INSTRUMENTACIÓN EN HIDRÁULICA FLUVIAL

Transcripción

1 INSTRUMENTACIÓN EN HIDRÁULICA FLUVIAL Mediciones con ultrasonido en ríos Curso Básico de Modelación e Instrumentación en Hidráulica Fluvial Posgrado IMTA-UNAM Ariosto Aguilar

2 Temas Principio físico de conservación de masa Métodos para determinación de caudal (global) Técnicas y métodos para cálculo de flujo en ríos y canales

3 Principio de conservación La medición del caudal o gasto se fundamenta en la ley de la conservación de masa, que enuncia la materia o masa no puede ser creada o destruida. En la norma (ISO 772, 1996) se tiene una definición más extensa inciso 1.1, el movimiento de un volumen fluido se identifica por la traslación de una substancia que no es un sólido o un gas, y es prácticamente incompresible, además no ofrece una resistencia significativa al cambio de forma y que fluye libremente.

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7 Determinación de incertidumbre (conceptos básicos) Esta parte sólo se indicarán en general algunos aspectos como, Unidades de medida (CENAM), Determinación de Incertidumbre (ISO/TR 5168 Measurement of fluid flow evaluation of uncertainties), (ISO/IEC Guide of the expression of uncertainty in measurement).

8 Definiciones básicas (VIM) Medición, proceso que consiste en obtener experimentalmente uno o varios valores que pueden atribuirse a una magnitud. Metrología, ciencia de las medición y sus aplicaciones. Mensurando, magnitud que se desea medir. Magnitud, propiedad de un fenómeno, cuerpo o sustancia que puede expresarse cuantitativamente mediante un número y una referencia Valor, conjunto formado por un número y una referencia, que constituye la expresión cuantitativa de una magnitud.

9 Principio de medición Principio de medida, fenómeno que sirve como base de una medición i.e: Dilatación o contracción del mercurio para medir la temperatura Método de medida, descripción genérica de la secuencia lógica de operaciones utilizada en una medición (que genera un procedimiento) i.e: Procedimiento para tomar la temperatura máxima y mínima del ambiente.

10 Errores Error de medida, diferencia entre un valor medido de una magnitud y un valor de referencia. Error sistemático de medida, componente del error de medida que, en mediciones repetidas, permanece constante o varía de manera predecible. Error aleatorio, componente del error de medida que, en mediciones repetidas varía de manera impredecible

11 Ejemplo de fuente de error Se tiene un disparador automático de bolas de tenis Error aleatorio (1) < Error aleatorio (2) Error sistemático (1) > Error sistemático (2)

12 Medición del error (sistemático y aleatorio) Valor verdadero Valor verdadero Media

13 Error aletorio f(x) σ 2σ +σ +2σ Se tiene una función de distribución para una secuencia de muestras Si tenemos una medición con menos de 30 muestras el valor del coeficientes covertura es diferente x x

14 Incertidumbre Una vez determinado el mensurando, el principio y el procedimiento de medición se identifican las posibles fuentes de incertidumbre, El origen de esta incertidumbre son los diversos factores relacionados en la medición, por ejemplo: Los resultados de la calibración del instrumento, La incertidumbre del patrón o material de referencia, La repetibilidad de las lecturas La reproducibilidad de las mediciones por cambio de observadores, instrumentos u otros elementos, El modelo particular de medición Variaciones en las magnitudes de influencia.

15 Otras fuentes de incertidumbre Definición incompleta del mensurando; Ejecución imperfecta de la definición del mensurando; Contar con un muestra no representativa (la muestra del mensurando puede no representar la definición del mensurando); Inadecuado conocimiento efecto de las condiciones ambientales en la medición o medición imperfecta de las condiciones ambientales; Tendencia personal en la lectura de los equipos analógicos; Resolución finita de un instrumento o discriminación de dígitos; Valores inexactos en la medición de estándares y materiales de referencia; Valores inexactos de constantes y otros parámetros obtenidos de fuentes externas y utilizadas en la reducción de datos algorítmicos; Aproximación y suposiciones incorporados en el método de medición y procedimiento; Variaciones en observaciones repetidas de un mensurando bajo condiciones aparentemente idénticas.

16 Método de evaluación tipo A (Análisis estadístico) La media aritmética de las observaciones se evalúa como: x = 1 x n i i=1 En este caso se tiene una serie de muestras de diferentes observacion, bajo una misma condición de prueba Dispersión de los datos o desviación estandar n s 2 x i = 1 n n 1 i=1 x i x 2 Cálculo de la desviación estandar experimental μ x i μ q i = s x i = s q i n La anterior indica que al aumentar el número de repeticiones se disminuye la incertidumbre tipo A.

17 Método de evaluación tipo B Considera todas las demás maneras de estimar la incertidumbre y se supone una distribución con base a la experiencia o información externa del metrólogo: Certificados de calibración, Experiencia o conocimiento general del entorno y propiedades relevantes de los materiales e instrumentos, Especificaciones de los fabricantes, Datos obtenidos de calibración y otros tipos de certificados, y Incertidumbres conocidas y referidas de datos tomados de manuales.

18 Métodos para determinación de caudal Método volumétrico y gravimétrico Método de área velocidad Método de cambio de régimen Método de sección pendiente Equipos electrónicos globales (i.e.: perfiladores)

19 El caudal o gasto se define como la contabilización de la cantidad de masa en una unidad de tiempo Método volumétrico o gravimétrico (MV) Q V t donde V, es el volumen L 3 ; t, tiempo T, y Q, caudal o gasto L 3 T 1.

20 Aplicación MV Para aplicación de este método es necesario contar con un recipiente de forma conocida y contabilizar el tiempo de llenado con un cronómetro. Trazabilidad: Con este método se realiza una cuantificación directa del volumen o masa del flujo, por lo tanto si se tienen conocidas las dimensiones y el tiempo de llenado, se dice que se tiene un método primario. Ventajas: Este método es el utilizado para la calibración de los medidores de flujo en tuberías, por el ejemplo el IMTA cuenta con dos bancos para la calibración de micro y macromedidores en tuberías de agua fría. Desventajas: Sólo se aplica en forma directa a caudales pequeños (30 l/s o menos)

21 Método de área velocidad El principio de conservación es la medición del número de partículas fluidas que se desplazan en una sección transversal, S n v Q = s n v da Donde v, es el vector velocidad; n, vector normal a la sección; da, diferencial de área, y S sección transversal de la vena líquida

22 Se discretiza la sección transversal y se mide en forma directa la velocidad, Aplicación práctica (dice vs debe) w i Q = = n i=1 n i=1 U i A i U i w i d i Donde U i, velocidad media en el área discreta; A i, área discreta d i U i

23 Número de dovelas Ancho del cauce No. dovelas b < 0.5 m 5 a < b < 1.0 m 6 a 7 1 < b < 3.0 m 7 a 12 3 < b < 5 m 13 a 16 b > 5 m 20 a 22 b

24 Equipos para medir velocidad Molinetes Medidores de velocidad ultrasónicos de efecto Doopler Perfiladores ultrasónicos de efecto Doopler Medidores ultrasónicos de tiempo de travesía de múltiples pares

25 Medición de velocidad Reducción de puntos Un punto U = U 0.6 Dos puntos U = 0.5 U U 0.8 Tres puntos U = 0.25 U U U 0.8 Cinco puntos U = 0.1 U superficie +3U U U 0.8 +

26 Se mide la velocidad en los extremo de la dovela Cálculo de gasto con el método de la sección promedio La integración del caudal se calcula con la ecuación siguiente, Q = b n+1 b n d n+1 + d n 2 U n+1 + U n 2 d b d n b n b n+1 d n+1

27 Se mide la velocidad en el centro de la dovela Cálculo del gasto con el método de la sección media La integración del caudal se calcula con la ecuación siguiente; d b b n 1 b n d n b n+1 Q = N n=1 U n d n b n+1 b n 2

28 Recomendaciones La sección de aforo debe encontrarse en un tramo recto, con pocas variaciones espaciales en la sección transversal, Número de dovelas por sección transversal 20 para un canal > 10 m. Para una medición de tipo hidrológica se acepta la medición con puntos reducidos 0.6y o 0.2,0.8y En caso de controversia entre volúmenes la medición es 3 puntos 0.2, 0.6, 0.8y Calibración reciente (no necesaria para ADV). 0.2y 0.6y 0.8y U

29 Norma de referencia ISO-748:2004 Measurement of liquid in open channels velocity area methods En el mejor de los casos la incertidumbre global es < 5% Antes de que la aparición de los equipos ultrasónicos este valor de incertidumbre era difícil de obtener.

30 Método de cambio de régimen Con la ecuación de la energía se demuestra la unicidad en la relación tirante-caudal Este método es confiable y con bajo mantenimiento

31 Principio hidráulico El principio de la energía mínima sucede cuando existe una caída de agua (cascada). En esta condición el tirante H se presenta para un sólo caudal Q H y c Por lo tanto Q H Dependiendo de la sección transversal se tienen curvas diferentes, por ejemplo para un aforador Parshall. Q = C d b h 3 2 Donde C d, coeficiente de descarga; b, el ancho de la garganta y h, la carga aguas arriba de la descarga.

32 Tipos de aforadores de cambio de régimen Aforador de garganta larga Los coeficientes de descarga son ajustables matemáticamente con una teoría de capa límite. Aforador Parshall Los coeficientes son para anchos de canal pre-establecido (en unidades inglesas) Aforador de venturi Aforador triangular

33 Medición con equipos acústicos (ondas de ultrasonido)

34 Motivación Los medidores acústicos no tienen elementos mecánicos y no inducen perturbaciones en el medio. Medición sobre un principio físico, Aplicable con alta precisión en diferentes anchos de la sección transversal, Los costos de instalación y mantenimiento bajos en comparación con los métodos tradicionales (especialmente en canales y ríos). Pueden medir diferentes tipos de fluidos (agua, gas, amoniaco, petróleo, gasolina, etc.)

35 Rangos de Aplicación de la medición acústica Medidores de tiempo de travesía Aplicaciones: tuberías a presión (2 a 11m), canales (2 m a 500 m). Precisión de 0.5% a 2%. Medidores de efecto Doppler Aplicaciones: tuberías a presión (2 a 3m), canales (2 m a 40 m), perfilación para determinación de corrientes (1.5 a m) Precisión de 2% a 5%.

36 Medidores de tiempo de travesía Multi-trayectorias interno Externo de una trayectoria

37 Medidores multi-trayectorias en canal 40m 20m 200m

38 Funcionamiento del medidor de tiempo de travesía (transit time) Un medidor de tiempo de travesía es un instrumento para medir la velocidad, por el efecto de retraso o adelanto de un pulso acústico entre dos sensores, orientados oblicuos a tubería.

39 Recomendaciones de uso en tuberías Se debe tener un tramo recto sin estructuras (válvulas, reducciones, tomas piezométricas) con una longitud de al menos 10 El flujo debe ser en una fase, si se tiene sedimentos estos deben estar uniformemente distribuidos en la columna Si existe varios codos antes del sitio de medición, se tiene que evaluar que exista un flujo secundario y la señal puede ser ruidosa (flujo swirl)

40 Par de sensores 4 Cálculo de flujo con múltiples trayectorias para tuberías El caudal se estimada Q = A N i=1 w i U i Donde las velocidades U i son las determinada en cada plano i = 1,2,,, N, y w i, es un factor de ponderación de la integración del área de influencia de cada medidor. Diámetro Par de sensores 3 Par de sensores 2 Par de sensores 1 Según la IEC para condisiderar está técnica como primaria se debe tener cuatro planos con ocho pares de sensores cruzados Incertidumbre < 0.5%

41 Cálculo de flujo con múltiples trayectorias para canales El caudal se estimada Q = A N i=1 w i U i Donde las velocidades U i son las determinada en cada plano i = 1,2,,, N, y w i, es un factor de ponderación de la intefración del área de influencia de cada medidor. Tirante Par de sensores 4 Par de sensores 3 Par de sensores 2 Par de sensores 1 La forma de integrar los valores de ponderación se ajustan por el Método de sección media o sección promedio (similar a la ISO 748 ) Incertidumbre < 5%!!

42 Medidores Doppler Lateral en canal Perfilador de velocidad móvil

43 Medidores de efecto doppler

44 Medidor ultrasónico Doppler Principio, se tiene una fuente de emisión de un pulso de sonido, cual se traslada a través del agua. El pulso es reflejado por las partículas que son transportadas por el flujo (sedimento, materia orgánica o burbujas), estas reemite el pulso, pero si la partícula se aleja del sensor se disminuye la frencuencia o en caso contrario aumenta la frecuencia.

45 Ejemplo de corrimiento doppler 1 2 Por ejemplo si tenemos una frecuencia f del oleaje cerca de la costa, si caminamos desde el punto 1 a 2, entonces la frecuencia del oleaje que registramos f 1 2 > f y ahora realizamos el caso inverso f 2 1 < f Esta difencia de frecuencias están en función de la velocidad y sentido con nos traladamos del punto 1 a 2, (efecto Doppler)

46 Perfilación acústica Pulso recibido f D Pulso transmitido f 0 El objeto se acerca f D < f 0 El objeto se aleja f D > f 0 T p Condición estacionaria f D f 0

47 Perfilación acústica En caso de un perfilador acústico se emite la señal a un frecuencia f En el proceso de recepción se corta el registro en intervalos discreto t Para cada t se tiene un cambio de frecuencia f D, entonces se tienen diferentes velocidades a lo largo de la columna de agua

48 Determinación del caudal Para los equipos móviles (botes) el caudal se determina por medio del método de área-velocidad (ISO-748), Q = = n i=1 n i=1 U i A i U i w i d i Perfil Vertical Profundidad de las celdas

49 Generalidades del perfilador acústico montado en un barco

50 Perfilador SonTek S5 5 Sensores ultrasónicos 4 sensors para medición de velocidad Frecuencia 3 Mhz Rango de perfilación de velocidad ~0.2 m to 5.0 m 1 sensor para medir la profundidad Frecuencia 1 Mhz Rango ~ m Frecuencia de muestreo 1 Hz

51 Perfilador SonTek M9 9- Sensores ultrasónicos 4 Sensores a 1 Mhz 4 Sensores 3 Mhz 1 Sensores de profundidad de 0.5 Mhz Rango de perfilación de ~0.3 m 30.0 m Frecuencia de muestreo 1 Hz.

52 Configuración automática El equipo ajusta el tamaño de la celda en función de profundidad Opera para banda ancha. Para el cálculo de gasto determina la velocidad media por dovela

53 TRDI RiverRay Transductor Phased array (cara plana) Sensor con un ángulo de 30 grados Frecuencia única de 600 khz

54 Seguimiento del perfilador con GPS Los equipos cuentan con tres opciones de rastreo, de fondo (botton tracking), GPS-GCA, GPS-VTG GGA VTG

55 Flow Prueba de movimiento de fondo (MF) Tres métodos para detector el MF 1. Prueba fija - sin GPS 2. Prueba fija - con GPS 3. Método loop D UP

56 Número de transectos

57 Tiempo 0 de 500 prueba Percent Difference from 12-Pass Mean Oberg and Mueller (2007a). Validation of Streamflow Measurements Made with ADCPs. Journal of Hydraulic Engineering, 133(12), Duration in seconds

58 Aforo en río Grijalva en Frontera Tabasco, caudal 3722 m 3 /s, agosto 2013 (referencia doble GPS y ajuste de salinidad con CTD)

59 Ejemplo de aforo con un equipo móvil en el canal Alto del Yaqui (IMTA 2006)

60 Ejemplo de verificación de un aforo con metodologías diferentes Sitio de medición, a la salida de la presa Mocúzari en el Distrito de Riego 038 Equipos utilizados, perfilador acústico M9 Sontek multifrecuencia, y molinetes mecánicos price AA Procedimiento de medición, con el equipo M9 se realizó un aforo con movimiento continuo y estacionario (ISO-748), en el caso del molinete el operario aplicó el método de reducción de puntos a 0.6 del tirante

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62 Aforo con equipo M9 modo móvil

63 Aforo con equipo M9 modo estacionario

64 Resumen de incertidumbre global Tipo aforo Caudal (m3/s) COV (m3/s) p=0.95 (m3/s) Incertidu mbre global % Móvil % Estacionario (10 dovelas) % Estacionario (20 dovelas) Molinete %

65 Perfiladores laterales SL/SW-ADCP Los equipos de medición de velocidad lateral o fondo (ADCP o ADV), utilizan para calcular el caudal el método de la velocidad índice (Index velocity method) (Schmidt 2004, 2005), y este consiste en una intercalibración de velocidades por medio de aforos en campo con molinete o perfilador móvil (ISO-748).

66 Perfilador ADV-fondo Río Nazas Durango

67 Principios del método de la velocidad índice El patrón de velocidad puede tiene cambios muy importantes con relación al caudal y nivel. Para ajustar estos cambios se realiza un ajuste de la velocidad medida en función del tirante Aforador de tiempo de travesía Q = A y α + βy U ADCP

68 Estación de aforó Juan Sarabia Ubicado en el río Hondo, Quintana Roo Equipo: perfilador acústico ADCP de fondo Montaje: inmersión submarina Calibración: Método de la velocidad índice

69 Montaje del equipo ADCP

70 Características de la sección Elevaciones-área Velocidad índice

71 Ejemplo de aforo de calibración

72 Hidrograma de la estación Juan Sarabia

73 Escala de gastos En la práctica se puede recomendar construir un escala de elevaciones descargas Instalación del nivel Calibración para diferentes gastos Mantener el registro e incluso emitir alarmas de volúmenes descargados En la estación Juan Sarabia se verificó la calidad en la medición de caudales al instalar una escala

74 Gasto en m 3 /s Calidad en la medición con la escala de elevaciones gastos Nivel en metros

75 CALIBRACIÓN DE UN EQUIPO ACÚSTICO DOPPLER LATERAL CON EL MÉTODO DE LA VELOCIDAD ÍNDICE EN RÍO GRIJALVA Ariosto Aguilar y Víctor Mejía Instituto Mexicano de Tecnología del Agua 2011

76 Introducción La medición del caudal en ríos y canales a superficie libre ha tenido un cambio tecnológico con el uso de equipos de medición ultrasónica o de emisión de señal electromagnética. Estos equipos permiten monitorear en forma continua la variación del nivel, velocidad, y caudal y totalizar el volumen; Estas cualidades o versatilidades de estos equipos han sustituido con gran eficacia el procedimiento clásico de aforo con molinete (Tamari y Aguilar-Chávez, 2007).

77 Determinación de la trazabilidad Aplicación de la ISO procedimiento de laboratorios de medición y prueba En muchos casos, no es posible establecer el procedimiento de medición, que asegure la trazabilidad en la estimación con el principio de medición primaria de volumen o masa. Por este motivo, se han establecido algunos procedimientos (Tamari y Aguilar, 2010) o normas (ISO 15769: 2010) que indican la forma en cómo se debe calibrar los equipos de medición ultrasónicos de efecto Doppler o ADP ( Acoustic Doppler Profiler) en campo.

78 Método de calibración de un equipo ADP-SL (1) Sea la ecuación de cálculo de caudal Q U =A(y) U R donde, Q U gasto o caudal que circula en el río o canal; A(y), función del área de la sección transversal; y, tirante en la sección transversal, y, U R velocidad media real que circula en la sección de aforo La función de área para una sección prismática es A(y) = a +b y + c y 2 para una sección irregular se utilizá un polinomio de mayor de orden, este criterio lo han establecido los fabricantes de los equipos.

79 Método de calibración de un equipo ADP- SL (2) Bajo este principio la velocidad índice se construye con el siguiente modelo: U R =f (U ADP-SL, y ) = a + b y + g U ADP-SL y donde U R, es la velocidad media medida con el equipo ADP-SL; f (U ADP-SL, y ), modelo estadístico de correlación; y, tirante en la sección transversal y, U ADP-SL, velocidad media real que circula en la sección de aforo. La propuesta del modelo correlación estadística que han definido los fabricantes de los equipos es (Schmidt y Espey, 2004): La propuesta del modelo anterior indica que se tiene una correlación lineal entre la velocidad medida por el equipo ADP y la real que se tiene en la sección transversal, y los fabricantes de equipos consideran que este modelo es suficiente para obtener una calibración en caudal de un equipo ADP en un río o canal.

80 Sitio de instalación Ubicación de la estación hidrométrica de la mandarina Proceso de instalación del equipo ADP-SL

81 Montaje del equipo

82 Aforos de calibración Aforo con equipo ADP montados en barquitos Resultado de aforo para 1400 m3/s

83 Curva de calibración por el método de la velocidad índice Curva de la velocidad índice V media = Vx V media (m/s) 0.6 R 2 = Verificación calibración Lineal (calibración) Vx (m/s)

84 Incertidumbre global del equipo ADP-SL 12% 9% Incertidumbre = 7.68% (p=0.95) 6% 3% DQ (%) 0% AQ (verificación) AQ (calibración) p= 0.95 p= % -6% -9% -12% Q (m3/s)

85 Discusión En estricto sentido estadístico el modelo para estimar la incertidumbre debe ser la acumulación de la incertidumbre global del equipo de calibración (ADP móvil montado en un barquito), adicionando la incertidumbre en la estimación de la velocidad con y la incertidumbre generada por el uso del modelo de correlación estadística indicado en la ecuación de caudal En la práctica de calibración se considera el valor del caudal con ADP móvil tiene un valor insesgado y el valor del ruido se conoce después de aplicar la repeticiones de calibración, entonces el valor de incertidumbre está englobado en el modelo de correlación estadística (4).

86 Prospectiva de uso de equipos ADP para las estaciones hidrométricas Metodología Área-velocidad (ISO- 748) Velocidad índice (ISO/TS 24154) Relación de cargacaudal (ISO ) Método de caída relación constante (ISO-9123) Equipo o parámetros Perfilador acústico doppler ADP, móvil Perfilador acústico doppler ADP lateral fijo (ver gráficas 1 2) Medición Aguas Arriba del canal Medición de diferencia entre el nivel aguas arriba nivel aguas abajo ( ajuste polinomial de 4 orden) Medición de Nivel Aguas arriba y diferencia de nivel aguas arriba- nivel aguas abajo Incer p = 0.95 Costo de operación Rango de operación Q (m3/s) 4% $$$ % $ % $ 0 10,000 28% $ 0 10,000 26% $ 0 10,000

87 INSTRUMENTACIÓN DE LA ESTACIÓN DE AFOROS LOS ALDAMAS N.L. Instituto Mexicano de Tecnología del Agua Coordinación de Tecnología Hidráulica Subcoordinación de Obras y Equipos Hidráulicos

88 Antecedentes La Comisión Nacional del Agua, por medio de la Gerencia de Distritos y Unidades de Riego, encargó al IMTA poner en marcha un sistema para monitorear el gasto del río San Juán, a altura de la estación Los Aldamas

89 Objetivo y alcances Desarrollo e instalación de un sistema para conocer en tiempo real el gasto del río San Juan, a altura de la estación de aforo Los Aldamas (N.L.)

90 Calibración de la estación de aforos En 2004, se estableció una curva tirante - gasto para la estación Los Aldamas. Así, se puede estimar el gasto si se monitorea el nivel del agua en este sitio. ISO : 1998(E). Measurement of liquid flow in open channels, Part 2: Determination of the stage-discharge relation.

91 Requerimientos para el nivel y caudal - Escala de Medición: E.M. = 8 m En casos extremos, el tirante puede alcanzar los 16 m - Precisión absoluta: a = 10 mm Precisión relativa: r = 1 / 8, %

92 Error relativo (%) Error absoluto (m3/s) Precisión en la determinación del caudal 10 8 Estación de aforo "Los Aldamas" Error teórico sobre la estimación del gasto, cuando se comete un error de 1 cm para leer el tirante <= Error relativo Error absoluto => Tirante (m) 0.0

93 Sistema de medición (3) Equipo instalado en el puente

94 Reporte de caudal (28 de septiembre de 2005 en adelante) Gasto (m 3 /s) Días (inicio 29/09/2005)

95 Reporte de volumen acumulado Volumen acumulado Mm3 (28 de septiembre de 2005 al 19 de abril de 2006) Volumen (Mm 3 ) Días (inicio 28/09/05)

96 Gracias