Desarrollo de un caudalímetro digital para la medición de caudal en Ríos.
DESARROLLO DE UN CAUDALÍMETRO DIGITAL PARA LA MEDICIÓN DE CAUDAL EN RÍOS.
DEVELOPMENT OF A DIGITAL FLOW METER FOR THE MEASUREMENT OF RIVERS FLOW
RESUMEN
El
ser humano siempre ha tenido la necesidad
de conocer las cantidades de agua que fluyen en los ríos,
con fines de aprovechamiento, de prevención o de mitigación de los daños causados por las inundaciones. Además, el calentamiento global está
generando un cambio climático que influye, entre otros aspectos, en los
patrones de lluvia y en la disponibilidad de los recursos hídricos. Por ello se
hace necesario el monitoreo permanente de las cuencas hidrográficas para
detectar alteraciones y tomar los correctivos adecuados.
En el presente trabajo se describe el desarrollo de un medidor de caudal para ríos que facilita la recolección de información. El proceso se basa en la detección de la velocidad de la corriente de agua a través de una sección transversal del río. Para medir la velocidad se utilizó una hélice con un Sensor de efecto Hall acoplado a ella. La profundidad del río se mide con un Sensor de presión debidamente patronado. Las señales son acopladas a un micro-controlador que procesa, almacena y visualiza localmente la información, a la vez que permite su transferencia a un computador para el análisis por parte del usuario final. En el texto se presenta la estructura del prototipo, al igual que los resultados más interesantes del proceso de calibración.
PALABRAS CLAVE: Medición de caudal, caudalímetro, hidrográma, aforo de ríos.
ABSTRACT
Human beings have always required the knowledge of the amounts of water that flows through rivers in order to take advantage of it, as well as to prevent and reduce flood related problems. Furthermore, the global heating is originating climatic changes that influence the rain patterns as well as the availability of the hydric resources. In this way, it is necessary to monitorize permanently the hydrographic basins in order to detect and correct possible alterations.
This work deals with the design of a digital flow meter to measure the volume of water flowing in a river which allows collecting information. The process is based on the detection of the water’s current velocity through a cross-section of a river. It was used a helix with an effect hall sensor coupled to it to measure the velocity. The river’s depth is measured with a pressure sensor conveniently adjusted. Signals are coupled to a microcontroller which processes, storages and visualizes the information locally, transferring it to a computer in order to be analyzed by the final user. The text includes the prototype’s structure as well as the most relevant results of the calibration procedure.
KEY WORDS: Wealth
measurement, flow meter, hydrogram, gauge water.
1. Introducción
El ser humano siempre ha tenido la necesidad de conocer las cantidades de agua que fluyen en los ríos, con fines de aprovechamiento, de prevención o de mitigación de los daños causados por las inundaciones. Además, hoy en día nos encontramos frente a un cambio climático provocado por la actividad industrial, los automóviles, los grandes cultivos y la manutención de ganados, todo aquello que permite la supervivencia de los más de 7 mil millones de seres humanos que poblamos el planeta, provocando con ello grandes alteraciones. Una de ellas, quizás la más preocupante, es el calentamiento global de la Tierra generado por un aumento del efecto invernadero. Tales cambios se producen a muy diversas escalas de tiempo, especialmente aquellos inducidos en los parámetros climáticos: temperatura, precipitaciones, nubosidad, etc; esto debido a causas naturales y en los últimos siglos, también a la acción del hombre (Melillo et al., 1990; Melillo et al., 1993; Mozonbanky 2009).
Al versen alterados los patrones de precipitación, se hace necesario un monitoreo hídrico que permita la evaluación de características de calidad, cantidad y continuidad del recurso. El monitoreo se puede realizar con equipos manuales y automáticos, cuya función es la de captar información que, al ser procesada por el usuario final, permitirá constituir mecanismos de prevención para establecer sistemas de alertas, pronósticos y detección de eventos meteorológicos y climáticos de carácter catastrófico (Peña, 2008; Natalichio, 2008).
Para la estimación de caudales se dispone de metodologías que requieren aparatos usualmente sofisticados y costosos, que las hacen de difícil acceso y limitan su incorporación en los procesos rutinarios de caracterización de corrientes hídricas (Rivera, 1999; Poveda, 2004). Por lo anterior, se hace necesario desarrollar instrumentos confiables para la medición de caudal en ríos, los cuales deben contar con la suficiente tecnología para sustituir los equipos importados con una inversión económica menor.
En vista de lo anterior, se planteó el desarrollo de un medidor de caudal para ríos que permita la captura y el procesamiento de la información de una manera automática y confiable, tanto para el operador como para el usuario final. A continuación se describe la estructura del equipo propuesto, su funcionamiento y los principales resultados obtenidos en la caracterización del mismo.
2. Materiales y métodos
2.1. Caudal de un río y métodos de medición
El caudal de un río es la cantidad, o volumen, de agua que pasa por una sección determinada en un tiempo determinado. El caudal está dado en función de la sección transversal (m2) y por la velocidad (m/s) a la que el agua atraviesa la sección y se expresa en metros cúbicos por segundo (m3/s). El problema consiste en determinar la velocidad, ya que es variable para cada punto del cauce y aunque se pueden usar métodos de aproximación, lo normal es considerar los datos ofrecidos por las estaciones de aforo instaladas hidrográficamente. Los caudales en corrientes naturales se generan por la interacción que existe entre las precipitaciones que caen en su cuenca y las características propias de dicha cuenca. Las magnitudes de los caudales dependen de características como: intensidad de las lluvias, duración, patrones temporales y distribución sobre el área, además de las características morfológicas y fisiográficas de la cuenca (Compagnucci , 2007).
El diagrama que representa la variación del caudal con el tiempo en una sección particular de una corriente se denomina hidrográma. Los hidrográmas se utilizan para analizar el comportamiento histórico de un río en un sitio determinado (Díaz, 2001). Dentro del procedimiento que se utiliza para elaborar los hidrográmas se encuentra la ejecución de aforos, o sea la medición puntual de los caudales en sitios estratégicos del río. Dentro de las técnicas más comunes de aforo se tienen: utilización de vertederos, aforo por vadeo, aforo con correntómetro o molinete, método de la velocidad superficial y la utilización de trazadores (IDEAM, 1999).
AFORO CON VERTEDERO: los vertederos son diques o paredes que se oponen al flujo, que poseen una escotadura con una forma geométrica regular, por la cual pasa la corriente a medir. En general hay dos tipos de vertederos: los de pared delgada, que se usan para determinar el caudal en una corriente pequeña, y los vertederos de pared gruesa que se usan para el control de excedencias del recurso, y su evacuación puede ser libre o controlada.
AFORO POR VADEO: se
puede emplear cuando la corriente es poco profunda, menos de
Para determinar el caudal en una corriente se usa el concepto:
Donde:
Q: caudal (m3/s)
Vm: velocidad media de la sección
(m/s)
A: área de la sección (m2)
AFORO CON MOLINETE O CORRENTÓMETRO: para este tipo de aforo es fundamental establecer la sección transversal donde se va a realizar el aforo, la cual debe ser de fácil acceso. Igualmente, se debe seleccionar el tramo de la corriente con una longitud apreciable y de sección constante, que permita considerar condiciones cercanas al flujo uniforme tanto longitudinal como transversalmente. Además se deben evitar estructuras que obstaculicen el paso del flujo.
El método para aforar una corriente es el método volumétrico, el cual determina en cuánto tiempo se llena un volumen conocido; esta técnica se usa para corrientes de caudal pequeño (Sánchez, 2004). La velocidad del caudal se determina a través de un molinete, conformado por una hélice que gira a la velocidad de la corriente, cuya ecuación general es:
Donde:
Vm:
velocidad de la corriente (m/s)
n: número de revoluciones de la hélice (rad/s)
a: constante de paso hidráulico, obtenida
experimentalmente en ensayos de arrastre en (m)
b: constante que considera la inercia y velocidad mínima para que la hélice se mueva (m/s).
Para determinar el área de la sección transversal del río hay que medir el ancho de la sección, junto con las profundidades, cada metro, a lo largo de la misma, de modo que, como mínimo, por cada subdivisión pase el 10% del caudal total; estas profundidades se miden con la ayuda de varillas o ecosondas. El caudal total que pasa por la sección transversal del río, se obtiene como la suma de los caudales parciales de cada subdivisión. El concepto anterior se ilustra en la figura 1, en donde H representa la profundidad de cada subárea, L representa la longitud y v la velocidad del flujo en cada subárea, en las cuales se divide la sección transversal del río.
Figura 1. Sección transversal de una corriente de agua (Carvajal, 2000).
El método seleccionado en este proyecto fue la técnica de aforo con molinete, el cual consiste en medir la velocidad a 0.2 y 0.8 de la profundidad total a partir de la superficie, siendo Vm el promedio de ambas velocidades. Para la toma de datos se debe escoger una sección del río, la cual se divide en 10 partes iguales, donde en cada subárea se toma el valor de la profundidad y a este dato se le debe calcular el 80% y 20%, para saber a que profundidad tomar los datos de las revoluciones.
Por cada subdivisión se toman dos datos de revoluciones, para un total de 18 datos; los dos datos restantes corresponden a los extremos y se toman a 2/3 de la profundidad total. Para hallar el área, por cada subdivisión se toma un dato de la profundidad obteniéndose un valor para cada subárea y la sumatoria de estas da como resultado el valor del área de la sección transversal del río.
2.2. Sistema propuesto
El medidor de caudal se presenta en un diagrama de bloques donde se incluyen las diversas funciones a realizar, ver figura 2. Existe una primera variable física, el Nivel, ubicada en la sección transversal del río, la cual es necesaria para calcular el área o sección hidráulica del río que se está aforando. Una segunda variable física, las Revoluciones, es necesaria para obtener la velocidad media del río, esta variable se determina a través de la velocidad angular de una hélice que gira impulsada por el movimiento del agua.
|
Variable
física (Nivel) |
|
Variable
física (Revoluciones) |
|
Sensor de
Presión (Sección
hidráulica) |
|
Aforador |
|
Interfaz de Comunicación |
|
Interfaz con
operario (LCD,
pulsadores) |
|
PIC 16F873 |
|
Sensor de
efecto Hall (Velocidad
media) |
|
PC |
Figura 2. Diagrama de Bloques del Medidor de
Caudal.
Estas
variables se llevan a una tarjeta de control, gobernada por un
microcontrolador, la cual se encarga de recibir las señales generadas por los
sensores, cuyo valor puede ser observado localmente en una pantalla de cristal
líquido. Igualmente, la tarjeta almacena los datos y se encarga de enviar la
información a un computador personal (PC), a través de la interfaz que permite
la comunicación entre la tarjeta de control y el PC.
3. Resultados y discusión
3.1. Componentes del medidor de caudal.
HÉLICE: Se
seleccionó una hélice plástica marca M.E.S., la cual cumple con los requisitos
de bajo costo, trabaja a altas revoluciones, posee un alto torque de arranque y
no sufre deterioro al contacto con el agua. La hélice tiene las siguientes
características mecánicas: diámetro exterior
Esta hélice es la encargada de detectar la velocidad de la corriente del río, va montada en un soporte de acero inoxidable que, a su vez, va ajustado en un aro del mismo material; el cual tiene la función de encaminar el flujo de agua hacia la hélice, además de soportar el sensor que registra las revoluciones. A este aro se le enrosca un tubo con un espesor de 3/8 de pulgada, el cual sirve para alojar la manguera que va al sensor de presión para medir la profundidad.
SENSORES: Se utilizó un
sensor de efecto Hall, OH090U, el cual se escogió teniendo en cuenta su
economía, rapidez de respuesta y fidelidad en la señal de salida, junto con su
reducido tamaño. Este sensor permite convertir las revoluciones de la hélice en
pulsos eléctricos que son procesados por el sistema electrónico. El sensor se
encapsuló en una resina para minimizar los efectos del agua, ver figura 3.
Figura 3. Encapsulado del sensor de efecto
hall.
Para
establecer la profundidad a la cual se ubica la hélice, se utilizó un sensor
inteligente de presión MPX5050DP. Este sensor opera
en un rango de
El sensor de
presión va montado en la caja de control, donde se incluyen pulsadores
encargados de activar la función de toma de datos, elementos de señalización y pantalla
de visualización, junto con el conector de comunicación con el computador. A su
vez, el sensor de presión está conectado a la manguera que va en el interior de
un tubo de acero inoxidable, el cual soporta el conjunto campana - hélice. Por
la manguera entra el agua comprimiendo el aire que hay en su interior, y esto
se traduce en el dato de profundidad que permite describir la posición del
dispositivo, ver figura 4.
Figura 4. Esquema de la estructura del prototipo propuesto.
PROTOTIPO FINAL: el medidor de caudal se complementa con la tarjeta
de control, la cual permite la adaptación de las señales provenientes de los
sensores, una etapa de pulsadores encargados de generar las diferentes señales
para la toma y transmisión de datos, elementos de señalización que indican el estado
del proceso llevado a cabo, dos memorias seriales encargadas de almacenar los
datos de profundidad y revoluciones, y una etapa de comunicación con el
computador a través de un conector DB9. En la figura 5 se observa el prototipo final (Gross, 2003).
Con el fin de completar el proceso de medición del caudal, es necesario descargar los datos de profundidad y velocidad a un PC, el cual se encarga de realizar las operaciones matemáticas y la presentación de la información en forma gráfica al usuario final.
3.2. Calibración y patronamiento
El objetivo de la calibración y patronamiento es determinar la linealidad, sensibilidad y exactitud del medidor de caudal, con el fin de tener un margen alto de confianza y conocer las características reales de cada uno de los sensores empleados.
MEDIDA DE VELOCIDAD: Las
pruebas finales necesarias para patronar el prototipo propuesto se llevaron a
cabo en un canal con fluido estático, disponible en el Laboratorio de Hidráulica
de la Universidad Nacional de Colombia sede Bogotá, ver figura 6.
Figura 6. Canal empleado para el patronamiento del medidor de caudal.
El
prototipo va montado en un carro que se mueve sobre rieles a lo largo del
canal. Este carro se puede desplazar a diferentes velocidades accionado por un
motor eléctrico. En el proceso de caracterización del prototipo se utilizó un
recorrido en el canal de
Donde:
V:
velocidad de la corriente
N: número de revoluciones de la hélice
Figura 7. Curva característica de la hélice
La ecuación 3 se obtuvo a partir de la regresión matemática de los resultados experimentales recogidos en el laboratorio. En este caso el número de observaciones fue de 16, obteniéndose un coeficiente de correlación múltiple de 0.948 y un coeficiente de determinación de 0.9. A partir de la curva de calibración mostrada en la figura 7, se obtuvo una exactitud de 90.6% para la velocidad. El proceso de calibración se repitió varias veces, con excelentes resultados dando una reproducibilidad del 98%.
MEDIDA DE PROFUNDIDAD: Para calibrar el sensor de profundidad se utilizó una columna estática de agua, la cual se ubicó en una pipeta graduada milimétricamente. El sensor de presión se conectó a una manguera que se sumerge en el agua, y cuya profundidad se puede variar a voluntad.
La
señal de salida del sensor se conectó a un microcontrolador, el cual permitió
la visualización en una pantalla de cristal líquido. Se realizaron lecturas del valor convertido cada
4. Conclusiones
Como
resultado de este proyecto se desarrolló un medidor de caudal para ríos, el
cual puede ser utilizado con la técnica de aforo por molinete en corrientes de
hasta
El instrumento permite la ejecución de catorce aforos, incluye 254 datos de revoluciones y 126 datos de profundidad. En caso de requerirse un mayor número de datos en las lecturas, bastará con efectuar una modificación en el microcontrolador y utilizar memorias de mayor capacidad.
El medidor de caudal desarrollado puede ser transportado fácilmente, debido a su diseño modular y garantiza la seguridad del operario a cargo.
El prototipo aquí descrito presenta un bajo costo frente a los molinetes que normalmente se emplean en este tipo de aforo, al igual que una gran flexibilidad en su aplicación. Es de enorme utilidad para el operario, ya que no necesita llevar el registro manual de los datos que se están recopilando; lo anterior gracias a que el instrumento almacena los datos en una memoria de estado sólido.
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