está exento de mantenimiento.

Preguntas de proyectos de canales abiertos

P1. ¿Puede situarse el sensor de nivel directamente sobre el vertedero?

No. Debe situarse aguas arriba en el punto tranquilo especificado o medir mediante un pozo tranquilizador conectado al canal. Sobre la escotadura mide el descenso de la superficie, precisamente lo que la fórmula no admite.

P2. ¿Es suficientemente exacto un sensor de radar?

Existen radares con exactitud milimétrica, pero suelen dominar el montaje y el levantamiento del cero. Evalúe primero la rigidez de la instalación y la cota de referencia medida antes de comparar especificaciones de sensores.

P3. ¿Qué ocurre con caudales muy bajos?

La tensión superficial, el comportamiento de la lámina vertiente y la incertidumbre de carga cobran importancia cerca del límite inferior de la curva. Utilice la carga mínima validada para esa escotadura y geometría de aproximación. Puede ser necesario otro ángulo de escotadura u otro elemento primario; no atribuya calidad de cumplimiento normativo a caudales por debajo del intervalo validado.

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Referencias técnicas

• Agencia federal para la gestión de recursos hídricos de Estados Unidos (US): condiciones de los vertederos triangulares