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Tecnologías para la Medición de Caudal en Aguas Residuales

Medición y Control Para Aguas de América SA de CV Miguel Lerdo de Tejada 118 Col Guadalupe Inn

Tel 5661 8678 [email protected]

Medición de Caudal en Aguas Residuales

Un desafío permanente…

• NO EXISTE UNA SOLUCIÓN TECNOLÓGICA ÚNICA NI GENERALIZADA para medición de Aguas Residuales.

• Este campo de medición es tal vez una de los desafíos más complejos en medición de caudal.

• Presenta una variedad de condiciones hidráulicas, mecánicas y químicas: tubería parcialmente llena, descarga por gravedad, variaciones dramáticas en gasto, canales abiertos, contenido de sólidos y grasas, etc.

• Es indispensable definir de antemano el objetivo de la medición: ¿monitoreo? ¿conservación? ¿eficiencia? ¿telemetria?... o…¿facturación de servicio?

• Es necesario evaluar las distintas opciones de tecnología existentes hoy en el mercado.


Ultrasónico Flujo x Nivel en Canal Abierto

Ultrasónicos Tiempo de Tránsito y Doppler para tubería cerrada

Ultrasónico Área x velocidad para tubería parcialmente llena

Electromagnéticos para tubería cerrada


OPCIONES MÁS COMUNES

Ultrasónico híbrido para condiciones variables

• Medición de Caudal Flujo x Nivel – Requiere un Elemento Primario (canaleta, vertedero,

etc.) instalado en la corriente de flujo – El Elemento Primario produce un cambio del nivel que

es proporcional al flujo. – Medición de Nivel por presión o sensor ultrasónico

• Ventajas – El Elemento Primario (canaleta o vertedero) permite

cirta calibración en campo – Auto-limpiante (bajo ciertas condiciones) – Mejor opción para instalación permanente en canales

abiertos • Desventajas

– Requerimientos de instalación más estrictos – Inexactitud bajo condiciones de flujo de sobrecarga


• Medición de Flujo Área x Velocidad – Elemento de medición Doppler o Tiempo de

Tránsito – Elemento Ultrasónico o Nivel/Presión – Q = A x V (ecuación de continuidad)

• Ventajas – Instalación simple – No está sujeta a problemas con inclinación de la

tubería – Mejor solución para monitoreo temporario de

flujo • Desventajas

– Exactitud dependiente de las condiciones de instalación

– No hay un Elemento Primario para calibración – No es posible calibrar en campo


Ultrasónico Doppler – Principio de Operación

• El medidor cuenta con un sensor bidireccional sónico de efecto Doppler. • El sensor doppler envía una señal sónica con una frecuencia y velocidad

específicas. • Las señales chocan con las partículas en suspensión o con • las burbujas de aire. • El sensor recibe la señal sónica con una frecuencia diferente. • La diferencia de frecuencias es proporcional a la velocidad del fluido.

donde fs = Frecuencia transmitida fd. = Frecuencia recibida Vt = Velocidad de la partícula Vc = Velocidad sónica O = Ángulo de transmisión

f fvv

Ds

T

c

=−1 cosθ

Flujo

fs fd

Ultrasónico Tiempo de Tránsito – Principio de Operación

• Un par de sensores (o más), diametralmente opuestos, emiten una señal sónica a cierta frecuencia.

• Con referencia al plano horizontal, existe un defasamiento entre ambos sensores. • Los sensores son bidireccionales, envían y reciben la señal sónica. • La diferencia de tiempo entre ambas señales es proporcional a la velocidad del

fluído.

Sensor Aguas arriba

Sensor Aguas Abajo

Vel. flujo T 1 - T 2

Flujo A

B

• Medidores Electromagnéticos – Funcionan basados en Ley de Faraday de inducción

electromagnética – El Elemento Primario (Sensor) es no-intrusivo: contiene

solamente electrodos de medición de voltaje inducido. – El elemento secundario (transmisor) contiene

normalmente funciones de avanzada. • Ventajas

– Normalmente muy precisos (±0.5% o mejor) – Calibrados en fábrica – Definitivamente, la mejor opción en tuberías cerradas,

presurizadas, instalación permanente. – Medición bi-direccional – Disponibles con electrodos removibles para limpieza

• Desventajas – Sensor bridado, requiere instalación de bridas (romper

instalaciones existentes) – Alto costo, especialmente en grandes diámetros – REQUIERE TUBERÍA LLENA


• El agua en movimiento no es un cuerpo homogéneo, sino la suma de varias “partículas” moviéndose a distintas velocidades (perfil de flujo).

FLUJO LAMINAR

FLUJO NO LAMINAR

Medición de Caudal en Aguas Residuales Criterios de Selección de tecnología adecuaada:

perfil de flujo

Desempeño de medidores según perfil de flujo

• En un medidor del tipo de inserción, su desempeño depende del registro de la velocidad media permanente del fluído.

– Medicion de un solo punto en el perfil, puede no representar todo el perfil

• El medidor ultrasónico toma el promedio de velocidad a traves del perfil del gasto

– Medidores de flujo ultrasonicos con sensores multi trayectorias proveen excelente promedio

• En el medidor electromagnético es el menos afectado en su desempeño por las características del perfil del flujo.

Tubo Pitot Turbina de Inserción

Mag de Inserción

Electromagnético

Velocidad Media Ultrasónico


Criterios de Selección de tecnología adecuada:

perfil de flujo

aguas arriba

aguas abajo

Electromagnético 3 2 5 No NoUltrasónico Srtap On 5 a 10 5 10 No NoUltrasónico Bridado 2 0 2 No No

Turbina 5 5 10 Sí Sí

Diámetros estándar

Tipo de Medidor

Diámetros despúes de

bomba vertical

Accesorios de

protección hidráulica

Reemplazo periódico de

partes



tren de medición – mecánica

Ultrasonicos Strap On son recomendados solo para los efluentes –salidas- y para los diametros mayores por su facil instalacion y mantenimiento

Electromagnético Sí Sí SíUltrasónico Sí No Sí

Ultrasónico Bridado Si No NoTurbina No No No

Energía eléctricaTipo de Medidor

Inmunidad a temperatura

del Agua

Inmunidad a arenas,

sólidos en suspensión



caracteristicas del líquido

Ultrasonicos Strap On son recomendados solo para los efluentes –salidas- y para los diametros mayores por su facil instalacion y mantenimiento


Nueva Tecnología: medidor ultrasónico híbrido

Tipo “Cartucho”



Tipo “Cartucho” Completamente ensamblado y calibrado de

fábrica dentro de “cartucho” de Acero Inox.

Canaleta “Flume” trapezoidal integrada

Sensor ultrasónico de

nivel Sensores

ultrasónicos tiempo de tránsito

(trayectoria simple y doble)

Display, medición de velocidad,

gasto y volumen, salidas de

telemetría, data logger



Tipo “Cartucho”

Usado en múltiples condiciones de flujo

Tubería parcialmente llena – muy

bajos gastos

Tubería parcialmente llena – gastos medios a altos

Tubería llena –gastos de

sobrecarga

Contraflujos, Flujo

estancado

Tubería parcialmente llena – flujos

variables

BAJOS CAUDALES

En la absoluta mayoría de los casos, el gasto en tuberías de descargas sanitarias es tal que no supera el 30%-40% de la capacidad del caño.

Incluso, en horas nocturnas, este gasto puede reducirse a un mínimo, ocupando solamente un 5%-10% de la capacidad del tubo.

Tales condiciones representan un desafío para una medición precisa del gasto.


Durante los períodos de mínimo gasto (0-30% del diámetro del tubo), el medidor tipo cartucho usa tecnología de Canaleta Trapezoidal combinada con un sensor de nivel ultrasónico de alta precisión (+/-.02”) para determinar el volumen correcto de agua descargada.

BAJOS CAUDALES (Exactitud ±1 a 2 %)



Tipo “Cartucho”

CAUDALES MEDIOS A ALTOS

La condición de “tubería parcialmente llena” se mantiene, pero la efectividad de medición en canal abierto disminuye considerablemente.

Condiciones derivadas del perfil de flujo (alta velocidad-turbulencias), pueden resultar en grandes inexactitudes al usar métodos convencionales tales como sensores doppler o células de presión


Durante períodos de gastos medios a máximos (30 a 100% del diámetro del tubo), el volumen de aguas negras es medido por un par de sensores de velocidad por tiempo de tránsito altamente precisos, en conjunción con el sensor de nivel ultrasónico de alta precisión (+/-.02”)

CAUDALES MEDIOS A ALTOS (Exactitud ±1 a 2 %)

Medición de Caudal en Aguas Residuales Nueva Tecnología: medidor

ultrasónico híbrido

Tipo “Cartucho”

FLUJOS INVERSOS

Los flujos inversos en cañerías de descarga sanitaria son frecuentes.

Normalmente producidos por condiciones de sobrecarga aguas abajo, falla de bombas de cárcamos o bloqueos, los flujos inversos representan un problema para una medición justa, ya que los instrumentos tradicionales de canal abierto (flujo x nivel) los miden como flujos positivos.


Una vez que el nivel de descarga se eleva por encima de la capacidad de la canaleta trapezoidal (que es normalmente el caso cuando hay contraflujos), el flujo inverso es confirmado de manera redundante a través cada par de sensores de tiempo de tránsito. Un totallizador registra el volumen medido en contraflujo.

FLUJOS INVERSOS (Exactitud ±1 a 2 %)

Medición de Caudal en Aguas Residuales Nueva Tecnología: medidor

ultrasónico híbrido

Tipo “Cartucho”

Situaciones de estancamiento del flujo son muy frecuentes.

Causados por contrapresiones o fallas aguas abajo, representan un desafío para tecnologías tadicionales, que no los pueden identificar (medidores de canal abierto los miden como flujo positivo)

FLUJO ESTANCADO



Tipo “Cartucho”

Los sensores de tiempo de tránsito de trayectoria múltiple monitorean constantemente la condición “flujo cero”. El medidor mide efectivamente cero, además de tener la capacidad de sacar alarmas externas que alertan sobre estas situaciones.

FLUJO ESTANCADO



Tipo “Cartucho”

Los flujos de sobrecarga son aquellos que se producen en situaciones de inundación de aguas pluviales, o casos extremos de bloqueos aguas abajo. Son también situaciones recurrentes, a las que las tecnologías tradicionales no pueden dar respuesta.

FLUJO DE SOBRECARGA


El nuevo medidor de cartucho incluye un sensor opcional de nivel, cuya función es alertar sobre condiciones de sobrecarga.

El sistema puede mandar una alarma sobre esta condición, permitiendo un monitoreo eficiente sin necesidad de inspección previa.

FLUJO DE SOBRECARGA



Tipo “Cartucho”



Tipo “Cartucho”

Tubería parcialmente llena – muy

bajos gastos

Tubería parcialmente llena – gastos medios a altos

Tubería llena –gastos de

sobrecarga

Contraflujos, Flujo

estancado

Tubería parcialmente llena – flujos

variables

• Medidor tipo cartucho Combinado – Medidor Flujo x Nivel para gastos bajos e

intermedios – Medidor Área x Velocidad para gastos altos

• Ventajas – Instalación simple – Exactitud verificable, con trazabilidad a

laboratorios certificados. – Apropiado para facturación de servicio de

alcantarillado. – Mejor exactitud combinada (+ 1%) – Amplio rango de operación – Operación en flujo sumergido – Operación de Flujo inverso – Versión portátil accionada a baterías.



Tipo “Cartucho”

En resumen:


A CORTA MANERA DE RESUMEN:

• NO EXISTE UNA SOLUCIÓN TECNOLÓGICA ÚNICA NI GENERALIZADA para medición de Aguas Residuales.

• Es necesario estudiar las condiciones específicas de cada aplicación a efectos de seleccionar la tecnología más efectiva y de mejor costo-beneficio.

• Es indispensable efectuar un levantamiento de sitio en cada caso – Dimensiones de la tubería. – Condiciones de flujo. – Instalación mecánica – Presencia o no de burbujas de aire. – Presencia de espumas, grasas, vapor, sólidos de gran tamaño, etc. – Disponibilidad de energía eléctrica. – Necesidades de telemetría – Necesidad o no de alta precisión (medidores de facturación)

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