BANCO DE ENSAYO DE CONTADORES EN EL LABORATORIO CENTRAL PARA ENSAYO DE MATERIALES Y EQUIPOS DE RIEGO: DESCRIPCIÓN Y UTILIDAD

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1 BANCO DE ENSAYO DE CONTADORES EN EL LABORATORIO CENTRAL PARA ENSAYO DE MATERIALES Y EQUIPOS DE RIEGO: DESCRIPCIÓN Y UTILIDAD Cañada López, L. (P) 1 ; Bajo López, G.; Bernal Llorente, M.; Madurga del Cura, C.; Sánchez de Ribera González, A. RESUMEN El Centro Nacional de Tecnología del Regadío (CENTER), órgano dependiente del Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación (MAPA), pone a disposición del sector del riego a través de los servicios que ofrece el Laboratorio Central para Ensayo de Materiales y Equipos de Riego, un banco de ensayo de contadores con capacidad de realizar los protocolos de aptitud metrológica descrita en toda la normativa nacional e internacional. El banco posee la instrumentación y el equipamiento para realizar ensayos con la precisión exigida a contadores, hidrantes y caudalímetros de 40 a 300 mm de diámetro. Se exponen algunos ejemplos de ensayos obtenidos y se invita a todos los agentes involucrados en el sector del riego a utilizar los servicios del Laboratorio, así como a contribuir a su funcionamiento y mejora con sus colaboraciones y aportaciones. ABSTRACT Ministry of Agriculture, Fishery and Food of Spain supplies the services of the Central Laboratory for Testing of Irrigation Material and Systems located in the National Centre for Irrigation Tecnology instalations. These services includes a testing bench to achieve the measurement error of the irrigation meters, and it is useful to perform and reproduce the full test methods defined in the national and international reference standards. 1 Equipo Técnico del Laboratorio Central para Ensayo de Materiales y Equipos de Riego Centro Nacional de Tecnología de Regadíos Tf: San Fernando de Henares (Madrid) lcanada@mapya.es 1

2 Instalations hold the most suitable devices and equipment to obtain the required accuracy to test meters, hydrants and flow meters between 40 mm and 300 mm connection size. Several samples are indicated in order to show the capacity of the test bench and the possibilities to develope future work and collaboration ways. INTRODUCCIÓN Todas las modernizaciones de regadíos que actualmente se están ejecutando ya sea para mejorar antiguas redes a presión o para la transformación de redes de riego por gravedad a presión, llevan asociado la instalación de elementos que ayuden al control del consumo del agua. Uno de estos elementos son los contadores. Estos instrumentos además de suponer una valiosa herramienta para cuantificar el destino del agua de riego, sirven como elemento de medida en la facturación del agua consumida en cada punto de suministro. De ahí la importancia de instalar equipos contrastados y que aseguren unos requisitos metrologicos mínimos que son marcados por la legislación europea y nacional o bien por las normas de riego que se utilicen como referencia. Actualmente está vigente la Directiva Europea 75/33CEE, que regula los instrumentos de medida y métodos de control metrológico para contadores de agua fría con procedimiento mecánico de medida. El objetivo del presente artículo es dar a conocer las características, capacidad y utilidad de un banco de ensayo diseñado para contrastar la precisión en la medida de los contadores e hidrantes. El Ministerio de Agricultura pone a disposición de todo el sector del riego a través de los servicios que ofrece el Laboratorio Central para Ensayo de Materiales y Equipos de Riego, la infraestructura necesaria para realizar ensayos y verificaciones del control metrológico a contadores o caudalímetros. MATERIALES El banco de contadores se ha diseñado para realizar los ensayos que permitan determinar el error de elementos de medida de agua en conducciones cerradas. El método utilizado para la realización de estos ensayos es la comparación entre la lectura del contador ensayado con la lectura del peso de ese mismo agua recogida en unos depósitos que descansan sobre unas básculas. 2

3 A continuación se describe el banco de ensayo agrupando sus componentes según su funcionalidad. El esquema unifilar de Fotografía 1. Vista lateral de los la instalación se representa en la Figura 1. depósitos sobre las básculas de pesaje. DEPOSITO DEPOSITOS DE AFORO ESTACIÓN DE BOMBEO CAUDALIMETROS LINEAS DE ENSAYO DONDE SE INSTALA EL CONTADOR RECIRCULACION CC-1 Caudalímetro Válvula de seccionamiento LEYENDA Válvula de tres vias de accionamiento neumatico Desviador de agua de accionamiento neumático Válvula de seccionamiento de accionamiento remoto Transductor de presión Válvula de regulación Transductor de temperatura Figura 1 Esquema unifilar del banco de ensayo de contadores 1. DEPÓSITO Se dispone de un depósito de 400 m 3 de capacidad, construido en hormigón y enterrado que suministra el agua para este banco de ensayo y para el resto de los ensayos de laboratorio. La gran capacidad del depósito y sus características constructivas confieren una doble estabilidad de temperatura al agua: - El disponer de un volumen elevado permite realizar ensayos con grandes caudales y que el agua no sufra diferencias de temperatura superiores a 1º C. 3

4 - Al estar enterrado, permite que la temperatura entre el invierno y el verano o entre el día y la noche sean relativamente estables. El ensayo constituye un circuito cerrado de forma que toda el agua utilizada está en recirculación, por lo que el gasto de agua se reduce al vaciado anual del depósito y la reposición de pérdidas. 2. ESTACIÓN DE BOMBEO Para cubrir el amplio rango de caudales necesario se dispone de una estación de bombeo con equipos de diferentes tamaños, y con un alto grado de modulación: 1. Grupo B1: Tres bombas de 3 kw 2. Grupo B2: Tres bombas de 15 kw 3. Grupo B3: Tres bombas de 90 kw Cada grupo de bombas dispone de una bomba de velocidad variable regulada con variador de velocidad. La distinta configuración de bombas permite cubrir todo el espectro de caudales entre 0,3 y m 3 /h. La altura a caudal nominal de los equipos es de 250 kpa (2,5 bar) Todos los equipos de bombeo son controlados por un autómata local, así como los niveles de los depósitos, y el accionamiento de válvulas motorizadas de seccionamiento. 3. REGULACIÓN La regulación se realiza a través de varios dispositivos con el siguiente orden de prioridad: 1. Elección de bomba o bombas a utilizar. 2. Ajuste de velocidad de giro variando la consigna del variador de velocidad. 3. Variación del grado de apertura de las válvulas de regulación del banco de ensayo. En el último caso se dispone de tres válvulas, dos de ellas comandadas neumáticamente y otra de ellas con motor eléctrico, con posicionadores 4-20 ma todas ellas, para realizar ajustes finos de caudal, variando el circuito resistente del ensayo según su grado de apertura. 4. DESVIADORES DE FLUJO Una de las características más importantes del banco es que permite realizar ensayos a contador lanzado, esto significa que se puede mantener durante todo el ensayo el caudal constante. Los dipositivos que posibilitan esta modalidad de ensayo son los desviadores de flujo. 4

5 Estos desviadores, consisten en un cajón metálico, que está articulado a través de un eje, y es movido por un pistón neumático. Este cajón recoge el flujo del ensayo, y en una de sus posiciones lo desvía hacia el circuito de recirculación, y en la otra posición lo desvía hacia el depósito aforador. El accionamiento de estos pistones se realiza con el comienzo y la finalización del ensayo. La velocidad de accionamiento es de 10 centésimas de segundo. En el caso del sistema de aforo más pequeño se utiliza una válvula de tres vías accionada neumáticamente, consiguiéndose el mismo efecto que en los desviadores de mayor caudal. 5. INSTRUMENTACIÓN DE MEDIDA Se miden varias magnitudes, peso, temperatura, caudal, presión y presión diferencial, para obtener los parámetros de funcionamiento del elemento a ensayar. A continuación se describe la instrumentación que lo posibilita. PESO La medida del volumen que pasa a través del elemento ensayado se realiza de forma indirecta a través del peso del mismo. Debido a la amplitud del rango de caudales y con el fin de no alargar excesivamente los ensayos, se han instalado tres dispositivos de pesada, cada uno de ellos compuesto por un depósito y apoyado sobre una báscula. Las características de estos elementos son las siguientes: - Depósito 1: Volumen de aforo: l Precisión: ± 5 l (0,025 %) Caudal máximo de ensayo: m 3 /h Tiempo de ensayo a caudal máximo: 36 segundos Caudal mínimo de ensayo: 150 m 3 /h Tiempo de ensayo a caudal mínimo: 8 minutos - Depósito 2: Volumen de aforo: l Precisión: ± 0,5 l (0,025 %) Caudal máximo de ensayo: 150 m 3 /h Tiempo de ensayo a caudal máximo: 48 segundos Caudal mínimo de ensayo: 10 m 3 /h Tiempo de ensayo a caudal mínimo: 12 minutos. - Depósito 3: Volumen de aforo: 200 l Precisión: ± 0,05 l (0,025 %) Caudal máximo de ensayo: 10 m 3 /h Tiempo de ensayo a caudal máximo: 72 segundos 5

6 TEMPERATURA Caudal mínimo de ensayo: 0,3 m 3 /h Tiempo de ensayo a caudal mínimo: 40 minutos. Al tratarse de una medida indirecta de peso para obtener volumen (V), es necesario corregir el peso (P) del agua con un factor de corrección (k) en función de la temperatura. Por lo tanto la temperatura se mide en la línea de ensayo con un transductor de temperatura, con salida 4-20 ma, y precisión ± 0,1 º C que es registrada junto con el resto de parámetros de ensayo. En el tratamiento de datos posterior es necesario realizar la siguiente corrección. CAUDAL V ( l) k P( kg) A la entrada al banco se dispone de cuatro líneas en paralelo de caudalímetros electromagnéticos, con posibilidad de independizar una a una con el accionamiento remoto de válvulas de seccionamiento. Estos instrumentos permiten obtener la lectura del caudal para realizar la regulación necesaria, antes de realizar el ensayo. Caudalímetro electromagnético Diámetro Nominal (DN) Rango caudal (m 3 /h) CC ,32 6,4 CC ,3 48 CC CC Tabla 1. Caudalímetros El caudal medio de ensayo se calcula dividiendo el volumen del ensayo obtenido de la lectura de la báscula por el tiempo de ensayo. Fotografía 2. Batería de caudalímetros de distintos tamaños para medición del caudal 6

7 PRESIÓN Se dispone de un transductor de presión, con salida 4-20 ma, 100 kpa de fondo de escala y una precisión del 0,5 % sobre el fondo de escala. Durante todo el ensayo se realiza un registro de la presión ensayada. PRESIÓN DIFERENCIAL Existen tomas manométricas para instalación del equipo de medida de presión diferencial que dispone el laboratorio. Este instrumento permite obtener la pérdida de carga del elemento ensayado a distintos caudales, está conectado a entradas analógicas del autómata y permite la incorporación de estos parámetros al fichero del ensayo. 6. AUTOMATIZACIÓN El banco tiene un autómata con una pantalla táctil. Este autómata permite gobernar todos los elementos de accionamiento remoto como válvulas de seccionamiento, válvulas de regulación, marcha/paro y velocidad de giro de las bombas, así como visualizar los distintos parámetros de ensayo como son presión, caudal y peso de las básculas. El autómata está comunicado con el autómata de la estación de bombeo. A través de esta comunicación permite gobernar la estación de bombeo de forma remota. Durante el ensayo el autómata almacena los siguientes parámetros: - Caudal según el elemento ensayado. - Caudal según el caudalímetro de referencia. - Presión de ensayo. - Temperatura del agua. El intervalo mínimo de almacenamiento en continuo de estos datos es de 0,2 segundos. Se almacenan los siguientes datos, en el archivo de ensayo: - Fecha de ensayo - Hora de ensayo - Identificación del operario - Código del elemento a ensayar - Diámetro nominal - Duración del ensayo - Volumen recogido en la báscula - Volumen medido por el elemento ensayado 7

8 El archivo con todos los datos del ensayo se transfiere a un ordenador central, situado en la zona de oficinas que lo transforma en formato Excel para el posterior tratamiento de datos. El autómata tiene habilitadas tres entradas para conectar y registrar el sistema de entrada de datos de los distintos emisores que pueda tener un contador o caudalímetro comercial. - Emisores de pulsos tipo reed o inductivos - Señal analógica 4-20 ma - Señal en frecuencia. De esta forma permite recoger la señal, integrarla y gestionar el ensayo en función de la misma. Cuando el equipo no tenga ningún tipo de señal para integrar el volumen por elementos externos, se ha instalado un pulsador para comenzar el ensayo y finalizarlo de forma manual, visualizando el totalizador del elemento a ensayar. El autómata permite gestionar el ensayo de forma fiable a una velocidad de scan de ciclo de 15 ms, que es más que suficiente para el control de los temporizadores, relojes y la integración de las señales. METODOS El banco ha sido diseñado para cumplir los criterios hidráulicos y de precisión descritos en la normativa vigente para establecer los controles metrológicos al que deben estar sometidos los contadores de agua. En el banco se pueden desarrollar los ensayos para determinar la curva de error caudal y de pérdida de carga, según los criterios definidos en la siguiente normativa de referencia. Normativa de referencia Directiva Europea 75/33/CEE Orden Ministerial 28 de diciembre de 1988 Directiva Europea 2004/22/CEE ISO Meters for cold potable water Part 3 EN Meters for irrigation Water UNE-EN Hidrantes de riego Elementos que regula la norma Contadores de agua fría con sistema de medida mecánico Contadores de agua fría con sistema de medida mecánico Instrumentos de medida de agua para uso industrial Contadores de agua fría con sistema de medida mecánico Contadores utilizados en riego Hidrantes utilizados en riego 8

9 Tabla 2 Normativa de referencia La norma vigente en este momento y al que deben estar sometidos todos los contadores cuya medición se utilicen para facturación de agua, es la Orden Ministerial del 28 de diciembre de RESULTADOS Y DISCUSIÓN El diseño del banco de contadores en el Laboratorio Central para Ensayo de Materiales y Equipos de Riego, permite desarrollar los ensayos para la caracterización del error en diferentes elementos de medida en tuberías cerradas, con diámetros comprendidos entre 40 y 300 mm. Los elementos susceptibles de ensayo son: Todo tipo de contadores (Woltman, tangenciales, proporcionales, volumétricos, de chorro múltiple, de chorro único). Caudalímetros (electromagnéticos, ultrasonidos). Placas de orificio. Cualquier tipo de hidrante que integre un sistema de lectura del volumen de agua. En todos estos instrumentos se puede obtener el error cometido en la lectura para los distintos caudales de ensayo. A continuación se muestran los gráficos de algunos ensayos realizados 1 en contadores con los comentarios correspondientes a cada uno de ellos. Las líneas discontinuas en rojo de cada gráfico delimitan el error permitido para cada caudal que marca la Orden Ministerial de 28 de diciembre de 2006, que establece los errores máximos de medida entre caudal mínimo y caudal de transición de ± 5% y entre caudal de transición incluido y caudal máximo de ± 2%. En la siguiente tabla se describen los caudales característicos de estos contadores CONTADOR Woltman 50 mm clase B Woltman 65 mm clase B Woltman 80 mm clase B Caudal mínimo Caudal de transición Caudal nominal Caudal máximo 0,45 m3/h 3 m3/h 15 m3/h 30 m3/h 0,75 m3/h 5 m3/h 25 m3/h 50 m3/h 1,2 m3/h 8 m3/h 40 m3/h 80 m3/h 1 En todos los casos mostrados, se especifica el modelo y tamaño de contador ensayado, pero deben tratarse como meros ejemplos de la posibilidad de ensayo del propio banco y no pretenden ser concluyentes ni establecer comportamientos generales sobre dichos modelos. 9

10 Tangencial usado 80 mm sin homologar 6 m3/h 22.5 m3/h 75 m3/h 150 m3/h Tabla 3. Caudales característicos de los contadores ensayados El primer contador de DN 50 mm representa en el gráfico 1, una curva de error aceptable según la normativa vigente, al igual que el ejemplo mostrado para contador woltman de 80 mm representada en el gráfico 3. En este gráfico se representan dos repeticiones realizadas de la curva, donde se puede observar la repetibilidad del contador y del propio banco de ensayo. Otra muestra sería el caso del gráfico 2, donde se representa un ensayo realizado a un contador nuevo, de 65 mm de diámetro y se aprecia que a partir de un caudal superior a 10 m 3 /h el contador no cumple con las exigencias de la normativa que se marca en ese caudal en ±2%. El gráfico 4, representa la curva de dos contadores tangenciales. En el que se quiere hacer hincapié en la diferencia existente en el funcionamiento de uno y otro después del paso del tiempo que en este caso ha sido de 7 años de instalación, con un consumo acumulado de m 3. Se observa como existe diferencias entre ambos, incluso en el caso del contador B no comienza a tener registro de agua hasta un caudal de 13 m 3 /h. Este ejemplo hace reflexionar respecto a la necesidad de controlar el estado del parque de contadores instalado en las redes de riego. El gráfico nº 5 hace referencia a la calibración de uno de los caudalímetros del laboratorio para contrastar el error a distintos caudales, realizando varias repeticiones dentro del rango de velocidades en que es utilizado. Obsérvese la escala del gráfico en el que se observa que el error no excede del 0,5 %. CURVA ERROR-CAUDAL CONTADOR WOLTMAN DN 50 Clase "B" Error (%) 5% 4% 3% 2% 1% 0% -1% -2% -3% -4% -5% Caudal (m3/h) Gráfico 1. Curva de error de un contador Woltman DN 50 Clase B 10

11 CURVA ERROR-CAUDAL CONTADOR WOLTMAN DN 65 mm Clase "B" Error (%) 5% 4% 3% 2% 1% 0% -1% -2% -3% -4% -5% Caudal (m3/h) Gráfico 2. Curva de error de un contador Woltman DN 65 Clase B CURVA ERROR-CAUDAL CONTADOR WOLTMAN DN 80 Clase "B" Error (%) 5% 4% 3% 2% 1% 0% -1% -2% -3% -4% -5% Caudal (m3/h) repetición 1 repetición 2 Gráfico 3 Curva de error de un contador Woltman DN 80 Clase B 11

12 CURVA ERROR-CAUDAL DE DOS CONTADORES TANGENCIALES USADOS ( 7 años) DN 80 mm Error (%) 5% 0% -5% -10% -15% -20% Caudal (m3/h) repetición 1 A repetición 2 A repeticion 1 B repetición 2 B Gráfico 4. Comparativa de funcionamiento entre dos contadores tangenciales usados durante 7 años DN 80 mm Error (%) 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0-0,1-0,2-0,3-0,4-0,5 CALIBRACIÓN CAUDALÍMETRO ELECTROMAGNÉTICO DN Caudal (m3/h) Gráfico 5. Error de un caudalímetro electromagnético a distintos caudales para velocidades comprendidas entre 0,5 y 2,5 m/s. 12

13 CONCLUSIONES El Centro Nacional de Tecnología del Regadío (CENTER), órgano dependiente del Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación (MAPA) pone a disposición del sector del riego a través del Laboratorio Central para Ensayo de Materiales y equipos de Riego, un banco de ensayo para control metrológico de contadores, hidrantes, caudalímetros, y demás elementos de medida instalados en las redes de riego presurizadas, con capacidad para probar conexiones de 40 a 300 mm de diámetro y caudales comprendidos entre 0,3 a m 3 /h. El banco tiene la precisión y la capacidad necesaria para reproducir los ensayos de curva error-caudal de toda la normativa aplicable a contadores de riego, tanto nacional como internacional. Otras posibilidades del banco, de interés para el sector y que suponen líneas de trabajo del propio laboratorio, pueden ser: - Caracterización metrológica de hidrantes completos de riego, incluido filtro cazapiedras, válvulas de seccionamiento y regulación y contador. - Influencia de las distorsiones del flujo en la medida del contador aplicado a casos particulares. - Influencia de la regulación de presión y de caudal en la medición de los contadores. - Estudio de la evolución de la estabilidad metrológica con el uso en los contadores. - Verificación del funcionamiento de caudalímetros. Con la capacidad descrita del banco de ensayo de contadores, el Laboratorio Central de Materiales y Equipos de Riego invita a todos los interesados a utilizar dicho potencial y proponer nuevos estudios, líneas de trabajo, colaboraciones y encargos en el área de control metrológico de estos equipos. AGRADECIMIENTOS Al Instituto Tecnológico del Agua de la Universidad Politécnica de Valencia, que a través de varios convenios han participado desde el diseño de las instalaciones hasta la redacción de los protocolos de ensayo de los bancos y la puesta en marcha de los mismos. Al departamento de Normalización del Centro Nacional de Tecnología de Regadíos por la asistencia prestada y al resto del equipo que conforma el Laboratorio con cuyo trabajo es posible llevar a cabo las actividades que se desarrollan en el mismo. 13