INSTRUCTIVO: APLICACION DE NORMA NCH 3205 Año 2023 “MEDIDORES DE CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES REQUISITOS” CONTENIDO 01. Antecedentes generales Página Objetivos del instructivo Página 03 02. 03 03. Recalibración Página 04 04. Contrastación 05. Verificación en terreno después de instalación Página 5 Página 7 06. Cálculo del error de contrastación Página 9 07. Mantenimiento correctivo y preventivo Página 12 Anexo 1 página 14 Anexo 2 página 17 2 División de Fiscalización 1.- Antecedentes generales La medición de caudal en plantas de tratamiento de aguas servidas (PTAS) es requerida por esta SISS a las concesionarias desde el momento en que se realiza la fiscalización para otorgar autorización tarifaria por el cargo de tratamiento de aguas servidas, lo que se estableció en el procedimiento “Fiscalización de Plantas de Tratamiento de Aguas Servidas”. Posteriormente, para todas las PTAS ubicadas a lo largo del país se instruyó también la implementación de medidores de caudal en la corriente de aguas servidas que no pasa por la PTAS sino que es evacuada por la línea de Bypass. Durante los últimos años, la Superintendencia de Servicios Sanitarios ha realizado auditorias para verificar el cumplimiento de los requisitos más relevantes de la Norma NCh 3205, como son calibración, contrastación, verificación y mantenimiento de los equipos medidores de caudal, así como también del cumplimiento de las instrucciones generales que la SISS ha emitido sobre la materia, como son el ingreso de la información al Protocolo de Información PR023 y la automatización de la lectura de la medición de caudal en las PTAS. A partir de los hallazgos emanados de la aplicación práctica de la norma, se ha podido constatar que existen situaciones específicas derivadas de deficiencias estructurales en los sistemas instalados en afluente, efluente y bypass, a lo que se suma en ocasiones una antigüedad importante del parque de medidores de caudal que está actualmente operando en nuestro país. Por tales razones, se ha preparar este instructivo de tipo técnico, con el propósito que sea una herramienta sencilla y clara, a utilizar tanto por la propia SISS, como por las empresas reguladas. 2.- Objetivos del instructivo Este instructivo tiene por objetivo, entregar directrices complementarias a la norma NCh 3205, enfatizando aclarar aquellos aspectos que han presentado dudas, omisiones o malas interpretaciones de los distintos requisitos normativos. Se establecen acciones y recomendaciones, para la realización de calibraciones, contrastaciones y mantenciones o el cambio del equipo fijo de medición de caudal, ya sea por una necesidad programada o debido a una contingencia. A continuación, se desarrollan los temas que se han identificado como relevantes de incluir en el presente instructivo. 3 División de Fiscalización 3.-Recalibración (Punto 6.1) De acuerdo con el requisito del punto 6.1 de la norma NCh 3205, la primera calibración de los instrumentos es la que viene dada desde su fabricación, siendo la duración de esta calibración la que le otorga la misma norma en Tabla 2 del punto 6.1.1. Como parte de las actividades para evidenciar el correcto funcionamiento de los sistemas que se encuentran en uso, la normativa requiere que, una vez vencido el periodo de calibración de fábrica, se realice una recalibración. Hay casos en que dicha frecuencia no se ha cumplido debido a diferentes factores, por lo que es necesario considerar medidas que permitan dar cumplimiento a este requisito. 3.1 Recalibración de equipos instalados en canal abierto o ducto parcialmente lleno a) Cuando las dimensiones de las estructuras hidráulicas como son canaletas y vertederos (prefabricados o construidos en obra), se ajusten estrictamente a las dimensiones estandarizadas, la recalibración se podrá cumplir mediante el cambio o recalibración del sensor cuya calibración ha expirado. b) En el caso de los flujómetros área/velocidad que funcionan en forma sumergida en el flujo de aguas residuales, generalmente en canales abiertos y ductos parcialmente llenos, será necesaria su reposición cuando se cumplan los 2 años que la norma otorga a la calibración de fábrica, o su recalibración. 4 División de Fiscalización 3.2 Recalibración de equipos instalados en tuberías en presión a) Para sensores tipo electromagnético, ultrasónico doppler y ultrasónico tiempo de tránsito, que normalmente funcionan en forma fija en las tuberías, se podrá realizar su traslado hacia las dependencias del organismo de calibración, donde se encuentran los bancos de prueba que están acreditados, dejando en su lugar un equipo de reemplazo provisorio mientras se realiza la recalibración. b) En el caso de medidores de caudal de sistemas en presión, cuyo tamaño supere el rango máximo que se puede calibrar en las instalaciones disponibles a nivel nacional (hoy en día alrededor de 300 m3/hora), se permitirá la prolongación del certificado de calibración de fábrica, por un periodo adicional equivalente al que le otorga la norma, es decir otros 5 años para medidores electromagnéticos de tubo, otros 2 años para medidores electromagnéticos de inserción y así conforme a lo indicado en la citada Tabla N°2. La aplicación de esta medida requiere aumentar para ese segundo periodo, a trimestral la frecuencia de contrastación contra un caudalímetro patrón calibrado, prueba que deberá ser realizada al menos 1 vez al año, por un servicio técnico externo especializado. 4. Contrastación (Punto 6.2) 4.1 Contrastación de equipos fijos que operan de forma discontinua (Medidor de Caudal en el Bypass) La obligación de verificación de funcionamiento de los equipos medidores de caudal, así como el mantenimiento preventivo y correctivo de estos instrumentos, son totalmente aplicables en instalaciones de bypass, aun cuando a través de ellas no pase un flujo de agua en forma permanente. Respecto de la forma en que se debe realizar la prueba, se mencionan algunos ejemplos. a) Efectuar las pruebas de contrastación cuando efectivamente se active el bypass. Será aplicable, cuando la propia concesionaria disponga de los caudalímetros patrones, del personal capacitado y del procedimiento documentado para realizar la tarea, sumado a que se coordinen oportunamente las áreas correspondientes de la empresa. En este caso, la prueba se podrá realizar con el caudal disponible en ese momento. b) Utilizar aguas servidas tratadas del efluente de la PTAS. Será aplicable, cuando la disposición de las instalaciones en terreno permita llevar aguas desde un punto a otro, mediante una obra sencilla o bien a través de camiones aljibes. 5 División de Fiscalización c) Utilizar agua potable que se lleve al sistema de medición del bypass, a través de camiones aljibes u otro tipo de conducción. Esta alternativa, no será aplicable en el caso de sensores área/velocidad por efecto doppler y sensores ultrasónicos por efecto doppler, cuyo principio de funcionamiento requiere presencia de una mínima cantidad de sólidos suspendidos, en las concentraciones recomendadas por los fabricantes. 4.2 Contrastación para equipos fijos (ubicación del patrón) En el punto 6.2.2.1 letra c) la norma NCh 3205 señala que, para las pruebas experimentales de contrastación en canales abiertos o ductos parcialmente llenos, el caudalímetro patrón se deben instalar en la misma sección donde se ubica el equipo fijo a contrastar o aguas arriba, a una distancia ≥ 5 veces el ancho del canal abierto o del ducto parcialmente lleno. En la práctica, se han identificado algunas instalaciones que cuentan con vertederos donde no hay espacio para realizar la prueba de contrastación en la misma sección y tampoco aguas arriba. Debido a esta restricción de terreno, es necesario complementar la normativa, dando la posibilidad de que se implemente una cámara de registro donde se puedan realizar las pruebas aguas abajo de la ubicación del equipo fijo, en un punto donde se asegure flujo laminar, evidenciando tal condición mediante el cálculo del Número de Reynolds. En Anexo 1 de este instructivo, se presenta una guía para el uso de este indicador del comportamiento del flujo. La cámara de registro debiera diseñarse caso a caso, para ello se deberá revisar la información contenida en las siguientes normas: - Norma NCh 2472: Aguas residuales. Plantas elevadoras. Especificaciones generales, cláusula 4 y figura del Anexo C. - Norma NCh 411/10 Aguas residuales. Muestreo. Anexo B- B1.2 espacios confinados. 6 División de Fiscalización 4.4 Contrastación mediciones) para equipos fijos (número de En el punto 6.2.2.1 letra d) la norma NCh 3205 señala que 5 es el número mínimo de mediciones que se debe obtener en la prueba de contrastación, obtenidas en forma paralela entre el caudalímetro patrón y el equipo fijo que se está contrastando. Además, exige que estas pruebas deben ser realizadas bajo la misma condición de flujo, por un periodo mínimo de 30 minutos. Cabe aclarar que, para cumplir esta exigencia, se debe distinguir si se trata de pruebas de contrastación en sistemas cerrados o en sistemas abiertos. Sistemas cerrados: donde los equipos patrones miden caudal directamente y además el óptimo funcionamiento del instrumento es evidenciado por su propio software, es efectivamente posible obtener más de 5 mediciones en el periodo de 30 minutos. Por tanto, en este caso se deben considerar más datos de ambos medidores de caudal, con un máximo de 30 mediciones simultáneas con una frecuencia de cada un minuto, todas las cuales deben ser utilizadas en los cálculos. Sistemas abiertos: Se deben considerar la totalidad de las mediciones experimentales. En este caso, es más dificultoso mantener la misma condición de flujo por 30 minutos, por lo que se debe organizar muy bien el tiempo para alcanzar a desarrollar las 5 pruebas de aforo mínimas requeridas, que arrojen los 5 datos finales de caudal medido por el equipo patrón. Además, paralelamente a las pruebas, se deben obtener los 5 datos simultáneos de caudal medido por el equipo fijo que se está contrastando. 5.- Verificación en terreno después de la instalación (Punto 6.3) a) En el punto 6.3.1.2 de la NCh 3205 se señala que, en la etapa de verificación en terreno después de la instalación de los equipos fijos, se deben realizar una serie de comprobaciones del dispositivo primario y del equipo que allí se ha instalado, de tal forma de comprobar su correcto funcionamiento. Como parte de estas verificaciones se requiere también realizar una contrastación inicial, para evidenciar el cumplimiento del respectivo criterio de aceptación. Cabe aclarar que esta prueba inicial de contrastación contra un equipo patrón calibrado, se debe realizar en forma inmediata luego de la instalación del equipo, en un plazo no mayor a 30 días corridos. 7 División de Fiscalización b) Por otra parte, la letra b) exige constatar que aguas arriba del canal de medida, este se extienda al menos 10 veces el ancho del canal de entrada de la estructura hidráulica. Sin embargo, en las visitas a terreno se han identificado algunas instalaciones que cuentan con canales de aproximación de las estructuras hidráulicas más cortos, situación que se observa tanto en canaletas como en vertederos. El requisito de contar con una longitud suficiente en el canal de aproximación es la forma en que la normativa asegura que el régimen de flujo sea laminar y su comportamiento no influya en las mediciones practicadas por los sensores de caudal. En aquellos casos excepcionales, donde no se disponga del espacio suficiente en el terreno, se deberá proponer la implementación de algún tipo de infraestructura que complemente la función que realiza el canal de aproximación, evidenciando régimen de flujo laminar en el lugar, mediante el cálculo del Número de Reynolds. En Anexo 1 de este instructivo, se presenta una guía para el uso de este indicador del comportamiento del flujo. c) Para poder verificar correctamente que la medición del sensor de nivel en condición de flujo corresponda a la altura real medida se deberá regularizar la disponibilidad de regleta fija adosada a las estructuras, o de existir que se reparen las regletas antiguas que puedan estar deterioradas o ilegibles. El objetivo de esta medida es facilitar tanto el control operativo periódico, como la fiscalización en terreno, permitiendo estos dispositivos comparar los niveles reales de flujo que escurren en cierto momento, con las mediciones practicadas por el equipo, instalado en alguna etapa del tratamiento. 6.- Cálculo del error de contrastación (Punto 6.2.4) El cálculo del error de contrastación está definido en la norma, a partir de la siguiente formula: Según el punto 6.2.4 de la NCh 3205, para calcular el error de contrastación se deben considerar: Ec = Error del instrumento a contrastar (%). Ep = Error del caudalímetro patrón (%). 8 División de Fiscalización Ecm = Error del método de medición del equipo a contrastar. Epm = Error del método de medición utilizado por el patrón. Dc = Diferencia media entre instrumentos. En la práctica se ha observado diversas interpretaciones o aplicación equivocada de esta fórmula, por lo que se ha considerado relevante aclarar conceptos sobre los factores para determinar el error resultante de una prueba de contrastación, algunos de los cuales no están indicados explícitamente en la norma NCh 3205. 6.1 Valor a utilizar para el factor Ec a) En el punto 6.2.4 letra a) de NCh 3205, se especifica que este valor se obtiene del último certificado de calibración, o en su defecto tratándose de un equipo nuevo del porcentaje de exactitud documentado por el fabricante. En la realidad del parque de medidores que se encuentran operando en las PTAS, se ha constatado que cuentan con certificado de calibración del fabricante sólo los medidores de caudal más nuevos que fueron adquiridos con posterioridad a la oficialización de la norma. Para los equipos antiguos en cambio, no se dispone de los datos de calibración originales y en muchas ocasiones estos instrumentos tampoco han sido recalibrados. b) Se ha considerado relevante aclarar que cuando no existe un certificado de calibración vigente, el único valor confiable para Ec es el porcentaje de exactitud documentado por el fabricante en el catálogo del respectivo equipo, por tanto, aun cuando el equipo no sea nuevo es el dato que corresponde utilizar. En Anexo 2 de este instructivo, se presenta una guía sobre los rangos de valores típicos de exactitud informadas por los fabricantes, para los distintos tipos de equipos fijos que describe la norma NCh 3205, como posibles de utilizar en la medición de caudal de aguas residuales. 6.2 Valor a utilizar para el factor Ep Para realizar la prueba de contrastación y tal como la NCh 3205 lo establece en Tabla 3, es requisito fundamental utilizar el caudalímetro patrón pertinente a cada tipo de medidor de caudal fijo que se va a contrastar. Este instrumento patrón, debe contar con calibración vigente, ya sea porque es un equipo nuevo o porque ha sido posteriormente recalibrado. En el primer caso, Ep se obtendrá del porcentaje de exactitud documentado por el fabricante. En el segundo caso, Ep se obtendrá desde el último certificado de calibración del patrón. 6.3 Cálculo de los factores Ecm y Epm 9 División de Fiscalización a) En el punto 6.2.4 letras c) y d) de la norma NCh 3205 se indica que estos factores de carácter experimental se obtienen respectivamente, de la desviación estándar de la serie de mediciones del equipo fijo (Ecm) y del equipo patrón (Epm) en el ejercicio de contrastación. Para uniformar criterios en el cálculo de estos factores Ecm y Epm, se ha definido que la desviación estándar a considerar corresponde a la desviación estándar poblacional DESVESTP que utiliza “n” en el denominador y considera todas las mediciones, considerando un mínimo de 5 datos y un máximo de 30 datos, según lo indicado en 4.4 de este instructivo. b) El total de mediciones practicadas por el equipo patrón y las coincidentes simultáneas obtenidas desde el equipo en prueba, deben ser expresadas en litros/segundo, considerando que esta es la unidad en que se informan los caudales máximos puntuales en el protocolo SISS PR023. c) Cabe aclarar también que, aunque la norma no lo indica expresamente, se subentiende que estos factores deben ser llevados a la fórmula de cálculo del error de contrastación, expresados como porcentaje (%), para que esta ecuación sea consecuente. Para ello, en forma previa al cálculo del error, es necesario dividir la desviación estándar de la serie de resultados, por el respectivo caudal medio del equipo patrón y caudal medio del equipo fijo que se está contrastando (según corresponda) y luego multiplicar por 100. 6.4 Cálculo del factor Dc a) Para el cálculo de Dc, se debe considerar que el resultado de este factor debe ser siempre positivo, independientemente que las mediciones del caudalimetro patrón sean por sobre o por bajo las mediciones del equipo fijo, o que se presenten en forma alternada. Para abordar adecuadamente estas distintas variabilidades, el valor de Dc se debe calcular determinando la diferencia de cada una de las mediciones puntuales en valor absoluto (error relativo) y luego promediar esas diferencias puntuales. Finalmente expresar Dc en porcentaje, con respecto a la media del patrón (NCh 3205 punto 6.2.4 letra e). b) Cabe recordar, que para dar cumplimiento al requisito del punto 6.1.3 de NCh 3205, las mediciones experimentales obtenidas con el caudalimetro patrón en el ejercicio de la prueba de contrastación, se deben corregir previamente con la ecuación de calibración documentada en su último certificado de calibración. 6.5 Repetición de la prueba de contrastación 10 División de Fiscalización En el punto 6.2.5 de la NCh 3205 se señala como requisito que cuando el resultado de la prueba experimental de contrastación arroja un error mayor al permitido en Tabla 3, se debe repetir la experiencia de terreno. Cabe aclarar que esta repetición de la prueba de contrastación contra un equipo patrón calibrado, se debe realizar en forma inmediata, en un plazo no mayor a 30 días corridos. 11 División de Fiscalización 6.6 Informe de la Prueba de Contrastación a) La prueba de contrastación puede ser realizada por cualquier organismo que cumpla con los procedimientos que exige la norma NCh 3205, que cuente con los patrones calibrados adecuados para las distintas infraestructuras que se encuentran habitualmente en las PTAS, con las instrucciones documentadas y con el personal capacitado, calificado y en plano conocimiento de la normativa. b) Como resultado de la contrastación se debe elaborar informe que contenga la identificación del patrón y del equipo contrastado, copia de los respectivos certificados de calibración, registros de las variables primarias que fueron medidas durante el periodo de prueba, mediciones del equipo patrón y del equipo contrastado, cálculos intermedios, cálculo de caudales y errores, resultados finales, fecha, responsables y lugar de la contrastación. 7.- Mantenimiento preventivo y correctivo (Punto 7) a) En el punto 7.5.2 de la NCh 3205 se señala como requisito que ante un mantenimiento correctivo de los medidores de caudal que signifique una reparación o reemplazo, se debe efectuar una nueva verificación por contrastación. Cabe aclarar que esta prueba de contrastación contra un equipo patrón calibrado, se debe realizar de inmediato, en un plazo no mayor a 30 días corridos luego del evento de mantención, dando lugar a una reprogramación de las pruebas semestrales de contrastación. b) Ante actividades de reparación, mantenimiento o calibración de los instrumentos que requieran el retiro temporal de los equipos fijos, estos deberán ser reemplazados por otros de tecnología equivalente, no pudiendo discontinuarse la medición de caudal en el punto afectado, sea este afluente, efluente o bypass de la PTAS. c) Para efectos de oficializar ante este organismo fiscalizador los cambios de medidores de caudal que ocurran en las PTAS, lo mismo que para cumplir con la autorización para introducir nuevas tecnologías en la medición de caudal que está indicada en el punto 4.2 de la norma NCh 3205, la empresa debe remitir, previo a la instalación del nuevo medidor, una nueva ficha de catastro 12 División de Fiscalización en formulario que la SISS ha diseñado especialmente para ello, con toda la información pertinente sobre el nuevo equipo y su método de medición. Fin del instructivo 13 División de Fiscalización Anexo 1 Aplicación del Número de Reynolds para determinar comportamiento del flujo El número de Reynolds (Re) es una cantidad numérica adimensional utilizada en mecánica de fluidos, establece la relación entre las fuerzas inerciales y las fuerzas viscosas de un fluido en movimiento. Este número sirve para determinar el comportamiento de un fluido, es decir, para determinar si el flujo del fluido es laminar o turbulento (ver figura). El flujo es laminar cuando las fuerzas viscosas, que se oponen al movimiento del fluido, son las que dominan y el fluido se mueve con velocidad suficientemente pequeña y en trayectoria rectilínea. En este régimen, el fluido se comporta como si fuera infinitas capas que se deslizan unas sobre las otras, de forma ordenada, sin mezclarse. En conductos circulares el flujo laminar tiene un perfil de velocidad parabólico, con valores máximos en el centro del conducto y valores mínimos en las capas cercanas a la superficie del conducto. El flujo es turbulento cuando las fuerzas inerciales son dominantes y el fluido se desplaza con cambios fluctuantes de velocidad y trayectorias irregulares. El flujo turbulento es muy inestable y presenta transferencias de cantidad de movimiento entre las partículas del fluido. Cuando el fluido circula en un conducto circular, con flujo turbulento, las capas de fluido se interceptan entre sí formando remolinos y su movimiento tiende a ser caótico. La clasificación del régimen de flujo, de acuerdo al número de Reynolds, es: Flujo laminar Flujo de transición Flujo turbulento Re< 2000 Entre 2000 y 4000 Re > 4000 El valor del número de Reynolds depende de la densidad, de la viscosidad, de la velocidad del fluido y de las dimensiones del recorrido de la corriente, según la siguiente ecuación: 14 División de Fiscalización Donde: V = Velocidad del flujo (m/s). D = Dimensión lineal del recorrido del fluido, en un conducto circular es el diámetro (m). ν = µ/ρ = viscosidad cinemática. La relación entre la viscosidad y la densidad de un fluido, se define como viscosidad cinemática y su unidad es (m2/s). La viscosidad cinemática depende de la temperatura y para el caso del agua es: T° (°C) 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Agua ν 1,1092 1,0811 1,0541 1,0282 1,0040 0,9795 0,9565 0,9344 0,9131 (m²/s) Tabla con datos de viscosidad cinemática para un amplio rango de T°, se ubica en internet. El N° de Reynolds se aplica a cualquier tipo de flujo de fluidos, como por ejemplo en conductos circulares, no circulares y en canales abiertos. En conductos y canales con secciones transversales no circulares, la dimensión característica se conoce como Diámetro Hidráulico DH y representa una dimensión del recorrido del fluido. En estos casos, la ecuación para calcular el número de Reynolds es: Re = N° de Reynolds = V´ DH / ν V´= Velocidad promedio del flujo = V/A DH = Diámetro Hidráulico = 4A / PM El Diámetro Hidráulico DH establece la relación entre el área A de la sección transversal de la corriente del flujo y el perímetro mojado. PM es la suma de las longitudes de las paredes del conducto o del canal, que están en contacto con el fluido. Para la aplicación del DH, considerar las ecuaciones de la siguiente figura: 15 División de Fiscalización 16 División de Fiscalización Anexo 2 Exactitudes informadas por los fabricantes Esta tabla que fue obtenida mediante recopilación de información sobre distintas marcas y modelos de medidores de caudal disponibles en el mercado constituye una guía a utilizar para obtener el valor de Ec “Error del instrumento a contrastar”, cuando no se dispone de certificado de calibración del equipo fijo y tampoco se tiene el catálogo del equipo específico. Si se cuenta con el certificado de calibración con fecha vigente, usar ese dato para Ec. Como alternativa utilizar para Ec, el dato documentado por el fabricante en el catálogo del equipo. Si no se dispone de ninguna de las evidencias anteriores, utilizar esta tabla. Equipo/Tecnología Exactitud fabricante Sensor de nivel ultrasónico 0,5 % Sensor de nivel de presión 0,25 % Sensor de nivel burbujeador 0,2 mm (*) Sensor de nivel de radar 1 mm (*) Sensor de velocidad de radar 0,02 m/s (*)(**) Sensor ultrasónico por efecto Doppler en presión 2% Sensor ultrasónico por efecto Doppler sumergido 1% Sensor ultrasónico Tiempo de tránsito con tubo 1% Sensor ultrasónico Tiempo de tránsito sobrepuesto 1 % Sensor Electromagnético de tubo 0,5 % Sensor Electromagnético de inserción 2% Flujómetro área/velocidad 2% Notas: (*): Para conocer error Ec (%), aplicar la exactitud al rango de nivel o al rango de velocidad (según corresponda), que el equipo fijo de caudal mida en el dispositivo primario donde se encuentra instalado. (**): Si el equipo instalado cuenta con ambos sensores de radar (nivel y velocidad), considerar para Ec el valor de exactitud más alto entre ellos. 17 División de Fiscalización
