SERIE AUTODIDÁCTICA DE MEDICIÓN DEL AGUA

PLACA ORIFICIO Autor: Rivas, A. I.

Revisor: Juárez N. R.. Editor: Ochoa A. L.

SEMARNAP CNA IMTA

SUBDIRECCIÓN GENERAL DE ADMINISTRACIÓN DEL AGUA

COORDINACIÓN DE TECNOLOGÍA HIDRÁULICA

CCoommiissiióónn NNaacciioonnaall ddeell AAgguuaa,, CCNNAA IInnssttiittuuttoo MMeexxiiccaannoo ddee TTeeccnnoollooggííaa ddeell AAgguuaa,, IIMMTTAA EEddiittaa:: CCoommiissiióónn NNaacciioonnaall ddeell AAgguuaa,, SSuubbddiirreecccciióónn GGeenneerraall ddee AAddmmiinniissttrraacciióónn ddeell AAgguuaa GGeerreenncciiaa ddee RReeccaauuddaacciióónn yy CCoonnttrrooll SSuubbggeerreenncciiaa ddee IInnssppeecccciióónn yy MMeeddiicc iióónn IInnssttiittuuttoo MMeexxiiccaannoo ddee TTeeccnnoollooggííaa ddeell AAgguuaa CCoooorrddiinnaacciióónn ddee TTeeccnnoollooggííaa HHiiddrrááuulliiccaa SSuubbccoooorrddiinnaacciióónn ddee HHiiddrrááuulliiccaa RRuurraall yy UUrrbbaannaa EEllaabboorraa:: GGrruuppoo ddee HHiiddrrááuulliiccaa RRuurraall yy UUrrbbaannaa ddeell IIMMTTAA GGrruuppoo ddee IInnssppeecccciióónn yy MMeeddiicciióónn ddee llaa CCNNAA IImmpprriimmee:: IInnssttiittuuttoo MMeexxiiccaannoo ddee TTeeccnnoollooggííaa ddeell AAgguuaa IISSBBNN 996688--77441177--7700--66

PARTICIPANTES En la realización de este documento, colaboraron: Especialistas del Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (1), y de la Subdirección General de Administración del Agua de la Comisión Nacional del Agua, CNA (2).

Elaboración: Iván Rivas Acosta Revisión: Raúl Juárez Nájera Edición: Leonel H. Ochoa Alejo Para mayor información dirigirse a:

SUBGERENCIA DE INSPECCIÓN Y MEDICIÓN

GERENCIA DE RECAUDACIÓN Y CONTROL

Subdirección General de Administración del Agua

Insurgentes Sur # 1969, 1er piso, Colonia Florida CP. 01030, México D.F.

Tel. (01) 5661-8381, Fax. (01) 5661-7149, Email: rmerino@sgaa.cna.gob.mx

SUBCOORDINACIÓN DE HIDRÁULICA

RURAL Y URBANA COORDINACIÓN DE TECNOLOGÍA

HIDRÁULICA Paseo Cuauhnáhuac # 8532, Colonia

Progreso, CP. 62550, Jiutepec, Morelos Tel. y Fax (017) 319-4012,

Email: nahung@tlaloc.imta.mx

Derechos Reservados Por: Comisión Nacional del Agua, Insurgentes Sur # 2140, Ermita San Angel, C.P. 01070, México, D.F. e Instituto Mexicano de Tecnología del Agua, Paseo Cuauhnáhuac # 8532, Colonia Progreso, C.P. 62550, Jiutepec, Morelos. Esta edición y sus características son propiedad de la Comisión Nacional del Agua Y del Instituto Mexicano de Tecnología del Agua.

PREFACIO El 1° de diciembre de 1992 se publicó en el Diario Oficial de la Federación, La Ley de Aguas Nacionales, en donde se exponen los artículos 7-VIII, 26-II, 29-V-VI, 119-VII-X-XI, relacionados con la medición del agua. Con base en esta Ley de Aguas Nacionales, la Comisión Nacional del Agua, CNA, a través de la Subdirección General de Administración del Agua, desarrolla continuamente campañas de instrumentación y medición de caudales, con el fin de controlar y verificar las cantidades de agua asignadas en las concesiones a los diversos usuarios de las fuentes de abastecimiento. Ante esta situación y a la dificultad que representa el uso de los diferentes aparatos de aforo, la CNA y el Instituto Mexicano de Tecnología del Agua, IMTA, han elaborado esta serie de documentos autodidácticos, para que el personal técnico de dicha dependencia se capacite en el manejo de las técnicas existentes de medición de gasto, así como en el manejo de equipos y en los procedimientos de adquisición y análisis de datos. La serie autodidáctica está enfocada a las prácticas operativas y equipos medidores que cotidianamente utiliza la CNA en sus actividades de verificación de los equipos de medición instalados en los aprovechamientos de los usuarios del agua y muestra las técnicas modernas sobre: a) inspección de sitios donde se explota el agua nacional; b) verificación de medidores de gasto instalados en las diversas fuentes de suministro o descarga de agua; c) procedimientos y especificaciones de instalación de equipos; d) realización de aforos comparativos con los reportados por los usuarios; d) cuidados, calibración y mantenimiento de los aparatos. En general, cada documento de la serie está compuesto por dos partes: a) un documento escrito, que describe los principios de operación de un medidor particular, cómo se instala físicamente, qué pruebas de precisión se requieren, cómo se hace el registro e interpretación de lecturas y procesamiento de información, de qué manera hay que efectuar el mantenimiento básico, cuáles son sus ventajas y desventajas, y que proveedores existen en el mercado; b) un disco compacto, CD, elaborado en el paquete “Power Point de Microsoft”, construido con hipervínculos, diagramas, fotografías, ilustraciones, según lo requiera cada tema. Con estos serie de documentos se pretende agilizar el proceso de capacitación a los técnicos que realizan dichas actividades de medición.

CONTENIDO

1. ¿PARA QUIÉN Y POR QUÉ? Y EVALÚA SI SABES 2. PRINCIPIOS DE OPERACIÓN Y DESCRIPCION DE COMPONENTES 3. REQUERIMIENTOS DE INSTALACION FISICA 4. ESPECIFICACIONES TECNICAS DE INSTALACION 5. CALCULO DEL GASTO 6. REGISTRO DE LECTURAS Y PROCESAMIENTO DE LA INFORMACION 7. MANTENIMIENTO BASICO 8. VENTAJAS Y DESVENTAJAS 9 LISTADO DE PRINCIPALES PROVEEDORES

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1. ¿PARA QUIÉN Y PORQUE? Y EVALÚA SI SABES 1.1 ¿PARA QUIÉN? Este manual esta dirigido a técnicos, ingenieros, operadores de redes de distribución de agua potable y a todos los interesados en la capacitación sobre la instalación, uso y manejo del medidor de gasto del tipo placa de orificio.

Dentro de un sistema de agua potable el conocimiento del caudal que pasa por determinado tramo de tubería, es sumamente importante por lo cual saber como se maneja el dispositivo de placa de orificio es muy importante.

1.2 ¿ POR QUÉ? Es necesario saber principalmente cual es el procedimiento el cual se debe seguir para poder manejar con habilidad la placa de orificio. Conocer lo siguiente: • Principio de operación • Partes que lo integran • Especificaciones técnicas • Requisitos de instalación • Cálculo del gasto • Manejo de datos • Técnicas de mantenimiento Dado que este equipo de medición es sumamente útil, es necesario su adecuado conocimiento, instalación y uso. Para poder utilizarlo con eficiencia, se deben de conocer las características del sitio de medición, se requiere conocer:

1) Características de la tubería Diámetro de la tubería y diámetro del orificio. 2) Caracteristicas del tramo en estudio Longitud del tramo necesario aguas arriba y aguas abajo. Especificaciones requeridas. De acuerdo a las características particulares de cada caso, es necesario evaluar si la instalación es correcta. O bien, si no existe medición en el sitio, decidir si es conveniente colocar este tipo de medidor.

1.3 EVALUA SI SABES: 1.- Identificar una placa orificio. 2.- Revisar si la instalación es correcta. 3.- Verificar si la operación es adecuada. 4.- Determinar el gasto que circula. 5.- Proporcionar mantenimiento. 6.- En que casos es recomendable colocar este dispositivo.

Para diagnosticar tu aprendizaje, a lo largo del manual te encontrarás con dos autoevaluaciones que permitirán saber cuanto has aprendido sobre el medidor tipo placa de orificio.

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2. PRINCIPIOS DE OPERACIÓN Y DESCRIPCION DE COMPONENTES 2.1 GENERALIDADES La placa de orificio es uno de los dispositivos de medición más antiguos, fue diseñado para usarse en gases, no obstante se ha aplicado ampliamente y con gran éxito para medir el gasto de agua en tuberías. En 1991, se reunieron ingenieros de muchos países para establecer las características geométricas, reglas para la instalación y operación de este dispositivo. Como resultado se obtuvo una norma internacional válida en todo el mundo, esta es la Norma ISO 5167-1, la cual se aplica en México.

Los componentes que integran el equipo de medición se dividen en elementos primarios y en elementos secundarios. A continuación se explican en que consisten cada uno de ellos. 2.2 ELEMENTOS PRIMARIOS Se encuentran dentro de la tubería, se integran por el orificio y la placa de orificio, que consiste en una placa delgada y plana (de 1/8” a 3/8” de espesor) con una perforación circular que guarda diferentes posiciones en relación con el centro de la tubería, esta posición puede ser concéntrica, excéntrica o segmentada (figura 2.1).

Dado que las placas orificio concéntricas son las más comunes, son las que veremos a detalle. El diámetro del orificio y el espesor de la placa son muy importantes, el capítulo 3 te explica de que tamaño deben ser.

2.3 ELEMENTOS SECUNDARIOS Se encuentran fuera de la tubería, son dispositivos para medir la presión en la tubería, esta operación se realiza con las tomas de presión. (figura 2.2).

Las especificaciones de este manualcorresponden a esta Norma, esnecesario respetarla para que lasinspecciones y mediciones querealices sean confiables.

Figura 2.1. El orificio de la placa puedetener diferentes posiciones. La placa seconstruye de acero inoxidable tipo 316 para garantizar su dureza

Figura 2.2. Se colocan dos tomas depresión una antes y otra después de la placa orificio .

La ubicación de estas tomas es muyimportante, el capítulo 3 te explicadonde debes colocarlas.

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2.4 ¿COMO FUNCIONA ...? Es importante comprender que en cualquier tubería por la cual circula agua, la presión aumenta cuando la velocidad disminuye y la presión disminuye cuando la velocidad aumenta. Vamos a referirnos a la figura (2.3), donde se muestra un corte transversal del dispositivo de medición.

Imaginemos que el agua circula por una tubería normal de acero sin que nada la detenga, en este caso la velocidad de un punto de la tubería a otro no cambia. Pero la placa de orificio (punto C) insertada en la tubería origina que el agua choque con la placa y disminuya su velocidad. Debido a la reducción de la velocidad, la presión justo antes del orificio (punto B) es un poco mayor que la presión de operación en la línea de conducción aguas arriba (punto A).

Al pasar el agua por el orificio, para compensar la disminución del área, la velocidad aumenta y la presión disminuye, llegando a su menor valor cuando la velocidad es máxima. Aguas abajo de este punto, el flujo de dispersa, disminuye la velocidad y se presenta un aumento de la presión en el punto D. Después de la placa, la velocidad se recupera porque el agua circula en toda la tubería (punto E). Vamos a llamar la presión aguas arriba de la placa de orificio como h1, mientras que la presión aguas abajo como h2. La diferencia entre ambas (h1-h2) se conoce como la presión diferencial, la cual simbolizaremos por h.

2.4 ¿COMO CALCULO EL GASTO QUE PASA POR LA TUBERÍA ...? La medición del gasto se determina conociendo las características geométricas del dispositivo, la presión diferencial y la densidad del agua. Si tienes un diámetro de orificio d y una tubería con un diámetro D, necesitas determinar el cociente d/D, al cual llamaremos con la letra griega beta (β). Este valor, se conoce como la relación de diámetros. La densidad de un cuerpo, indica cuanto pesa dentro de un determinado volúmen, se representa por la letra griega ro (ρ), para el agua limpia tiene un valor de 1,000 Kg/m3. Al combinar dos ecuaciones hidráulicas, que son La Ecuación de la Energía (o Teorema de Bernoulli) y La Ecuación de Continuidad, se forma una ecuación para calcular el gasto:

ρ

π

β

hdCQ d 241

24−

=

pi (π) es una letra del alfabeto griego que es igual a 3.1416. El coeficiente de descarga Cd es un valor de ajuste que compensa la distribución de velocidad y las pérdidas de carga menores que no fueron tomadas en cuenta al obtener la ecuación del gasto, su valor se determina para cada dispositivo, depende de cómo se coloquen las tomas de presión. El capítulo 4 te explica las diferentes formas de colocar las tomas de presión. El capítulo 5 te explica que valores debes usar para el coeficiente de descarga, dependiendo de la instalación.

Figura 2.3. La placa orificio origina quela velocidad aumente y por lo tanto lapresión disminuye

La función de los elementos primarioses generar la presión diferencial.Mientras que la de los elementossecundarios es medir y registrar estapresión diferencial

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AUTOEVALUACIÓN 1

1.- ¿ Cuál de las siguientes normas regula el uso de las placas orificio ? a) NOM 290 b) ISO 5167-1 c) ISO 12764 d) ASTMA-185-73 2.- ¿ Donde se encuentran los elementos primarios ? a) Dentro de la tubería b) Fuera de la tubería c) Dentro y fuera de la tubería d) Depende de la instalación 3.- ¿ Donde se encuentran los elementos secundarios ? a) Fuera de la tubería b) Dentro de la tubería c) Dentro y fuera de la tubería d) Depende de la instalación 4.- ¿ Que sucede con la presión interna del agua cuando su velocidad dentro de la tubería disminuye ? a) Disminuye b) Se mantiene constante c) Aumenta

5.- ¿ Cual es la función de los elementos primarios ? a) General la presión diferencial b) Medir y registrar la presión diferencial c) Disminuir la pérdida de carga d) Mejorar la medición 6.- ¿ Cual es la función de los elementos secundarios ? a) Proteger a la tubería contra corrosión b) Medir y registrar la presión diferencial c) Proporcionar mantenimiento d) Mejorar la precisión del gasto 7.- ¿ Cual es la relación de diámetros ββββ, para un dispositivo cuando el diámetro de la tubería es de 10 pulg y el del orificio es de 5 pulg ? a) 2.00 b) 1.50 c) 1.05 d) 0.50 8.- ¿ Que indica la densidad de un fluído? a) La compresibilidad b) La resistencia opuesta a las fuerzas cortantes c) El valor de la presión con relación a la presión manométrica d) Su peso por unidad de volúmen 9.- ¿ Cuáles son las dos ecuaciones de la hidráulica que determinan la ecuación del gasto ? a) Cantidad de movimiento y energía b) Energía y continuidad c) Continuidad y cantidad de movimiento d) Ninguna de las anteriores

10.- ¿ Cuáles son las tres variables que determinan el gasto ? a) La relación de diámetros, la presión diferencial y la densidad b) La relación de diámetros, la viscosidad y la presión diferencial c) La presión diferencial, la densidad y el diámetro de la tubería d) La densidad, la temperatura y el diámetro del orificio

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3. REQUERIMIENTOS DE INSTALACION FISICA 3.1 DIÁMETROS MÍNIMO Y MAXIMO Para poder emplear la placa orificio, el diámetro mínimo de la tubería debe de ser de 2 pulg. y el máximo de 50 pulg. Lo anterior no representa problema, ya que los diámetros más comunes son de 6, 8, 10 y 12 pulg. 3.2 CONDICIONES DE OPERACIÓN Es necesario que en las instalaciones que revises verifiques lo siguiente: 1.- Que la tubería sea circular. 2.- Que la tubería sea horizontal. 3.- Que el agua circule a tubo lleno. 4.- Que el diámetro antes y después de la placa sea el mismo. 5.- Que el interior de la tubería se encuentre limpio y libre de incrustaciones, al menos 10 diámetros aguas arriba de la placa y 4 diámetros después de la misma. 3.3 ¿COMO ASEGURARSE DE QUE EL AGUA ANTES DE LA PLACA ORIFICIO CIRCULA DE MANERA UNIFORME ? Esta condición es muy importante, para que la medición del gasto sea lo mas precisa posible. Se logra con una suficiente longitud de tramo recto aguas arriba y aguas abajo de la placa, con ello se garantiza que el flujo es uniforme.

Conociendo la relación de diámetros β que se explico que es en el capítulo anterior, es posible saber que longitud de tramo recto de tubería aguas arriba (A) y aguas abajo (B) se requieren. En la figura (4.1), se reproducen diferentes condiciones de instalación y a partir de la relación de diámetros, se muestra la longitud necesaria del tramo recto para que se establezca un flujo uniforme.

Es muy importante revisar las longitudes de tramo recto aguas arriba (A) y aguas abajo (B) para que se presente el flujo uniforme en el sitio de medición.

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4. ESPECIFICACIONES TECNICAS DE INSTALACION 4.1 ¿COMO SE COLOCA? El dispositivo primario, es decir la placa de orificio, es fijado a la tubería entre un par de bridas con sus respectivos empaques. En la fotografía siguiente puedes observar la placa de orificio insertada en la tubería

Resulta de esencial importancia que las caras de la placa orificio se coloquen verticales y bien limpias. Mientras que los dispositivos secundarios, es decir las tomas de presión, se colocan antes y después de la placa. En la fotografía (4.2), puedes apreciar las tomas de presión, la diferencia entre ambos valores de presión, se conoce como presión diferencial, es indispensable conocer su valor para saber el gasto que esta pasando por la tubería. La presión diferencial h, se mide con un manómetro diferencial (figura 4.1).

4.2 ¿EXISTEN EN LA PRÁCTICA DIMENSIONES RECOMENDADAS PARA LA PLACA DE ORIFICIO? En la figura (4.2) puedes ver la sección transversal de una placa orificio y sus características geométricas, observas dimensiones como: D = diámetro de la tubería d = diámetro del orificio E = espesor de la placa e = espesor del orificio

dD

E

e

45°

Cara aguas arriba Cara aguas abajo

Eje centralde la tubería

Dirección del agua

Placa orificio

Fotografía 4.1 La placa orificio seinserta entre un par de bridas. Esnecesario que el orificio quede al

Fotografía 4.2. Las tomas de presiónsirven para medir la presión antes ydespués de la placa orificio.

Figura 4.1 El manómetro diferencial permite conocer cual es la diferencia de presiones antes y después de la placa orificio. Las tomas de presión se conectan a las mangueras

Figura 4.2. Dimensiones generales de la placa orificio

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La tabla (4.1), te muestra los valores mínimo y máximo de los espesores e y E, en función del diámetro de la tubería que utilices. También, el valor mínimo y máximo del diámetro del orificio y de los valores de la relación de diámetros β (d/D).

Dimensión Mínimo Máximo e 0.005D 0.02D E 0.005D 0.05D d ½ pulg 38 pulg

d/D 0.20 0.75

Al aplicar el criterio expuesto en la tabla (4.1) para diferentes diámetros de tubería, obtenemos la tabla (4.2).

(pulg) (mm) minimo máximo minimo máximo24 609.60 3.05 12.19 3.05 30.4820 508.00 2.54 10.16 2.54 25.4018 457.20 2.29 9.14 2.29 22.8616 406.40 2.03 8.13 2.03 20.3214 355.60 1.78 7.11 1.78 17.7812 304.80 1.52 6.10 1.52 15.2410 254.00 1.27 5.08 1.27 12.708 203.20 1.02 4.06 1.02 10.166 152.40 0.76 3.05 0.76 7.624 101.60 0.51 2.03 0.51 5.08

Diámetro e (mm) E (mm)

En caso de que el espesor E sea mayor a e, se debe de colocar un bisel a 45° en la esquina aguas arriba, como se muestra en la figura (4.1). 4.3 ¿A QUE DISTANCIA DEBO DE COLOCAR LAS TOMAS DE PRESIÓN? Existen tres posiciones de instalación, la tabla siguiente te muestra las distancias requeridas aguas arriba (L1) y aguas abajo (L2) para cada tipo de instalación.

Tipo de instalación L1 L2 D-D/2 D D/2 A una pulg 1 pulg En los bordes Cero

.

En la siguientes figuras, observas secciones transversales de los tres tipos de instalaciones:

Dirección del D agua

Toma de presiónaguas arriba

Toma de presiónaguas abajo

D

D/2

Dirección del aguaD

Toma de presiónaguas arriba

Toma de presiónaguas abajo

1 pulg

1 pulg

DDirección del agua

Toma de presiónaguas arriba aguas abajo

Toma de presión

La Norma ISO 5167-1 establece que espesor debe tener la placa y que proporción debe tener el orificio en relación al diámetro de la tubería.

Tabla 4.1. Dimensiones recomendadas para los elementos primarios

Tabla 4.2. Dimensiones extremas para los elementos primarios

Tabla 4.3. Posiciones de las tomas de presión

Figura 4.3. Tomas de presión a D-D/2

Figura 4.4. Tomas de presión a una pulg

Figura 4.5. Tomas de presión en losbordes

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En la fotografía siguiente aparecen las tomas de presión en los bordes de la placa orificio.

4.4 ¿QUE PÉRDIDA DE CARGA GENERA ESTE DISPOSITIVO? Una desventaja importante de este tipo de medidor es la pérdida de carga hidráulica que genera, la representaremos por hL (figura 4.6).

Esta pérdida de carga es la diferencia de presiones estáticas entre la presión medida en la pared de la tubería aguas arriba de la placa orificio donde la influencia de la placa es despreciable (aproximadamente un diámetro) y la presión aguas abajo del elemento primario donde el flujo se recupera del impacto con la placa (aproximadamente seis diámetros). hL depende de β, Cd y h, se determina con la siguiente ecuación:

hC

Ch

d

dL 24

24

)1(

)1(

ββ

ββ

+−

−−=

En forma aproximada, se puede formar la tabla siguiente que relaciona el porcentaje de pérdida de carga hL en relación a la

presión diferencial h para diferentes valores de β.

ββββ % de h 0.20 96 0.30 92 0.40 85 0.50 76 0.60 67 0.70 55

0.75 48 Como puedes observar en la tabla anterior, las relaciones grandes de β, originan pérdidas de carga pequeñas. Es decir, entre mas pequeño es el orificio en relación al diámetro de la tubería, la pérdida de carga es mayor. Los valores usuales de diseño oscilan entre 0.40 y 0.70. Enseguida, haremos un ejemplo que te permitirá usar la tabla (4.3). Ejemplo de aplicación # 1 : Tienes una tubería con diámetro nominal de 10 pulg y el diámetro del orificio en la placa es de 6 pulg, si la presión diferencial es de 3 m.c.a. ¿Cuál será la pérdida de carga permanente?. Solución: Calculemos la relación de diámetros: β = 6/10 = 0.60. De la tabla (4.3) el porcentaje de pérdida de carga es del 67%, por lo que la pérdida de carga permanente será de: 0.67 x 3 m.c.a. = 2 m.c.a.

Para cada tipo, existe un coeficientede descarga (Cd)

Figura 4.6. Pérdida de carga

Tabla 4.3. Porcentajes de pérdida de carga

Fotografía 4.3. Tomas de presión

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Ejemplo de aplicación # 2 : Se tiene una instalación donde la máxima pérdida de carga admisible es de 2.05 m.c.a., el diámetro D de la tubería es de 14 pulg, si la presión diferencial h es de 3.70 m.c.a. ¿Cuál es el diámetro de orificio recomendado? Solución: Primero, calculamos el porcentaje de la perdida de carga, el cual esta dado por: 2.05/3.70 x 100% = 55% De la tabla (4.3), β = 0.70 Es decir el diámetro del orificio es de: 0.70 x 14 pulg = 9.80 pulg Antes de instalar un medidor de este tipo, es importante evaluar la pérdida de carga que genera, ya que se presentará en toda la vida útil del dispositivo. Por lo anterior, este dispositivo es recomendable en instalaciones en las que no importe la pérdida de carga ocasionada por el elemento de medición (fotografía 4.4).

Bomba

Cuello de ganso

Medidor

Sentido del flujo

En estos casos, para que en la sección de medición la tubería trabaje a tubo lleno, es necesario colocar un “cuello de ganso” antes de la descarga. 4.5 ¿DONDE ES RECOMENDA- BLE LA INSTALACION DE PLACAS DE ORIFICIO ? Es necesario que consideres varios puntos, como los siguientes: 1.- Costo de operación. Un factor importante que debe tomarse en cuenta en su selección, es el costo de operación, en términos de la pérdida de carga permanente, la cual como ya vimos depende de la relación de diámetros.

2.- Naturaleza del flujo. Es recomendable que el agua circule libre de partículas en suspensión, por ejemplo en pozos con un alto contenido de partículas en suspensión, no son convenientes los medidores del tipo placa orificio. Al circular agua limpia, las necesidades de mantenimiento disminuyen en gran medida. 3.- Características de la instalación. En cada caso, es necesario revisar los requerimientos de tramo recto de la figura (4.1) para decidir si es conviene colocar este tipo de dispositivo de medición. En resumen, necesitas revisar: 1. Costo de operación. 2. Que el agua sea limpia. 3. Longitudes de tramo recto.

Fotografía 4.4. Instalación descargandoa la atmósfera, en este tipo deinstalaciones, la perdida de carga no es importante

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5. CALCULO DEL GASTO 5.1 ECUACION FINAL Para saber el gasto, basta con que apliques la ecuación del capítulo 2. Para simplificar esta ecuación vamos a agrupar en un valor K las características geométricas y de flujo del dispositivo:

( )2

4 41

1 dK π

βρ −=

De tal manera que la ecuación final del gasto nos queda:

hKCQ d 2= De esta expresión, únicamente nos falta conocer el coeficiente de descarga Cd, su valor depende de la forma en como se coloquen las tomas de presión y de un valor que relaciona la velocidad del agua con su viscosidad, este valor se conoce como el número de Reynolds (Re), se determina de la siguiente manera:

DQRe πυ

4=

En esta ecuación, υ es una característica del agua que se conoce como viscosidad cinemática, su valor depende de la temperatura del agua, la tabla (5.1) muestra algunos valores. La temperatura usual del agua en las tuberías es de 15°C

T (°°°°C) υυυυ x 10-6 (m2/s) 5 1.520 10 1.308 15 1.142 20 1.007 25 0.897 30 0.804 35 0.727

5.2 COEFICIENTE DE DESCARGA. La expresión general para calcular el coeficiente de descarga es la siguiente:

32

4

41

75.0650.2

810.2

0337.0

10900.0100029.0

1840.00312.05959.0

β

βββ

ββ

⋅⋅−

+−

⋅⋅+

⋅

+⋅−⋅+=

L

LR

C

e

d

En esta expresión L1=l1/D y L2=l2/D, los valores para cada tipo de instalación, se muestran en la tabla (5.2).

Tipo de instalación L1 L2

D-D/2 1.00 0.50 A una pulg 25.40 / D* En los bordes 0.00

* D en mm

5.3 PRUEBAS DE PRECISIÓN Se recomienda comparar el gasto medido con la placa de orificio (Qpo) con otro dispositivo de medición patrón calibrado (Qp), para determinar el porcentaje de error (e) con la siguiente fórmula:

%100*p

popQ

QQe

−=

Errores de medición del orden del 5% se consideran aceptables, aunque obviamente, son preferibles márgenes de error lo mas pequeños posibles.

Tabla 5.1. La viscosidad cinemática delagua depende de la temperatura, laviscosidad del agua fría es mayor a la del agua caliente.

Tabla 5.2. Valores para L1 y L2 a usarseen la ecuación del coeficiente dedescarga para los tres tipos deinstalación.

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6. REGISTRO DE LECTURAS Y PROCESAMIENTO DE LA INFORMACION 6.1 ALMACENAMIENTO DE LECTURAS El registro de los datos se lleva a cabo se lleva a cabo con los elementos secundarios, puedes hacerlo de manera eficiente con el uso de dispositivos electrónicos que permiten almacenar y procesar la información, otorgando datos estadísticos. De esta forma se puede llevar un registro histórico de los gastos. Las tomas de presión se conectan a una tarjeta electrónica como se aprecia en la fotografía (6.1).

6.2 PROCESAMIENTO DE DATOS El circuito electrónico cuenta con un microprocesador de ocho bits que sirve para el control del sensado, el totalizado del volumen y las estadísticas históricas. La retención de datos se lleva a cabo en una memoria electrónica con batería autónoma. El sensado del gasto instantáneo se obtiene midiendo la presión diferencial h originada por la placa orificio. El sistema toma 256 muestras por segundo, los promedia e integra en el tiempo para obtener los volúmenes que pasan por la placa orificio.

Las lecturas se visualizan en una pantalla de cristal líquido de cuarzo de dieciséis caracteres. Puedes observar datos como el gasto instantáneo, volumen total acumulado, la fecha y las estadísticas históricas (fotografía 6.3).

La capacidad de almacenamiento es de 1,800 datos, lo que equivale a la información del volumen extraído durante el día, mes año y volumen durante los últimos diez años. Esta información permanece disponible a pesar de la falta de energía, debido a que cuenta con una batería de litio que respalda esta información. Las variables que se almacenan y sus unidades se listan a continuación:

Variable Unidad Gasto por segundo l/s Volumen por minuto l/min Volumen por hora l/h Volumen diario m3/d Volumen mensual m3/mes Volumen anual m3/año Volumen total l

Fotografía 6.1 La conexión de lastomas de presión a una tarjetaelectrónica permite medir y registrar los

Fotografía 6.2. El circuito electrónicomide la presión diferencial h y calculael gasto que pasa

Fotografía 6.3 Mediante una pantalla o display se muestra la información.

Tabla 6.1. La pantalla despliega elnombre de la lectura seleccionada, lalectura propiamente dicha y la unidadde medición respectiva

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6.3 TRANSMISION DE DATOS En la parte inferior del medidor existe un conector de bronce de ½ pulg con cuerda externa de tipo NPT. Del interior del mismo salen dos cables que deberán conectarse a dos de las tres fases de alimentación de la bomba (figura 6.1).

La conexión puede ser a la salida del arrancador o en los cables de alimentación del motor de la bomba. El objetivo de la conexión en los puntos mencionados es que el medidor siempre este energizado cuando la bomba se encuentre operando, es decir si la bomba se apaga, el medidor también (fotografía 6.3).

La fuente de poder cuenta con un retardo en el encendido con el objetivo de eliminar cualquier posible perturbación de energía ocasionada por el par de arranque del motor de la bomba. Para la transmisión de datos, la extracción de la información es a través de un puerto serial tipo RS232, este puerto serial es un interfaz que sirve para enviar la información contenida en la memoria del medidor (Time Keeping RAM) a una computadora personal (ver figura 6.1). Para utilizar el programa de comunicación se debe contar con un cable serial de nueve pines y una computadora con las siguientes características mínimas: 1. Microprocesador 80486 2. 8 MB de memoria RAM 3. Sistema operativo Windows 95 4. Un puerto serial libre

Fotografía 6.4 Conexión del medidora la bomba del pozo

Figura 6.1 Fuente de alimentación ysalida de información

Fotografía 6.5 Los fabricantes,proporcionan el software necesariopara capturar y transmitir los datos

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7. MANTENIMIENTO BASICO 7.1 GENERALIDADES La placa de orificio es usada en la medición de líquidos limpios y no es aplicable a fluídos con altas concentraciones de sólidos en suspensión, debido a la tendencia de los sólidos a acumularse aguas arriba de la placa, ocasionando que se presenten variaciones en los coeficientes de descarga y por lo tanto, una medición imprecisa del gasto. 7.2 ELEMENTOS PRIMARIOS Antes de realizar cualquier acción de mantenimiento, es conveniente realizar un aforo para evaluar el coeficiente de descarga Cd, si el valor del coeficiente ha cambiado se deberá efectuar una limpieza general, poniendo especial atención en los sólidos sedimentados en la placa de orificio.

7.3 ELEMENTOS SECUNDARIOS Resulta importante que las tomas de presión se encuentren libres de sedimentos, para que su funcionamiento sea el óptimo, por lo cual su limpieza debe ser periódica.

Una vez que el equipo este limpio, se pueden emplear los coeficientes de descarga originales.

En lo que respecta al sistema electrónico, este no se ve afectado por vibraciones o desajustes y su mantenimiento es mínimo, se limita a inspecciones visuales.

Fotografía 7.2. La limpieza periódica delas tomas de presión permiten que sufuncionamiento sea el óptimo

Figura 7.1 La limpieza de las arenasque se acumulan antes de la placaorificio permiten que la medición delgasto sea precisa

La placa de orificio tiene la granventaja de no tener partes móvilesque sufran desgaste y requieranespecial cuidado. Su mantenimiento se limita aactividades de limpieza.

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8. VENTAJAS Y DESVENTAJAS

V E N T A J A S

D E S V E N T A J A S

Pocas restricciones de instalación Rango limitado de medición Confiabilidad y simplicidad en el diseño No apto para flujos con partículas en suspensión Bajo costo Requiere verificación continua Fácil manejo Deterioro con el tiempo Sin piezas móviles Alta pérdida de carga

Requiere longitud de tramo recto aguas arriba Buena precisión (±1%) Sensible a la turbulencia aguas arriba

En cada caso, es necesario evaluar lasventajas y desventajas de la placa orificiopara decidir si es conveniente instalareste tipo de medidor..

Tabla 8.1 Tabla de ventajas y desventajas

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9. LISTADO DE PRINCIPALES PROVEEDORES

En la tabla se muestran los principales proveedores a nivel nacional, con sus datos respectivos.

E M P R E S A

A T E N C I Ó N

D A T O S

HIDRONICA. S.A. DE C.V.

Ing. Antonio Espinoza Olmedo

Diego Becerra 69, Col. San José Insurgentes, México, D.F. Tel. 01-5-6604636 E-mail: aeo60@mail.internet.com.mx

GRUPO PIFUSA, S.A. DE C.V.

Ing. José Froylan Inocencio

Andre Ma. Ampere No. 3 Col. Parque Industrial Cuaumatla, C.P. 54730, Cuautitlán, Izcalli, Edo. de Méx.

Tabla 9.1. Proveedores nacionales

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AUTOEVALUACIÓN 2

11.- ¿ Cuáles son los diámetros mínimo y máximo para emplear la placa orificio? a) 4 y 36 pulg b) 2 y 50 pulg c) 6 y 24 pulg d) No hay límites 12.- ¿ Cuales son los valores mínimo y máximo para la relación de diámetros ? a) 0.20 y 0.75 b) 0.40 y 0.90 c) 0.15 y 0.60 d) 0.10 y 0.80 13.- ¿ Cuantas formas existen de colocar las tomas de presión ? a) Cuatro b) Dos c) Tres d) Seis 14.- ¿ Cuáles son las tres principales características a revisar en el sitio para decidir si es conveniente la colocación de una placa orificio ? a) Temperatura del agua, las longitudes necesarias de tramo recto y costo de operación b) Las longitudes necesarias de tramo recto, la relación de diámetros y la temperatura del agua

c) La viscosidad del agua, el costo de operación y la relación de diámetros d) Costo de operación, naturaleza del flujo y las longitudes necesarias de tramo recto 15.- ¿ Que dispositivo es indispensable colocar al final en instalaciones que descargen a la atmósfera? a) Un cuello de ganso b) Ninguno c) Un desarenador d) Un manómetro diferencial 16.- ¿ De que depende la viscosidad cinemática del agua? a) De la presión en la tubería b) De la temperatura del agua c) Del diámetro de la tubería d) Del gasto 17.- ¿ Con que elementos se realiza el registro de los datos ? a) Con los elementos secundarios b) Con los elementos primarios c) Con los elementos terciarios d) Ninguna de las anteriores 18.- ¿ Cuál es la principal tarea de mantenimiento ? a) La calibración del equipo b) El sensado de presiones c) El registro de datos históricos d) La limpieza de los elementos primarios 19.- ¿ Que característica deben de tener las tomas de presión para que su funcionamiento sea óptimo ? a) Que su ubicación sea correcta b) Que sean importadas c) Que la temperatura del agua sea mayor a 12 °C d) Que se encuentren libres de sedimentos

20.- ¿ De que tipo es el puerto serial de comunicaciones ? a) No importa el tipo b) Tipo RS323 c) Tipo RS232

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REFERENCIAS - Comisión Nacional del Agua, Subdirección General de Infraestructura Hidráulica Urbana e Industrial, Gerencia de Normas Técnicas, III.3.1 SELECCIÓN E INSTALACION DE EQUIPOS DE MACROMEDICION, México, D.F., 1994. - International Standard ISO 2186, first edition. FLUID FLOW IN CLOSED CONDUITS – Connections for pressure signal transmissions between primary and secondary elements. Switzerland, 1991. - International Standard ISO 5167-1, first edition. MEASUREMENT OF FLUID FLOW BY MEANS OF PRESSURE DIFERENTIAL DEVICES. Part 1: Orifice plates, nozzles and Venturi tubes inserted in circular cross-section conduits running full. Switzerland, 1991. - United States Bureau of Reclamation (U.S.B.R.), WATER MEASUREMENT MANUAL, Chapter 14, Measurements in Pressure Conduits. Third edition, U.S. Government Printing Office, Washington, DC, 1997. http://www.usbr.gov/wrrl/fmt/wmm/

RESULTADOS DE LAS AUTOEVALUACIONES

Pregunta Respuesta

1 b 2 a 3 a 4 c 5 a 6 b 7 d 8 d 9 b 10 a 11 b 12 a 13 c 14 d 15 a 16 c 17 a 18 d 19 d 20 c

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ESTA ES LA CONTRAPORTADA

INTERNA Y AQUÍ SE ALOJARÁ EL DISCO COMPACTO CON SU

FUNDA

LA SIGUIENTE PÁGINA ES LA CONTRAPORTADA EXTERIOR

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SEMARNAP CNA IMTA

SERIE AUTODIDÁCTICA DE MEDICIÓN DEL AGUA Subdirección General de Administración del Agua, CNA

Coordinación de Tecnología Hidráulica, IMTA SERIE AZUL

Número de ISBN

Título

Autor

968-7417-64-1 Métodos y Sistemas de Medición de Gasto

Ochoa, A. L.

968-7417-65-X Medidor Ultrasónico Tiempo en Tránsito

Bourguett, O. V.

968-7417-66-8 Medidor Ultrasónico de Efecto Doppler para Tuberías

Patiño, G. C.

968-7417-67-6 Medidor Ultrasónico de efecto Doppler para Canales

Pedroza, G. E.

968-7417-68-4 Medidor Electromagnético

Buenfil, R. M.

968-7417-69-2 Tubo Pitot

Ruiz, A. A.

968-7417-70-6 Placa Orificio

Rivas, A. I.

968-7417-48-X Aforador de Garganta Larga García, V. N. Vargas, D. S.