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Informe N° 028E-1/12

Versión 03

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Informe Nº 028E-1/12

Servicio:

Aforadores Sin Cuello

(Parshall de Fondo Plano)

Empresa: Junta de Vigilancia de la cuenca del Río

Huasco y sus Afluentes

Fecha: Noviembre de 2012



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Emisión informe: 03/12/2012

OT Nº: OT71

Identificación del Cliente

Empresa: Junta de Vigilancia de la cuenca del Río Huasco y sus Afluentes

Nombre Cliente: Junta de Vigilancia de la cuenca del Río Huasco y sus Afluentes

Dirección: Arturo Prat Nº 661, Vallenar/Atacama

Descripción del Servicio

Ítem Objetivo del Servicio

4 Elaboración de informe Aforadores Sin Cuello (Parshall de fondo plano)

Equipo de Trabajo

Nº Nombre Cargo Responsabilidad

1 Enrique Rosa Vollmann Instrumentista Elaboración de informe

2 Ricardo Farías Muñoz Ingeniero Mecánico Elaboración de informe

3 Osvaldo Rosa Pérez Ingeniero Electrónico Elaboración de informe

Elaboración de Informe (Según estándares de normas NCh 2451.Of1999 y NCh-ISO 17025.Of2005)

Elaborado por: Revisado y autorizado por:

Firma

Nombre Enrique Rosa Vollmann Ricardo Farías Muñoz



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INDICE

1. Introducción ..................................................................................................................... 4

2. Objetivo ............................................................................................................................. 4

3. Metodología .................................................................................................................... 4

4. Aforador Sin Cuello ......................................................................................................... 5

4.1.Antecedentes Generales .............................................................................................. 5

4.2.Desarrollo del Aforador Sin Cuello .............................................................................. 6

4.3.Descripción General del Aforador Sin Cuello .......................................................... 7

4.4.Principio de medición de caudal ............................................................................... 7

4.5.Ecuaciones de Diseño ................................................................................................... 8

4.5.1.Flujo libre ........................................................................................................................ 8

4.5.2.Flujo sumergido............................................................................................................. 9

4.6.Instalación y Mantenimiento ...................................................................................... 11

4.6.1.Selección del sitio de instalación ........................................................................... 11

4.6.2.Mantenimiento ........................................................................................................... 12

5. Bibliografía ...................................................................................................................... 13

6. Anexos ............................................................................................................................. 14

6.1 Anexo N° 1: Esquema de la planta y perfil del Aforador Sin Cuello. ................ 14

6.2 Anexo N° 2: Tabla de relación de longitud de Aforador Sin Cuello. ................ 14



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1. Introducción

Por requerimiento de la Junta de Vigilancia de la Cuenca del Río Huasco y sus

Afluentes, Liquidflow Ltda. ha elaborado un informe de Aforadores Sin Cuello

(Parshall de Fondo Plano).

2. Objetivo

Realizar la descripción, desarrollo, operación, determinación de caudal,

instalación, mantenimiento y aspectos relevantes de los Aforadores Sin Cuello,

mediante síntesis de la nutrida documentación técnica disponible en la

actualidad y pruebas realizadas en laboratorios.

3. Metodología

La metodología aplicada para el desarrollo del presente informe, se basa en la

recopilación y síntesis de antecedentes técnicos de documentos según

bibliografía (Punto N° 5) y experiencia en la medición de flujo líquido en canales

abiertos.



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4. Aforador Sin Cuello

4.1. Antecedentes Generales

Este aforador es un instrumento para medir caudal, y es conocido en la

lengua inglesa como el “Cutthroat Flume” o como “Aforador Sin Cuello” o

Parshall de Fondo Plano y es el resultado de estudios teórico – prácticos y

esfuerzos de G.V Skogerboe, M.L. Hyatt, R.K. Anderson y K.O. Eggleston.

Existe un gran número de medidores de caudal para canales abiertos y uno

de los más conocidos es el aforador Parshall, sin embargo su diseño es

relativamente complicado en comparación al Aforador Sin Cuello, que

ofrece todas las ventajas del aforador Parshall, además de su fácil

construcción, instalación (Permanente o transitoria en canales) y más

económico.

Una de las características sobresaliente de los aforadores Sin Cuello, es la

baja ocurrencia de sedimentación en el fondo y su fácil limpieza, debido a

su fondo plano.

La determinación del flujo con Aforadores Sin Cuello se puede efectuar por

medio de ecuaciones de descarga, nomogramas (Para flujo libre) y tablas.

Los nomogramas y tablas permiten la determinación rápida de caudal, pero

si se requiere mayor exactitud en la determinación de la descarga (Caudal),

es recomendable el uso de las ecuaciones (Punto N° 4.5).

Las características de su comportamiento dependen de la existencia o

ausencia de un flujo crítico, que independice la influencia aguas abajo del



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comportamiento aguas arriba. En otros tipos de aforadores, como Parshall, se

ha normado su uso sólo en flujo libre (flujo crítico). Especial consideración

debe tenerse al utilizar un Aforador Sin Cuello, en flujo sumergido.

4.2. Desarrollo del Aforador Sin Cuello

El Aforador Parshall, es uno de los más conocidos para medir el flujo del agua

en canales abiertos y fue creado en los laboratorios de la Universidad del

Estado de Colorado en los EEUU. Este aforador consta de tres secciones, la

sección de entrada de paredes verticales convergentes y de fondo

horizontal; la sección de garganta de paredes verticales paralelas y con

fondo inclinado hacia abajo; y finalmente, la sección de salida de paredes

verticales divergentes con fondo ligeramente inclinado hacia arriba.

Posteriormente con el objeto de investigar las características hidráulicas de

una modificación del aforador Parshall, se realizaron estudios en los

laboratorios de Utah State University, utilizando aforadores de fondo plano

horizontal.

Estos estudios revelaron que los aforadores de fondos plano horizontal

pueden operar satisfactoriamente ya sea bajo condiciones de flujo libre o

sumergido.

Posterior a los estudios y resultados de experiencias, se dio paso al diseño del

Aforador Sin Cuello, llamado así por sus autores, debido a la ausencia de la

sección del cuello.



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4.3. Descripción General del Aforador Sin Cuello

El Aforador Sin Cuello, es un instrumento para medir caudal basado en la

creación de flujo crítico mediante el estrechamiento de la sección

transversal. El lecho del aforador es horizontal, lo que facilita su instalación.

Está conformado por una sección de entrada convergente (3:1) y longitud L1

de paredes verticales. El cuello es una sección divergente (6:1) de paredes

verticales y longitud L2. El fondo del aforador es horizontal.

Los Aforadores Sin Cuello, se identifican por el ancho del cuello W y su

longitud L. El ancho de la sección de entrada y salida son de igual dimensión.

Para calcular el caudal, es necesario medir las alturas del nivel de agua

tanto aguas arriba como aguas abajo del cuello y con respecto al fondo del

canal, para lo cual, se requiere instalar los piezómetros a las longitudes La

(Medición del nivel de agua ha)y Lb (Medición del nivel de agua hb).

En el Anexo N° 1, puede apreciarse un esquema de la planta y perfil del

Aforador Sin Cuello, con sus respectivas dimensiones.

4.4. Principio de medición de caudal

Como se ha indicado la medición de caudal se basa en la producción de

flujo crítico. Si el grado de sumergencia (hb/ha) es mayor que el valor límite

para el tipo de aforador, se dice que trabaja en flujo sumergido1, para lo

1 El Aforador Sin Cuello, opera sumergido cuando las condiciones de flujo aguas abajo son afectadas de

tal manera que la resistencia es suficiente para disminuir la velocidad y aumentar la profundidad del flujo,

resultando en un aumento de la profundidad de flujo aguas arriba del aforador. Bajo estas condiciones la profundidad de las aguas en cualquier punto a lo largo del medidor sería mayor que la profundidad crítica.



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cual se requiere de las lecturas de altura aguas arriba y abajo (ha y hb,

respectivamente) para determinar el caudal. En caso contrario, es decir, si el

grado de sumergencia es menor que el valor límite para el tipo de aforador,

se dice que trabaja en flujo libre y bastará sólo con la lectura de la altura

aguas arriba ha.

4.5. Ecuaciones de Diseño

4.5.1. Flujo libre

Los Aforadores Sin Cuello, permiten medir el caudal pasante en función de

la altura de escurrimiento en sólo un punto, aguas arriba (ha). La función

del caudal con respecto a la altura, bajo flujo crítico (flujo libre) es:

Q (m3/s) = C (ha)n

Dónde:

C = K * W1,025

K y n se pueden obtener de las tablas estándar de estos aforadores (Ver

tabla de relación de longitud, según Anexo N° 2, mientras W es el ancho

del cuello (angostura).



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La exactitud de estos aforadores, si están correctamente construidos e

instalados, es satisfactoria para fines de riego. Para instrumentar estos

equipos, basta un transmisor de presión con la resolución y exactitud

acorde al rango de alturas a medir, instalado aguas arriba, desde el

cuello, a 0.222 del largo total. El caudal será en función a la ecuación

potencial indicada.

Estos dispositivos pueden ser calibrados in-situ, cuando existen dudas con

respecto a su coherencia dimensional, mediante aforo con molinete 2, con

un mínimo de tres caudales diferentes, donde se obtiene finalmente una

ecuación independiente a la obtenida por tablas.

Una contrastación mediante aforo con molinete a cualquier caudal

existente, permite verificar la ecuación y sus parámetros.

4.5.2. Flujo sumergido

Al utilizar estos aforadores sin flujo crítico, es decir en flujo sumergido, la

fiabilidad de ellos es directamente dependiente de la precisión de su

construcción e instalación.

El caudal ya no es función de la altura de escurrimiento de un sólo punto

aguas arriba (ha), ya que al no haber crisis, los eventos aguas abajo no son

independientes del nivel aguas arriba. El caudal pasante es ahora función

2 El aforo con molinete solo es viable si este incluye un procedimiento para determinar la incertidumbre, ya

que un aforo mal ejecutado puede presentar un error mayor al del Aforador Sin Cuello. Es requisito esencial conocer la banda de incertidumbre de los aforos para la calibración, y para la verificación, de estos dispositivos.



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del nivel aguas arriba ha y del nivel aguas abajo hb en una proporción no

lineal:

Q(m³/s) = (Cs (ha – hb)ⁿ) / ( (Log (1/S))ⁿs

Dónde:

Cs = Ks * W1,025

S = hb / ha

Ks y ns se pueden obtener de las tablas estándar de estos aforadores (Ver

tabla de relación de longitud, según Anexo N° 2, mientras W es el ancho

del cuello (angostura), hb se mide a 0.555 del largo total, aguas abajo

desde el cuello.

Las experiencias con los aforadores Sin Cuello, recomiendan evitar su uso

en flujo sumergido, debido a que no es posible su calibración mediante

aforo con molinete.

Como el grado de sumersión puede ser variable, a un mismo caudal

pasante, puede haber infinitas relaciones entre ha y hb.

La recomendación general es, en caso de uso sumergido, verificar con un

aforo con molinete 3, a cualquier caudal pasante y contrastar el caudal

resultante con el calculado mediante la ecuación estándar del aforador.

3 Los aforos deben incluir la estimación de la incertidumbre, para evaluar la calidad de la medición y no

emitir un juicio equivocado en la verificación.



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Este ejercicio permite verificar el correcto o deficiente funcionamiento de

la instalación.

La instrumentación bajo flujo sumergido, obliga a medir simultáneamente

ha y hb.

Además debe compararse la relación (hb/ha)*100, con el factor de

sumergencia transitoria St de las tablas (Anexo N° 2), para determinar si

corresponde aplicar la ecuación de flujo sumergido o la ecuación de flujo

libre. Esto requiere de Dataloggers con capacidad de ejecución de

programas.

4.6. Instalación y Mantenimiento

4.6.1. Selección del sitio de instalación

Es aconsejable que el aforador se instale en un tramo uniforme del canal

para que las líneas de corriente ingresen uniformemente a la sección

convergente del aforador. Para seleccionar el tipo de aforador es

necesario conocer los caudales normales máximos y mínimos que pasarán

por el aforador. También los respectivos tirantes así como el ancho, talud y

el borde libre del canal. Debe destacarse que la introducción del aparato

en el canal, perturbará el flujo, especialmente aguas arriba.

Por la facilidad en la determinación del caudal, se prefiere que el aforador

funcione en flujo libre y una vez instalado, debe verificarse su correcto



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funcionamiento. Es necesario calibrar el aforador para encontrar los

valores correspondientes que permitirán determinar el caudal en función

de ha.

4.6.2. Mantenimiento

Para asegurar una operación satisfactoria es necesario seguir un plan de

mantenimiento periódico. En las paredes del aforador muchas veces se

acumulan musgos, lo mismo que incrustaciones en aforadores metálicos

las que se pueden eliminar por medio de escobilla de alambre.



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5. Bibliografía

5.1. J.F. Alfaro 1973. Medidas de Aguas en canales por medio del Aforador

“Sin Cuello”, Departamento de Ingeniería Agrícola e irrigación, Utah State

University.

5.2. J.F. Alfaro 1980. Medidas de aguas en canales por medio del aforador

“Sin Cuello”. Sub-Secretaria de Recursos Naturales. Departamento de

Tierras y Aguas. Santo Domingo. República Dominicana.

5.3. H. Pizarro 1994. Introducción al diseño hidráulico de canales y a la

medición de caudales. Banco Interamericano de Desarrollo Fondo de

Inversión de Venezuela. Servicio Nacional de Aguas Subterráneas, Riego y

Avenamiento. Oficina del IICA en Costa Rica.

5.4. Skogerboe, Gaylord V. V., "Cutthroat Flow Measuring Flumes for Flat

Gradient Channels" (1969). Reports. Paper 96.

http://digitalcommons.usu.edu/water_rep/96.

5.5. Skogerboe, Gaylord V.; Hyatt, M. Leon; Anderson, Ross Kay; and Eggleston,

Keith O., "Design and Calibration of Submerged Open

Channel Flow Measurement Structures: Part 3 - Cutthroat Flumes" (1967).

Reports. Paper 86.




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5.6. Skogerboe, Gaylord V. V. and Hyatt, M. Leon, "Rectangular Cutthroat Flow

Measuring Flumes" (1967). Reports. Paper 87.


6. Anexos

6.1 Anexo N° 1: Esquema de la planta y perfil del Aforador Sin Cuello.

6.2 Anexo N° 2: Tabla de relación de longitud de Aforador Sin Cuello.



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Anexo N° 1: Esquema de la planta y perfil del Aforador Sin Cuello



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Figura N° 1: Esquema de la planta del Aforador Sin Cuello



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Figura N° 2: Esquema de perfil (Corte), del Aforador Sin Cuello



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Anexo N° 2: Tabla de relación de longitud de Aforador Sin Cuello



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Tabla N° 1: Tabla de relación de longitud de Aforador Sin Cuello



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