Para asegurar la alta calidad de las mediciones efectuadas con el equipo ultrasonido se plantea la contrastación en un banco que reproduce las condiciones físicas a que está sometido el macromedidor cuando está instalado en campo y el certificado de calibración no pasa de ser un certificado para las condiciones existentes en dicho laboratorio y no para las condiciones físicas de campo, en ese sentido se creó la necesidad de asegurar la precisión de las mediciones efectuadas.
La calibración del equipo ultrasónico consistió en primer lugar en obtener el factor de escala o calibración del equipo mediante la implementación del tanque de pruebas. Este simula el comportamiento del fluido a través de las tuberías, con la finalidad de obtener el factor de relación entre el caudal actual y el valor indicado por el equipo, debido a la discrepancia entre el valor medido y el valor verdadero, el cual es específico para el tipo de material de la tubería, la calidad de agua, la cantidad de partículas en suspensión y las condiciones del medio.
Debido a la falta de estructuras de aforo, para garantizar el ingreso de 280 litros/seg, requerido en el diseño agronómico para el Subtroncal 3 definido en el estudio “Diseño hidráulico de las troncales y ramales del canal San Ramón margen derecha – Sistema de Irrigación Pangoa” (Anexo 4), fue necesario obtener la curva de calibración de caudal para el canal San Ramón, el cual otorgó información respecto a la altura de lámina de agua necesaria que garantice el caudal de ingreso hacia la red de tuberías. Finalmente, con el equipo calibrado y con la demanda garantizada, se procedió a monitorear los caudales en el Subtroncal 3 del subsistema San Ramón.
a. Implementación del tanque de pruebas
Con la implementación del tanque de pruebas se buscó crear un volumen de reserva de agua, aquietando el flujo y garantizando la sumergencia del sistema de conducción forzada a presión, manteniendo una altura de agua suficiente que evite a toda costa la entrada de aire al sistema y asimismo, poder decantar arenas y partículas sólidas. Conjuntamente la adopción de una velocidad baja en la tubería a presión y el aumento de la profundidad de la salida ayuda a prevenir la formación de vórtices que arrastre aire hacia las tuberías.
El tanque de pruebas fue construido de metal soldado para evitar las sobrepresiones en la conducción forzada, además de facilitar la movilidad y disminuir el gasto en la implementación. Fue diseñado con tres vías de movimiento de fluido: la primera, es la
acometida por donde ingresa el conducto que trae el agua desde la toma (∅ = 0.2 m); la segunda es un vertedero o rebose para eliminar los excedentes de volumen (∅ = 0.2 m), que impide que rebalse el tanque y; la tercera, es la alimentación mediante una tubería de presión que conduce el agua (∅ =0.19 m), como muestra la Figura 10.
Figura 10:Diseño de tanque de pruebas para medir caudal a través del método volumétrico y de flujo ultrasónico
Fuente: Elaboración Propia (2017)
De igual manera se buscó cumplir con la altura mínima de sumergencia, la cual se calculó a través de dos métodos.
El primer método: deriva del diseño de una cámara de carga para una pequeña central hidroeléctrica que garantiza la sumergencia de la conducción forzada. Donde se estableció que 𝐻𝑡 = 𝑎1+ 𝑎2+ 𝑎3+ 𝑎4 es la altura total de agua desde la base hasta la superficie (m) y 𝐻𝑚𝑖𝑛 = 𝑎2+ 𝑎3+ 𝑎4 es la altura mínima de agua desde la base del tubo de salida hasta
superficie (m). Para ello, según Ortiz (2011) es necesario tener en cuenta lo siguiente: (i) para evitar la entrada de sedimentos a la tubería, la altura 𝑎1 debe estar comprendida entre los valores de 0.3 a 0.5 m.; (ii) la altura 𝑎2 tiene el valor del diámetro exterior de la tubería; (iii) el valor de 𝑎3, necesario para eludir torbellinos creados por el flujo de tal manera que
evite la cavitación, el cual se encuentra entre 0.5D a 1.5D; (iv) y el valor mínimo de 𝑎4
El segundo método: Dávila et al. (2010) consideran la altura mínima entre el eje de ingreso a la tubería y el nivel de agua en la cámara, por medio de la siguiente expresión: 𝐻𝐿= C·v· √𝐷; donde: 𝐻𝐿 es la altura mínima de agua sobre el eje de la tubería (m), v es la velocidad
media de presión (m/s), D es el diámetro interno de la tubería (m) y C es la constante que varía según algunos autores entre 0.5 y 0.7.
b. Factor de calibración para tubería PVC en distintas pendientes
El tanque de pruebas simuló la conexión entre el sistema de conducción y la tubería a presión. Por ello, se utilizaron las mismas tuberías de PVC instaladas en el sistema de irrigación de diámetro 160 mm x 6.0 m de longitud x PN-7.5. Respecto a las pendientes, se utilizó el nivel de ingeniero colocando alternativamente las pendientes ( 𝑃 = [𝐿1 − 𝐿2⁄ ] × 100𝐷 ) de 4 por ciento, 6 por ciento y 10 por ciento, para así poder interpolar el comportamiento del fluido para este tipo de material con pendientes similares a las utilizadas durante la instalación. Fue necesario obtener la vista de adelante ( 𝐿𝑎=𝐿𝑃±
[𝑃 100⁄ × 𝐷] ) que asegure la pendiente indicada y con ello, obtener el nivel en cada parante.
Con el fin de conseguir el caudal actual (𝑄𝑎= 𝑉𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒⁄𝑇𝑝𝑟𝑜𝑚) en las tuberías se utilizó el método volumétrico (𝑉 = 𝜋𝑟2× ℎ), verificando que el tubo este completamente lleno,
el caudal fue desviado hacia un barril metálico y se anotó el tiempo promedio de llenado (𝑇𝑝𝑟𝑜𝑚 = 𝑡1+𝑡2+𝑡3) del recipiente. Como el volumen del envase (0.17 𝑚3⁄𝑠) se conoce, se obtuvo el caudal actual simplemente dividiendo el volumen por el tiempo de llenado, se tomó tres veces el tiempo, de manera que sea posible determinar el valor promedio.
Paralelo a la aplicación del método volumétrico se instaló como testigo el caudalímetro de flujo ultrasónico, teniendo en cuenta los requerimientos de instalación física (Ítem 2.3.3). Conocidos ambos gastos en litros/seg se aplicó la siguiente fórmula: 𝑘 = 𝑄𝑎⁄𝑄𝑟, para
determinar el factor de calibración; donde: 𝑄𝑎 es el caudal recolectado por el cilindro
aforado y 𝑄𝑟 es el caudal registrado por el equipo de flujo ultrasónico, en consecuencia, el factor k introducido en el caudalímetro de flujo ultrasónico interpola el comportamiento del equipo a las condiciones específicas del proyecto. En consecuencia, las herramientas estadísticas que permitieron sintetizar el análisis y tener una visión más detallada del error son las siguientes.
• El coeficiente de correlación de Pearson (r) es un índice de dependencia lineal entre dos variables; (Hirsh et al., 1992). Se calcula con la siguiente ecuación:
𝑟 = 𝜎𝑥𝑦 𝜎𝑥𝜎𝑦
Donde 𝜎𝑥𝑦 es la covarianza de x, y; 𝜎𝑥,𝜎𝑦 son las desviaciones estándar de “x” e “y”
Los valores varían de menos uno a uno:
- Si r = 1, existe una correlación positiva perfecta. El índice indica una dependencia lineal entre dos variables denominada de relación directa: cuando una de ellas aumenta, la otra también lo hace en proporción constante.
- Si 0 < r < 1, existe una correlación positiva.
- Si r = 0 no existe relación lineal. Pero esto no necesariamente implica que las variables son independientes: pueden existir todavía relaciones no lineales entre las dos variables.
- Si -1 < r < 0, existe una correlación negativa.
- Si r = -1, existe una correlación negativa perfecta. El índice indica una dependencia total entre las dos variables llamada relación inversa: cuando una de ellas aumenta la otra disminuye.
• T- Student, para evaluar la significancia y los intervalos de confianza de las relaciones de dependencia, se empleará un nivel de significancia (𝛼) del 5 por ciento y prueba estadística T- Student que se calcula con la siguiente ecuación:
𝑇𝑐 = 𝑟√𝑛 − 2 √1 − 𝑟2
La hipótesis nula 𝐻0 es rechazada si |𝑇𝐶| > 𝑇1−𝛼 2⁄ , donde 𝑇1−𝛼 2⁄ es el punto de
distribución T – Student con n-2 grados de libertad y probabilidad de 𝛼 2⁄ .
c. Curva de calibración de caudal en el canal San Ramón
Para conseguir la relación entre la altura de agua (H en m.) versus caudal (Q en m3⁄s) se
empleó el método de Área y Velocidad, el cual se basa en el principio de continuidad para un fluido de densidad constante, fluyendo a través del área en una sección conocida. El
producto del área de la sección por la velocidad media produjo las descargas empleadas en la curva de calibración por medio de la siguiente expresión: Vprom× Área = Q, donde A
es el área de la sección ocupada por el flujo (m2), Vprom es la velocidad promedio del agua obtenida por el método del correntómetro (m s⁄ ) y Q es el caudal (m3⁄ )s .
Se procedió a realizar la limpieza del canal San Ramón en las secciones transversales Tipo I entre las progresivas 0+000.0 hasta 0+348.3 y Tipo II entre las progresivas 0+438.5 hasta 0+804, para contrarrestar la fricción a lo largo de las paredes del canal y así causar que las velocidades del canal permanezcan uniformemente distribuidas en su sección. La utilización del correntómetro para medir la velocidad del agua consiste en un mango con una hélice, teniendo en consideración que la velocidad media se logra al colocar la hélice, al 40 por ciento del tirante promedio, medida desde el piso.
Finalmente, fue necesario establecer una relación empírica entre los niveles de agua y los caudales, en efecto, fue preciso establecer una ecuación matemática para la relación
𝑄 = 𝑓(𝐻), del conjunto de aforos realizados, tomando ajustes con el fin de utilizar el más conveniente y con menor porcentaje de error.