Tecnologías para la Medición de Caudal en Aguas Residuales

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1 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

2 Un desafío permanente

3 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.

4 OPCIONES MÁS COMUNES 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 Ultrasónico híbrido para condiciones variables

5 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

6 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

7 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. f D f s = vt 1 cosθ v c donde fs = Frecuencia transmitida fd. = Frecuencia recibida Vt = Velocidad de la partícula Vc = Velocidad sónica O = Ángulo de transmisión fd fs Flujo

8 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 Vel. flujo T 1 - T 2 Flujo A B Sensor Aguas Abajo

9 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

10 Criterios de Selección de tecnología adecuaada: perfil de flujo El agua en movimiento no es un cuerpo homogéneo, sino la suma de varias partículas moviéndose a distintas velocidades (perfil de flujo). FLUJO NO LAMINAR FLUJO LAMINAR

11 Criterios de Selección de tecnología adecuada: 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 Velocidad Media Ultrasónico Electromagnético

12 Criterios de Selección de tecnología adecuada: tren de medición mecánica Tipo de Medidor Diámetros estándar aguas arriba aguas abajo Diámetros despúes de bomba vertical Accesorios Electromagnético No No Ultrasónico Srtap On 5 a No No Ultrasónico Bridado No No Turbina Sí Sí de protección hidráulica Reemplazo periódico de partes Ultrasonicos Strap On son recomendados solo para los efluentes salidas- y para los diametros mayores por su facil instalacion y mantenimiento

13 Criterios de Selección de tecnología adecuada: caracteristicas del líquido Tipo de Medidor Inmunidad a temperatura del Agua Inmunidad a arenas, sólidos en suspensión Energía eléctrica Electromagnético Sí Sí Sí Ultrasónico Sí No Sí Ultrasónico Bridado Si No No Turbina No No No Ultrasonicos Strap On son recomendados solo para los efluentes salidas- y para los diametros mayores por su facil instalacion y mantenimiento

14 Nueva Tecnología: medidor ultrasónico híbrido Tipo Cartucho

15 Nueva Tecnología: medidor ultrasónico híbrido Display, medición de velocidad, gasto y volumen, salidas de telemetría, data logger Sensores ultrasónicos tiempo de tránsito (trayectoria simple y doble) Tipo Cartucho Completamente ensamblado y calibrado de fábrica dentro de cartucho de Acero Inox. Sensor ultrasónico de nivel Canaleta Flume trapezoidal integrada

16 Nueva Tecnología: medidor ultrasónico híbrido 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

17 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.

18 Nueva Tecnología: medidor ultrasónico híbrido Tipo Cartucho BAJOS CAUDALES (Exactitud ±1 a 2 %) 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.

19 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

20 Nueva Tecnología: medidor ultrasónico híbrido Tipo Cartucho CAUDALES MEDIOS A ALTOS (Exactitud ±1 a 2 %) 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 )

21 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.

22 Nueva Tecnología: medidor ultrasónico híbrido Tipo Cartucho FLUJOS INVERSOS (Exactitud ±1 a 2 %) 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.

23 Nueva Tecnología: medidor ultrasónico híbrido Tipo Cartucho FLUJO ESTANCADO 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)

24 Nueva Tecnología: medidor ultrasónico híbrido Tipo Cartucho FLUJO ESTANCADO 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.

25 FLUJO DE SOBRECARGA 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.

26 Nueva Tecnología: medidor ultrasónico híbrido Tipo Cartucho 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.

27 Nueva Tecnología: medidor ultrasónico híbrido 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

28 Nueva Tecnología: medidor ultrasónico híbrido En resumen: Tipo Cartucho 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.

29 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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