Medição de caudal em canal aberto com descarregadores e calhas

Medição de caudal em canal aberto com descarregadores e calhas

Um sensor de nível em canal aberto mede a carga hidráulica, que uma relação validada do elemento primário converte em caudal. O erro de carga é amplificado pela inclinação dessa relação. A incerteza total também inclui a geometria do descarregador ou da calha, o coeficiente, as condições de aproximação do escoamento e o levantamento do referencial.

A fórmula determina a sensibilidade ao erro

Para um descarregador com entalhe em V de 90° em condições de escoamento livre, uma aproximação ilustrativa no SI é:

Q = 1.38 × h^2.5 (Q em m³/s, h em metros). Este coeficiente é um exemplo assumido, não uma relação universal; utilize a equação ou a calibração aprovada para o entalhe e a instalação reais.

As relações de caudal de descarregadores retangulares e de calhas também dependem da geometria exata e das condições hidráulicas. Uma aproximação simples de descarregador retangular pode usar um expoente de carga próximo de 1.5, mas é necessário determinar o coeficiente e as correções de contração. Para uma relação Q = C × h^n, a sensibilidade de primeira ordem a um pequeno erro de carga é:

ΔQ/Q ≈ n × (Δh/h)

em que n é o expoente. Um erro de carga de 1% com n = 2.5 corresponde a um erro de caudal de 2.5%.

Exemplo de cálculo. Num descarregador com entalhe em V de 90° e h = 0.20 m: Q = 1.38 × 0.2^2.5 = 1.38 × 0.0179 ≈ 0.0247 m³/s ≈ 89 m³/h. Um erro de nível de 10 mm, facilmente provocado por uma régua mal colocada, uma camada de espuma ou um sensor não calibrado, resulta em ΔQ/Q = 2.5 × (0.01/0.2) = 12.5%, ou 11 m³/h de caudal fictício. Com h = 0.40 m, os mesmos 10 mm representam apenas 6.25%. A conclusão decorre da própria relação: os sistemas com descarregadores perdem exatidão precisamente na faixa de baixo caudal, que costuma ser a mais importante nos relatórios de conformidade ambiental.

A carga deve ser medida em água calma, no ponto correto

A fórmula pressupõe que a carga é o nível a montante do dispositivo, medido numa zona onde a superfície da água é calma e representativa:

Localização: a montante da curva de rebaixamento; num entalhe em V, na secção especificada para medir a carga; num entalhe em V tradicional de 90° com contração completa, a uma distância a montante de pelo menos quatro vezes a carga máxima, nunca na zona de queda junto ao entalhe.

Tranquilização: proporcione um trecho de aproximação adequado ou um sistema de tranquilização aprovado sem alterar a hidráulica do elemento primário. As ondulações aumentam a dispersão; um radar não mede universalmente o seu pico. Valide a carga média no tempo e a resposta do instrumento.

Zero: a cota da soleira do descarregador ou do fundo da calha é o zero e deve ser levantada no local, não presumida a partir de um desenho. Um erro de zero de 5 mm introduz um desvio permanente no caudal em qualquer carga.

Instrumentos de radar sem contacto ou ultrassónicos dispensam um sensor imerso, mas exigem uma montagem rígida e uma trajetória livre. Um deslocamento do suporte de 3 mm pode tornar-se diretamente um erro de carga. Sensores de pressão acrescentam uma hipótese de densidade e podem ser afetados por sedimentos, depósitos ou uma tomada de pressão obstruída; o material depositado não é automaticamente acrescentado à carga de água com a sua densidade integral.

O escoamento livre é uma condição, não uma expectativa

Uma relação de caudal para escoamento livre só é válida nas condições hidráulicas especificadas. Num descarregador, verifique a ventilação da lâmina vertente e os limites de nível a jusante; numa calha, verifique o limite de submersão específico do tamanho e as secções de medição de carga. Existem correções de escoamento submerso para alguns projetos, mas não são intercambiáveis com a relação de escoamento livre.

Se o canal puder sofrer represamento por marés, operação de comportas ou tempestades, meça também a carga a jusante e corrija a submersão, ou escolha outro princípio de medição. Aplicar uma fórmula a condições afogadas produz silenciosamente valores aparentemente seguros, mas errados.

Escolher entre descarregador e calha

Escolha o elemento primário com base na faixa de caudal necessária, perda de carga, sólidos, nível a jusante e método de reporte aplicável. Um entalhe em V pode ser útil para pequenos caudais de água limpa; uma calha adequada pode facilitar a passagem de sólidos, mas nenhum projeto dispensa manutenção.

Perguntas de projetos de canal aberto

P1. O sensor de nível pode ficar diretamente sobre o descarregador?

Não. Deve ficar a montante no local de tranquilização especificado ou medir num poço tranquilizador ligado ao canal. Sobre o entalhe, mede o rebaixamento, precisamente o que a fórmula não permite.

P2. Um sensor de radar tem exatidão suficiente?

Existem radares com desempenho ao nível do milímetro, mas a montagem e o levantamento do zero costumam dominar o erro. Considere primeiro a rigidez da instalação e o referencial levantado, antes de procurar especificações de sensores.

P3. E os caudais muito baixos?

A tensão superficial, o comportamento da lâmina vertente e a incerteza da carga tornam-se importantes perto do limite inferior da relação de caudal. Utilize a carga mínima validada para esse entalhe e para a geometria de aproximação. Pode ser necessário outro ângulo de entalhe ou outro elemento primário; não declare qualidade de medição de caudal para conformidade abaixo da faixa validada.

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Referências técnicas

• USBR — agência de gestão de recursos hídricos dos Estados Unidos (US): condições de descarregadores com entalhe em V