Medicion Presion y Caudal

5/17/2018 Medicion Presion y Caudal

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OBIUNO DE CHILEMINISTtRIO DE:A~RJQJLTURACN I1 . i N IA I VM I" [NA IK E ." BOLETIN INIA NQ28 ISSN 0717 " 4829

MEDICION DEPRESION Y CAUDAL

MARCO ANTONIO-BELLO U.MARfA TERESAPINO Q.

INSTITUTO DE INVESTIGACIONES AGROPECUARIASCOMISION NACIONAL DE RIEGO


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BOLETiN INIA N 28 ISSN 0717 - 4829

GOBIRNO DE CHILEMINlSTERIO DE AGR~CULTUrtA

CNR- INIA KAMPENAJI \[

~ ~MEDICION DE PRESION Y CAUDAL

Marco Antonio Bello U.Marfa Teresa Pino Q.

Centro Regional de Investigaci6n Kampenaike

Punta Arenas, Chile, 2000.


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Autores:Marco Antonio Bello U.Ing. Agr6nomoProducci6n VegetalCentro Regional de Investigaci6n KampenaikeMaria Teresa Pino Q .Ing. Agr6nomoProducci6n VegetalCentro Regional de Investigaci6n Kampenaike

Director Responsable:Raul Lira F.Ing. Agr6nomo, M.sc.Director Centro Regional de Investigaci6n Kampenaike

Comite Editor Regional:Nilo Covacevich c., Ing. Agr6nomo, (Ph.D)Oscar Strauch 8., Ing. Agronomo

Asistentes de Investigaci6n:Jaime Pincheira, Tecnico Agricola

Boletfn INIA NQ28Este boletfn fue editado por el Centro Regionalde Investigaci6n Kampenaike, Instituto de InvestigacionesAgropecuarias, Ministerio de Agricultura.Financiado por Proyecto PROVALrrDiseno y diagramaci6n: Lorena Mardones D.Impresi6n: INIA - KampenaikeCantidad de ejemplares: 50Punta Arenas, 2000.


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INTRODUCCIONAI pensar en implementar un sistema de riego, sea tecnificado 0 no,existen diversos factores a considerar, tanto hidraulicos comoaqronomicos. Sin embargo, junto con pensar en cuales seran loscultivos a regar y como estara disenada la instalacion de riego, se debecontar con la informacion basica de agua disponible, sus caracteristicasde calidad, presion y caudal. Estos dos ultirnos datos, no obstante seobtendran, en terminos de requerimientos, al diseriar las instalaciones,tam bien deberan tenerse presentes en todo momento mientras elsistema opere y se este aplicando riego a los cultivos en cadatemporada.

De ahi que resulte importante el que el agricultor conozca y sefamiliarice tanto con los conceptos de presion y caudal, como tarnbien,con las diferentes formas que podra utilizar en el futuro para medirlos.

No obstante la red de riego PROMM corresponde a un sistemaentubado, el cual proporciona una presi6n y caudal basicarnenteconocidos y constantes' La presente cartilla apunta, primero, a entregar. _ _ _conceptos generales de dichos temas, asl como procedimientos demedicion; y, en segundo lugar, a proporcionar una guia para que elagricultor pueda realizar algunos chequeos peri6dicos de dichosparametres, cuando sea pertinente y necesario, complernentandose conlos contenidos entregados en otras cartillas divulgativas, principalmenteen 1 0 que dice relaci6n con la medicion de uniformidad del sistema yevaluaci6n del riego.

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PRE.SIONTecnicamente, por presion se entiende la aplicacion de una fuerzasobre una superiieie. Asf, una misma fuerza puede producir mas 0menos presion, si la superiieie sobre la que se apliea es menor 0mayor.Para entenderlo mas claramente, supongamos una fuerza de 1000 kilossobre una superiicie de 100 em" : la presion ejercida sera de:

P = = F /S P = = 1000/100 = = 10 Kg/cm2

Si esa misma fuerza se aplica sobre una superficie de 20 ern", lapresi6n sera entonces de:

P = F/S = > P = 1000/20 = = 50 Kg/cm2Por 1 0 tanto, cuando se habla de presion, no es suficiente indicar lafuerza 0 peso, sino que hay que saber tam bien, la superficie sobre laeual se actua.

Sin embargo, en el lenguaje normal, suele abreviarse y asies frecuenteescuchar: "resiste una presi6n de 20 kilos", entendiendose que 20kilogramos se ejercen sobre una superficie de 1 crrr', que es la unidadmas empleada.

En la Tierra, todo se encuentraexpuesto 0 sometido a la presi6n de lacapa de aire atmosferico, por 1 0 que cuando se indique cualquier

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presion en alguna tuberla, se sobreentiende adem as de la presionatmosterica.

Unidades de Preshln ma:s frecuentement.e usadasTecnicarnente existen varias unidades en las que se puede expresar lapresion; algunas de elias y sus equivalencias se presentan en la tabtat.

Tabla 1. Equivalencia entre varias unidades de medici6n de presion,sobre la base de 10 m.c.a.Unidad de Presion Equivalencia (m.c.a.)*

1 Atmosfera 101 bar 9,88

1 psi 0 lb/puf 0,71 kg/cm2 10

(*) m.c.a. = Metros Columna de Agua.

Perdidas de CargaCuando el agua circula por dentro de las tuberlas, debido al rozamientode las paredes, se produce una perdida de energia 0 de presion,conocida con el nombre de "perdidas de carga". Igual efecto esproducida por los fitting y piezas singulares (codas, valvulas, etc) y porlas diferencias de nivel en el terrene recorrido par la tuberia conductora

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del agua (al presentarse una pendiente positiva, el agua pierde presion;al presentarse una pendiente negativa, el agua gana presion).

La formula basica para el calculo de las perdidas de carga en tuberias,se encuentra dada por la expresion:

PC = l x J100

Donde:PC ::: Perdidas de Carga (m.e.a.)L ::: Longitud de la tuberia (m)J :::Perdidas de Carga par eada 100 metros lineales

(este dato es proporcionado par tablas a abacos)

Medici6n de la PresionUsual mente la presion puede ser medida, como se serialo antes, enmetros de columna de agua en un centimetro cuadrado (m.c.a.), 1 0 queesta dado por las perdidas de carga obtenidas. Sin embargo, una vezque la instalaci6n esta dlsefiada, se uti'lizan instrumentos de rnediciondirecta; dichos instrumentos se conocen con el nombre de rnanometros(Figura 1.), los cuales pueden ser instalados en diversos puntos de lared (manometros roscados 0 embutidos), 0 bien, a traves de la insercionde tomas manometricas de polietileno insertas en la red y la utilizaclonde un manornetro con una aguja rnanometrica.

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oFigura 1. Esquema de un man6metra portatil tipo reloj: A) De

inserci6n (roscado); 8) Con aguja rnanornetrica.

CAUD'ALEI caudal corresponds a una cantidad de agua que pasa por un lugar(canal, tuberla, etc.) en una cierta cantidad de tiempo, a sea,corresponde a un volumen de agua (Litros, Metros Cubicos, etc.), porunidad de tiempa (Segundos, Milnutos, Horas, etc.).

Unidades de medici6n de caudalComo ya se serialo, el caudal corresponde a un volumen de agua parunidad de tiernpo, siendo las unidades de medici6n mas utilizadas, lassiguientes:

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Litros par segundo = UsLitros par min uta = UminLitros par hora = UhMetros cubicos par hora = m

31h

MtUodos para la medicion de eaudatesEntre los metodos mas utilizados para medir caudales de aqua, seencuentran los siguientes:

1. Metodo del Flotador2. Metodo Vclumetrico3. Metodo de la Trayectoria4. Estructuras de medida

1) METODO DEL FLOTADOR

EJ rnetcdo del flotador se utiliza en los canales, acequias y da s610 unamedida aproximada de los caudales. Su uso es limitado debido a quelos valores que se obtienen son estimativos del caudal, siendonecesario el uso de otros rnetcdos cuando se requiere una mayorprecision.

Para ejecutarlo, se elige un tramo del canal que sea recto y de secciontransversal uniforme, de alrededor de 30 metros de largo, donde el aguaescurra libremente.10


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Se marca en el terreno la longitud elegida y se toma el tiempo quedemora un flotador (por ejemplo un trozo de madera) en recorrerla, conel fin de conocer la velocidad que Ileva el agua en esa secci6n.

Como flotador se puede usar cualquier objeto que sea capaz depermanecer suspendido en el agua, como un trozo de madera, corcho uotro material similar, que no ofrezca gran resistencia al contacto con elaire y que se deje arrastrar facilmente por la corriente de agua.

Determinacion de la velocidad

Para conocer la velocidad del agua, debera dividirse el largo de lasecci6n elegida, en metros, por el tiempo que demor6 el flotador enrecorrerla, expresado en segundos, como se indica en la siguienterelaci6n:

Largo secci6n (m)= (m /s )= Tiempo en recorrerla (s)

EI paso siguiente es determinar el area promedio del canal (secci6ntransversal del canal).

1 I


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Determinacion del area del canal

Se multiplica el ancho promedio del canal por su profundidad, con todaslas medidas expresadas en metros (ver Figura 2),

A = (a + b)2

x h

La altura "h" se obtiene deun promedio de las alturasde agua a 1 0 largo del

canal en el sector elegido

Figura 2, Medidas necesarias para determinar el area de un canal.

Determinacion del caudal

Conodda la velocidad (V) del agua y el area (A) del canal, se aplica lasiguiente formula para calcular el caudal (0):

Q = Ax Vx 850Donde: o = Caudal en LIsA = Area del canal en m2

V = Velocidad en m /s12


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2) METODO VOLUMETRICO

Este rnetodo permite medir pequerios caudales de agua, como son losque escurren en surcos de riego 0 pequenas acequias. Para elloesnecesario contar con un deposito (balde) de volumen conocide en elcual se colecta el agua, anotande el tiempo que dernoro en lIenarse.Esta operacion puede repetirse 2 0 3 veces y se promedia, con el fin deasegurar una mayor exactitud (ver Figura 3).

Figura 3. Medicion de caudales utilizando un balde y un cronornetro.

Nivel Carpintero x

Figura 4. Medicion de caudal en una tuberia llena horizontal,utilizando el rnetodo de la trayectoria.

I Y = 2 5A A13


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3) METODa DE LA TRAYECTORIA

Este metoda es de gran utilidad para el aforo (medici6n de caudal) entuberias y bornbas, Can 81 es posible obtener una aproximaci6naceptable cuando se usa en forma adecuada. La ventaja que presentaes su facil y rapida operaci6n.

EI material! que se utiliza es una escuadra, cuya forma se indica en lafigura 4 (tuberia a nivel) La caracteristica de ella es que uno de suslados (Y) debe medir 25 cm para poder hacer usa de las tablas que sedetallan mas adelante. La medici6n se realiza desplazando la regiahasta que el extrema inferior (mango) race el chorro de agua que saledel tuba, EI lado "X" de la regia debe quedar paralelo y apoyado endicho tuba, para medir asl la distancia horizontal que hay des de el puntadonde el chorro toea la regia, a la boca de salida de la tuberla. Latuberia debe estar en forma horizontal. Debe cuidarse que no seproduzcan curvaturas a 1 0 largo de ella y que la tuberla vaya Ilena deaqua.

Es conveniente hacer varias lecturas can el fin de promediar losresultados y obtener una medici6n mas pr6xima al caudal verdadero.Una vez realizada la medici6n en la reglilla horizontal "X", se mide eldiarnetro interno del tuba.

Con estos dos valores, se determina el caudal enla Tabla 2.

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Caudal en litroslsegundo (Us) para varies drametros detuberias.

Distancia de la Diarnetro de la tuberia en pulgadastrayeetoria horizontal en 2" 3" 4" 5" 6" 8" 10"em (Xl5 0.4 1.0 1.8 2..7 4.0 7.0 11.07,5 0.7 1.5 2.6 4.1 5.1 10.6 16.510,0 0.9 2.0 3.5 5.5 7.9 14.1 22.012,5 1.1 2..5 4.4 6.9 9.9 17.6 27.415,0 1.3 3.0 5.3 8.3 11.8 21.2 33.017,5 1.5 3.5 6.2 9.6 13.9 24.6 38.620,0 1.8 4.0 7.0 11.0 15.8 28.2 44.022,5 2.0 4.4 7.9 12.4 17.8 31.6 49.525,0 2.2 4.9 8.8 13.8 19.8 35.2 55.027,5 2.4 5,4 9.7 15.1 21.8 38.6 60.530,0 2.6 5.9 10.6 16.5 23.7 42.3 66.035,0 3.0 6.9 12.4 19.2 27.7 49.4 77.040,0 3.5 7.9 14.2 22.0 31.7 56.4 88.045,0 4.0 8.9 15.7 24.8 35.7 63.5 99.050,0 4.4 9.9 17.7 27.5 39.6 70.5 110.055,0 4.8 10.9 1904 30.2 43.6 77.5 121.060,0 5.3 11.9 21.2 33.0 47.5 84.5 132.0

Estructuras para medici6n de aguas

Como se ha visto, la medici6n de caudales puede ser realizada perdistintos rnetodos, pero sin dudalos sistemas mas eficientes y exactosson aquellos que utiltzan estructuras especiales.

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Casi todas las clases de obstaculos que restringen parcialmente lacorriente de agua en un canal, pueden ser utilizados para medici6n decaudales, siempre que se les calibre apropiadamente.

Existe, sin embargo, una gran cantidad de sistemas y dispositivosutilizados en la medici6n de aguas. En este caso, se detallan s610 losmas conocidos y sencillos, como son los vertederos.

Vertederos

Sin duda alguna son los mas sencillos y utilizados para medir el caudalde agua en canales abiertos.

Sequn la forma que se obligue a adoptar a la secci6n de la vena liquidaque circule por el, 5e clasifican en rectangulares, trapezoid ales ytriangulares (ver Figura 5).

H

I . . . . ~ILE se ota du ra re la cio n 1 :4

Vertedero r ec ta " g ul ar , i nd i c an do e Iancho de la cresta "L') y 13carga deagua 'H".

V erte de ro triangu lar, m ostrando la Vertedero tra pe zo id al, in dic an do e lcarga de agua " 1 : - 1 " (angulo de 90'). ancho de ia cresta "L" y la carga de

agua "H".

Figura 5. Distintos tipos de vertederos.16


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La carga 0 altura de agua que pase sobre la cresta del vertedero debemedirse a una distancia aguas arriba tal, que no sea afectada por ladepresion de la superficie del agua que se produce al aproxirnarse a lacresta. Esto se consigue hacienda 'las mediciones a una distancia depar lo menas seis veces la carga (altura) maxima a la que puede Ilegarel vertedero.

La forma mas conveniente de realizar las mediciones es clavando unaestaca en el fonda del canal a acequia aguas arriba del vertedero (a ladistancia serialada de par lo menos seis veces la carga de agua amedir), sabre la cual se fija una reglilla graduada en centimetros,cuidanda que su origen, el cera, qued'e a laaltura de la cresta delvertedero (Figura 6).

- _ .- - -- -- - - - -- -- - _ - - - - - . . f ( ) " --- 5_ O ~

- - -- ---_ - -

[a carga de agua "H".

Figura 6. Esquema de rnedicion de I'acarga de agua que pasa par unvertedero.17


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A) Vertedero Rectangular

EI vertedero rectangular es uno de los mas sencillos para construir y poreste motivo, es justamente uno de los mas usados a nivel predial. Laprecision de la lectura que ofrece esta determinada par su nivel de error,que fluctua entre 3 y 5%.

Para calcular el caudal 0 gasto, se pueden utilizar diferentes ecuacionesempiricas; en este caso solo se rnencionara una de elias (Ia de Francis),que es la mas utilizada y que corresponde a un vertedero rectangularcon contraccion lateral (ver Figura 5).

Q = 1,84 X (L - O,2H) X H3/2Donde:

Q = Gasto en m 3/sL = Largo de la cresta del vertedero (m)H = Altura 0 carga leida en el punto de referencia (m)

B) Vertedero Triangular

Dentro de los vertederos triangulares, el utilizado mas cornunmente esel que tiene 90 en su vertice inferior, 0 sea,la escotadura forma unanqulo recto, tal como se muestra en la Figura 5.

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Este tipo de vertederos es bastante eficiente, perc sin embargopresents una gran perdida de carga; motivo por el cual se recomiendaespecialmente para canales pequerios (menores de 110 LIs), ya que enestes niveles de ga8tos de agua, su precisi6n es mayor quela de otrostipos de vertederos.

Can la finalidad de calcular el gasto, tam bien existen diferentes f6rmulasempiricas, siendo la de King la mas usada; y que se indica acontinuaci6n:

Q = 1,38 X H5!2Dandle:

Q = Gasto (m 3/s )H = Altura 0 carga de agua (m)

C) Vertedero Trapezoidal

Este es un vertedero en forma trapezoidal en su abertura, tal como 1 0indica su nombre (ver Figura 5), tarnbien conocido como vertederoCipolletti, en honor a su inventor, el Ingeniero italiano Cesare Cipolletti.

Esta esctructura requiere que el talud de sus lados sea 1:4. Estevertedero es de construcci6n mas dificultosa que los otros dos vistosanteriormente y no ofrece ventajas significativas que 1 0 hagan destacar,raz6n por la cual es menos utilizado que los anteriores.

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Para el calculo del gasto se utiliza, entre otras, la f6rmula de Francis:

Q = 1,859 X LX H3/2Donde:

Q = Gasto (LIs)L = Largo de la eresta (m)H = Carga de agua (em)

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LlTERATURA CONSULTADAAVILA, R., CABELLO, A., LlROLA, J., MARTiN, A., Y ORTIZ, F. 1996.Agua, riego y fertirrigaci6n. Junta de Andalucia. Ccnsejeria deAgricultura y Pesca. Servicio de Publicaciones y Divulgaci6n. Dep6sitolegal SE-2244-96. ISBN 84-802-009. Sevilla, Espana. 155p.

JEREZ S., JORGE. 1999. Claves para elegir el sistema de riego poraspersion. En revista Tierra Adentro N 26, mayo - junio. Pags. 45 -47.

MOYA T., JESUS. 1994. Riego localizado y fertirriqacion. EdicionesMundi-Prensa. Dep6sito legal M.28.845-1994. ISBN 84-7114-477-8.Madrid, Espana. 363p.

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SALGADO S., LUIS, Y VALENZUELA A., ALEJANDRO.Aforos de agua de riego. Boletin de extensi6n; proyecto FONDEF AI-02.Facultad de Ingenieria Agricola, Departamento de Riego y Drenaje. 30p.

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