http://www.conagua.gob.mx/CONAGUA07/Noticias/Placa_orificio.pdf

SERIE AUTODIDÁCTICA DE MEDICIÓN DEL AGUA
PLACA ORIFICIO
Autor: Rivas, A. I.
Revisor: Juárez N. R..
Editor: Ochoa A. L.
SUBDIRECCIÓN GENERAL DE ADMINISTRACIÓN DEL AGUA
SEMARNAP
CNA
IMTA
COORDINACIÓN DE TECNOLOGÍA HIDRÁULICA
PARTICIPANTES
 C omisión N acional del Agua, CN A
 Instituto Mexic ano de T ecnología del
Agua, IMTA
Edita:
C omisión N ac i onal del A gua,
Subdir ección G ener al de Administr ac ión
del Agua
Ger encia de R ec audación y C ontr ol
Subger enc ia d e Inspección y Medic ión
En la realización de este documento,
colaboraron: Especialistas del Instituto
Mexicano de Tecnología del Agua (1), y
de
la
Subdirección
General
de
Administración del Agua de la Comisión
Nacional del Agua, CNA (2).
Elaboración: Iván Rivas Acosta
Revisión: Raúl Juárez Nájera
Edición: Leonel H. Ochoa Alejo
Instituto Mexic ano de T ecnología d el
Agua
C oor dinación d e T ecnología H idr áu lic a
Subc oor dinación de Hidr áulic a R ur al y
Urbana
Elabor a:
Grupo de H idr áulic a Rur al y Urbana del
IMTA
Grupo de Inspección y Medición de la
CNA
Imprime:
Instituto Mexic ano de T ecnología d el
Agua
ISBN 968-7417- 70- 6
Para mayor información dirigirse a:
SUBGERENCIA DE INSPECCIÓN Y
MEDICIÓN
GERENCIA DE RECAUDACIÓN Y
CONTROL
Subdirección General de Administración
del Agua
Insurgentes Sur # 1969, 1er piso, Colonia
Florida CP. 01030, México D.F.
Tel. (01) 5661-8381, Fax. (01) 5661-7149,
Email: rmerino@sgaa.cna.gob.mx
SUBCOORDINACIÓN DE HIDRÁULICA
RURAL Y URBANA
COORDINACIÓN DE TECNOLOGÍA
HIDRÁULICA
Paseo Cuauhnáhuac # 8532, Colonia
Progreso, CP. 62550, Jiutepec, Morelos
Tel. y Fax (017) 319-4012,
Email: nahung@tlaloc.imta.mx
Derechos Reservados Por: Comisión
Nacional del Agua, Insurgentes Sur #
2140, Ermita San Angel, C.P. 01070,
México, D.F. e Instituto Mexicano de
Tecnología
del
Agua,
Paseo
Cuauhnáhuac # 8532, Colonia Progreso,
C.P. 62550, Jiutepec, Morelos. Esta
edición y sus características son
propiedad de la Comisión Nacional del
Agua Y del Instituto Mexicano de
Tecnología del Agua.
PREFACIO
El 1° de diciembre de 1992 se publicó en el Diario Oficial de la Federación, La Ley de Aguas Nacionales, en donde se exponen los artículos 7-VIII,
26-II, 29-V-VI, 119-VII-X-XI, relacionados con la medición del agua.
Con base en esta Ley de Aguas Nacionales, la Comisión Nacional del Agua, CNA, a través de la Subdirección General de Administración del Agua,
desarrolla continuamente campañas de instrumentación y medición de caudales, con el fin de controlar y verificar las cantidades de agua
asignadas en las concesiones a los diversos usuarios de las fuentes de abastecimiento.
Ante esta situación y a la dificultad que representa el uso de los diferentes aparatos de aforo, la CNA y el Instituto Mexicano de Tecnología del
Agua, IMTA, han elaborado esta serie de documentos autodidácticos, para que el personal técnico de dicha dependencia se capacite en el manejo
de las técnicas existentes de medición de gasto, así como en el manejo de equipos y en los procedimientos de adquisición y análisis de datos.
La serie autodidáctica está enfocada a las prácticas operativas y equipos medidores que cotidianamente utiliza la CNA en sus actividades de
verificación de los equipos de medición instalados en los aprovechamientos de los usuarios del agua y muestra las técnicas modernas sobre: a)
inspección de sitios donde se explota el agua nacional; b) verificación de medidores de gasto instalados en las diversas fuentes de suministro o
descarga de agua; c) procedimientos y especificaciones de instalación de equipos; d) realización de aforos comparativos con los reportados por los
usuarios; d) cuidados, calibración y mantenimiento de los aparatos.
En general, cada documento de la serie está compuesto por dos partes: a) un documento escrito, que describe los principios de operación de un
medidor particular, cómo se instala físicamente, qué pruebas de precisión se requieren, cómo se hace el registro e interpretación de lecturas y
procesamiento de información, de qué manera hay que efectuar el mantenimiento básico, cuáles son sus ventajas y desventajas, y que
proveedores existen en el mercado; b) un disco compacto, CD, elaborado en el paquete “Power Point de Microsoft”, construido con hipervínculos,
diagramas, fotografías, ilustraciones, según lo requiera cada tema.
Con estos serie de documentos se pretende agilizar el proceso de capacitación a los técnicos que realizan dichas actividades de medición.
CONTENIDO
Página
1. ¿PARA QUIÉN Y POR QUÉ? Y EVALÚA SI SABES
1
2. PRINCIPIOS DE OPERACIÓN Y DESCRIPCION DE
COMPONENTES
2
3. REQUERIMIENTOS DE INSTALACION FISICA
5
4. ESPECIFICACIONES TECNICAS DE INSTALACION
6
5. CALCULO DEL GASTO
10
6. REGISTRO DE LECTURAS Y PROCESAMIENTO
DE LA INFORMACION
11
7. MANTENIMIENTO BASICO
13
8. VENTAJAS Y DESVENTAJAS
14
9 LISTADO DE PRINCIPALES PROVEEDORES
15
1. ¿PARA QUIÉN Y
PORQUE? Y EVALÚA
SI SABES
1.1 ¿PARA QUIÉN?
Este manual esta dirigido a técnicos,
ingenieros, operadores de redes de
distribución de agua potable y a todos los
interesados en la capacitación sobre la
instalación, uso y manejo del medidor de
gasto del tipo placa de orificio.
Dentro de un sistema de agua potable el
conocimiento del caudal que pasa por
determinado
tramo
de
tubería,
es
sumamente importante por lo cual saber
como se maneja el dispositivo de placa de
orificio es muy importante.
1.2 ¿ POR QUÉ?
Es necesario saber principalmente cual es el
procedimiento el cual se debe seguir para
poder manejar con habilidad la placa de
orificio.
1.3 EVALUA SI SABES:
1.- Identificar una placa orificio.
2.- Revisar si la instalación es correcta.
Conocer lo siguiente:
3.- Verificar si la operación es adecuada.
•
•
•
•
•
•
•
4.- Determinar el gasto que circula.
Principio de operación
Partes que lo integran
Especificaciones técnicas
Requisitos de instalación
Cálculo del gasto
Manejo de datos
Técnicas de mantenimiento
5.- Proporcionar mantenimiento.
6.- En que casos es recomendable colocar
este dispositivo.
Dado que este equipo de medición es
sumamente útil, es necesario su adecuado
conocimiento, instalación y uso.
Para poder utilizarlo con eficiencia, se deben
de conocer las características del sitio de
medición, se requiere conocer:
1) Características de la tubería
Diámetro de la tubería y diámetro del orificio.
2) Caracteristicas del tramo en estudio
Longitud del tramo necesario aguas arriba y
aguas abajo. Especificaciones requeridas.
De acuerdo a las características particulares
de cada caso, es necesario evaluar si la
instalación es correcta.
Para diagnosticar tu aprendizaje, a lo
largo del manual te encontrarás con
dos autoevaluaciones que permitirán
saber cuanto has aprendido sobre el
medidor tipo placa de orificio.
O bien, si no existe medición en el sitio,
decidir si es conveniente colocar este tipo de
medidor.
1
2. PRINCIPIOS DE
OPERACIÓN Y
DESCRIPCION DE
COMPONENTES
A continuación se explican en que consisten
cada uno de ellos.
2.1 GENERALIDADES
2.2 ELEMENTOS PRIMARIOS
La placa de orificio es uno de los
dispositivos de medición más antiguos, fue
diseñado para usarse en gases, no obstante
se ha aplicado ampliamente y con gran éxito
para medir el gasto de agua en tuberías.
Se encuentran dentro de la tubería, se
integran por el orificio y la placa de orificio,
que consiste en una placa delgada y plana
(de 1/8” a 3/8”
de espesor) con una
perforación circular que guarda diferentes
posiciones en relación con el centro de la
tubería, esta posición puede ser concéntrica,
excéntrica o segmentada (figura 2.1).
En 1991, se reunieron ingenieros de muchos
países para establecer las características
geométricas, reglas para la instalación y
operación de este dispositivo. Como
resultado se obtuvo una norma internacional
válida en todo el mundo, esta es la Norma
ISO 5167-1, la cual se aplica en México.
Los componentes que integran el equipo de
medición se dividen en elementos primarios
y en elementos secundarios.
2.3 ELEMENTOS SECUNDARIOS
Se encuentran fuera de la tubería, son
dispositivos para medir la presión en la
tubería, esta operación se realiza con las
tomas de presión. (figura 2.2).
Figura 2.2. Se colocan dos tomas de
presión una antes y otra después de
la placa orificio
.
Figura 2.1. El orificio de la placa puede
tener diferentes posiciones. La placa se
construye de acero inoxidable tipo 316
para garantizar su dureza
Dado que las placas orificio concéntricas
son las más comunes, son las que veremos
a detalle.
El diámetro del orificio y el espesor de la
placa son muy importantes, el capítulo 3 te
explica de que tamaño deben ser.
2
Las especificaciones de este manual
corresponden a esta Norma, es
necesario respetarla para que las
inspecciones y mediciones que
realices sean confiables.
La ubicación de estas tomas es muy
importante, el capítulo 3 te explica
donde debes colocarlas.
2.4 ¿COMO FUNCIONA ...?
Es importante comprender que en cualquier
tubería por la cual circula agua, la presión
aumenta cuando la velocidad disminuye y la
presión disminuye cuando la velocidad
aumenta.
Vamos a referirnos a la figura (2.3), donde
se muestra un corte transversal del
dispositivo de medición.
Al pasar el agua por el orificio, para
compensar la disminución del área, la
velocidad aumenta y la presión disminuye,
llegando a su menor valor cuando la
velocidad es máxima.
Aguas abajo de este punto, el flujo de
dispersa, disminuye la velocidad y se
presenta un aumento de la presión en el
punto D.
Después de la placa, la velocidad se
recupera porque el agua circula en toda la
tubería (punto E).
Vamos a llamar la presión aguas arriba de la
placa de orificio como h1, mientras que la
presión aguas abajo como h2. La diferencia
entre ambas (h1-h2) se conoce como la
presión diferencial, la cual simbolizaremos
por h.
Imaginemos que el agua circula por una
tubería normal de acero sin que nada la
detenga, en este caso la velocidad de un
punto de la tubería a otro no cambia.
Debido a la reducción de la velocidad, la
presión justo antes del orificio (punto B) es
un poco mayor que la presión de operación
en la línea de conducción aguas arriba
(punto A).
La medición del gasto se determina
conociendo las características geométricas
del dispositivo, la presión diferencial y la
densidad del agua.
Si tienes un diámetro de orificio d y una
tubería con un diámetro D, necesitas
determinar el cociente d/D, al cual
llamaremos con la letra griega beta (β). Este
valor, se conoce como la relación de
diámetros.
La densidad de un cuerpo, indica cuanto
pesa dentro de un determinado volúmen, se
representa por la letra griega ro (ρ), para el
3
agua limpia tiene un valor de 1,000 Kg/m .
Al combinar dos ecuaciones hidráulicas, que
son La Ecuación de la Energía (o Teorema
de Bernoulli) y La Ecuación de Continuidad,
se forma una ecuación para calcular el
gasto:
Cd
π 2 2h
Q=
d
ρ
1− β4 4
Figura 2.3. La placa orificio origina que
la velocidad aumente y por lo tanto la
presión disminuye
Pero la placa de orificio (punto C) insertada
en la tubería origina que el agua choque con
la placa y disminuya su velocidad.
2.4 ¿COMO CALCULO EL GASTO
QUE PASA POR LA TUBERÍA ...?
pi (π) es una letra del alfabeto griego que es
igual a 3.1416.
La función de los elementos primarios
es generar la presión diferencial.
Mientras que la de los elementos
secundarios es medir y registrar esta
presión diferencial
El coeficiente de descarga Cd es un valor de
ajuste que compensa la distribución de
velocidad y las pérdidas de carga menores
que no fueron tomadas en cuenta al obtener
la ecuación del gasto, su valor se determina
para cada dispositivo, depende de cómo se
coloquen las tomas de presión.
El capítulo 4 te explica las diferentes formas
de colocar las tomas de presión.
El capítulo 5 te explica que valores debes
usar para el coeficiente de descarga,
dependiendo
de
la
instalación.
3
AUTOEVALUACIÓN 1
5.- ¿ Cual es la función de los elementos
primarios ?
10.- ¿ Cuáles son las tres variables que
determinan el gasto ?
a) General la presión diferencial
b) Medir y registrar la presión diferencial
c) Disminuir la pérdida de carga
d) Mejorar la medición
a) La relación de diámetros, la presión
diferencial y la densidad
b) La relación de diámetros, la viscosidad y
la presión diferencial
c) La presión diferencial, la densidad y el
diámetro de la tubería
d) La densidad, la temperatura y el diámetro
del orificio
6.- ¿ Cual es la función de los elementos
secundarios ?
1.- ¿ Cuál de las siguientes normas
regula el uso de las placas orificio ?
a) Proteger a la tubería contra corrosión
b) Medir y registrar la presión diferencial
c) Proporcionar mantenimiento
d) Mejorar la precisión del gasto
a) NOM 290
b) ISO 5167-1
c) ISO 12764
d) ASTMA-185-73
7.- ¿ Cual es la relación de diámetros β,
para un dispositivo cuando el diámetro
de la tubería es de 10 pulg y el del orificio
es de 5 pulg ?
2.- ¿ Donde se encuentran los elementos
primarios ?
a) Dentro de la tubería
b) Fuera de la tubería
c) Dentro y fuera de la tubería
d) Depende de la instalación
3.- ¿ Donde se encuentran los elementos
secundarios ?
a) Fuera de la tubería
b) Dentro de la tubería
c) Dentro y fuera de la tubería
d) Depende de la instalación
4.- ¿ Que sucede con la presión interna
del agua cuando su velocidad dentro de
la tubería disminuye ?
a) Disminuye
b) Se mantiene constante
c) Aumenta
4
a) 2.00
b) 1.50
c) 1.05
d) 0.50
8.- ¿ Que indica la densidad de un fluído?
a) La compresibilidad
b) La resistencia opuesta a las fuerzas
cortantes
c) El valor de la presión con relación a la
presión manométrica
d) Su peso por unidad de volúmen
9.- ¿ Cuáles son las dos ecuaciones de la
hidráulica que determinan la ecuación del
gasto ?
a) Cantidad de movimiento y energía
b) Energía y continuidad
c) Continuidad y cantidad de movimiento
d) Ninguna de las anteriores
3. REQUERIMIENTOS
DE INSTALACION
FISICA
3.1 DIÁMETROS MÍNIMO Y
MAXIMO
Para poder emplear la placa orificio, el
diámetro mínimo de la tubería debe de ser
de 2 pulg. y el máximo de 50 pulg. Lo
anterior no representa problema, ya que los
diámetros más comunes son de 6, 8, 10 y 12
pulg.
3.2 CONDICIONES DE
OPERACIÓN
Conociendo la relación de diámetros β que
se explico que es en el capítulo anterior, es
posible saber que longitud de tramo recto de
tubería aguas arriba (A) y aguas abajo (B)
se requieren.
En la figura (4.1), se reproducen diferentes
condiciones de instalación y a partir de la
relación de diámetros, se muestra la longitud
necesaria del tramo recto para que se
establezca un flujo uniforme.
Es muy importante revisar las
longitudes de tramo recto aguas
arriba (A) y aguas abajo (B) para que
se presente el flujo uniforme en el
sitio de medición.
Es necesario que en las instalaciones que
revises verifiques lo siguiente:
1.- Que la tubería sea circular.
2.- Que la tubería sea horizontal.
3.- Que el agua circule a tubo lleno.
4.- Que el diámetro antes y después de la
placa sea el mismo.
5.- Que el interior de la tubería se encuentre
limpio y libre de incrustaciones, al menos 10
diámetros aguas arriba de la placa y 4
diámetros después de la misma.
3.3 ¿COMO ASEGURARSE DE
QUE EL AGUA ANTES DE LA
PLACA ORIFICIO CIRCULA DE
MANERA UNIFORME ?
Esta condición es muy importante, para que
la medición del gasto sea lo mas precisa
posible.
Se logra con una suficiente longitud de
tramo recto aguas arriba y aguas abajo de la
placa, con ello se garantiza que el flujo es
uniforme.
5
4.2 ¿EXISTEN EN LA PRÁCTICA
DIMENSIONES RECOMENDADAS
PARA LA PLACA DE ORIFICIO?
4. ESPECIFICACIONES
TECNICAS DE
INSTALACION
En la figura (4.2) puedes ver la sección
transversal de una placa orificio y sus
características
geométricas,
observas
dimensiones como:
4.1 ¿COMO SE COLOCA?
El dispositivo primario, es decir la placa de
orificio, es fijado a la tubería entre un par de
bridas con sus respectivos empaques. En la
fotografía siguiente puedes observar la placa
de orificio insertada en la tubería
D = diámetro de la tubería
d = diámetro del orificio
E = espesor de la placa
e = espesor del orificio
E
Fotografía 4.2. Las tomas de presión
sirven para medir la presión antes y
después de la placa orificio.
Cara aguas abajo
Cara aguas arriba
e
Dirección del
agua
Fotografía 4.1 La placa orificio se
inserta entre un par de bridas. Es
necesario que el orificio quede al
Placa orificio
Resulta de esencial importancia que las
caras de la placa orificio se coloquen
verticales y bien limpias.
La presión diferencial h, se mide con un
manómetro diferencial (figura 4.1).
6
d
Eje central
de la tubería
45°
Figura 4.2. Dimensiones generales de
la placa orificio
Mientras que los dispositivos secundarios,
es decir las tomas de presión, se colocan
antes y después de la placa.
En la fotografía (4.2), puedes apreciar las
tomas de presión, la diferencia entre ambos
valores de presión, se conoce como presión
diferencial, es indispensable conocer su
valor para saber el gasto que esta pasando
por la tubería.
D
Figura 4.1 El manómetro diferencial
permite conocer cual es la diferencia de
presiones antes y después de la placa
orificio. Las tomas de presión se
conectan a las mangueras
Diámetro
(pulg)
(mm)
609.60
24
508.00
20
457.20
18
406.40
16
355.60
14
304.80
12
254.00
10
203.20
8
152.40
6
101.60
4
La Norma ISO 5167-1 establece que
espesor debe tener la placa y que
proporción debe tener el orificio en
relación al diámetro de la tubería.
La tabla (4.1), te muestra los valores mínimo
y máximo de los espesores e y E, en función
del diámetro de la tubería que utilices.
También, el valor mínimo y máximo del
diámetro del orificio y de los valores de la
relación de diámetros β (d/D).
Dimensión
e
E
d
d/D
Mínimo
0.005D
0.005D
½ pulg
0.20
Máximo
0.02D
0.05D
38 pulg
0.75
Tabla 4.1. Dimensiones recomendadas
para los elementos primarios
Al aplicar el criterio expuesto en la tabla
(4.1) para diferentes diámetros de tubería,
obtenemos la tabla (4.2).
e (mm)
minimo máximo
3.05
12.19
2.54
10.16
2.29
9.14
2.03
8.13
1.78
7.11
1.52
6.10
1.27
5.08
1.02
4.06
0.76
3.05
0.51
2.03
E (mm)
minimo máximo
3.05
30.48
2.54
25.40
2.29
22.86
2.03
20.32
1.78
17.78
1.52
15.24
1.27
12.70
1.02
10.16
0.76
7.62
0.51
5.08
En la siguientes figuras, observas secciones
transversales de los tres tipos de
instalaciones:
Toma de presión
aguas arriba
D/2
Toma de presión
aguas abajo
D
D
Dirección del
agua
Tabla 4.2. Dimensiones extremas para
los elementos primarios
Figura 4.3. Tomas de presión a D-D/2
En caso de que el espesor E sea mayor a e,
se debe de colocar un bisel a 45° en la
esquina aguas arriba, como se muestra en
la figura (4.1).
4.3 ¿A QUE DISTANCIA DEBO
DE COLOCAR LAS TOMAS DE
PRESIÓN?
Toma de presión
aguas arriba
1 pulg
Toma de presión
aguas abajo
1 pulg
Dirección del
agua
D
Existen tres posiciones de instalación, la
tabla siguiente te muestra las distancias
requeridas aguas arriba (L1) y aguas abajo
(L2) para cada tipo de instalación.
Tipo de instalación
D-D/2
A una pulg
En los bordes
L1
D
L2
D/2
Figura 4.4. Tomas de presión a una
pulg
1 pulg
Cero
Tabla 4.3. Posiciones de las tomas de
presión
Toma de presión
aguas arriba
D
Toma de presión
aguas abajo
Dirección del
agua
.
Figura 4.5. Tomas de presión en los
bordes
7
4.4 ¿QUE PÉRDIDA DE CARGA
GENERA ESTE DISPOSITIVO?
Una desventaja importante de este tipo de
medidor es la pérdida de carga hidráulica
que genera, la representaremos por hL
(figura 4.6).
presión diferencial h para diferentes valores
de β.
% de h
β
0.20
96
0.30
92
0.40
85
0.50
76
0.60
67
0.70
55
Tabla 4.3. Porcentajes de pérdida de
carga
0.75
Figura 4.6. Pérdida de carga
Para cada tipo, existe un coeficiente
de descarga (Cd)
En la fotografía siguiente aparecen las
tomas de presión en los bordes de la placa
orificio.
Esta pérdida de carga es la diferencia de
presiones estáticas entre la presión medida
en la pared de la tubería aguas arriba de la
placa orificio donde la influencia de la placa
es despreciable (aproximadamente un
diámetro) y la presión aguas abajo del
elemento primario donde el flujo se recupera
del impacto con la placa (aproximadamente
seis diámetros).
hL depende de β, Cd y h, se determina con la
siguiente ecuación:
48
Como puedes observar en la tabla anterior,
las relaciones grandes de β, originan
pérdidas de carga pequeñas. Es decir, entre
mas pequeño es el orificio en relación al
diámetro de la tubería, la pérdida de carga
es mayor.
Los valores usuales de diseño oscilan entre
0.40 y 0.70.
Enseguida, haremos un
ejemplo que te permitirá usar la tabla (4.3).
Ejemplo de aplicación # 1 :
Tienes una tubería con diámetro nominal de
10 pulg y el diámetro del orificio en la placa
es de 6 pulg, si la presión diferencial es de 3
m.c.a. ¿Cuál será la pérdida de carga
permanente?.
Solución:
hL =
Fotografía 4.3. Tomas de presión
8
4
(1 − β ) − Cd β
2
(1 − β 4 ) + Cd β 2
h
En forma aproximada, se puede formar la
tabla siguiente que relaciona el porcentaje
de pérdida de carga hL en relación a la
Calculemos la relación de diámetros:
β = 6/10 = 0.60.
De la tabla (4.3) el porcentaje de pérdida de
carga es del 67%, por lo que la pérdida de
carga permanente será de:
0.67 x 3 m.c.a. = 2 m.c.a.
Ejemplo de aplicación # 2 :
Se tiene una instalación donde la máxima
pérdida de carga admisible es de 2.05
m.c.a., el diámetro D de la tubería es de 14
pulg, si la presión diferencial h es de 3.70
m.c.a. ¿Cuál es el diámetro de orificio
recomendado?
Solución:
Primero, calculamos el porcentaje de la
perdida de carga, el cual esta dado por:
2.05/3.70 x 100% = 55%
De la tabla (4.3), β = 0.70
Es decir el diámetro del orificio es de:
0.70 x 14 pulg = 9.80 pulg
Antes de instalar un medidor de este tipo, es
importante evaluar la pérdida de carga que
genera, ya que se presentará en toda la vida
útil del dispositivo.
Por lo anterior, este dispositivo es
recomendable en instalaciones en las que
no importe la pérdida de carga ocasionada
por el elemento de medición (fotografía 4.4).
En estos casos, para que en la sección de
medición la tubería trabaje a tubo lleno, es
necesario colocar un “cuello de ganso” antes
de la descarga.
4.5 ¿DONDE ES RECOMENDABLE LA INSTALACION DE
PLACAS DE ORIFICIO ?
Es necesario que consideres varios puntos,
como los siguientes:
1.- Costo de operación.
Un factor importante que debe tomarse en
cuenta en su selección, es el costo de
operación, en términos de la pérdida de
carga permanente, la cual como ya vimos
depende de la relación de diámetros.
2.- Naturaleza del flujo.
Es recomendable que el agua circule libre
de partículas en suspensión, por ejemplo en
pozos con un alto contenido de partículas en
suspensión, no son convenientes los
medidores del tipo placa orificio.
Al circular agua limpia, las necesidades de
mantenimiento disminuyen en gran medida.
Bomba
Cuello de
ganso
Medidor
3.- Características de la instalación.
En cada caso, es necesario revisar los
requerimientos de tramo recto de la figura
(4.1) para decidir si es conviene colocar este
tipo de dispositivo de medición.
Sentido del flujo
En resumen, necesitas revisar:
Fotografía 4.4. Instalación descargando
a la atmósfera, en este tipo de
instalaciones, la perdida de carga no es
importante
1. Costo de operación.
2. Que el agua sea limpia.
3. Longitudes de tramo recto.
9
5. CALCULO DEL
GASTO
5.1 ECUACION FINAL
Para saber el gasto, basta con que apliques
la ecuación del capítulo 2. Para simplificar
esta ecuación vamos a agrupar en un valor
K las características geométricas y de flujo
del dispositivo:
K=
π 2
d
4 4
ρ 1− β
(
1
)
De tal manera que la ecuación final del
gasto nos queda:
Q = KCd 2h
De esta expresión, únicamente nos falta
conocer el coeficiente de descarga Cd, su
valor depende de la forma en como se
coloquen las tomas de presión y de un valor
que relaciona la velocidad del agua con su
viscosidad, este valor se conoce como el
número de Reynolds (Re), se determina de
la siguiente manera:
Re =
4Q
πυD
En esta ecuación, υ es una característica del
agua que se conoce como viscosidad
cinemática, su valor depende de la
temperatura del agua, la tabla (5.1) muestra
algunos valores.
La temperatura usual del agua en las
tuberías es de 15°C
10
5.3 PRUEBAS DE PRECISIÓN
υ x 10 (m /s)
1.520
1.308
1.142
1.007
0.897
0.804
0.727
T (°°C)
5
10
15
20
25
30
35
-6
2
Se recomienda comparar el gasto medido
con la placa de orificio (Qpo) con otro
dispositivo de medición patrón calibrado
(Q p), para determinar el porcentaje de error
(e) con la siguiente fórmula:
e=
Tabla 5.1. La viscosidad cinemática del
agua depende de la temperatura, la
viscosidad del agua fría es mayor
a la del agua caliente.
5.2
COEFICIENTE
DESCARGA.
el
Cd = 0.5959 + 0.0312 ⋅ β 2.10 − 0.1840 ⋅ β 8 +
0.75
 106 

0.0029 ⋅ β 2.50 
 Re 


+
0.0900 ⋅ L1 ⋅ β 4
1− β4
+
− 0.0337 ⋅ L2 ⋅ β 3
En esta expresión L1=l1/D y L2=l2/D, los
valores para cada tipo de instalación, se
muestran en la tabla (5.2).
Tipo de
instalación
D-D/2
A una pulg
En los bordes
* D en mm
L1
L2
1.00
0.50
25.40 / D*
0.00
Tabla 5.2. Valores para L1 y L2 a usarse
en la ecuación del coeficiente de
descarga para los tres tipos de
instalación.
Qp
*100%
Errores de medición del orden del 5% se
consideran aceptables, aunque obviamente,
son preferibles márgenes de error lo mas
pequeños posibles.
DE
La expresión general para calcular
coeficiente de descarga es la siguiente:
Q p − Q po
6.
REGISTRO
DE
LECTURAS Y
PROCESAMIENTO DE
LA INFORMACION
6.1
ALMACENAMIENTO
LECTURAS
DE
El registro de los datos se lleva a cabo se
lleva a
cabo con los
elementos
secundarios, puedes hacerlo de manera
eficiente con el uso de dispositivos
electrónicos que permiten almacenar y
procesar la información, otorgando datos
estadísticos. De esta forma se puede llevar
un registro histórico de los gastos.
6.2 PROCESAMIENTO DE DATOS
El circuito electrónico cuenta con un
microprocesador de ocho bits que sirve para
el control del sensado, el totalizado del
volumen y las estadísticas históricas. La
retención de datos se lleva a cabo en una
memoria electrónica con batería autónoma.
El sensado del gasto instantáneo se obtiene
midiendo la presión diferencial h originada
por la placa orificio. El sistema toma 256
muestras por segundo, los promedia e
integra en el tiempo para obtener los
volúmenes que pasan por la placa orificio.
Fotografía 6.3 Mediante una pantalla
o display se muestra la información.
La capacidad de almacenamiento es de
1,800 datos, lo que equivale a la información
del volumen extraído durante el día, mes
año y volumen durante los últimos diez
años.
Esta
información
permanece
disponible a pesar de la falta de energía,
debido a que cuenta con una batería de litio
que respalda esta información.
Las tomas de presión se conectan a una
tarjeta electrónica como se aprecia en la
fotografía (6.1).
Las variables que se almacenan y sus
unidades se listan a continuación:
Fotografía 6.2. El circuito electrónico
mide la presión diferencial h y calcula
el gasto que pasa
Fotografía 6.1 La conexión de las
tomas de presión a una tarjeta
electrónica permite medir y registrar los
Las lecturas se visualizan en una pantalla de
cristal líquido de cuarzo de dieciséis
caracteres.
Puedes observar datos como el gasto
instantáneo, volumen total acumulado, la
fecha y las estadísticas históricas (fotografía
6.3).
Variable
Gasto por segundo
Volumen por minuto
Volumen por hora
Volumen diario
Volumen mensual
Volumen anual
Volumen total
Unidad
l/s
l/min
l/h
3
m /d
3
m /mes
3
m /año
l
Tabla 6.1. La pantalla despliega el
nombre de la lectura seleccionada, la
lectura propiamente dicha y la unidad
de medición respectiva
11
6.3 TRANSMISION DE DATOS
En la parte inferior del medidor existe un
conector de bronce de ½ pulg con cuerda
externa de tipo NPT.
Del interior del mismo salen dos cables que
deberán conectarse a dos de las tres fases
de alimentación de la bomba (figura 6.1).
La fuente de poder cuenta con un retardo en
el encendido con el objetivo de eliminar
cualquier posible perturbación de energía
ocasionada por el par de arranque del motor
de la bomba.
Para la transmisión de datos, la extracción
de la información es a través de un puerto
serial tipo RS232, este puerto serial es un
interfaz que sirve para enviar la información
contenida en la memoria del medidor (Time
Keeping RAM) a una computadora personal
(ver figura 6.1).
Para utilizar el programa de comunicación
se debe contar con un cable serial de nueve
pines y una computadora con las siguientes
características mínimas:
Figura 6.1 Fuente de alimentación y
salida de información
La conexión puede ser a la salida del
arrancador o en los cables de alimentación
del motor de la bomba.
El objetivo de la conexión en los puntos
mencionados es que el medidor siempre
este energizado cuando la bomba se
encuentre operando, es decir si la bomba se
apaga, el medidor también (fotografía 6.3).
Fotografía 6.4 Conexión del medidor
a la bomba del pozo
12
1. Microprocesador 80486
2. 8 MB de memoria RAM
3. Sistema operativo Windows 95
4. Un puerto serial libre
Fotografía 6.5 Los fabricantes,
proporcionan el software necesario
para capturar y transmitir los datos
7. MANTENIMIENTO
BASICO
7.3 ELEMENTOS SECUNDARIOS
7.1 GENERALIDADES
Resulta importante que las tomas de presión
se encuentren libres de sedimentos, para
que su funcionamiento sea el óptimo, por lo
cual su limpieza debe ser periódica.
La placa de orificio es usada en la medición
de líquidos limpios y no es aplicable a
fluídos con altas concentraciones de sólidos
en suspensión, debido a la tendencia de los
sólidos a acumularse aguas arriba de la
placa, ocasionando que se presenten
variaciones en los coeficientes de descarga
y por lo tanto, una medición imprecisa del
gasto.
En lo que respecta al sistema electrónico,
este no se ve afectado por vibraciones o
desajustes y su mantenimiento es mínimo,
se limita a inspecciones visuales.
7.2 ELEMENTOS PRIMARIOS
Antes de realizar cualquier acción de
mantenimiento, es conveniente realizar un
aforo para evaluar el coeficiente de
descarga Cd, si el valor del coeficiente ha
cambiado se deberá efectuar una limpieza
general, poniendo especial atención en los
sólidos sedimentados en la placa de orificio.
Fotografía 7.2. La limpieza periódica de
las tomas de presión permiten que su
funcionamiento sea el óptimo
La placa de orificio tiene la gran
ventaja de no tener partes móviles
que sufran desgaste y requieran
especial cuidado.
Su mantenimiento se
actividades de limpieza.
limita
a
Una vez que el equipo este limpio, se
pueden emplear los coeficientes de
descarga originales.
Figura 7.1 La limpieza de las arenas
que se acumulan antes de la placa
orificio permiten que la medición del
gasto sea precisa
13
8. VENTAJAS Y
DESVENTAJAS
VENT AJAS
Pocas restricciones de instalación
Confiabilidad y simplicidad en el diseño
Bajo costo
Fácil manejo
Sin piezas móviles
Buena precisión (±1%)
DESVENTAJAS
Rango limitado de medición
No apto para flujos con partículas en suspensión
Requiere verificación continua
Deterioro con el tiempo
Alta pérdida de carga
Requiere longitud de tramo recto aguas arriba
Sensible a la turbulencia aguas arriba
Tabla 8.1 Tabla de ventajas y desventajas
En cada caso, es necesario evaluar las
ventajas y desventajas de la placa orificio
para decidir si es conveniente instalar
este tipo de medidor..
14
9. LISTADO DE
PRINCIPALES
PROVEEDORES
En la tabla se muestran los principales proveedores a nivel nacional, con sus datos respectivos.
EM PRESA
ATENCI ÓN
DATOS
HIDRONICA. S.A. DE C.V.
Ing. Antonio Espinoza Olmedo
Diego Becerra 69, Col. San José
Insurgentes, México, D.F.
Tel. 01-5-6604636
E-mail: aeo60@mail.internet.com.mx
GRUPO PIFUSA, S.A. DE C.V.
Ing. José Froylan Inocencio
Andre Ma. Ampere No. 3
Col. Parque Industrial Cuaumatla, C.P.
54730, Cuautitlán, Izcalli, Edo. de Méx.
Tabla 9.1. Proveedores nacionales
15
AUTOEVALUACIÓN 2
c) La viscosidad del agua, el costo de
operación y la relación de diámetros
d) Costo de operación, naturaleza del flujo y
las longitudes necesarias de tramo recto
15.- ¿ Que dispositivo es indispensable
colocar al final en instalaciones que
descargen a la atmósfera?
11.- ¿ Cuáles son los diámetros mínimo y
máximo para emplear la placa orificio?
a) 4 y 36 pulg
b) 2 y 50 pulg
c) 6 y 24 pulg
d) No hay límites
12.- ¿ Cuales son los valores mínimo y
máximo para la relación de diámetros ?
a) 0.20 y 0.75
b) 0.40 y 0.90
c) 0.15 y 0.60
d) 0.10 y 0.80
13.- ¿ Cuantas formas existen de colocar
las tomas de presión ?
a) Cuatro
b) Dos
c) Tres
d) Seis
14.- ¿ Cuáles son las tres principales
características a revisar en el sitio para
decidir si es conveniente la colocación de
una placa orificio ?
a) Temperatura del agua, las longitudes
necesarias de tramo recto y costo de
operación
b) Las longitudes necesarias de tramo recto,
la relación de diámetros y la temperatura del
agua
16
a) Un cuello de ganso
b) Ninguno
c) Un desarenador
d) Un manómetro diferencial
16.- ¿ De que depende la viscosidad
cinemática del agua?
a) De la presión en la tubería
b) De la temperatura del agua
c) Del diámetro de la tubería
d) Del gasto
17.- ¿ Con que elementos se realiza el
registro de los datos ?
a) Con los elementos secundarios
b) Con los elementos primarios
c) Con los elementos terciarios
d) Ninguna de las anteriores
18.- ¿ Cuál es la principal tarea de
mantenimiento ?
a) La calibración del equipo
b) El sensado de presiones
c) El registro de datos históricos
d) La limpieza de los elementos primarios
19.- ¿ Que característica deben de tener
las tomas de presión para que su
funcionamiento sea óptimo ?
a) Que su ubicación sea correcta
b) Que sean importadas
c) Que la temperatura del agua sea mayor a
12 °C
d) Que se encuentren libres de sedimentos
20.- ¿ De que tipo es el puerto serial de
comunicaciones ?
a) No importa el tipo
b) Tipo RS323
c) Tipo RS232
REFERENCIAS
- Comisión Nacional del Agua,
Subdirección General de Infraestructura
Hidráulica Urbana e Industrial, Gerencia
de
Normas
Técnicas,
III.3.1
SELECCIÓN E INSTALACION DE
EQUIPOS
DE
MACROMEDICION,
México, D.F., 1994.
- International Standard ISO 2186, first
edition. FLUID FLOW IN CLOSED
CONDUITS – Connections for pressure
signal transmissions between primary
and secondary elements. Switzerland,
1991.
- International Standard ISO 5167-1, first
edition. MEASUREMENT OF FLUID
FLOW BY MEANS OF PRESSURE
DIFERENTIAL DEVICES. Part 1: Orifice
plates, nozzles and Venturi tubes
inserted
in
circular
cross-section
conduits running full. Switzerland, 1991.
- United States Bureau of Reclamation
(U.S.B.R.), WATER MEASUREMENT
MANUAL, Chapter 14, Measurements in
Pressure Conduits. Third edition, U.S.
Government Printing Office, W ashington,
DC, 1997.
http://www.usbr.gov/wrrl/fmt/wmm/
RESULTADOS DE LAS
AUTOEVALUACIONES
Pregunta
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Respuesta
b
a
a
c
a
b
d
d
b
a
b
a
c
d
a
c
a
d
d
c
17
ESTA ES LA
CONTRAPORTADA
INTERNA Y AQUÍ SE
ALOJARÁ EL DISCO
COMPACTO CON SU
FUNDA
LA SIGUIENTE PÁGINA
ES
LA
CONTRAPORTADA
EXTERIOR
18
SEMARNAP
CNA
IMTA
SERIE AUTODIDÁCTICA DE MEDICIÓN DEL AGUA
Subdirección General de Administración del Agua, CNA
Coordinación de Tecnología Hidráulica, IMTA
SERIE AZUL
Número de ISBN
Título
Autor
968-7417-64-1
Métodos y Sistemas de Medición de Gasto
Ochoa, A. L.
968-7417-65-X
Medidor Ultrasónico Tiempo en Tránsito
Bourguett, O. V.
968-7417-66-8
Medidor Ultrasónico de Efecto Doppler para Tuberías
Patiño, G. C.
968-7417-67-6
Medidor Ultrasónico de efecto Doppler para Canales
Pedroza, G. E.
968-7417-68-4
Medidor Electromagnético
Buenfil, R. M.
968-7417-69-2
Tubo Pitot
Ruiz, A. A.
968-7417-70-6
Placa Orificio
Rivas, A. I.
968-7417-48-X
Aforador de Garganta Larga
García, V. N.
Vargas, D. S.
19