La medición del caudal de canales y ríos es un componente crucial de la informatización de los recursos hídricos. Se aplica ampliamente en áreas como la medición del agua para riego, la programación y asignación de recursos hídricos, el monitoreo de datos hidrológicos, y la prevención y control de inundaciones.

En cuanto a la medición del flujo en canales y ríos, hemos resumido cuatro puntos clave de interés: una descripción general de la medición del flujo, los métodos principales de medición del flujo, los sensores principales para la medición en línea del flujo, y cómo seleccionar los sensores adecuados en aplicaciones prácticas.

1. ¿Qué es el flujo?

En hidrología, el caudal de un río se define como el volumen de agua que pasa a través de una sección transversal determinada del río por unidad de tiempo. El cálculo del caudal se obtiene multiplicando la velocidad media del flujo del fluido dentro del canal por el área de la sección transversal del canal, expresándose en unidades como m³/s o m³/h.

Nota: Generalmente, la velocidad del flujo de cada capa dentro de la misma sección transversal y la velocidad del flujo de cada sección transversal son diferentes, por lo que se debe utilizar la velocidad promedio del flujo. (Debido a la viscosidad, los líquidos presentan dos patrones de flujo distintos. Cuando las partículas de líquido se mueven de manera ordenada sin mezclarse, esto se denomina flujo laminar. Cuando las partículas de líquido se mueven de manera irregular, se mezclan entre sí y siguen trayectorias caóticas y curvas, se llama flujo turbulento, también conocido como flujo turbulento.)

● Velocidad media del flujo

La velocidad del flujo se refiere al desplazamiento de las partículas del fluido por unidad de tiempo. La velocidad del flujo en cada punto de un canal o río es diferente; la velocidad cerca de la orilla del río (canal) es más lenta, mientras que la velocidad en el centro del río, cerca de la superficie del agua, es la más rápida. Para simplificar el cálculo, generalmente se utiliza la velocidad media del flujo a lo largo de la sección transversal para representar la velocidad del flujo en dicha sección transversal.

2. Métodos actuales para medir el caudal de canales y ríos: Estos se dividen principalmente en el método estructural y el método de medición de flujo por sensores.

　3. Actualmente, los sensores convencionales para la medición de flujo en línea se pueden dividir aproximadamente en cuatro categorías: 1) medición de flujo por ultrasonidos, 2) medición de flujo electromagnético, 3) medición de flujo por ondas de radar y 4) medición de flujo mecánico.

　　A continuación se presenta una introducción a los diversos sensores de medición de flujo convencionales actualmente disponibles. Este es un artículo extenso: ¿estás listo?

　　◆ Medidores de flujo por tiempo de vuelo—divididos en tipo de tubería y tipo de canal abierto

Los medidores acústicos de tiempo de vuelo se basan en el principio de medición del flujo mediante el método velocidad-área. Cuando las ondas sonoras se propagan en agua en reposo, tienen una velocidad constante. Esta velocidad de propagación puede variar ligeramente con los cambios en la temperatura del agua, la salinidad y el contenido de sedimentos, pero cuando las condiciones del flujo son constantes, la velocidad de propagación permanece inalterada. Al propagarse a favor del flujo, la velocidad real de propagación es la suma de la velocidad del sonido y la velocidad del flujo; al propagarse contra el flujo, la velocidad real de propagación es la diferencia entre la velocidad del sonido y la velocidad del flujo. Así, entre dos puntos fijos aguas arriba y aguas abajo en un río, existe una diferencia de tiempo en la propagación de las ondas sonoras a favor y en contra del flujo. Midiendo esta diferencia de tiempo, se puede determinar la velocidad del flujo. Este método de medir la velocidad del flujo se denomina "método del tiempo de vuelo".

◆ Medidor de flujo de canal abierto por tiempo de vuelo ultrasónico

El sistema de medición acústica del tiempo de vuelo consiste en un conjunto (o varios conjuntos) de transductores acústicos, una unidad principal, cables de señal y una fuente de alimentación.

Los transductores acústicos reciben instrucciones del controlador de medición de flujo para emitir pulsos acústicos y transmiten las señales de pulsos acústicos recibidas al controlador de medición de flujo. El controlador de flujo recopila el tiempo de propagación de los pulsos acústicos en el agua y los datos del nivel del agua, calcula la velocidad promedio del flujo de la capa de agua basándose en la diferencia de tiempo de propagación, y combina esto con el área transversal y la velocidad promedio del flujo de la sección transversal para determinar el caudal de la sección transversal. Los transductores acústicos pueden estar equipados con sensores de nivel de agua, que simultáneamente pueden transmitir los datos del nivel de agua medido a la unidad principal, o bien pueden conectarse a otros medidores de nivel de agua compatibles.

　　◆ Medidor de flujo ultrasónico con método de medición por diferencia de fase

　　◆ Fluviómetro Doppler ultrasónico — categorizado principalmente en tipos portátiles, fijos y de punto único

Basado en el efecto Doppler acústico, cuando existe un movimiento relativo entre la fuente de sonido y el observador, la frecuencia percibida por este último difiere de la frecuencia emitida por la fuente de sonido. Este cambio de frecuencia causado por el movimiento relativo es directamente proporcional a la velocidad relativa entre los dos objetos. El transmisor ultrasónico actúa como una fuente de sonido fija, mientras que las partículas sólidas que se mueven con el fluido actúan como el "observador" con movimiento relativo respecto a la fuente de sonido. Por supuesto, simplemente refleja las ondas ultrasónicas incidentes de regreso al receptor. La diferencia de frecuencia entre las ondas de sonido emitidas y las recibidas es el desplazamiento Doppler provocado por el movimiento de las partículas sólidas en el fluido. Dado que esta diferencia de frecuencia es directamente proporcional a la velocidad del flujo del fluido, medir la diferencia de frecuencia permite determinar la velocidad del flujo. A partir de esto, se puede calcular el caudal del fluido.

　　◆ Remolcado

Perfilador acústico de corrientes Doppler

Acústico – Emite pulsos acústicos a una frecuencia fija.

Doppler – Recibe señales acústicas reflejadas con desplazamientos de frecuencia Doppler, y calcula la velocidad relativa en la dirección del haz basándose en el desplazamiento de frecuencia.

Actual – Aplica cuatro velocidades de onda para calcular la velocidad relativa, el ángulo entre las velocidades de onda y los datos de actitud (rumbo, cabeceo, balanceo).

Perfilador – Mide la velocidad actual en diferentes niveles de profundidad (celdas de profundidad)

El ADCP generalmente cuenta con tres o más transductores, que emiten y reciben simultáneamente tres o más señales acústicas, obteniendo así tres o más velocidades relativas.

Las señales son procesadas de manera independiente por haz y convertidas en velocidad relativa en la dirección del haz.

Utilizando el ángulo entre las velocidades de las ondas, la velocidad relativa en la dirección del haz (coordenadas del haz) se convierte en velocidades horizontal y vertical (coordenadas terrestres).

　　◆ De tipo fijo

El medidor de flujo acústico Doppler está equipado con dos transductores, los cuales se instalan formando un determinado ángulo con el eje central. Cada transductor funciona tanto como transmisor como receptor. Las ondas sonoras emitidas por los transductores se concentran dentro de un rango estrecho, conocido también como haz de sonido. Suponiendo que la velocidad de movimiento de las partículas en suspensión es la misma que la velocidad del flujo de agua, cuando la dirección de movimiento de las partículas en suspensión es hacia el transductor, la frecuencia del eco recibido es mayor que la frecuencia de la onda transmitida; en cambio, cuando la dirección de movimiento de las partículas en suspensión es alejándose del transductor, la frecuencia del eco recibido es menor que la frecuencia transmitida. El desplazamiento de frecuencia acústico Doppler es la diferencia entre la frecuencia de la onda sonora transmitida y la frecuencia del eco:

　　◆ Tipo de punto único

　　El sensor tiene dos transductores, uno emisor y otro receptor. Cuando el sensor está orientado directamente hacia la dirección del flujo de agua, es decir, bajo la premisa de medir a contracorriente:

　　1. En caso de que la corriente del agua esté en reposo, la frecuencia recibida es la misma que la frecuencia emitida;

　　2. Cuanto mayor sea la velocidad del flujo, más rápido será el sensor receptor al captar la frecuencia, la cual será superior a la frecuencia emitida;

　　3. Cuanto más lenta sea la velocidad del flujo, más lenta será la frecuencia que recibe el sensor, pero será mayor que la frecuencia emitida.

　　Es necesario colocar el sensor mirando directamente hacia la dirección del flujo de agua al instalarlo y usarlo.

　　◆ Caudalímetro electromagnético—dividido principalmente en tipos de tubería (de paso completo/no de paso completo) y tipos de canal abierto

Caudalímetro electromagnético: Basado en la ley de inducción electromagnética de Faraday para medir el caudal U = B × L × v (U—fuerza electromotriz inducida, B—intensidad del campo magnético, L—longitud del conductor, v—velocidad del conductor)

Una bobina enrollada con alambre de cobre genera un campo magnético alterno B. Una corriente controlada asegura que la intensidad del campo magnético se mantenga constante durante todo el proceso de medición. La longitud del conductor L (la distancia entre los dos electrodos de medición dentro del diámetro interior de la tubería de medición) es una constante. La única variable en la ecuación es la velocidad del fluido v. El instrumento mide directamente el voltaje inducido entre los electrodos, el cual es linealmente proporcional a la velocidad del fluido U ~ v. Así, se calcula la velocidad. Los medidores de flujo electromagnéticos miden la velocidad en lugar del volumen.

◆ Tipo de tubo

Medidor de flujo de tubería electromagnético (tubería llena)

● Clase de precisión: Se recomienda seleccionar un caudalímetro con un error de salida a escala completa inferior a ±1,5 % a ±2,5 %;

● Longitud de los tramos de tubería recta antes y después del caudalímetro: La longitud del tramo de tubería recta antes del caudalímetro debe ser superior a 5 veces el diámetro de la tubería, y la longitud del tramo de tubería recta después del caudalímetro debe ser superior a 2 veces el diámetro de la tubería. No se deben instalar válvulas de compuerta dentro de este rango;

● Velocidad y diámetro del flujo: El diámetro del instrumento seleccionado puede diferir del diámetro de la tubería. La velocidad máxima del flujo no debe superar los 5 m/s, y la velocidad mínima del flujo no debe ser inferior a 0,5 m/s;

● El transmisor debe contar con un informe de prueba de rendimiento de sellado resistente a la presión.

◆ Medidor de flujo electromagnético para tuberías (tubería no llena)

El medidor de flujo electromagnético de paso no completo es un instrumento automático para la medición del caudal que utiliza el método de velocidad-área para medir continuamente la tasa de flujo de fluidos en tuberías abiertas (como tuberías de alcantarillado semitubulares y tuberías de alto flujo sin vertederos de rebosamiento). Puede medir y mostrar la tasa de flujo instantánea, la velocidad, el caudal acumulado y otros datos. Es especialmente adecuado para aplicaciones de medición en redes municipales de agua pluvial, aguas residuales, descarga de aguas negras e irrigación por tuberías de agua.

El medidor de flujo para tuberías parcialmente llenas consta de un sensor de velocidad electromagnético, un sensor ultrasónico de nivel de agua y una unidad de visualización del flujo, que miden continuamente la velocidad del fluido y el nivel del agua en la tubería. Los usuarios solo necesitan ingresar el diámetro interior de una tubería circular o el ancho de una tubería cuadrada, y el medidor de flujo para tuberías parcialmente llenas tipo GLP-LSC calculará automáticamente el caudal dentro de la tubería y mostrará parámetros de medición como el caudal instantáneo, la velocidad y el caudal acumulado.

　　◆ Tipo de canal abierto

　　Medidor de flujo electromagnético para canales abiertos

　　El sistema electromagnético de medición de caudal en canales abiertos se basa en un algoritmo de velocidad-nivel, y cuenta con un avanzado sistema servo de seguimiento del nivel para medir la velocidad, así como un microprocesador, lo que garantiza la precisión en la medición y el cálculo. Se trata de un nuevo sistema de flujo inteligente que, según el ancho del canal y los requisitos de precisión de medición, emplea modelos matemáticos específicos para el monitoreo del caudal en canales abiertos.

　　Basándose en los valores medidos por el sensor del nivel de agua, la velocidad del flujo y las dimensiones geométricas ya incorporadas del canal, así como en el coeficiente de talud, la precisión del canal, la pendiente hidráulica y el coeficiente de corrección para el plano vertical de la velocidad, se calcula, según el modelo matemático preestablecido, el caudal instantáneo promedio en la sección transversal del canal.

　　◆ Medidor de flujo por ondas de radar - Dividido principalmente en tipo fijo y tipo con cable

Al operar, emite ondas electromagnéticas hacia la superficie del agua. Cuando estas ondas encuentran agua en movimiento, se dispersan y forman ecos. Dado que la frecuencia del eco recibido cambia en relación con la frecuencia transmitida, la velocidad del flujo en la superficie del agua puede calcularse utilizando la ecuación de frecuencia Doppler. Un objetivo en movimiento genera una señal de salida de baja frecuencia en el sensor de radar. La frecuencia de esta señal depende de la velocidad de movimiento, mientras que la amplitud depende de la distancia de instalación, la reflectividad y el tamaño del objetivo en movimiento. La frecuencia Doppler F es directamente proporcional a la velocidad de movimiento. El sistema de un medidor de flujo de radar de punto fijo puede conectarse a múltiples sondas de radar, estableciendo así eficazmente varias líneas de medición. Al combinar los parámetros de sección transversal, calcula el flujo en sección transversal y realiza mediciones en punto fijo.

◆ Tipo fijo montado en poste

Medidor de flujo por radar

Medidor de flujo por radar completamente automático. Utiliza tecnología avanzada de radar microondas planar para medir la velocidad del flujo y el nivel del agua en cuerpos de agua de manera no contactante. Basado en los algoritmos de software integrados, calcula y emite el flujo transversal en tiempo real y el flujo acumulado, y puede utilizarse para la medición de caudal en escenarios como ríos y canales de riego.

Basado en el efecto de desplazamiento de frecuencia Doppler en física, cuando el agua fluye, crea un movimiento relativo con el medidor de flujo, lo que provoca que las señales de ondas de radar emitidas por el instrumento experimenten cambios de frecuencia. El cambio de frecuencia es directamente proporcional a la velocidad del flujo de agua. Al medir el cambio de frecuencia para determinar la velocidad del flujo de agua, combinado con el nivel de agua medido por radar de pulsos y datos de sección transversal para calcular el área transversal dinámica del agua, se calcula entonces el caudal instantáneo en función de la velocidad de flujo medida y del área transversal del agua.

◆ Montado en cable

Medidor de flujo por radar montado en cable

El sistema móvil de monitoreo del flujo mediante ondas de radar en línea cumple con los principios de operación no tripulada, simplicidad y practicidad, facilidad de mantenimiento y precisión confiable. Utiliza ondas de radar para monitorear la velocidad vertical en tiempo real, recopila simultáneamente los niveles de agua correspondientes, calcula el flujo utilizando el método de áreas parciales y logra un monitoreo automático del caudal. El método de medición del flujo cumple con las "Normas para la Medición del Flujo Fluvial" y las "Normas para la Medición Hidrológica por Cable", y la salida de datos se ajusta a las "Normas para la Compilación de Datos Hidrológicos", integrándose perfectamente con el software de compilación de datos.

El sistema de medición de caudal tipo teleférico con radar es un sistema de medición de flujo completamente automático que integra la medición de caudal, la transmisión inalámbrica, el manejo de bases de datos, la publicación en sitios web y el procesamiento operativo de estaciones hidrológicas. Los usuarios pueden consultar los niveles de agua de las estaciones, las velocidades del flujo, los caudales y el estado del equipo a través de internet. El personal de la estación hidrológica central puede descargar remotamente los datos de las estaciones desde la base de datos central de la oficina municipal mediante internet, analizar y procesar los datos en computadoras, y generar diversos informes hidrológicos. Esto elimina por completo el tradicional flujo de trabajo manual desde la medición hasta la compilación en hidrología, mejorando las tres funciones hidrológicas centrales —«medición, reporte y compilación»— mediante modernos medios tecnológicos.

◆ Medidores de flujo mecánicos (rotores) – divididos principalmente en tipo copa y tipo hélice

La medición mecánica del flujo opera basándose en la transferencia de momentum desde el flujo de agua hasta el rotor de velocidad. Cuando el agua fluye junto al rotor de velocidad, la energía cinética lineal del flujo genera un par sobre el rotor. Este par supera la inercia del rotor, la fricción de los cojinetes y la resistencia del fluido causada por el movimiento relativo entre el flujo de agua y el rotor, haciendo así que el rotor del medidor de flujo gire. Dentro de un cierto rango de velocidades del flujo de agua, la velocidad de rotación del rotor del medidor de flujo presenta una relación lineal aproximada relativamente estable con la velocidad del flujo de agua. Mediante el uso de equipo especialmente diseñado para medir el número de rotaciones del rotor durante un período de tiempo predeterminado, y consultando la fórmula de calibración correspondiente o la curva de relación de calibración del medidor de flujo, se puede obtener o calcular la velocidad del flujo de agua. Alternativamente, ingresando los coeficientes relevantes en un instrumento secundario, la velocidad del flujo de agua puede calcularse automáticamente.

　　◆ Tipo hélice

　　Medidor de flujo tipo hélice

　　● Los medidores de agua tipo hélice pueden utilizarse en canales con alto contenido de sedimento y pendientes suaves (menos de 1/10.000);

　　● Rango de medición de flujo: El rango de medición de flujo varía según el producto, con un mínimo de 0,05 a 0,6 m³/s;

　　● La velocidad del flujo en el alcantarillado debe ser inferior a 2 m/s;

　　● El alcantarillado debe operar bajo condiciones de flujo sumergido;

　　● El error en la medición del flujo no debe exceder ±5%.

◆ Medidor de flujo en vórtice

Medidor de flujo en vórtice

● Un medidor de flujo en vórtice es un instrumento hidrológico fluvial utilizado para medir la velocidad media del flujo en puntos de medición predeterminados a lo largo de la sección transversal de ríos, canales, embalses, lagos, tuberías, etc., determinando así el caudal de dicha sección transversal.

● En la medición de agua en canales de riego, generalmente se utiliza para calibrar la curva de relación entre el nivel del agua y el caudal.

◆ Aplicación de innovación tipo rotor

Aplicación del caudalímetro de tipo rotor: vehículo para medición de flujo

La estación automatizada de medición de caudal en secciones transversales de ríos está centrada en un vehículo automático para la medición de caudal en secciones transversales de ríos, equipado con un caudalímetro tipo hélice, plomo-pez, terminal de comunicación, sistema inteligente de alimentación eléctrica, sistema de seguridad y sistema de videovigilancia, para lograr la recopilación y transmisión automáticas de información sobre el nivel del agua y el caudal en canales abiertos.

Para las secciones transversales de medición del flujo en canales de riego, se instala un puente de medición. Para reducir costos, se colocan dos vías triangulares paralelas en el lado aguas arriba del puente de medición, extendiéndose un extremo de las vías hacia dentro de la casa de medición. Las posiciones y el número de líneas verticales de medición se determinan según el ancho de la sección transversal del canal. Cuando se inicia la medición, el vehículo de medición se desplaza hasta el punto de medición, mide el nivel y la profundidad del agua (grosor del sedimento), y proporciona retroalimentación en tiempo real sobre los datos y el estado de la medición. El vehículo de medición de flujo baja el medidor de velocidad del flujo a una profundidad fija para realizar mediciones de velocidad del flujo en un solo punto o mediciones por capas de velocidad del flujo. Una vez completada la medición, se desplaza al siguiente punto de medición para continuar con la toma de datos.

Una vez completados todos los puntos de medición, el vehículo de medición de flujo calcula la velocidad media parcial del flujo y el área parcial para cada línea vertical, calcula la tasa de flujo parcial y suma las tasas de flujo parciales para obtener la tasa de flujo total de la sección transversal.

　 Con esto concluye la introducción básica a los productos principales actualmente disponibles en el mercado. Por favor, disculpe cualquier inexactitud y no dude en señalarlas. Si hay alguna omisión, agradecemos su aporte. Ahora pasemos a discutir los criterios de selección.

4. ¿Cómo elige el medidor de flujo adecuado para aplicaciones prácticas?

El editor ha resumido dos categorías de problemas de selección que son de especial preocupación: 1: ¿Cómo seleccionar un medidor de flujo para medir el caudal en canales/ríos de diferentes anchuras? 2: ¿Cómo seleccionar un medidor de flujo para medir el caudal en canales/ríos con diferentes propósitos?

◆ Seleccione según el ancho del canal/río de mayor a menor

　　Existen tres usos principales para la medición del caudal de canales y ríos: 1. Medición: como en distritos de riego y programación de distribución de agua, que requieren alta precisión. 2. Medición hidrológica del caudal: las principales oficinas hidrológicas se enfocan en datos de flujo dentro de áreas específicas, lo cual exige una rigurosa exactitud de los datos. 3. Prevención y control de inundaciones: como en casos de inundaciones repentinas y drenaje urbano ante inundaciones, que se centran en cambios relativos en los datos de flujo.

◆ Seleccione según el uso

　　Debido a las limitaciones de espacio, no entraremos en detalle sobre los problemas de mantenimiento de los diversos tipos de sensores de flujo. Si le interesan algunos temas específicos, ¡déjenos un mensaje en la sección de comentarios, y prepararemos contenido relevante según su feedback!