1. XXII CONGRESO NACIONAL DE HIDRÁULICA
AMH
ACAPULCO, GUERRERO, MÉXICO, NOVIEMBRE 2012
AMH
EXPERIMENTOS COMPARATIVOS EN AFORADORES TIPO PARSHALL CON
INCUMPLIMIENTOS A LA NORMA
Pedroza González Edmundo1
López Zúñiga Arturo1
Mejía Astudillo Víctor Guillermo 1
(1)Instituto
Mexicano de Tecnología del Agua
Paseo Cuauhnáhuac 8532 Col. Progreso, CP 62550, Jiutepec Mor. Tel 777 3293677
epedroza@tlaloc.imta.mx; alopez@tlaloc; vmejia@tlaloc.imta.mx
Introducción
En el Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA) se
realizan inspecciones a la medición de descargas de aguas
residuales en las que se utilizan aforadores tipo Parshall. Las
inspecciones se realizan con base en las normas D 1941 – 91
Standard Test Methodfor Open ChannelFlowMeasurement of
WaterwithParshallFlume de la American Nacional Standard
(norma ASTM en lo subsiguiente); también se considera la
norma ISO 9826 Measurement of liquidflow in open channels
– Parshall and SANIIRI flumes de la International Standards
Office (Norma ISO en lo sucesivo) y se han encontrado
algunas oportunidades de mejora. Considerando dichas
mejoras, se realizaron experimentos en un aforador Parshall en
las instalaciones del laboratorio de Hidráulica de la
Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo (UMich).
Los experimentos se realizaron en un aforador pequeño y los
resultados fueron muy peculiares. La conclusión más
sobresaliente del estudio fue que es más importante calibrar un
aforador Parshallin situ, que cumplir con la normas y se
recomendó repetir los experimentos para un aforador con
diferente ancho de garganta. Es así, que se realizó una segunda
serie de experimentos, ahora en el laboratorio de hidráulica
“Enzo Levi” del Instituto Mexicano de Tecnología del Agua
(IMTA). Se presenta a continuación la comparación de los
resultados entre ambos experimentos.
Ambos experimentos se realizaron con similares
incumplimientos a las normas: (a) diferentes pendientes en el
canal de llegada; (b) rugosidades mayores a la especificada y
(c) obstáculos aguas arriba del aforador. Para el caso de las
pruebas con diferentes pendientes, se colocaron los aforadores
en canales de pendiente variable y simplemente se inclinaron
para obtener diferentes valores de la pendiente. En la figuras 3
y 4 se muestran los dos canales de pendiente variable donde se
realizaron los experimentos.
Figura 3.- Canal de pendiente variable de la UMich
Características y desarrollo de las pruebas
El aforador probado en la UMich, tenía un ancho de garganta
de 3” y se construyó de acrílico, mientras que el aforador
probado en el IMTA tenía 9” en la misma dimensión y se
realizó en madera (figura 1).
Figura 4.- Canal de pendiente variable del IMTA
Las diferentes rugosidades utilizadas en los experimentos de la
UMich, se lograron pegando partículas de arena en las paredes
y fondo del canal; en cambio, para lograr las diferentes
rugosidades en los experimentos del IMTA, se usó arena
únicamente para el tamaño más pequeño, las rugosidades
mayores se lograron con pequeños “montículos” de silicón
adheridos a las paredes y fondo del aforador (figuras 5 y 6).
(a)
(b)
Figura 1.- Aforadores de prueba; (a) UMich (b) IMTA

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Figura 5.- Rugosidad de 2 mm en el aforador de la UMich
Figura 8.- Obstáculo usado en la UMich
Figura 9.- Desviador usado en la UMich
Figura 6.- Rugosidad de 2 y 5 mm en el aforador del IMTA
En cuanto a los obstáculos aguas arriba de los aforadores, se
propusieron dos tipos de estructuras: la primera fue una placa
plana colocada en el centro de canal que obstaculizó la
corriente en el centro y permitía el escurrimiento por ambos
lados. El segundo obstáculo fue una especie de “desviador” de
flujo, conformado por varias placas alargadas, colocadas
verticalmente en el canal y con un ángulo de inclinación
respecto del eje longitudinal del canal (ver figuras 7 a 10). Los
detalles de cada prueba se muestran en la tabla 1.
Figura 7.- Efecto de la pantalla y el desviador en el flujo (vista en
planta)
Figura 10.- Desviador usado en el IMTA
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Una vez colocados los aforadores, se dejaba escurrir un
determinado caudal durante un periodo de estabilización y
posteriormente se tomaban las lecturas de nivel en el aforador,
utilizando un limnímetro de punta colocado en un tanque de
lecturas. También se tomaba la lectura en los medidores de
referencia; en el caso de la UMich, fue un vertedor calibrado
de pared delgada, en el IMTA se utilizó un medidor
electromagnético.
Tabla 1.- Características de las pruebas con obstáculos y
desviadores
Sitio
de
Magnitud
rugosidades
de las
(mm)
Distancias
del
aforador a la pantalla
y al desviador (cm)
S1= -0.0033
L1= 40
S2= 0
L2= 80
R3= 5
S3= 0.0056
L3= 160
Presentación comparativa de los resultados
A continuación se presentan los resultados tratando de analizar
los mismos de manera comparativa, por lo que algunos de los
datos de las dos series de experimentos están colocados en las
mismas gráficas.
Resultados para diferentes pendientes en el
canal de llegada
Observando las figuras 11 y 12, correspondientes a las pruebas
con diferentes pendientes, es posible notar que para el
experimento de la UMich, la mayoría los resultados son
negativos, mientras que para los experimentos del IMTA los
valores son positivos.
S4= 0.0154
S5= 0.0419
R1= 0 (liso)
S1= -0.0060
L1= 75
R2=2
S2= 0
L2= 153
R3=3
S3= 0.0003
L3= 228
R3=5
IMTA
Debe decirse claramente que todas las pruebas se realizaron
considerando que la ecuación dada en la norma ASTM es la
referencia. Ello significa que la ecuación de calibración que
más se “acerque” a dicha ecuación, será considerada como
“mejor resultado”; y en las gráficas de diferencias
porcentuales, la curva que más se acerque a “cero” será
considerada así mismo como la mejor.
pendientes
R2= 2
UMich
Tamaño de
R1= 0 (liso)
prueba
AMH
ACAPULCO, GUERRERO, MÉXICO, NOVIEMBRE 2012
S4= 0.0102
L4= 300
10
0
-10
Diferencia, %
S5= 0.0192
Procesamiento de la información
La información obtenida en laboratorio se capturó en hojas
electrónicas de cálculo (Excel). Como primer proceso, se
graficaron las lecturas del nivel del agua en el eje de las
abscisas contra los gastos obtenidos en los medidores de
referencia en el eje de las ordenadas; se ajustaron los puntos
experimentales a una ecuación potencial, encontrándose así la
ecuación de calibración para cada prueba. Con los mismos
valores de nivel se calculó el gasto utilizando la ecuación de
referencia (Ecuación 1, ASTM 2001).
1
0.013762 H a.53
D
QC Q A
X 100
QA
(2)
-40
-60
-70
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Gasto, l/s
Figura 11.-Diferencia respecto a la ecuación ASTM para
diferentes pendientes (UMich)
35
(1)
Para cada serie de pruebas, se graficaron comparativamente
las diferentes ecuaciones de calibración junto a la gráfica de la
ecuación ASTM. Por ejemplo, para las pruebas de diferentes
pendientes en el canal, se tuvieron cuatro diferentes
pendientes por lo que se tuvieron consecuentemente cuatro
curvas de calibración, más la línea calculada con la ecuación
ASTM; sin embargo, las diferencias no eran notorias a simple
vista por lo que decidió presentar los resultados en función de
las diferencias porcentuales entre los gastos calculados con las
ecuaciones de calibración y la ecuación de referencia. La
diferencia se calculó con la ecuación 2, donde QC es el gasto
de calibración en l/s y QA es el gasto de la ecuación ASTM,
también en l/s. De esta manera, si el resultado es positivo
significa que la ecuación calibrada sobre-estima el gasto y
viceversa.
S1= -0.0033
S2=0
S3=0.0056
S4=0.0154
S5=0.0419
-30
-50
30
Diferencia, %
Q
-20
25
S1 = 0.0192
S2 = 0.0102
S3 = 0.0003
S4 = 0
S5 = - 0.0060
20
15
10
25
50
75
100
125
150
175
200
225
250
Gasto (l/s)
Figura 12.-Diferencia respecto a la ecuación ASTM para
diferentes pendientes (IMTA)
Tal vez la diferencia de comportamientos tenga relación con la
enorme diferencia en el rango de gastos; en las prueba de la
UMich, el gasto máximo no rebasó los 20 l/s, mientras que en
el IMTA, se alcanzaron gastos cercanos a los 250 l/s. Puede
decirse que los experimentos de la UMich son un poco

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“mejores”, claramente se observa que la curva correspondiente
a la pendiente S5=0.0419, mantiene diferencias menores al
5%, para todo el rango de gastos, las demás pendientes
generaron curvas con diferencias mayores aunque dicha
diferencia disminuye conforme aumenta el gasto. Caso
especial y sobresaliente es el resultado para pendiente nula, los
porcentajes de diferencia son muy altos. Los resultados
encontrados en el IMTA, son todos muy “inconvenientes”, ya
que las diferencias en todos los casos son muy grandes
(mayores al 10% y menores al 35% en todos los casos).
Resultados para rugosidades mayores a la
especificada
Ante la variación de la rugosidad en el aforador, se tuvieron
resultados igualmente inesperados (ver figuras 13 y 14). Para
el caso de los experimentos de la Umich, la curva resultante de
la prueba con paredes lisas, se mantiene entre un 20 y un 10%
de diferencia y para gatos mayores a 8 l/s, permanece en 10%
de diferencia, aproximadamente. El “peor” resultado se
obtuvo para la prueba con rugosidad 5 mm en las paredes y
fondo del aforador.
140
Superficie lisa
Rugosidad 2 mm
Rugosidad 5mm
120
Diferencia, %
100
80
60
40
20
0
-20
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Gasto, l/s
En lo que a los resultados del IMTA corresponde, no puede
afirmarse que alguna prueba fue sustancialmente mejor que
otra, ya que al tenerse un comportamiento ascendente de las
curvas, no es posible concluir que alguna línea se acerque más
al cero; sin embargo, sí es posible afirmar que el peor caso fue
el de las diferencias porcentuales derivadas de la prueba con
paredes lisas.
Otra observación sobresaliente entre los experimentos, de la
UMich y del IMTA, fue el signo de las diferencias
porcentuales; mientras en la UMich dichas diferencias fueron
mayormente positivas, en el caso del IMTA los porcentajes
fueron tanto positivos como negativos.
Resultados para obstáculos aguas arriba del
aforador
La última prueba en ambas instituciones, fue la colocación de
obstáculos aguas arriba del aforador y en el tramo donde no
debiera tenerse tal situación. Como ya se mencionó se
colocaron dos tipos de obstáculos, uno fue una pantalla plana
y otro fue un “desviador” de flujo. Se recuerda que las gráficas
se construyeron a partir de las diferencias porcentuales entre
los gastos calculados con las ecuaciones de calibración de
cada prueba y la ecuación indicada en la norma, de tal manera
que la línea más cercana a cero, puede considerarse como la
mejor.
Nuevamente, los resultados fueron muy peculiares en las
pruebas de la UMich; como puede observarse en la figura 15,
el mejor caso lo presenta la línea de porcentajes
correspondiente a la pantalla colocada a 40 cm aguas arriba
del aforador. La línea más alejada del cero, fue la
correspondiente a la pantalla colocada a 160 cm del aforador.
La conclusión de ambos resultados es sorprendente: afecta
más una pantalla alejada del aforador que una cercana a la
entrada del mismo; más aún, la pantalla colocada a 160 cm,
está fuera del tramo recto mínimo que recomienda la norma.
Figura 13.- Diferencia respecto a la ecuación ASTM para
diferentes rugosidades (UMich)
70
Desviador a 40 cm
Desviador a 160 cm
Pantalla a 80 cm
60
50
Diferencia, %
10
5
Diferencias, %
AMH
ACAPULCO, GUERRERO, MÉXICO, NOVIEMBRE 2012
0
Superficie lisa
-5
40
30
20
10
0
Rugosidad 2 mm
-10
Rugosidad 3 mm
-10
Desviador a 80 cm
Pantalla a 40 cm
Pantalla a 160 cm
-20
Rugosidad 5 mm
-30
0
-15
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Gasto l/s
25
50
75
100
125
150
175
200
225
250
Gasto, l/s
Figura 14.- Diferencia respecto a la ecuación ASTM para
diferentes rugosidades (IMTA)
Para el caso de las pruebas en el aforador del IMTA, el
comportamiento de las curvas fue muy diferente, puesto que
mientras en las pruebas de la UMich, las diferencias
porcentuales disminuyen conforme aumenta el gasto, en las
pruebas del IMTA, sucede lo contrario, las diferencias
aumentan conforme aumenta el caudal.
Figura 15.- Diferencia respecto a la ecuación ASTM para
obstáculos aguas arriba del aforador (UMich)
Otro comportamiento a observar es la ubicación de las líneas
correspondientes a los porcentajes relacionados con la
pantalla; dicha pantalla ubicada a 160 cm, tiene valores
positivos, bastante altos por cierto, pero si la misma pantalla
se coloca a 80 cm los porcentajes son mucho menores y
negativos; la pantalla colocada a 40 cm, genera resultados
tanto negativos como positivos y como ya se mencionó, es el
caso más parecido a la ecuación de referencia. Un comentario

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final de los resultados de la UMich, se refiere al distinto
resultado general de colocar una pantalla o un desviador. Los
resultados de la pantalla, representados en la figura 15 con
líneas con marcas “huecas”, son tanto negativas como
positivas y están separadas; mientras que las líneas
correspondientes al desviador –con marcas “llenas”- son todas
positivas y están agrupadas.
Por otro lado, si se observan las gráficas de las figuras 15 y
16, inmediatamente se advierte la gran diferencia del
comportamiento general de las diversas curvas; mientras que
en la figura 15, correspondiente a la prueba realizada en la
UMich, las diferencias porcentuales van desde -20 hasta 60%
y se tienen líneas tanto ascendentes como descendentes; en las
pruebas del IMTA, las líneas se mantienen en valores mucho
menores, son todas ascendentes y de signo negativo.
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hidráulicas en la estimación, por su intermedio, del caudal
descargado.
Para enfatizar lo anterior, obsérvese la línea correspondiente a
la pendiente cero (S4=0) en la figura 12; se trata de una curva
ascendente que va desde 19 a 32%, ambos valores positivos;
ahora obsérvese la línea correspondiente a los experimentos
con una superficie lisa en la figura 14, ahora la línea inicia en
el 13% negativo y termina en un 3%, pero positivo. Desde el
punto de vista de la norma, ambos casos la cumplen, sin
embargo, sus comportamientos son muy distintos. En ambos
casos se tiene superficie lisa (era el mismo aforador),
pendiente suave (de hecho, nula) y no se tienen obstáculos en
el tramo recto mínimo requerido (6 m); la única diferencia es
la longitud de tramo recto aguas arriba, en un caso es de 30 m
y en el otro de 10, aproximadamente.
Se concluye el presente artículo con las afirmaciones
siguientes:
0.00
a) Es más importante calibrar un aforador Parshall en sitio,
que cumplir con la norma.
Diferencias, %
-2.00
b) Si no se calibra un aforador Parshall en el sitio, no se
tendrá certeza de sus mediciones.
-4.00
c) Sería interesante, desde un punto de vista académico,
indagar por qué o cómo, es que cada situación genera una
diferente ecuación de calibración.
Desviador a 76 cm
Desviador a 53 cm
Desviador a 228 cm
Desviador a 300 cm
Pantalla a 76 cm
Pantalla a 153 cm
Pantalla a 228 cm
Pantalla a 300 cm
-6.00
-8.00
-10.00
Referencias
-12.00
25
50
75
100
125
150
175
200
225
250
Gasto, l/s
Figura 16.- Diferencia respecto a la ecuación ASTM para
obstáculos aguas arriba del aforador (IMTA)
Observando únicamente la figura 16, es natural concluir que el
efecto sobre la medición en el aforador de una pantalla o de un
desviador, es indistinto y no sólo por la forma diferente del
obstáculo, sino por las diferentes posiciones de la pantalla o
del desviador. Dicho de otra manera: no importa el tipo de
obstáculo que se tenga, ni la distancia a que se coloque
respecto del aforador; de cualquier manera se tendrá un efecto
parecido tanto en comportamiento de las curvas, como de la
magnitud de las diferencias porcentuales.
Conclusiones y recomendaciones
Los resultados encontrados son muy impactantes dado que al
no tenerse calibraciones en sitio de los aforadores –aunque se
cumpla con la norma-, se tiene una gran incertidumbre en la
calidad de la medición, y si se considera que la medición se
hace en descargas de aguas residuales, el impacto es mayor
por la relación que se tiene con la contaminación en los sitios
de descargas.
Lo dicho anteriormente se basa en el comportamiento tan
diferente de cada situación particular sobre las ecuaciones de
calibración; es decir, cada situación genera una ecuación de
calibración muy diferente aunque las circunstancias sean muy
parecidas; baste mirar las diferentes figuras presentadas.
Al parecer, los aforadores del tipo Parshall, son demasiado
susceptibles a las diferentes conformaciones geométricas e
1.- Aguilar, C. A. Mejía, A. V. G. y Pedroza, G. E. (2004).
Revisión del funcionamiento de un aforador Parshall y
comparación de gastos en tuberías en la empresa PROQUINA
S.A. de C.V. Instituto Mexicano de Tecnología del Agua.
México.
2.- Aguilar, C. A., Pedroza, G. E. (2003). Revisión del
funcionamiento de dos aforadores parshall, Informe que se
presenta para la empresa COLGATE. InstitutoMexicano de
Tecnología del Agua. México.
3.- ASTM. (2001).Standard D 1941 – 91Standard Test
Method for Open Channel Flow Measurement of Water with
Parshall Flume. American National Standard. Nueva York.
ISO. (1992). Standard 9826 Measurement of liquid flow in
open channels – Parshall and SANIIRI flumes. International
OrganisationforStandardization. Suiza.
4.- López, Z. A. (2012). Efecto de incumplimientos a la
norma. Tesis para obtener el grado de Maestro en Hidráulica.
Programa de Maestría y Doctorado en Ingeniería, Facultad de
Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México.
México.
5.- Martínez, N. J. Santana, S. J. S. y Aguilar, C. A. (2006).
Verificación del aforador Parshall en la empresa PROQUINA
S.A. de C.V. Instituto Mexicano de Tecnología del Agua.
México.
6.- Pedroza, G. E. y Ángel H. J.L. (2012). “Variaciones en la
calibración de un aforador Parshall”. Tecnología y Ciencias
del Agua. Volumen III, Núm. 3, julio-septiembre. México.