La velocidad del agua cuando circula por un canal no es homogénea (ver figuras 5 y 6); por esto, si se quiere conocer el caudal de una forma rigurosa, hay que analizar la distribución de velocidades en una sección y para eso se deben hacer medidas en cuantos más puntos, mejor.
El molinete es un instrumento que permite obtener la velocidad del agua en un punto. Si se conoce la distribución de velocidades y la sección del canal, se podrá obtener el caudal con mayor precisión. En la figura 9 se observan un molinete de eje horizontal y otro de eje vertical, que es el más frecuente. Las hélices de cada molinete están taradas de manera que se puede conocer la velocidad del fluido en función del número de vueltas que da la hélice en un tiempo determinado. Cada hélice de cada molinete tiene asociada una ecuación, que proporciona el fabricante o el laboratorio donde se tare. Esta curva de calibración es única para cada molinete y para cada hélice, y debe ser calibrada de forma periódica. Los molinetes con contadores digitales suelen arrojar el valor de la velocidad media, sin tener que contabilizar el número de vueltas, pero para esto hay que introducir la curva de calibración correspondiente.
Requerimientos del lugar de medición o aforo
Es importante dedicar un tiempo para elegir una buena sección donde realizar un aforo. Por ello es conveniente:
- Elegir una sección limpia y con pocas irregularidades.
- Si se deben repetir medidas periódicas, la sección debe ser estable. Hay que buscar tramos cementados o revestidos con materiales duros.
- Con un buen acceso.
- El canal debe ser recto.
- Aguas abajo de la sección de medida no debe haber elementos que retengan el flujo.
Medición del área
Para medir bien la sección de aforo, hay que dividir la sección de medida en una serie de franjas y determinar el calado (hi) en cada una de ellas. El número de franjas depende del ancho de la sección (Figura 10).
| ANCHO T (m) | n |
| <1 | 4 |
| 1-2 | 6 |
| 2-4 | 10 |
| 4-8 | 16 |
| 8-10 | 20 |
| >10 | 24 |
Tabla 6. Número de franjas (n) en función del ancho del canal (Fuente: Uribe y Hamil, 2019).
La norma ISO 748 (2007) indica que hay que hacer separaciones de 30 cm, con un mínimo de 20 secciones cuando el canal tenga un ancho mayor de 6 m.
En cualquier caso, el ancho de cada franja (a) está definido por el número de franjas (n), de manera que:
\(a=\ \frac{T}{n}\)
Donde:
- T: Ancho del cauce
- n: Número de franjas
Y el cálculo del área de cada franja vertical corresponde a:
\(A_i=h_ix\ a\)
Donde:
- Ai: Área de la sección i
- hi: Altura de la sección i, en el centro
- a: Ancho de la subsección o franja i
Medición de la velocidad y cálculo del caudal
La velocidad se mide con el molinete en cada una de las franjas verticales. Y esta velocidad se debe media a 0,2hi, 0,6hi y 0,8hi, donde hi es la profundidad del agua en el centro de cada franja vertical. De este modo, cada franja tiene su propia área de influencia (área sombreada en la Figura 10) y también su propia velocidad. La velocidad media en cada franja vertical queda definida como:
\(V_m=\ \frac{V_{0.2hi}+V_{0.6hi}+V_{0.8hi}}{3}\)
Cuando los canales son poco profundos y no es posible medir la velocidad a las tres profundidades indicadas, se pueden seguir las siguientes recomendaciones:
- Si la profundidad del agua es menor de 0,2 m, medir la velocidad a 0,6 x hi.
- Si la profundidad del agua está comprendida entre 0,2 m y 0,5 m, medir la velocidad a 0,2 x hi y a 0,6 x hi.
- Si la profundidad del agua es mayor de 0,5 m, medir la velocidad a 0,2 x hi, 0,6x hi y a 0,8 x hi.
Una vez determinada la velocidad media de la franja (Vmi), es posible calcular el caudal de la franja (Qi) correspondiente a la respectiva área de influencia, Ai, como:
\(Q_i=\ A_i\times V_{mi}\)
Donde:
- Qi: Caudal en la sección i
- Vmi: Velocidad media en la sección i
- Ai: Área de la franja vertical i
La suma de los Qi de todas las franjas permite obtener el caudal total de la sección, QT - Qt, definido como:
\(Q_{t=\sum Q_i}\)
Recomendaciones para la medición con molinete hidráulico
Se recomienda tener en cuenta las siguientes recomendaciones cuando se hace una medida con un molinete hidráulico:
- El molinete debe quedar totalmente sumergido, colocarse de forma perpendicular al flujo y paralelo a las paredes del canal.
- Es recomendable hacer tres medidas de velocidad en cada punto de medida y quedarse con el valor medio.
- Es conveniente medir la velocidad en cada punto durante al menos un minuto.
Procedimiento de aforo
- Elegir una buena sección
- Medir el ancho de la lámina de agua (T).
- Dividir el ancho superficial T en franjas de igual ancho según los procedimientos antes indicados. En la figura 11 se presenta una sección de aforo con las franjas y los puntos de medida de la velocidad correspondientes.
- Empezar siempre por una margen e ir midiendo en mitad de cada franja la altura de la lámina de agua (hi). Seleccionar las alturas a las que se hace cada medida y medir las velocidades.
- En cada punto de medida hay que medir la velocidad durante un minuto y repetir la medida tres veces, anotando en el estadillo el valor medio del número de vueltas o de velocidad, si el molinete da ese valor.
Una vez determinada la velocidad media de la franja (Vmi), es posible calcular el caudal de la franja (Qi) correspondiente a la respectiva área de influencia, Ai, como:
\(Q_i=\ A_i\times V_{mi}\)
Donde:
- Qi: Caudal en la sección i
- Vmi: Velocidad media en la sección i
- Ai: Área de la franja vertical i
La suma de los Qi de todas las franjas permite obtener el caudal total de la sección, QT - Qt, definido como:
\(Q_{t=\sum Q_i}\)
En la tabla 7 se presenta un estadillo que puede ser usado para la realización de aforos con molinete.
| V sección (m/s) | ||||||||
| Franja | hi (m) | V0,2h | V0,6h | V0,8h | a (m) | Vm (m/s) | Área (m2) | Q (m3/s) |
| 1 | ||||||||
| 2 | ||||||||
| 3 | ||||||||
| 4 | ||||||||
| 5 | ||||||||
| 6 | ||||||||
| 7 | ||||||||
| 8 | ||||||||
Tabla 7. Cálculo del caudal en la sección de aforo