2014
HIDROACUSTICA HIDROLOGIA II
PROFESOR: DR. WALTER GOMEZ LORA INTEGRANTES: - CALLE ESCALANTE, CINDY - CRUZ CHAVEZ, SABINA - MELLADO DELGADO, GABRIELA
ING. AMBIENTAL UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL 01/01/2014
HIDROACUSTICA 2014 Tabla de contenido 1. INTRODUCCIÓN 2. OBJETIVO
5
2.1.
Objetivo General ............................................................................................................. 5
2.2.
Objetivo Especifico .......................................................................................................... 5
3. ANTECEDENTES
6
4. MARCO TEORICO
7
4.1.
Estación de aforo en un Rio ............................................................................................ 7
4.2.
Aforo por el Método del Correntómetro ........................................................................ 8
4.3.
Determinación de la velocidad media de la sección de un rio ........................................ 8
4.4.
Sistemas para la medición de la velocidad media con el correntómetro ....................... 9
4.5.
Hidroacústica En La Hidrología ........................................................................................ 9
4.6.
Cómo Funciona La Hidroacustica .................................................................................. 11
4.7.
Tipos De Hidroacústica Medidores De Corriente ......................................................... 13
4.8.
Medición Del Caudal Con Métodos Acústicos............................................................... 22
4.9.
Tipos De Perfiladores .................................................................................................... 31
5.
4
OTROS................................................................................................................................ 40
4.10.
Marcas de los equipos ADCP ..................................................................................... 40
4.11.
Qué Plataformas Son Necesarias .............................................................................. 45
4.12.
Ventajas de los Perfiladores de Corriente Doppler (ADCP)....................................... 46
4.13.
Desventajas de los Perfiladores de Corriente Doppler (ADCP) ................................. 48
4.14.
Error en las mediciones ............................................................................................. 49
RECOMENDACIONES ................................................................................................................. 50
BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................................... 52
2
HIDROACUSTICA 2014
ÍNDICE DE ILUSTRACIONES Ilustración 1. Sección transversal de un rio, se emiten el haz del ACPD ........................................... 11 Ilustración 2. Se observa como el aforador maneja el equipo hidroacustico ................................... 12 Ilustración 3. Típico perfilador de corrientes acústico Doppler. Fotografía cortesía de los instrumentos de RD ........................................................................................................................... 15 Ilustración 4. Croquis que muestra las subsecciones de un canal del río no se mide por un perfilador de corrientes acústico Doppler (ADCP). ........................................................................................... 17 Ilustración 6. Esquema de Sontek ADV Probe. ................................................................................ 20 Ilustración 7 ....................................................................................................................................... 23 Ilustración 8 Efecto Doppler .............................................................................................................. 24 Ilustración 9 ....................................................................................................................................... 26 Ilustración 10 ..................................................................................................................................... 28 Ilustración 11 ..................................................................................................................................... 28 Ilustración 12 ..................................................................................................................................... 29 Ilustración 13 El medidor de efecto doppler del tipo perfilador puede medir velocidades en cada celda de profundidad......................................................................................................................... 30 Ilustración 14. El medidor de efecto doppler del tipo perfilador tiene emisores y receptores en la parte frontal y en la parte posterior; así logra mayor precisión ...................................................... 30 Ilustración 15. Sistema de movimiento de barco y magnetómetro fluxgate...................................... 32 Ilustración 16. ADCP Rio Grande ...................................................................................................... 33 Ilustración 17 ADCP Rio Grande, RiverRay y StreamPro................................................................... 35 Ilustración 18 ADCP FLOWQUEST 600 kHz ....................................................................................... 38 Ilustración 19. Como actúa el perfilador horizontal .......................................................................... 39 Ilustración 20. Perfilador horizontal .................................................................................................. 39 Ilustración 21 WORKHORSE SENTINEL ADCP .................................................................................... 41 Ilustración 223.: PHASED ARRAY ....................................................................................................... 45
3
HIDROACUSTICA 2014 1. INTRODUCCIÓN En el siguiente informe se describe como la Hidroacustica es aplicada en la hidrología para la realización de aforo, la Hidroacustica es una técnica que utiliza el ultrasonido como herramienta. El principio del método ultrasónico consiste en medir la velocidad de la corriente a una cierta profundidad, transmitiendo simultáneamente ondas sonoras a través del agua mediante transductores colocados en ambos lados del río. Esta velocidad puede estar relacionada con la velocidad media de la corriente de toda la sección transversal. Al incorporar un factor de área en el procesador electrónico, el sistema puede totalizar el caudal. (Herschy, 1974) La Hidroacustica utiliza la tecnología “ADP” (acoustic doppler profiler) cuyo origen está en california y que desde el año 2003 se ha aplicado con éxito en ríos, canales y acequias. El interés de la misma es, junto a la calidad de los datos que facilita, la sencillez de implantación y operación de la misma no alterando los cauces y el hábitat. (Tomos, 2008)
Los equipos hidroacústica registra información de blancos acústicos de la señal emitida. Un blanco acústico es cualquier organismo o material que produzca un eco que este dentro de los límites definidos por la frecuencia de la emisión para interpretar la posición espacio temporal en la columna de agua de los organismos. Los datos acústicos se obtienen mediante una ecosonda, un transductor y una interfase, la cual a su vez está conectada a un equipo de cómputo que cuenta con software específicos para procesar la información que se está recibiendo. (Greene Wiebe) En el Perú ya se ha estado utilizando este método con el equipo ADCP (RDI – río grande) en las campañas de aforos y muestreo de la calidad química del agua y sedimentos en especial en los ríos amazónicos. (SENHAMI, 2008)
4
HIDROACUSTICA 2014 2. OBJETIVO 2.1.
Objetivo General
Realizar una descripción detallada de la Hidroacustica, como esta técnica de apoyo
interviene en la hidrología calculando el caudal circulante por una sección así como otros parámetros de especial interés como el área, distribución de velocidades y la temperatura del flujo.
2.2.
Objetivo Especifico
Aprender el manejo y identificarla importancia de la utilización de los equipos perfiladores acústicos. Describir como el ultrasonido permite calcular las velocidades en cada columna de una sección de aforo. Buscar las marcas de equipos hidroacústica ADCP y describir sus características que la diferencian.
5
HIDROACUSTICA 2014 3. ANTECEDENTES Instrumentación hidroacústica en muchas aplicaciones ofrece más datos detallados y de mejor calidad a un menor costo, mientras que son más fáciles y seguro de usar que los modelos más antiguos de medidores de corriente. Acústica tecnologías de velocidad pueden reportar componentes del vector de velocidad del agua velocidad que pueden mejorar la precisión de la medición y son esenciales para mediciones de caudal precisas en situaciones de bidireccional fluir. Velocímetros Doppler acústicos (ADVS) Han hecho posible para medir de forma más asequible y fácil vectores actuales de flujo en entornos de campo. Debido a las ventajas que hidroacústica instrumentos ofrecen, muchas agencias gubernamentales están aumentando el uso de la instrumentación. Existente directrices y normas para la hidrometría OMM incluyen la guía de prácticas hidrológicas, OMM-N° 168, de los capítulos 10, 11, 12 y 13 (OMM 1994), y el manual sobre el aforo de caudales, OMM-Nº. 519 (OMM 1980). Estos documentos están destinados
a
proporcionar
una
orientación
general
e
información
específica,
respectivamente, el aforo de caudales prácticas. No están destinados a proporcionar resultados detallados de las pruebas de la tecnología de medición de flujo y técnicas de medición. Ambos documentos fueron sustancialmente escrito antes de que el desarrollo de instrumentación hidroacústica. La metodología utilizada por los ADCP, Doppler cambio, no duplica la metodología utilizada por la corriente más viejo metros. Además, un ADV, a diferencia de la instrumentación anterior, vectores de las medidas de velocidad. Aumento y demandas más complejas los suministros de agua se requiere que la incertidumbre del flujo mediciones pueden cuantificar mediante el uso de métodos estandarizados similares a las aprobadas por la organización internacional de normalización (1983, 1993), Instituto americano de aeronáutica y astronáutica (1995), el instituto nacional de estándares y (Taylor pruebas y kuyant 1994), y el reino de acreditación estados servicio (1997). Una nueva edición de la guía de prácticas hidrológicas de la OMM es actualmente en las etapas finales de preparación y debe ser publicada sin embargo en 2007, el uso de instrumentos hidroacústica es continúa evolucionando en respuesta a las nuevas mejoras en la instrumentación. Más reciente y la información más amplia sobre la adecuada uso de instrumentos y metodologías hidroacústica y sus incertidumbres se necesita para avanzar en el estado actual de la práctica.
6
HIDROACUSTICA 2014 4. MARCO TEORICO 4.1.
Estación de aforo en un Rio
El aforo de un río también tiene lugar en una sección transversal del curso de agua, a la que llamaremos la “sección de control”. El lugar donde siempre se va a aforar el agua, toma el nombre de “estación de aforos o foronómica”. El lugar que se escoja para establecer una estación de aforo debe reunir ciertos requisitos, algunos de los cuales ya fueron mencionados al tratar las condiciones de la sección de aforos. A saber: 1. El tramo del río que se escoja para medir el caudal del agua circulante debe ser aproximadamente recto, en una distancia de 150 a 200 metros, tanto aguas arriba como aguas abajo de la estación de aforo. En este tramo recto, no debe confluir ninguna otra corriente de agua, ni existir pérdidas o derivaciones del recurso. 2. La sección de control debe estar ubicada en un tramo en el cual el flujo sea calmado y, por lo tanto, libre de turbulencias, y donde la velocidad de la corriente esté ubicada dentro de un rango que pueda ser registrado por un correntómetro. 3. El cauce del tramo recto debe estar limpio de malezas o matorrales, de piedras grandes, bancos de arenas, etc., para evitar imprecisiones en las mediciones de agua. Estos obstáculos hacen más imprecisas las mediciones en épocas de estiaje. 4. Tanto agua abajo como aguas arriba, la estación de aforo debe estar libre de la influencia de puentes, presas o cualquier otra construcción que pueda afectar las mediciones. 5. El sitio debe ser de fácil acceso para realizar las mediciones.
7
HIDROACUSTICA 2014 4.2.
Aforo por el Método del Correntómetro
El correntómetro o corrientímetro es un instrumento apto a medir la velocidad de corrientes en el mar, en los ríos, arroyos, estuarios, puertos, modelos físicos en laboratorio, etc. Existen algunos modelos que además registran su dirección, profundidad e inclinación respecto de la vertical, temperatura de agua de mar, presión y conductividad. Su modalidad de registro puede ser papeleta inscriptora, cinta magnética o memoria de estado sólido. Existen varios tipos de correntómetros, siendo los más empleados los de hélice de los cuales hay de varios tamaños; cuanto más grandes sean los caudales o más altas sean las velocidades, mayores debe ser también el tamaño del aparato. Cada correntómetro debe tener un certificado de calibración en el que figura la fórmula necesaria para calcular la velocidad del agua sabiendo el número de vueltas o revoluciones de la hélice por segundo. Estos correntómetros se calibran en laboratorios de hidráulica; una fórmula de calibración, como la empleada en nuestro estudio, es la siguiente: v=an+b Dónde: v = es la velocidad del agua, expresada en m/s. n = es él número de vueltas de la hélice por segundo. a = es el paso real de la hélice en metros. b = es la llamada velocidad de frotamiento en m/s. 4.3.
Determinación de la velocidad media de la sección de un rio
Para determinar la velocidad media promedio de la sección de un rio se debe tener varias verticales. Para saber cuántas verticales se debe considerar en la sección, se puede tomar el criterio el cual considera que las subsecciones no tengan más del 5% del total del ancho.
8
HIDROACUSTICA 2014 Para no tomar varios puntos en cada vertical de la sección del rio, se puede tomar el Método de un punto o el Método de los dos puntos. Para aplicar el primer método mencionado la profundidad de la vertical no debe pasar de 70 cm aproximadamente, tomándose a 0.6 % y para aplicar el segundo método la profundidad de la vertical debe ser de 2 m aproximadamente, tomándose a 0.2 y 0.8%. Las velocidades obtenidas en cada vertical de la sección del rio se promedian para obtener una velocidad media de la sección. Al multiplicar este valor por el área de la sección transversal se obtendrá el caudal de la sección del rio. 4.4.
Sistemas para la medición de la velocidad media con el correntómetro
Método de Suspensión
Este método se realiza mediante un puente o mediante el “carro warror” (de una orilla a la otra). Cada vez que va pasando de un lado a otro va midiendo la velocidad en cada vertical utilizando el correntómetro. Método de Badeo
Este método realiza la medición de la velocidad directamente con la persona dentro del rio. La persona va midiendo la velocidad en cada vertical de las subcciones de la seccion del rio.
4.5.
Hidroacústica En La Hidrología
De descarga es el volumen de agua que se mueve hacia abajo una corriente o río por unidad de tiempo, comúnmente expresado en pies cúbicos por segundo o galones por día. En general, la descarga del río se calcula multiplicando el área de agua en una sección transversal del canal por la velocidad media del agua de dicha sección transversal: 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 = 𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑥 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑
9
HIDROACUSTICA 2014 El USGS utiliza numerosos métodos y tipos de equipos para medir la velocidad y el área de la sección transversal, incluyendo el siguiente medidor de corriente y Doppler acústico actual Profiler. Profiler acústico Doppler Current En los últimos años, los avances tecnológicos han permitido que el USGS para hacer mediciones de caudal mediante el uso de un acústico Doppler Profiler actual (ADCP). Un ADCP utiliza los principios del efecto Doppler para medir la velocidad del agua. El efecto Doppler es el fenómeno que experimentamos cuando pasó por un coche o tren que está sonando el claxon. Como pasa el coche o en tren, el sonido de la bocina parece caer en la frecuencia. El ADCP utiliza el efecto Doppler para determinar la velocidad del agua mediante el envío de un pulso de sonido en el agua y midiendo el cambio en la frecuencia de pulso que sonido reflejado de vuelta a la ADCP por el sedimento u otras partículas se transportan en el agua. El cambio en la frecuencia, o Shift Doppler, que se mide por el ADCP se traduce en la velocidad del agua. El sonido se transmite al agua desde un transductor a la parte inferior del río (diagrama de abajo) y recibe señales de retorno a través de toda la profundidad. El ADCP también utiliza acústica para medir la profundidad del agua midiendo el tiempo de viaje de un pulso de sonido en alcanzar el fondo
del
río
del
nuevo
a
la
ADCP
Para realizar una medida-ment de descarga, el ADCP se monta en un barco o en una embarcación pequeña (diagrama de arriba), con sus haces acústicos dirigidos en el agua desde la superficie del agua. El ADCP se guía después a través de la superficie del río para obtener mediciones de la velocidad y la profundidad a través del canal. La capacidad de seguimiento-río abajo de las vigas acústicas ADCP o un Sistema de Posicionamiento Global (GPS) se utiliza para realizar el seguimiento del progreso de la ADCP a través del canal y proporcionar mediciones de canal ancho. El uso de la profundidad y la anchura para el cálculo de la zona y las mediciones de la velocidad, la descarga es calculado por el ADCP = velocidad de descarga usando zona, similar al
10
HIDROACUSTICA 2014 método actual-metro convencional. Velocímetros acústicos también se han desarrollado para realizar mediciones de vadeo (foto a la izquierda).
Ilustración 1. Sección transversal de un rio, se emiten el haz del ACPD
El ADCP ha demostrado ser beneficioso para streamgaging de varias maneras. El uso de ADCP ha reducido el tiempo que se necesita para hacer una medición de la descarga. El ADCP permite mediciones de descargas que se realizan en algunas condiciones de inundación que antes no eran posibles. Por último, el ADCP proporciona un perfil detallado de la velocidad del agua y la dirección para la mayoría de una sección transversal en lugar de sólo en localizaciones de puntos con un medidor de corriente mecánica; esto mejora la precisión de la medición de descarga. (http:// Water. usgs.gov/edu/streamflow2. html) 4.6.
Cómo Funciona La Hidroacustica
La hidroacústica se basa en unos principios relativamente sencillos. El transductor convierte la señal eléctrica desde el transmisor dentro de la sonda en un pulso acústico, y transmite esa energía en el agua. De manera recíproca, el transductor recibe los ecos acústicos (de objetivos en la columna de agua y la parte inferior) y las convierte en señales eléctricas. Dt-x transductores contienen el receptor y circuitos de conversión de
11
HIDROACUSTICA 2014 analógico a digital, muy diferente de transductores analógicos encontrados en los sistemas de ecosonda científica tradicionales u otros. El pulso de la energía viaja a través del agua a una velocidad de aproximadamente 1500 m / seg. Cuando el pulso acústico se encuentra con un objeto, tal como un pez o el fondo, parte de la energía (es decir, un eco) es reflejada de vuelta al transductor. Si el nivel de la señal supera un nivel umbral seleccionado por el usuario, aparece una marca en el ecograma. La distancia desde la parte superior de la pantalla para la marca es proporcional al tiempo de viaje para el impulso de viajar desde el transductor a la meta y la espalda. Puesto que la velocidad en el agua es conocida, rango (distancia desde el transductor) se puede calcular a partir de este tiempo de viaje. Mediante la recopilación de los ecos de muchas transmisiones consecutivas, el tiempo en el haz acústico, el cambio en el alcance y la dirección de desplazamiento de objetivos se puede determinar. El biosonics dt-x echosounder utiliza un procesador embebido basado en linux que automáticamente marcas de tiempo, referencias geográficas y almacena digitalmente los datos para la reproducción
y
el
análisis.
(http://
www.biosonicsinc.com/resources-what-is-
hydroacoustics.asp)
Ilustración 2. Se observa como el aforador
maneja el equipo hidroacustico
12
HIDROACUSTICA 2014 4.7.
Tipos De Hidroacústica Medidores De Corriente
El Georgia Distrito USGS utiliza tres tipos de hidroacústica medidores de corriente para medir el caudal. Estos tres tipos de medidores de corriente hidroacústicos son la acústica Perfilador de corrientes Doppler (ADCP), el Doppler acústico velocímetro (ADV), y la velocidad Doppler acústico metros (ADVM).
4.7.1. Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) Perfilador de corrientes Los principales componentes externos de un ADCP son un conjunto de transductor y una caja de presión. El conjunto de transductor consta de cuatro transductores que operan a una frecuencia ultrasónica fija, típicamente 300, 600, o 1200 kilohercios (kHz). Los transductores están espaciados horizontalmente 90 grados aparte en el conjunto de transductor; todos los transductores tener el mismo ángulo fijo respecto a la vertical, se refiere como un "ángulo de haz", que es típicamente 20 o 30 grados. El conjunto de transductor puede tener una configuración convexa o cóncava. La presión caso está fijado al conjunto transductor y contiene la mayoría de la electrónica del instrumento (Ilus.3). Cuando un ADCP se despliega a partir de un movimiento barco, que está conectado por cable a una fuente de alimentación y a un microordenador portátil. El ordenador se utiliza para programar el equipo, supervisar su operación, y recoger y almacenar los datos. Principios operacionales La magnitud medidas ADCP velocidad y la dirección mediante el desplazamiento Doppler de acústica energía reflejada por el material suspendido en el columna de agua. El ADCP transmite pares de corto pulsos acústicos a lo largo de un haz estrecho de cada uno de los cuatro transductores. Como los pulsos viajan a través la columna de agua, golpean sedimento suspendido y partículas orgánicas (referidos como "dispersores") que reflejan parte de la energía acústica de nuevo al ADCP. El ADCP recibe y registra los pulsos reflejados. Los impulsos reflejados se separan por diferencias de tiempo en sucesiva, de manera uniforme volúmenes separados llamados "células de rotundidad." El desplazamiento de frecuencia (conocido como el "efecto Doppler") y el cambio de hora de tiempo entre los sucesivos pulsos reflejados son proporcionales a la velocidad de los dispersores relativos a la ADCP. El ADCP calcula un componente de
13
HIDROACUSTICA 2014 velocidad a lo largo de cada haz; porque las vigas están posicionados ortogonalmente a uno al otro y en un ángulo conocido de la vertical (generalmente 20 o 30 grados), relaciones trigonométricas se utilizan para calcular de tres dimensiones watervelocity vectores para cada celda profundidad. Por lo tanto, la ADCP produce perfiles de velocidad verticales compuestas de velocidad del agua e instrucciones en forma regular intervalos espaciados. Mediciones de descarga ADCP se hacen desde embarcaciones en movimiento; por lo tanto, las velocidades del barco debe ser restado del ADCP medido velocidades del agua. ADCP se puede calcular el barco velocidad y dirección usando "seguimiento inferior". El fondo del canal es seguido por la medición de la desviación Doppler de acústica pulsos reflejados desde la parte inferior para medir barco velocidad; dirección se determina con el ADCP brújula a bordo. Si el fondo del canal es estacionario, esta técnica mide con precisión la velocidad y la dirección del barco. El bottomtrack ecos también se utilizan para estimar la profundidad del río.
14
HIDROACUSTICA 2014 Mediciones de descarga ADCP se hacen moviendo el ADCP a través del canal, mientras que recoge perfil vertical-la velocidad y la profundidad de canal datos.
Ilustración 3. Típico perfilador de corrientes acústico Doppler. Fotografía cortesía de los instrumentos de RD El ADCP transmite pulsos acústicos en la columna de agua. Los grupos de impulsos incluyen legumbres y leguminosas parte inferior de seguimiento de perfiles de agua. Un grupo de impulsos que contiene un operador conjunto número de impulsos de perfiles de agua (o agua pings) intercalados con un número de operador-conjunto de pulsos inferior de seguimiento (o pings abajo) es un "Ensemble"; un solo conjunto puede compararse a una sola vertical desde una descarga convencional de medición. Un solo cruce de la corriente de un lado a la otra que se conoce como una Cada "transecto." transecto normalmente contiene muchos conjuntos. Cuando se conocen la profundidad y agua velocidades para cada conjunto, un ADCP puede calcular la cumplir para cada conjunto. La descarga de todos los conjuntos de transectos se suma, dando un cálculo del caudal del río para la totalidad transecto. Parámetros operacionales ADCP (tales como longitud de células de profundidad, número de agua y parte inferior pings al conjunto, y el tiempo entre pings) son establecido por el usuario del instrumento. Los ajustes para estos parámetros se rigen por las
15
HIDROACUSTICA 2014 condiciones del río (tales como la profundidad y la velocidad de agua) y también por la frecuencia y la configuración física del ADCP unidad. -
Limitaciones operacionales
ADCP de están sujetas a limitaciones operativas que influyen directamente en la calidad de la descarga mediciones. Una de estas limitaciones es la incapacidad de un ADCP para recoger los datos de todas las áreas de los canales del río. Subsecciones mensurable son encontrados en la fabricación de casi todos ADCP mediciones del caudal. Áreas inmensurable incluir una parte superior, inferior, y lateral o de borde subsecciones (Ilust. 4). (De aquí en adelante, miden subáreas de canales y no se mide por un ADCP se hará referencia a como "subsecciones.") La incapacidad de un ADCP para recopilar datos de la subsección superior es el resultado de tres factores: proyecto de transductor, zona muerta, y lag. "Proyecto de transductor" se refiere a la distancia que los transductores están sumergidos. Los transductores debe ser sumergido por completo durante la descarga medición, y el ADCP no puede medir la parte de la columna de agua por encima de los transductores. "Zona muerta" se refiere a una zona directamente debajo de los transductores en el que ecos no pueden ser recibidas por los transductores a causa de sus propiedades físicas. "Lag" es la distancia entre porciones sucesivas de los pings de transmisión por un ADCP. La suma del transductor proyecto, zona muerta, y el retraso es la longitud de la porción superior de la columna de agua que no puede ser perfilada por el ADCP.
Las velocidades del agua también no se pueden medir cerca del cauce (inciso final) porque de la interferencia de los lóbulos laterales. Interferencia del lóbulo lateral resultados de la acuñación de la parte inferior del canal por la energía de lóbulo lateral de cada uno de los cuatro acústica vigas. Las reflexiones de la energía de los lóbulos laterales desde el fondo del canal son fuertes y abrumar se hace eco de dispersores cerca de la parte inferior del canal. El espesor de la subsección inferior es típicamente aproximadamente el 6 por ciento de la distancia desde el canal inferior a la ADCP para transductores con de 20 ángulos de haz grado. Otra subsección no medida es el borde subsección. En muchos casos, las profundidades es demasiado río cerca de bordes poco profundo para la ADCP para medir.
16
HIDROACUSTICA 2014 En el caso de un canal con un banco vertical, una Señal ADCP menudo golpeará el banco y el retorno un eco falso fondo, lo que lleva a la estimación de menos profundidad cerca de la orilla que está realmente presente. Cuando el ADCP empieza a subestimar el profundidad real, la recolección de datos debe parar, dejando la porción del canal cerca de la pared (el borde subsección) no medida. La recogida de datos y el procesamiento de ADCP software se aproxima a la aprobación de la gestión en la subsecciones no medidos por watervelocity extrapolando datos de la subsección medido (Ilust. 4) y multiplicando esta velocidad no medida por el área de la subsección. Las velocidades de la parte superior e inferior subsecciones se estiman mediante la extensión del perfil vertical-velocidad medida a través las subsecciones no medidos. Dos extrapolaciones esquemas están disponibles para la ampliación de la vertical,
Ilustración 4. Croquis que muestra las subsecciones de un canal del río no se mide por un perfilador de corrientes acústico Doppler (ADCP).
Otras limitaciones operacionales también pueden afectar mediciones del caudal. Velocidad de la embarcación puede significativamente afectar a la precisión de la descarga ADCP mediciones. Conforme aumenta la velocidad del barco, la medición precisión disminuye. Para mediciones en corrientes de movimiento lento, en particular, los barcos deben cruzar
17
HIDROACUSTICA 2014 la corriente muy lentamente para minimizar error de medición.
-
Profiler acústico Doppler Current
Las unidades ADCP se montaron en barcos para recoger la colección-datos del alta. Mediciones de descargas se intentaron con ya sea un 1200- o un ADCP frecuencia de 600 kHz, o tanto, en todos los centros de evaluación. El 1200-y-600 kHz unidades se usaron en las evaluaciones Debido a que estos son los tipos de de ADCP más comúnmente utilizado por el USGS. ADCP utiliza en los sitios de evaluación tuvo Ángulos transductor de haz de 20 grados. Cabeceo y balanceo indemnización era activo en todas las unidades. Parámetros de recopilación de datos ADCP se establecen por el operador del instrumento con el uso de un archivo de configuración. Estos archivos se crean en el microordenador usando el software o una ADCP programa editor de texto y luego se descargan en el ADCP. Parámetros de configuración seleccionados ADCP-para cada uno de los sitios de evaluación se dan.
-
Análisis de Error Profiler Medición
ADCP error de medición de caudal tiene un número de posibles fuentes, incluyendo error de velocidad-medición, los errores en la descarga extrapolación a través de las subsecciones no medidos, y fluctuaciones de velocidad naturales en el río o corriente. Una indicación del error de medición de descarga ADCP es el desviación estándar de la descarga ADCP medición. La desviación estándar de un Medición de la descarga ADCP es el estándar desviación de la serie de descargas de transectos que componer la medición. Cada medición de la descarga ADCP es el suma de los caudales medios de la medida y no medida (superior, inferior, y el borde) del canal subsecciones. Por lo tanto, una desviación estándar puede se computará para la descarga en cada subsección; este desviación estándar indica la medición error de descarga para cada subsección, así como la contribución relativa de cada subapartado para la ADCP error de medición de caudal. Las desviaciones estándar de alta fueron calculadas para cada subsección en el 31 ADCP mediciones .Las desviaciones
18
HIDROACUSTICA 2014 estándar de aprobación de la gestión se hacen referencia en lo sucesivo como "estándar desviaciones ", y la descarga en una subsección es denominado "descarga subsección." Standard desviaciones en los incisos medidos oscilaron de aproximadamente 1 a 7 por ciento del correspondiente. (Scott E. Morlock, 2002)
4.7.2. Acústico Doppler Velocimetría ADV Un velocímetro acústico Doppler (ADV) opera por el principio de desplazamiento Doppler. Este concepto se ilustra con un ejemplo simple: si usted está parado en un cruce de ferrocarril y un tren resuena su cuerno a su paso por el, se oye la bocina en un tono más alto que el tren se acerca, y luego un tono más bajo, ya que deja. Cuando el tren se mueve hacia usted, el sonido olas de la bocina se comprimen (lo que significa una mayor frecuencia) y percibir la sonar en un tono más alto. A medida que el tren te deja, las ondas de sonido ya no se comprimen y se escucha un ruido de baja frecuencia más baja de tono. Este cambio en la frecuencia se puede calcular usando la ecuación:
Donde Fdoppler = cambio en la frecuencia recibida (efecto Doppler); Fsource = frecuencia de transmisión de sonido; V = velocidad de la fuente en relación con el receptor; C = velocidad del sonido. Para que exista un desplazamiento Doppler, debe haber movimiento relativo entre el sonido y el observador; si usted estuviera en el tren y se mueve con él, haremos oír la bocina del tren en un terreno de juego durante todo el viaje. Esto se evidencia en la ecuación - si la velocidad relativa entre el sonido y el observador es cero (V = 0), no hay desviación de cero de la frecuencia. El ADV utiliza este principio para medir la velocidad del agua en tres dimensiones. El dispositivo envía un haz de ondas acústicas a una frecuencia fija de una sonda transmisor.
19
HIDROACUSTICA 2014 Estas ondas rebotan de mover partículas en el agua receptora y tres sondas "escuchar" para el cambio en la frecuencia de las ondas devueltos. El ADV entonces calcula la velocidad del agua en las direcciones x, y, z. Un esquema general del ADV se muestra en la ilustración
6.
(http://web.mit.edu/fluids-
odules/www/exper_techniques/1.ADV.Principleof_Operation.pdf)
Ilustración 5. Esquema de Sontek ADV Probe. 4.7.3. Medidores De Velocidad Doppler Acústicos
El término "Doppler acústico medidor de velocidad" es descriptiva de cómo opera el instrumento. Un ADVM mide por la velocidad del agua utilizando el principio de Doppler aplicado al sonido (acústica) de transmisión bajo el agua. Principios de funcionamiento Un ADVM utiliza un par de acústica monoestático transductores fijados en una orientación conocida para medir velocidades del agua. "Monoestático" se refiere a la capacidad de cada transductor para transmitir y recibir sonido. Cada transductor ADVM transmite pulsos de sonido (pings) de una frecuencia conocida a lo largo de un "rayo acústico" estrecha. Como los pings viajar a lo largo del haz acústico, golpean partículas
20
HIDROACUSTICA 2014 Materia (dispersores) suspendidas en el agua. Cuando el pings huelga dispersor, parte del sonido se refleja a lo largo de la viga acústica al transductor. La regresado sonido (eco) tiene una frecuencia (Doppler) cambio proporcional a las velocidades de los dispersores y agua están viajando en a lo largo del haz acústico. Los dos haces acústicos se fijan en un ángulo conocido (ángulo de haz) en un plano de dos dimensiones que es paralela a la superficie del agua (fig. 2) por lo que si se ve desde anteriormente, que estarían en una configuración de "V". Desde velocidades medidas a lo largo de la acústica individuo vigas, la ADVM utiliza trigonometría (porque el ángulo del haz es conocido) para calcular la velocidad de un usuario-set parte (volumen de muestra) del plano definido por la vigas. Un ADVM calculará y salida de un velocidad media para el volumen de la muestra; la velocidad es salida en términos de un componente x y un componente y. En una instalación típica en la que está montado el ADVM en el lado del río, la componente x es el componente de la velocidad paralelo a la dirección de flujo principal del río ("a lo largo de flujo") y la componente de velocidad es perpendicular a la dirección de flujo principal del río ("a través de flujo"). La muestra del ADVM velocidades de más de un período de tiempo establecido por el usuario, el "Promedio de intervalo", y reportar las direcciones x e y componentes de la velocidad media en la muestra durante el un promedio de intervalo. Un parámetro importante es la señal ADVM fuerza, que es una medida de la fuerza de la ecos devueltos al ADVM. Intensidad de la señal disminuye con la distancia desde el ADVM debido absorción acústica y de propagación de los haces acústicos. La máxima medición rango de un ADVM depende de la distancia a la que la intensidad de señal se acerca al nivel de instrumento-ruido. Para esta discusión, el instrumento-nivel de ruido puede considerarse como la fuerza de la señal del ADVM medido mientras el ADVM está fuera de la agua. Fabricantes ADVM a veces utilizan los términos "intensidad de la señal" y "Amplitud del haz" de manera intercambiable. (MORLOCK, Evaluation of Acoustic Doppler Current Profiler Measurements of River Discharge, 1996)
21
HIDROACUSTICA 2014 4.8.
Medición Del Caudal Con Métodos Acústicos
4.8.1. El ultrasonido
Un oído normal tiene un rango de frecuencias audible que va de los 20 a los 20K Hertz aproximadamente.
Una onda sonora que posee una frecuencia por sobre este rango se denomina ultrasonido.
El sonido es una forma de transmisión de energía descrita por medio de las diferencias de presión que se producen en un medio, adoptando las características de una onda en su propagación. Este tipo de ondas se denominan ondas mecánicas y una de sus principales características es que para su propagación necesitan de un medio transmisor, cuyas características influirán principalmente en su velocidad de propagación.
De esta forma, el sonido se propaga a través de un medio a una velocidad dependiente de su composición y temperatura principalmente.
4.8.2.
Medición de Flujo
La medición de caudal se lleva a cabo mediante dos métodos: tiempo de tránsito y efecto doppler, los cuales se describen a continuación.
1) Tiempo de Tránsito
El método consiste en la disposición de dos transductores situados en las paredes de la tubería por donde circula el fluido, los cuales actúan como emisor-receptor de ultrasonido. Tal como se ilustra en la figura, existe uno situado en la parte superior, el cual envía un pulso de ultrasonido en sentido descendente hasta ser recibido por el transductor inferior. Este último transmite a su vez un pulso en sentido ascendente que es recibido por el transductor situado en la parte superior.
22
HIDROACUSTICA 2014
Ilustración 6. Movimiento de los Haces
De esta forma, dado que el pulso descendente se encuentra a favor del flujo, demorará menos tiempo en llegar al receptor inferior, comparado con el tiempo que demorará el pulso ascendente, en contra del sentido del flujo, en alcanzar el receptor superior. De esta forma, el flujómetro transmite pulsos ascendentes y descendentes en forma alternada midiendo la diferencia de tiempo en la recepción de ellos.
Ecuación 1
La ecuación (1) permite relacionar la velocidad del medio (flujo) VF con el ángulo de emisión del pulso q y la diferencia de tiempo entre los pulsos ascendente y descendente; también intervienen el diámetro de la tubería d y TL es el tiempo que tardan en ser recibidos los pulsos cuando no hay flujo.
Aplicando la ley de Snell1 a la ecuación (1), se obtiene:
23
HIDROACUSTICA 2014
Ecuación 2
El resultado anterior muestra la característica lineal que posee la relación entre el flujo y diferencia de tiempo entre la recepción de los pulsos ascendente y descendente.
4.8.3.
Efecto Doppler
En 1842, Christian Doppler predijo que la frecuencia de ondas recibidas dependía del movimiento del observador o la fuente, respecto al medio de propagación. Este principio es utilizado en diversas aplicaciones, y permite determinar el flujo dentro de una tubería como se ilustra en la figura
Ilustración 7 Efecto Doppler
24
HIDROACUSTICA 2014 En este caso, se dispone de un transductor en la pared de la tubería, el cual emite un pulso de ultrasonido en un ángulo apropiado y a una frecuencia determina, hacia el centro de la tubería, luego, las partículas suspendidas en el fluido producen reflexiones de la onda sonora que son detectadas por el transductor. La frecuencia de la señal emitida difiere de la que posee la señal recibida de acuerdo al Efecto Doppler, como se ilustra en las siguientes ecuaciones:
Ecuación 3
Nuevamente recurriendo a la ley de Snell es posible sintetizar una expresión similar a (2) como sigue: 4.8.4.
Medidor Ultrasónico De Efecto Doppler Para Canales
Funcionamiento
El funcionamiento del medidor de efecto doppler es un proceso bastante complicado. El medidor calcula el gasto en función de dos variables principales: el área hidráulica y la velocidad media. Sin embargo, cada una de esas variables tampoco se mide directamente; más bien, se miden otras variables físicas. El proceso completo se observa en la figura 1.2. En este esquema las flechas representan fórmulas que se aplican para obtener cada variable subsecuente. Esto significa que el medidor de efecto doppler mide únicamente las variables que están en la parte superior del esquema; es decir el efecto doppler (que se explicará más adelante), la temperatura y el voltaje de una corriente eléctrica.
El hecho de registrar el área hidráulica, la velocidad y la temperatura, al mismo tiempo, es una característica que hace que este tipo de medidores representen una nueva generación, ya que todos los aparatos de medición anteriores no lo hacen (flotador, molinete, medición
25
HIDROACUSTICA 2014 volumétrica, aforador de garganta – parshall, garganta suprimida, garganta larga, etc.-, métodos de dilusión, etc.). A continuación se explica cómo el medidor de gasto de efecto doppler mide cada una de ellas.
4.8.4.1.
Medición Del Área Hidráulica
El medidor de efecto doppler calcula el área hidráulica en función del tipo de sección y de la profundidad de agua.
Ilustración 8.
Para medir la profundidad se utiliza un transductor. Un transductor es un dispositivo que proporciona una salida eléctrica en respuesta a una magnitud física que se desea medir. Para este caso se desea medir la profundidad del agua y lo que realmente se mide es la presión.
Esto tiene su explicación en el hecho de que mientras más profundidad se tenga, mayor presión se presentará. Esto se explica a continuación: el agua ejerce una presión sobre un
26
HIDROACUSTICA 2014 material especial sujeto a una corriente eléctrica; dicho material puede ser silicio incorporado a un diafragma. Cuando el diafragma está plano (sin presión) presenta cierta resistencia al paso de la corriente eléctrica, y cuando está deformado presenta otra (ver figura 1.3). Esta diferencia de resistencia (medida en voltaje) es la que registra el dispositivo y la transforma, por medio de fórmulas, primero a presión y después a profundidad de agua.
Después que se tiene la profundidad del agua se puede calcular el área hidráulica.
Para el caso de secciones geométricas sencillas como el rectángulo o el trapecio las fórmulas son muy simples.
En las fórmulas anteriores A es el área hidráulica; B es el ancho de la parte inferior del canal (normalmente llamada plantilla); Y es la profundidad (también llamada tirante); y K es el talud de las paredes del canal.
4.8.4.2.
Medición De La Velocidad Media
Como su nombre lo indica, este dispositivo utiliza el llamado efecto doppler para medir la velocidad en la corriente. El efecto doppler es la alteración de la frecuencia de las ondas, en función del movimiento, ya sea del receptor o del emisor de las ondas.
27
HIDROACUSTICA 2014
Ilustración 9
Ilustración 10
Este efecto se produce en todos los tipos de ondas, ya sean sonoras, luminosas o de radio. Precisamente la alteración de las ondas de sonido, o mejor dicho de ultrasonido, es lo que utiliza el medidor de efecto doppler. El ultrasonido es un sonido con frecuencia más alta que la perceptible por el oído humano. El medidor tiene unos emisores de ondas de ultrasonido y unos receptores de las mismas. Primeramente el emisor envía una onda a una
28
HIDROACUSTICA 2014 determinada frecuencia y el receptor capta las ondas que son reflejadas en el agua, inclusive, la onda puede reflejarse en partículas de sólidos en suspención o en burbujas de aire. Si el agua está en movimiento, las ondas reflejadas tendrán una frecuencia diferente de la emitida; la diferencia de frecuencia indica al dispositivo la velocidad de la corriente.
Ilustración 11
4.8.5.
Dopplers Perfiladores
Tales como el medidor ADFM (Acoustic Doppler Flow Meter) de la compañía estadounidense MGD Technologies Inc. De California.
El medidor divide la señal reflejada en intervalos regulares que corresponden a diferentes profundidades de agua. La velocidad se calcula a partir de la señal reflejada en cada intervalo. El resultado es (ver figura 1.6).
La dirección de los perfiles de velocidad está relacionada con la geometría del medidor ya que tiene un emisor de ondas en la parte frontal y otra en la parte posterior, tal como se observa en la figura 1.7.
29
HIDROACUSTICA 2014 Los datos de cada rayo acústico se promedian para obtener mejor precisión. Velocidad del flujo en esta dirección. Para que esto no cause problemas de precisión, el medidor doppler perfilador manda unos rayos acústicos muy delgados. Además, los intervalos entre una emisión de rayos y otra, son tan cortos que la velocidad reportada es la de un pequeño volumen de agua (cilindros de aproximadamente 5 centímetros de largo y cinco centímetros de diámetro).
Ilustración 12
Ilustración 13.
30
El medidor de efecto doppler del tipo perfilador puede medir velocidades en cada celda de profundidad.
El medidor de efecto doppler del tipo perfilador tiene emisores y receptores en la parte frontal y en la parte posterior; así logra mayor precisión
HIDROACUSTICA 2014 Los datos de velocidad de los dos rayos acústicos se manejan por medio de fórmulas matemáticas para describir las velocidades en toda el área hidráulica de la sección transversal. Las fórmulas empleadas utilizan algunos artificios para
manera que el
resultado es la descripción de todas las velocidades en la sección transversal. 4.8.6. Dopplers continuos
Este es el caso del medidor Starflow de la compañía australiana Unidata que envía una señal continua y mide los reflejos en todas y cada una de las partículas de agua o sedimentos, las velocidades de las partículas son combinadas para obtener una velocidad parecida a la velocidad media.
Los Dopplers perfiladores son generalmente más complejos que los continuos y, por lo tanto, mucho más caros.
Los dopplers perfiladores pueden llegar a los 17,000 dólares, mientras que los continuos tienen un precio aproximado de 2,000 dólares. Estos precios son de fines del año 1999. 4.9.
Tipos De Perfiladores
4.9.1. Caudalímetro Modelo Río Grande ADCP
Equipo aforador y batimétrico para ríos con sistema de referencia de fondo adecuado para ríos con láminas de agua desde 0,3 hasta 75 m de profundidad. Equipo aforador y batimétrico con sistema de referencia de fondo (Bottom Tracking), para medida de caudales en ríos, estuarios, etc., de cualquier anchura y profundidades desde 30 centímetros a 75 metros. Disponible para dos frecuencias de trabajo: 1200 hz y 600 khz.
Configuración: 4 haces a 20º Rango de profundidades: - 0.3 m a 21 m para 1200 khz. / - 1 m a 75 m para 600 khz. Rango de velocidades: ± 3 m/s (± 20 m/s máx.). Precisión de velocidad: ± 0.25% de la medida ± 2.5 mm/s. Resolución de velocidad: 1 mm/s. Nº de celdas de medida por lóbulo: hasta 128.
31
HIDROACUSTICA 2014 El equipo incluye asimismo sensores incorporados para la medida de la temperatura del agua, inclinación del cuerpo del equipo, así como de un magnetómetro fluxgate para la determinación de su orientación.
Ilustración 14.
Características
Sistema de movimiento de barco y magnetómetro fluxgate
resaltantes:
Alta discretización de las celdas y cortes transversales para la medición de velocidad y caudal basada en tecnología de banda ancha patentada. Extendible con sensores externos: GPS, sondeo de profundidad y brújula externa. Amplio rango de profundidad del perfil permite mediciones en cauces de baja y alta profundidad. Software de muestra de resultados basado en MS-Windows Sensores ADCP Número de celdas: 128/255 1200 kHz system Tamaño de la celda: 0,05-2,0 m Profundidad mínima: 0,6-4,8 m Profundidad máxima: 4-26 m Sistema de 600 kHz
32
HIDROACUSTICA 2014 Modos de operación: El equipo puede montarse conectado a un pc sobre cualquier tipo de embarcación para cruzar el río e ir realizando las mediciones batimétricas y de velocidad del agua en todos los puntos de la sección, de modo que al final del recorrido el equipo ya dispone de la integración de todos los datos, y por tanto, del caudal total. También es posible montar el equipo sobre una mini-embarcación dotada de un sistema de comunicación radio con un pc situado en tierra. Remolcando manualmente la miniembarcación por medio de un cabo de suficiente longitud, por ejemplo, desde un puente, puede cruzarse el río sin dificultad mientras que los datos que se van obteniendo son transmitidos por medio del sistema radio hasta el ordenador de tierra, el cual puede estar ubicado en un vehículo próximo. En condiciones adecuadas, la distancia entre el equipo radio transmisor y el receptor del ordenador puede alcanzar hasta los 500 ó 1000 metros. Otro modo sencillo de realizar las medidas de caudal de un río utilizando la opción radio, consiste en arrastrar la mini-embarcación del equipo mediante un cabo sujeto a la polea de los cables de los tornos de las estaciones de aforo, ya existentes en gran número de emplazamientos. El sistema de transmisión de los datos vía radio hasta un pc situado en tierra, permite incluso utilizar mini-embarcaciones dotadas de motores eléctricos para su propulsión y guiadas mediante radio control. Geonica ofrece toda una serie de opciones y variantes para el montaje y operación del equipo aforador rio grande, según las necesidades o preferencias de sus clientes.
Ilustración 15.
33
ADCP Rio Grande
HIDROACUSTICA 2014 4.9.2. ADCP RiverRay
Para profundidades de agua desde 0,4m - 40m. Medidas de caudal modernas y confortables. La combinación de las últimas tecnologías y un manejo muy fácil hacen que su próxima medición sea una experiencia nueva. El ADCP RiverRay es un dispositivo de medición de caudales confortable, instalado en un flotador con un minimo de perturbaciones. Su arreglo de transductores de superficie plana contiene lo último en tecnología de medición de caudales. La adaptación automática optimiza continuamente su medición de caudal de margen a margen, asegurando así la mayor calidad del dato sin intervención del operador. El RiverRay puede ser usado en aguas poco profundas y durante crecidas, lográndose mediciones precisas del caudal. Características resaltantes:
Fácil operación debido al ajuste automático de las celdas y modos de medición. Arreglo de transductores de superficie plana. Sensor ADCP de reducido tamaño y peso, lo que minimiza las perturbaciones de medición.
4.9.3. Stream Pro
Con el StreamPro ADCP es posible tomar fáciles y precisas medidas de descarga con el método del bote en movimiento. Para profundidades desde 20 cm - 600 cm y velocidades hasta 5 m/s. El StreamPro (Acoustic Doppler Current Profiler) representa un avance revolucionario en la medición de velocidad y caudal. Ahora es posible la medición de caudal en forma precisa en pequeños canales en cuestión de solo minutos. El StreamPro puede ser alado desde un puente o sistema de guayas tipo marginador. Es fácil de manejar, y por consiguiente de rápida aplicación. La interfaz gráfica sencilla e intuitiva del software ha sido diseñada para asegurar su correcta operación.
34
HIDROACUSTICA 2014 Componentes del sistema:
Cabeza transductora Compartimiento de electrónica Flotador Software de colección de datos StreamPro y WinRiver II Conexión inalámbrica BlueTooth SEBA HDA
Ilustración 16
35
ADCP Rio Grande, RiverRay y StreamPro
HIDROACUSTICA 2014 4.9.4. RiverSurveyor de SonTek S5/M9
El RiverSurveyor M9 y S5 son la próxima generación de doppler acústico para medir el flujo de canal abierto. El uso de múltiples frecuencias acústicas exclusivas de SonTek permite mediciones continuas de descarga de poca profundidad-a profundidad. Una gama de nuevas tecnologías significa que pueda centrarse en la medición, no la configuración del instrumento. Además de esto, el sistema cuenta con un haz vertical de definición de canal precisa y todo está diseñado para trabajar de forma intuitiva Uso exclusivo SmartPulseHD® de SonTek, múltiples frecuencias acústicas se fusionan con el control de ancho de banda preciso para las mediciones más sólidas y continuassuperficial-a profundidad de descarga de la historia. Un microcontrolador determinista reparte expertamente la acústica adecuada, sistema de pulso y tamaño de celda para obtener la más alta definición posible para que pueda centrarse en la medición, no la configuración del instrumento. El sistema aún tiene un haz vertical para definición de canal precisa y todo está diseñado para trabajar de forma intuitiva. Y al igual que el nombre implica - SmartPulseHD (al igual que el televisor) le permite ver la imagen más clara posible velocidad con celular tamaños de hasta 2 cm.
Ilustración 14. ADCP RiverSurveyor de SonTek S5/M9
36
HIDROACUSTICA 2014 4.9.5. ADCP FLOWQUEST 600 kHz
Perfilador acústico FlowQuest es los dispositivos de medición de flujo de agua perfecto, aplicables a las del mar, puertos, lagos, ríos y otras áreas de la medición de flujo. Debido a su gran escala, de primera clase de precisión de medición de aguas profundas, tres sensores, así como la fusión perfecta de convertidor acústico LinkQuest la combinación perfecta para hacer que el sistema FlowQuest ya no es sólo un perfilador de agua, también puede una parte del análisis en profundidad bajo el agua.
Característica de este instrumento:;
En comparación con productos similares tienen un rango mayor Se puede configurar para tomar el camino de la final de la pista Funciones de medición pueden configurarse para saludar pop Medición de flujo se puede configurar para funcionar Capacidad de fusión de datos de sensores múltiples Puede ser bien equipada de alta velocidad LinkQuest acústica Converter La transformación se puede configurar para mejorar el diseño de diferentes transpondedor Tecnología DSP de baja potencia Cuadro 1: El alcance y la profundidad de perfil de flujo
37
HIDROACUSTICA 2014
Ilustración 17 ADCP FLOWQUEST 600 kHz
4.9.6.
Perfilador horizontal de corrientes en tiempo real
Medida de flujos y reflujos en rías, estuarios y canales de navegación. Medida por efecto Doppler del perfil de velocidades del agua, mediante un transductor, situado a un cierto nivel bajo el agua, que genera dos haces ultrasónicos de propagación horizontal, cruzando transversalmente la sección a medir. La medida del caudal, en tiempo real, se realiza de modo directo combinando los datos de velocidad con los de nivel de la lámina de agua, determinados por el sensor de nivel incorporado.
Precisión y consistencia en medidas de velocidad y caudal en tiempo real. Medida del perfil de velocidades del agua por efecto doppler, en tiempo real, a todo lo ancho de la sección del río, estuario o canal. Hasta 128 puntos de medida en un haz horizontal. Alcance de hasta 300 metros.
38
HIDROACUSTICA 2014
Posibilidad de transmisión de datos por vía gsm/gprs, radio, satélite o internet
Ilustración 19. Perfilador horizontal
Ilustración 18. Como actúa el
perfilador horizontal
4.9.7. Modelo río pequeño ADCP
Revolucionario perfilador de corrientes, batímetro y medidor de caudal para ríos pequeños y medianos. Todo en un mismo equipo. Adecuado para láminas de agua desde 0,15 a 2 metros de profundidad, o bien desde 0,15 a 4 metros (opcional). Principio de medida Medida por efecto doppler del perfil de velocidades de toda la lámina de agua, desde su superficie hasta el fondo del cauce fluvial, con determinación simultánea de la batimetría a todo lo ancho del río, realizando el cálculo del caudal, en tiempo real, por integración de todos los productos "q = velocidad x sección" obtenidos en un gran número de "celdas de medida" definidas en toda la sección transversal. Extraordinaria rapidez, precisión y consistencia en medidas de caudal. Medida del perfil de velocidades por efecto Doppler en toda la sección del río. Cálculo inmediato del caudal q = velocidad x sección. Medidas independientes de la trayectoria seguida por el aforador. (http:// www.geonica.com/prod/149/239/media-de-caudal-y-nivel-rios-canales/caudalimetro-riopequeño/index.html)
39
HIDROACUSTICA 2014
Ilustración 18. Río Pequeño ADCP
OTROS 4.10.
Marcas de los equipos ADCP
4.10.1. WORKHORSE SENTINEL ADCP : Sistema Autocontenido de 1200, 600 o 300 kHz
El ADCP más popular, más de 1000 unidades vendidas operativas. De extrema precisión y exactitud en aguas someras con un rango de hasta 175m y con un consumo eléctrico muy bajo, que lo hace ideal para series temporales de varios años. Es muy fácil de integrar en diversas plataformas, como boyas, embarcaciones y sobre el fondo. Existe la posibilidad de enviar los datos a superficie via modem (también modem inductivo) y/o cable. Opcionalmente, permite su ampliación con un sensor de presión, con lo que en conjunto con el software WAVES, se puede operar como monitor de mareas y oleaje direccional (Directional Wave Gauge). También permite la posibilidad de monitorizar el fondo (batimetría) en modo 'bottom tracking'. Muy manejable.
40
HIDROACUSTICA 2014
Ilustración 20 WORKHORSE SENTINEL ADCP
4.10.2. WORKHORSE MONITOR ADCP: Sistema en Tiempo Real de 1200, 600 0 300 kHz
Es la versión de medición en Tiempo Real del modelo SENTINEL. Este aparato se opera habitualmente desde el fondo estando conectado via cable a la costa para monitorizar corrientes costeras. Es un instrumento ideal para zonas de tráfico marítimo intenso, siendo un componente muy efectivo del correspondiente sistema de monitorización. Permite alimentarse con baterias o externamente via cable. Pequeño y muy compacto. Frecuencia Rango Dimensión célula Rango extendido Dim. célula 1200 kHz 15 m 1 m 20 m 2 m 600 kHz 50 m 2 m 70 m 4 m 300 kHz 138m 8 m 175 m 8 m
41
HIDROACUSTICA 2014
Ilustración 20: WORKHORSE MONITOR ADCP
4.10.3. LONG RANGER ADCP: Sistema Autocontenido de Largo Alcance y de Gran Profundidad de 75 kHz
Este instrumento es una versión del modelo estandard SENTINEL, pero con capacidad extendida, diseñado para operarse durante largos periodos de tiempo en aguas muy profundas y en el océano abierto: Hasta 6 meses en modo de máximo alcance de hasta 600m. Incorpora técnicas patentadas y de probada fiabilidad de procesamiento de datos (BroadBand), que confieren a este instrumento oceanográfico un alto grado de fiabilidad y tranquilidad a la hora de operaciones y campañas en mar abierto y durante largos periodos de tiempo. Habitualmente este aparato se opera a bordo de boyas sub-superficiales, anclajes oceanográficos y aterrizadores bentónicos. En modo BroadBand el Rango es de 510 m con células de 32m. En modo Long Range su alcance es de 600 m con células de 32m.
42
HIDROACUSTICA 2014
Ilustración 21: LONG RANGER ADCP
4.10.4. OCEAN SURVEYOR : ADCP MONTADO en CASCO de BUQUE de 38, 75 o 150 kHz
Una herramienta básica para la investigación oceanográfica, que forma parte del equipamiento estandard de más de 250 buques oceanográficos en el mundo. Estos ADCP, cuyo transductor, se encuentra montado en los cascos de los navios y dispone de una unidad de cubierta conectada a un PC con software de monitorización y gestión, proporcionan mapas detallados de la distribución de corrientes y partículas en suspensión en la columna de agua debajo del buque a lo largo de sus trayectos. Permite la posibilidad de interconectarse con un sistema de referencia del movimiento del barco (MRU) para las correcciones de sus movimientos. Su funcionamiento en Tiempo Real, hace posible posible la toma de decisiones in-situ, con tal de optimizar y adaptar las campañas y de entender las características del régimen de corrientes. Las areas de aplicación más importantes son : Estudios Oceanográficos de Meso y Macro-Escala, Clima, Mapaje Frontal del Medio-Océano, Estudios de Recursos Pesqueros, Cableado en Aguas Profundas, etc. Frecuencia Rango (Alcance) Dimensión de la célula 38 kHz 800 - 1000 m 24 m 75 kHz 560 - 700 m 16 m 150 kHz 380 - 425 m 8 m
43
HIDROACUSTICA 2014
Ilustración 22: OCEAN SURVEYOR
44
HIDROACUSTICA 2014 4.10.5. PHASED ARRAY : ADCP PARA PLATAFORMAS ESTACIONARIAS de 38, 75 o 150 kHz
Este instrumento de la misma tecnología que la versión para buques, ha sido diseñado específicamente para su uso desde plataformas estacionarias y 'offshore' y cuenta con una gran aceptación y una larga y aceptada experiencia de campo. Proporciona un efectivo soporte para operaciones de mantenimiento de posición, lanzamiento y monitorización de 'risers', operaciones ROV, y todo tipo de operaciones marinas (atraque, amarre, descarga, etc). Se opera en tiempo real, contando con un software de control en plataforma Windows.
Ilustración 213.: PHASED ARRAY
4.11.
Qué Plataformas Son Necesarias
ADCP que son-parte inferior montado necesitan un ancla para mantenerlos en la parte inferior, las baterías, y un registrador de datos interno. Instrumentos de Buques montado necesitan un recipiente con el poder, un ordenador de a bordo para recibir los datos, y un sistema de navegación GPS (tan propios movimientos del barco se pueden restar de los datos actuales). ADCP no tienen lectura de salida externa, por lo que los datos deben ser almacenados y manipulados en un ordenador. Los programas de software diseñados para trabajar con datos ADCP están disponibles. (Instrumentos)
45
HIDROACUSTICA 2014 4.12.
Ventajas de los Perfiladores de Corriente Doppler (ADCP)
4.12.1. Ventajas generales
Los ADCP pueden desplegarse desde distintas plataformas.
Las crecidas pueden medirse rápida y eficientemente con el uso de un instrumento ADCP.
Los ADCP no solo se usan para medir crecidas sino también para medir estiajes extremos.
Los ADCP se usan habitualmente para medir el flujo fluvial. Además de medir las velocidades del agua pueden medir profundidades y la velocidad de los botes. Esto les permite medir el caudal mientras se desplazan en el cauce.
Las piezas en movimiento que conforman los ADCP no contaminan el agua.
Un instrumento ADCP puede cubrir hasta 1000 metros de columna de agua, permitiendo estimaciones más precisas de las velocidades.
Los perfiladores de corriente doppler (ADCP) presentan un termómetro para poder asi corregir la temperatura del agua.
El perfilador al atravesar de una orilla a otra puede ir de manera curva, pero este mismo instrumento corregirá la dirección y tomara los datos en línea recta.
Basta con una medición con el instrumento (una sola corrida de orilla a orilla) para saber el valor del caudal de la sección. 4.12.2. Ventajas por equipo
-
Entre las ventajas de los equipos ADCP tenemos:
Workhorse Rio Grande •
El sistema ADCP para movimiento de barco puede ser usado en profundidades de agua desde 0,6 m - 100 m.
•
Puede ser montado en un barco o usado con un flotador (RiverBoat, Q-Boat), dando resultados de forma rápida y precisa.
46
HIDROACUSTICA 2014 •
El ADCP WorkHorse RioGrande puede ser utilizado en una amplia variedad de ríos en diferentes condiciones, desde pequeños arrollos, estuarios hasta caudalosos ríos.
•
Extendible con sensores externos: GPS, sondeo de profundidad y brújula externa.
River Ray •
Para profundidades de agua desde 0,4m - 40m.
•
La adaptación automática optimiza continuamente su medición de caudal de margen a margen, asegurando así la mayor calidad del dato sin intervención del operador.
•
El RiverRay puede ser usado en aguas poco profundas y durante crecidas.
•
Sensor ADCP de reducido tamaño y peso, lo que minimiza las perturbaciones de medición.
• Stream Pro •
Con el StreamPro ADCP es posible tomar fáciles y precisas medidas de descarga con el método del bote en movimiento.
•
Para profundidades desde 20 cm - 600 cm y velocidades hasta 5 m/s.
•
Es fácil de manejar, y por consiguiente de rápida aplicación.
RiverSurveyor de SonTek S5/M9 •
Múltiples frecuencias acústicas se fusionan con el control de ancho de banda preciso para las mediciones más sólidas y continuas en la superficie.
•
Presenta un microcontrolador el cual reparte expertamente la acústica adecuada,. Además, sistema de pulso y tamaño de celda para obtener la más alta definición posible para que pueda centrarse en la medición.
•
El sistema aún tiene un haz vertical para definición de canal precisa y todo está diseñado para trabajar de forma intuitiva.
•
El nombre implica - SmartPulseHD (al igual que el televisor) le permite ver la imagen más clara.
47
HIDROACUSTICA 2014
ADCP FLOWQUEST 600 kHz •
El perfilador de corrientes FlowQuest son ideales para la medición de las ondas en los océanos y las zonas costeras.
•
Con su capacidad para la gama significativamente más larga, estándar de calificación de profundidad en aguas profundas y una perfecta integración con sensores de terceros y módems acústicos LinkQuest, el sistema FlowQuest no es sólo un perfilador de corrientes. También sirve de punto focal para sus despliegues bajo el agua.
4.13.
Desventajas de los Perfiladores de Corriente Doppler (ADCP)
El costo por dispositivo de alrededor de decenas de miles de euros es relativamente alto.
Como cualquier instrumento acústico, contribuye a la contaminación acústica en el mar, la cual puede interferir con la navegación de los cetáceos y la ecolocalización. El efecto depende de la frecuencia y la potencia del instrumento.
No se puede medir la velocidad del agua mediante este instrumento ADCP en toda la sección, ya que habrá sectores como la superficie, orilla y fondo que no podrán ser medidos con este instrumento.
Pings de alta frecuencia producen datos más precisos, pero pings de baja frecuencia viajan más lejos en el agua. Así que los científicos deben hacer un compromiso entre la distancia que el generador de perfiles puede medir y la precisión de las mediciones. (http:// www.whoi.edu/instruments/viewinstrument.doid)
ADCP establece en "ping" rápidamente también se queda sin pilas rápidamente
48
HIDROACUSTICA 2014
Si el agua es muy clara, como en los trópicos, los pings no puede golpear suficientes partículas para producir datos fiables
4.14.
Error en las mediciones
Cuando la velocidad del dispersor no equivale a la velocidad del agua: La medición de la velocidad del agua se ve afectada por la velocidad de los peces.
Un haz acústico emitido por un transductor consta de lóbulos laterales más débiles, que pueden alterar los límites firmes anteriores al haz principal y por ello no se puede medir la velocidad en el fondo de la sección. Los lóbulos laterales son débiles comparados con el haz principal, pero cuando están reflejados desde un límite firme, como el lecho de una corriente, pueden aumentar los reflejos (dispersores) del haz principal.
Burbujas en el agua turbulenta o escuelas de natación vida marina pueden causar que el instrumento calcule mal la corriente.
Los usuarios deben tomar precauciones para mantener percebes y algas crezcan en los transductores.
49
HIDROACUSTICA 2014 5. RECOMENDACIONES -
Los ADCP deben desplazarse en el agua con suficiente lentitud, a fin de reunir datos adecuados. En general, conviene mantener la velocidad del bote de modo que sea inferior o equivalente a la velocidad media del agua.
-
Antes de efectuar una medición de ADCP, debe comprobarse si el lecho de la corriente se está desplazando.
-
Debe tenerse en cuenta que, en ciertas partes del cauce, el ADCP no mide la velocidad. La velocidad no se mide en el “calado” del instrumento (parte superficial). Existe también una “distancia de borrado” donde no se mide la velocidad cerca de la superficie (se da cuando el instrumento deja de captar la velocidad por un momento en la vertical y luego continua captándola). Además un área en el fondo donde la interferencia producida por los lóbulos laterales no permite medir la velocidad; la corriente hace que se desvíe la medición principal).
-
Además, es recomendable tener conocimiento de que la velocidad no se mide cerca de las orillas. Por ello, se debe usar tecnología sofisticada para medir la velocidad del agua.
-
El instrumento debe tener un detector de temperatura preciso y debe estar configurado para una salinidad correcta.
-
El perfilador de corriente doppler (ADCP) debe moverse a una velocidad menor que la del rio donde se esté tomando la medición.
50
HIDROACUSTICA 2014 -
Los ADCP necesitan que el sensor esté en contacto con el agua, para así poder transmitir y medir los pulsos sonoros (pings) dirigidos a través de la columna de agua.
-
Antes de empezar con la medición se debe balancear un par de veces el catamarán (aquí se ubica el perfilador).
-
Es necesario que haya dos operarios. Uno de ellos debe estar con el instrumento ADCP, realizando la medición; mientras que el otro debe estar operando la computadora donde se ingresara toda la información para su procesamiento.
-
Es recomendable presentar un dispositivo de almacenamiento (USB, CD, etc) para poder guardar la información obtenida.
-
Además, es recomendable aforar por las mañanas a primera hora.
51
HIDROACUSTICA 2014
BIBLIOGRAFÍA Greene Wiebe, R. M. (n.d.). Probing the fine structure of Ocean sound-Scattering layers with Roverse Technology. Herschy, R. W. (1974). The Ultrasonic Method of river flow measurement. Reino Unido. http:// Water. usgs.gov/edu/streamflow2. html. (n.d.). http:// www.biosonicsinc.com/resources-what-is-hydroacoustics.asp. (n.d.). http:// www.geonica.com/prod/149/239/media-de-caudal-y-nivel-rioscanales/caudalimetro-rio-pequeño/index.html. (n.d.). http:// www.whoi.edu/instruments/viewinstrument.doid. (n.d.). http://web.mit.edu/fluidsodules/www/exper_techniques/1.ADV.Principleof_Operation.pdf. (n.d.). Instrumentos, R. (n.d.). http:// www.rdinstrumentos.com/products.html-particularmente el ADCP (Banda Ancha). MORLOCK, S. E. (n.d.). MORLOCK, S. E. (1996). Evaluation of Acoustic Doppler Current Profiler Measurements of River Discharge. indiana: U.S. GEOLOGICAL SURVEY Water. Scott E. Morlock, H. T. (2002). Feasibility of acosustic Doppler Velocity Meter for the Production of Discharge Recors from. indiana: U.S. Geological Survet. SENHAMI. (2008). Monitoreo Hidrológico de la calidad de agua en la cuenca Amazónica peruana. Tomos, A. A. (2008). Nuevas Soluciones Tecnológicas para la medicion de caudal en rios. Qualitas Instruments S.A.
52
