Golpe de ariete e Hidrometría en tuberías a presión

Instituto politécnico nacionalE.S.I.A.UZA

Alumno: Vargas Ramírez EliuthProfesor: Gonzáles Robles Jorge Luis

Grupo: 5CV1

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Índice

Golpe de ariete........................................................3Introducción............................................................3Marco teórico..........................................................4Hidrometría en tuberías a presión............................7

Medición de presiones.....................................7 Medición de velocidades..................................8 Aforo de caudal en sistemas a presión..............10

Bibliografía.............................................................17

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Introducción

Golpe de ariete:

Para comprender el golpe de ariete es necesario tener presente los tipos de flujo existentes, como ya se ha visto existen el FLUJO LAMINAR y el FLUJO TURBULENTO, sin embargo entre estos dos estados del flujo tenemos los flujos de transición (que el flujo esta teniendo cambios en periodos de tiempo cortos a lo largo de un sistema de tuberías). El golpe de ariete, pulso de joukowski u onda de choque es originado por este tipo de fenómeno.

El golpe de ariete o pulso de Joukowski, llamado así por el ingeniero ruso Nikolái Zhukovski, es junto a la cavitación, el principal causante de averías en tuberías e instalaciones hidráulicas.

El golpe de ariete se origina debido a que el fluido es ligeramente elástico (aunque en diversas situaciones se puede considerar como un fluido no compresible). En consecuencia, cuando se cierra bruscamente una válvula o un grifo instalado en el extremo de una tubería de cierta longitud, las partículas de fluido que se han detenido son empujadas por las que vienen inmediatamente detrás y que siguen aún en movimiento. Esto origina una sobre presión que se desplaza por la tubería a una velocidad que puede superar la velocidad del sonido en el fluido. Esta sobre presión tiene dos efectos: comprime ligeramente el fluido, reduciendo su volumen, y dilata ligeramente la tubería. Cuando todo el fluido que circulaba en la tubería se ha detenido, cesa el impulso que la comprimía y, por tanto, ésta tiende a expandirse. Por otro lado, la tubería que se había ensanchado ligeramente tiende a retomar su dimensión normal. Conjuntamente, estos efectos provocan otra onda de presión en el sentido contrario. El fluido se desplaza en dirección contraria pero, al estar la válvula cerrada, se produce una depresión con respecto a la presión normal de la tubería. Al reducirse la presión, el fluido puede pasar a estado gaseoso formando una burbuja mientras que la tubería se contrae. Al alcanzar el otro extremo de la tubería, si la onda no se ve disipada, por ejemplo, en un depósito a presión atmosférica, se reflejará siendo mitigada progresivamente por la propia resistencia a la compresión del fluido y a la dilatación de la tubería.

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Marco teórico:

A continuación ejemplificamos este fenómeno de la siguiente manera:El problema ayudara a ver que es lo que ocurre cuando las velocidades en una tubería cambian de manera abrupta e introducirá los conceptos fundamentales que son importantes para comprender el fenómeno.Con la ayuda de una simple válvula colocada en una tubería conectada a un reservorio de agua en la Figura podemos observar como las ondas de el golpe de ariete evolucionara a lo largo de un periodo de tiempo dado. Asumimos que el flujo estático ocurre en la tubería a una velocidad V. La línea piezomètrica es H a lo largo de toda la tubería (idealizando una ausencia total de fricción). Si la válvula es manipulada en

cualquier forma provocara un cambio en el flujo a lo largo de la tubería aguas arriba y aguas debajo de la válvula, nosotros nos centraremos en lo que ocurre en la sección entre el reservorio de agua y la válvula. Ahora asumiendo que la válvula puede ser cerrada completamente de manera “instantánea” la velocidad del agua se reduce a cero en la sección más inmediata de la válvula. Como consecuencia a esto la presión en la válvula se incrementa por H = aV/g La magnitud de este incremento de la carga es suficiente como para reducir el momento de inercia de el agua a cero.

El incremento de de la carga crea otros dos cambios en la válvula; el incremento de la presión alarga ligeramente la tubería y aumenta la densidad del fluido. La magnitud de la deformación de la tubería depende del diámetro, espesor y la compresibilidad del material con el que esta hecha la tubería y el líquido que circula a través de ella, pero normalmente cambia menos de uno y medio por ciento. En la figura siguiente la cantidad de deformación se ha exagerado.El aumento de la carga de presión causa una onda de presión se propague a lo largo de la tubería con una velocidad a, cuya magnitud esta en función de las propiedades del conducto y del fluido.La velocidad de esta onda permanecerá constante hasta que las propiedades del fluido y/o las propiedades del conducto cambien. La onda alcanza el reservorio L/a segundos después de cerrar la válvula. En ese instante la velocidad a lo largo de la tubería es cero, la carga de presión es H + ΔH, la tubería esta alargada y el fluido esta comprimido.Bajo dichas condiciones el fluido cerca de la conexión con el reservorio no esta en equilibrio ya que la carga de presión en el reservorio es únicamente H. Por consecuencia el líquido comienza a fluir hacia la región con menor carga (el reservorio) así como las

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fuerzas de distensión fluyen en esa dirección. En ausencia de fricción la velocidad de regreso es de la misma magnitud que la velocidad original del sistema antes de cerrar la válvula y es dirigida por el mismo incremento de carga H; así el origen de el liquido que esta regresando al reservorio es el liquido que había quedado comprimido en la tubería alongada a lo largo de su sección por el aumento en la carga de presión.El proceso continua evolucionando en función del tiempo. En el tiempo 2L/a después del inicio del fenómeno la presión a lo largo de la tubería ha regresado al valor original, pero la velocidad tiene una dirección contraria a la original.

A este punto el líquido comprimido que se había almacenado en la tubería deformada se ha agotado y la onda de presión baja una magnitud de ΔH debajo de la carga inicial del sistema, y esta bajada de presión junto con la válvula cerrada causa que la velocidad detrás de la onda frontal regrese a cero. Detrás de esta onda negativa la tubería se encoge y el líquido se expande.Para el momento 3L/a esta onda negativa ha alcanzado el reservorio y la velocidad es 0 en todo el sistema. Sin embargo la carga de cesión no esta en equilibrio de nuevo con la carga de el reservorio lo que provoca que el liquido fluya de el reservorio hacia la tubería a una velocidad V y las cargas vuelven a estar en equilibrio.

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En el momento 4L/a la onda ha llegado a la válvula; en este instante todas las variables han regresado al estado original que existía antes de haber cerrado la válvula. En este intervalo de tiempo solo se ha descrito un ciclo completo de una perturbación en un flujo constante en el que sin la presencia de fricción continuaría sin abatirse.

En la siguiente imagen podemos observar a H en función del tiempo en diferentes puntos de la tubería (a) en la válvula (b) a la mitad entre el reservorio y la válvula y (c) en el reservorio de agua.

Hidrometría en tuberías a presión

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MEDICIÓN DE PRESIONESPara el caso de fluidos estáticos, en el capítulo 3 se analizó la técnica de manometría y se tuvo oportunidad de calcular presiones utilizando mediciones basadas en dicha técnica. Para medir la presión estática en un fluido que se mueve por un tubo liso utilizando manometría. (véase la figura ALI), Se hace un piezómetro que forme un ángulo recto con la tubería. El piezómetro debe tener una longitud 1 al menos dos veces más grande que el diámetro de la abertura; además, no deben existir rebordes en el extremo interno de la abertura porque se causarían remolinos locales que llevarían a una medición incorrecta. Como se recordará del capítulo 9, la presión en la tubería variará hidrostáticamente en la dirección vertical, debido a que se tiene flujo paralelo en la dirección horizontal

Para medir la presión de estancamiento o la presión total en un punto A, en el capítulo ll se anotó que podría utilizarse un tubo de Pitot, el cual se muestra nuevamente en la figura A.I.2. En la figura AI.3 semuestra un tubo de Pitot estático para medir en un punto A la presión estática y la presión dinámica, que es la diferencia entre la presión total y la presión estática. Este aparato puede utilizarse para encontrarel perfil de velocidad en un flujo paralelo o pare medir la presiónestá tica cerca a la pared si existen rugosidades superficiales que impidan el uso del agujero de piezómetro que se analizó anteriormente.

Si se

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desea medir presiones grandes se utiliza el medidor de presión Bourdon en lugar de un manómetro. Dentro del medidor Bourdon hay un tubo cerrado en un extremo, y abierto hacia el fluido en contacto con la presión que desea medirse en el otro extremo. El tubo tiene forma de C y en su extremo cerrado tiene libertad de movimiento (véase la figura A.1.4). La presión dentro del tubo por encima de la presión atmosférica causará que éste trate de enderezarse en un grado que depende de la presión manométrica interna. El movimiento resultante del extremo libre lo recoge un mecanismo con el fin de mover una aguja en la parte frontal del instrumento. La medida de la rotación de esta aguja se calibra para indicar la presión manométrica.

Si la presión que se mide cambia razonablemente rápido, puede utilizarse como un cristal piezoeléctrico, que genera un voltaje cuando se encuentra bajo presión. También, como detector puede utilizarse un diafragma delgado sobre el cual se coloca un deformímetro eléctrico. Bajo una presión neta en un lado, el diafragma se deforma directamente con respecto a la presión neta. La resistencia del deformímetro se afecta y este cambio se nota mediante instrumentos electrónicos calibrados para leer la presión manométrica sobre el diafragma.

MEDICIÓN DE VELOCIDADESLas mediciones de presión de un tubo de Pitot estático o el tubo de Pitot permiten evaluar la velocidad V en un punto A, correspondiente a la punta del tubo de Pitot antes de su inserción. Para presiones pequeñas, solamente es necesario utilizar el conocimiento de flujo incompresible ideal para calcular V utilizando los datos de presión. Asimismo, se anota que para medir las velocidades de fluidos se utilizan pequeños aparatos en forma de turbina conocidos como anemómetros. Estos aparatos tienen copas o álabes que se mueven con el fluido cuando el aparato (véase la figura A.I.5) se alinea de manera que el eje de rotación se localiza a lo largo de la dirección del flujo. Generalmente los álabes o copas mueven un pequeño generador que hace que una aguja rote alrededor de una escala graduada calibrada para medir la velocidad del fluido. Cuando hay fluctuaciones rápidas de velocidad que deben medirse, como en el caso de un flujo turbulento, y también cuando hay interés en la medición de velocidades en un punto en una región pequeña, como en una capa límite delgada, el anemómetro de hilo caliente es de uso

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amplio. Este aparato tiene una respuesta temporal muy corta, que permite medir fluctuaciones rápidas en la velocidad. Además, la sonda del aparato es muy pequeña, así que en lugar de obtener los valores promedios de la velocidad en regiones comparativamente grandes, como en el caso del tubo de Pitot y las sondas de diafragma, se obtiene el promedio en una región mucho más pequeña y pueden considerarse estas mediciones, para todos los propósitos prácticos, como válidas en un punto del flujo. Por esta razón, el anemómetro de hilo caliente es valioso en el estudio de películas delgadas. La sonda del anemómetro de hilo caliente está compuesta por un alambre delgado (diámetro de 5 x 10 6 In), corto, dc platino o tungsteno por el que se pasa una corriente eléctrica. Debido a la resistencia, esta corriente causará que el alambre se caliente. Sin embargo, el flujo de fluido alrededor del alambre expuesto tenderá a enfriarlo en un grado que depende de la velocidad local del fluido. Existen dos clases de anemómetros de hilo caliente que pueden utilizarse. En uno de éstos, la corriente se mantiene constante. Ahora, según la velocidad local del fluido en la sonda, la temperatura y, por consiguiente, la resistencia del alambre cambian. Por tanto, se calibra el voltaje necesario, para mantener una corriente constante, con respecto a la velocidad local del fluido. Si ahora la temperatura se mantiene constante y, también su resistencia, debe cambiarse la corriente. La corriente requerida está relacionada con la velocidad local del fluido cuyos cambios tienden a variar la temperatura. Por consiguiente, puede calibrarse la corriente eléctrica con respecto a la velocidad local del fluido en la sonda.

Los anemómetros de hilo caliente se han utilizado principalmente en el flujo de gases. En líquidos hay dificultades asociadas con la corrosión. Sin embargo, hay técnicas donde se utilizan láminas delgadas recubiertas en lugar de un alambre para evitar esas dificultades.Los anemómetros de hilo caliente se han utilizado principalmente en el flujo de gases. En líquidos hay dificultades asociadas con la corrosión. Sin embargo, hay técnicas donde se utilizan láminas delgadas recubiertas en lugar de un alambre para evitar esas dificultades.

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AFORO DE CAUDAL EN SISTEMAS A PRESIÓNFactores Para La Elección Del Tipo De Medidor De Fluido

Rango: los medidores disponibles en el mercado pueden medir flujos desde varios mililitros por segundo (ml/s) para experimentos precisos de laboratorio hasta varios miles de metros cúbicos porsegundo (m3/s) para sistemas de irrigación de agua o agua municipal o sistemas de drenaje. Para una instalación de medición en particular, debe conocerse el orden de magnitud general de la velocidad deflujo así como el rango de las variaciones esperadas.

Exactitud requerida: cualquier dispositivo de medición de flujo instalado y operado adecuadamente puede proporcionar una exactitud dentro del 5 % del flujo real. La mayoría de los medidores en el mercado tienen una exactitud del 2% y algunos dicen tener una exactitud de más del 0.5%. El costo es con frecuencia uno de los factores importantes cuando se requiere de una gran exactitud.

Pérdida de presión: debido a que los detalles de construcción de los distintos medidores son muy diferentes, éstos proporcionan diversas cantidades de pérdida de energía o pérdida de presión conforme el fluido corre a través de ellos. Excepto algunos tipos, los medidores de fluido llevan a

cabo la medición estableciendo una restricción o un dispositivo mecánico en la corriente de flujo, causando así la pérdida de energía.

Tipo de fluido: el funcionamiento de algunos medidores de fluido se encuentra afectado por las

propiedades y condiciones del fluido. Una consideración básica es si el fluido es un líquido o un gas. Otros factores que pueden ser importantes son la viscosidad, la temperatura, la corrosión, la

conductividad eléctrica, la claridad óptica, las propiedades de lubricación y homogeneidad.

Calibración: se requiere de calibración en algunos tipos de medidores. Algunos fabricantes

proporcionan una calibración en forma de una gráfica o esquema del flujo real versus indicación de la lectura. Algunos están equipados para hacer la lectura en forma directa con escalas calibradas en las unidades de flujo que se deseen. En el caso del tipo más básico de los medidores, tales como los de cabeza variable, se han determinado formas geométricas y dimensiones estándar para las que se encuentran datos empíricos disponibles. Estos datos relacionan el flujo con una variable fácil de medición, tal como una diferencia de presión o un nivel de fluido.

TIPOS DE MEDIDORES DE CAUDALPrincipales medidores de presión diferencialEntre los principales tipos de medidores de presión diferencial se pueden destacar los

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siguientes:placas de orificio,toberas,tubos Venturi,tubos Pitot,tubos Annubar,codos,medidores de área variable,medidores de placa.

Placas de orificio

La placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tubería.El orificio de la placa, como se muestra en la figura 1, puede ser: concéntrico, excéntrico y segmental.Con el fin de evitar arrastres de sólidos o gases que pueda llevar el fluido, la placa incorpora, normalmente, un pequeño orificio de purga. Entre los diversos perfiles de orificio que se utilizan, según se muestra en la figura 2, se pueden destacar los siguientes: de cantos vivos, de cuarto de círculo y de entrada cónica.

Perfiles de orificios

Para captar la presión diferencial que origina la placa de orificio, es necesario conectar dos tomas, una en la parte anterior y otra en la parte posterior de la placa. La disposición de las tomas, según se muestra en la figura 3, puede ser: en las bridas, en la vena contraída, y en la tubería.Tomas de presión alternativas.

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Las tomas en la brida se usan para tamaños de tubería de 2 in (50,8 mm) o superiores.En el caso de las tomas en la vena contraída, la toma antes de la placa se sitúa a 1 in (25,4 mm) de distancia de la placa, mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de mínima presión, donde la vena alcanza su diámetro más pequeño.Las tomas en la tubería se sitúan a 2 1/2 y 8 diámetros de tubería respectivamente, antes y después de la placa de orificio.

ToberasLa tobera presenta una entrada curvada que se prolonga en un cuello cilíndrico, siendo elcoeficiente de descarga similar al del tubo Venturi. Sin embargo, la caída de presión es del mismoorden que en la placa de orificio, para el mismo caudal y con el mismo tamaño de tubería.

Tubos VenturiEn la figura se muestra el perfil de un tubo Venturi clásico, donde se puede apreciar la disposición de las tomas de presión para determinar la presión diferencial.

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Como se aprecia en la figura se pueden destacar tres partes fundamentales: a) una sección de entrada cónica convergente en la que la sección transversal disminuye, lo que se traduce en un aumento de la velocidad del fluido y una disminución de la presión; b) una sección cilíndrica en la que se sitúa la toma de baja presión, y donde la velocidad del fluido se mantiene prácticamente constante, y c) una tercera sección de salida cónica divergente en la que la sección transversal aumenta, disminuyendo la velocidad y aumentando la presión. La incorporación de esta sección de salida permite una recuperación de la mayor parte de la presión diferencial producida y, por tanto, un ahorro de energía. Con el fin de reducir las pérdidas de carga causadas por una tobera, puede acoplarse a continuación de la tobera una sección divergente similar a la utilizada para un tubo Venturi, resultando una combinación que se denomina Venturi-tobera, como se muestra a continuación.

donde pueden apreciarse las tomas de presión.

se muestra una comparación entre varios elementos de presión diferencial conrespecto a la recuperación de la presión.

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Las principales limitaciones de los tubos Venturi son su elevado coste y la longitud necesaria para su instalación, sobre todo para grandes tamaños de tubería. Sin embargo, debido a su baja pérdida de carga, son justificados en casos donde tienen que bombearse grandes cantidades de líquido de forma continua. Cuando la pérdida de carga no es importante, suele prescindirse del tubo Venturi y sustituirse por una placa de orificio debido a su menor coste y mayor facilidad de instalación y mantenimiento.

Tubo PitotEl tubo de Pitot es quizá la forma más antigua de medir la presión diferencial y tambiénconocer la velocidad de circulación de un fluido en una tubería. En la figura 8 se muestra, en su forma más sencilla, un pequeño tubo con la entrada orientada en contra del sentido de la corriente del fluido. La velocidad del fluido en la entrada del tubo se hace nula, al ser un punto

Contador Por Ultrasonidos. (Caudalimetro Ultrasónico)Consta de unas Sondas, que trabajan por pares, como emisor y receptor. La placa piezo−cerámica de una de las sondas es excitada por un impulso de tensión, generándose un impulso ultrasónico que se propaga a través del medio líquido a medir, esta señal es recibida en el lado opuesto de la conducción por la segunda sonda que lo transforma en una señal eléctrica. El convertidor de medida determina los tiempos de propagación del sonido en sentido y contrasentido del flujo en un medio líquido y calcula su velocidad de circulación a partirde ambos tiempos. Y a partir de la velocidad se determina el caudal.

Además necesita alimentación eléctrica.Hay dos tipos de medidores de flujo por ultrasonidos:

Doppler: Miden los cambios de frecuencia causados por el flujo del líquido. Se colocan dos sensores cada uno a un lado del flujo a medir y se envía una señal de frecuencia conocida a través del líquido. Sólidos, burbujas y discontinuidades en el líquido harán que el pulso enviado se refleje, pero como el líquido que causa la reflexión se está moviendo la frecuencia del pulso que retorna también cambia y ese cambio de frecuencia será proporcional a la velocidad del líquido.

Tránsito: Tienen transductores colocados a ambos lados del flujo. Su configuración es tal que las ondas de sonido viajan entre los dispositivos con una inclinación de 45 grados respecto a la dirección de flujo del líquido. La velocidad de la señal que viaja entre los transductores aumenta o disminuye con la dirección de transmisión y con la velocidad del líquido que está siendo medido Tendremos dos señales que viajan por el mismo elemento, una a favor de la corriente y otra en contra de manera que las señales no llegan al mismo tiempo a los dos receptores. Se puede hallar una relación diferencial

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del flujo con el tiempo transmitiendo la señal alternativamente en ambas direcciones. La medida del flujo se realiza determinando el tiempo que tardan las señales en viajar por el flujo.

CaracterísticasTemperatura ambiente 0º 55ºTemperatura de almacenamiento −20º 150ºHumedad <80%Temperatura del líquido 20º 150ºMax presión de conexión 25 barLas medidas no se ven afectadas por la presencia de sustancias químicas, partículas contaminantes..Tienen un alto rango dinámicoDiseño compacto y pequeño tamañoCostes de instalación y mantenimiento pequeñosLas medidas son independientes de la presión y del líquido a medirNo se producen pérdidas de presión debido al medidorNo hay riesgos de corrosión en un medio agresivoAunque el precio no es bajo, sale rentable para aplicaciones en las que se necesite gran sensibilidad(flujos corporales) o en sistemas de alta presión.Operan en un gran rango de temperaturas (−10º a 70º) (−30º 180º)[3]dependiendo del sensor y seofrece la posibilidad de comprar sensores con características especiales para aplicaciones concretas.Las medidas son no invasivas (especialmente importantes cuando hablamos del cuerpo humano)Ofrecen una alta fiabilidad y eficiencia

Contador Electromagnético

Su principio de medida esta basado en la Ley de Faraday, la cual expresa que al pasar un fluido conductivo a través de un campo magnético, se produce una fuerza electromagnética (F.E.M.), directamente proporcional a la velocidad del mismo, de donde se puede deducir también el caudal.

Está formado por un tubo, revestido interiormente con material aislante. Sobre dos puntos diametralmente opuestos de la superficie interna se colocan dos electrodos metálicos, entre los cuales se genera la señal eléctrica de medida. En la parte externa se colocan los dispositivos para generar el campo magnético, y todo se recubre de una protección externa, con diversos grados de seguridad.

El flujo completamente sin obstrucciones es una de las ventajas de este medidor. El fluido debe ser ligeramente conductor debido a que el medidor opera bajo el principio de que cuando un conductor en movimiento corta un campo magnético, se induce un voltaje. Los componentes principales incluyen un tubo con un material no conductor, dos bobinas electromagnéticas y dos electrodos, alejados uno del otro, montados a 180° en la pared del tubo. Los electrodos detectan el voltaje generado en el fluido. Puesto que le voltaje generado es directamente proporcional a la velocidad del fluido, una mayor velocidad de flujo genera un voltaje mayor. Su salida es completamente independiente de la temperatura, viscosidad, gravedad específica o turbulencia. Los tamaños existentes en el mercado van desde 5 mm hasta varios metros de diámetro.

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Bibliographic.

http://es.wikipedia.org/wiki/Golpe_de_ariete

http://www.mailxmail.com/curso-agua-energia-sinergia-hidroenergetica-1/conversion-energia-golpe-ariete

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Hydraulics of Pipeline Systems Bruce E. Larock Roland W. Jeppson Gary Z. Watters

*MECÁNICA DE FLUIDOS Tercera edición IRVING H. SHAMES M. Sc. en ingeniería Revisión técnica GERMÁN R. SANTOS. G. Ingeniero civil, E, C. 1.McGRAW-HILL

TEORÍA DE LA MEDICIÓN DE CAUDALES Y VOLÚMENES DE AGUAE INSTRUMENTAL NECESARIO DISPONIBLE EN EL MERCADOLuis GARCÍA GUTIÉRREZ*(*) Jefe Laboratorio de Agua. Centro Español de Metrología. C/del Alfar, 228760 TRES CANTOS (MADRID)

MEDICION DE PRESION Y CAUDAL Marco Antonio Bell o U. Mar fa Teresa Pino Q.Centro Regional de Investigaci6n Kampenaike Punta Arenas,

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