Aplicações e seleção de medidores de vazão massica de gás termal

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Os medidores de vazão de massa de gás de tipo térmico estão sendo cada vez mais reconhecidos e utilizados por usuários, devido às suas excelentes características únicas. Eles já são aplicados em diversas situações de medição de vazão de gás. Mas, nessas aplicações, também existem muitos problemas e equívocos. A publicidade irresponsável por parte de muitos fabricantes, além das deficiências de qualidade dos produtos, criam muitos obstáculos e dificuldades no uso desses equipamentos. Isso faz com que muitos usuários tenham concepções errôneas sobre os medidores de vazão de gás de tipo térmico. Alguns acreditam, de forma errônea, que esses medidores podem ser usados para medir o fluxo de gás em todas as condições possíveis; outros, por sua vez, rejeitam completamente esses dispositivos. Nos últimos anos, dediquei-me a promover e divulgar os medidores de vazão a termo. Tive contato com vários modelos de medidores de várias marcas, nacionais e internacionais. Durante essa atividade, encontrei muitos problemas relacionados à sua aplicação prática. Acumulei muitos casos, e, ao analisá-los, cheguei a algumas conclusões. Gostaria de compartilhá-las com vocês. Este artigo responderá às dúvidas dos leitores de uma perspectiva profissional, ajudando os técnicos de engenharia térmica de diversos setores a escolher corretamente os medidores de vazão de gás por método térmico. Vamos explicar isso em três aspectos: 1. Compreensão correta do princípio do medidor de vazão massica de gás por método térmico. A origem do medidor de vazão massica de gás por método térmico vem dos anemômetros a fio quente. Existe uma relação proporcional entre a temperatura do fio elétrico de platina e a velocidade do fluxo do fluido: quanto maior a velocidade, mais calor é levado embora. A seguir, é explicado de forma simples por que é possível determinar o fluxo de massa do gás através da medição das variações de calor. Fórmula: H = m × Cp × ΔT. A quantidade de calor medida é H. Quando a diferença de temperatura ΔT é constante, e para um gás com capacidade térmica específica Cp constante, é possível calcular diretamente a vazão de massa do gás, m. A seguir, explicaremos, em nível microscópico, por que é necessário medir o fluxo de massa do gás diretamente. Como mostrado na figura, as moléculas de gás entram em contato com a parede aquecida, realizando assim a condução térmica e retirando o calor da sonda. Como as moléculas de gás têm capacidades diferentes para transportar calor, ao se conhecer a capacidade de condução térmica das moléculas de gás (ou seja, o valor de Cp), é possível determinar diretamente o número de moléculas de gás que passam por um determinado ponto, através da medição da potência elétrica dissipada. O número de moléculas de gás corresponde, na verdade, à massa do gás, permitindo assim calcular a vazão de massa do gás. Vamos transformar a fórmula: H = m × Cp × ΔT, de modo a obter: m = H / (Cp × ΔT). Onde: m é o fluxo de massa do gás; H é a potência elétrica necessária para compensar essa perda de calor; Cp é a capacidade térmica a pressão constante, que depende do tipo de gás; ΔT é a diferença de temperatura entre as duas sondas. A partir dessa fórmula, podemos deduzir dois princípios relacionados ao calor: manter a diferença de temperatura no denominador constante e, por meio da medição em tempo real da quantidade de calor removido pelo gás, determinar o fluxo de massa do gás. Esse é o princípio utilizado nos métodos de medição de fluxo de massa baseados em diferença de temperatura constantes, que são os mais utilizados no mercado atualmente. Se a quantidade de calor H da molécula for mantida constante, e se medir em tempo real a diferença de temperatura para determinar o fluxo de massa do gás, isso é o que se chama de método térmico de potência constante. O princípio da diferença de temperatura constante possui excelentes características em baixos fluxos; mesmo quando a velocidade de fluxo de massa é de apenas 0,1 Nm/s, ainda há uma boa linearidade. Além disso, possui também a capacidade de resposta rápida. O princípio de potência constante permite detectar variações de velocidade de fluxo mais elevadas, apresentando um desempenho excelente em aplicações com altas velocidades de fluxo. No entanto, seu desempenho em baixas velocidades não é tão bom quanto o do método de diferença de temperatura constante; além disso, seu tempo de resposta é inferior ao do método de diferença de temperatura constante. II. Compreensão correta das excelentes características dos medidores de vazão de gás de tipo térmico. Um produto de qualidade, que seja um medidor de vazão de tipo térmico, deve possuir duas características principais: um processo de fabricação de sensores de boa qualidade e um dispositivo completo para calibração com fluxo real. Vamos analisar separadamente essas duas características principais: a. Processo de fabricação do sensor: anteriormente, discutimos o princípio dos medidores de vazão de tipo térmico. Pelo princípio em questão, pode-se concluir que o sensor é o elemento central de todo o medidor de vazão de massa de gás de tipo térmico. Suas qualidades determinam a precisão de medição, a repetibilidade, a vida útil e as características de funcionamento em baixas velocidades do medidor. A sonda é composta por fios resistentes de platina e um revestimento de aço inoxidável. O fio elétrico de platina conduz eletricidade, e a capa de aço inoxidável também conduz eletricidade. Por isso, o material que preenche o espaço entre eles precisa ter uma excelente capacidade de condução térmica, mas não deve conduzir eletricidade. Isso leva ao elemento central de todos os medidores de vazão de tipo térmico: o material de preenchimento da sonda de aquecimento e o processo de encapsulamento. Quanto mais espessa for a camada de preenchimento, melhor será a isolante, mas pior será a capacidade de condução de calor, além de haver uma menor sensibilidade à temperatura e um atraso na resposta. Se o material de preenchimento for orgânico, ele tende a envelhecer, o que causa rachaduras no material de preenchimento. Isso faz com que o medidor de vazão apresente desvios no ponto zero. Se houver pequenas quantidades de ar no espaço vazio, como a sonda permanece constantemente em estado de aquecimento, esse ar se expande, causando flutuações no ponto zero. O sensor de velocidade de aquecimento dos medidores de vazão de massa de tipo térmico convencionais está localizado na extremidade da sonda feita de tubo de aço inoxidável; além disso, uma mistura é inserida entre o sensor e a parede interna do tubo de aço inoxidável. A mistura deve ser eletricamente isolante, ao mesmo tempo em que apresenta baixa resistência térmica. Geralmente, são utilizados resinas epóxicas, cimentos cerâmicos, pastas resistentes ao calor, ou ainda pós de alumínio óxido e magnésio óxido. Esses sensores “úmidos”, que utilizam o material de preenchimento mencionado acima, possuem algumas deficiências: por exemplo, sua resistência térmica superficial aumenta à medida que o tempo de uso avança, fazendo com que a curva de saída apresente uma tendência decrescente. Isso reduz a sensibilidade do sensor, afetando, por fim, a precisão das medições. “O material de preenchimento do sensor “úmido”, devido ao coeficiente de expansão térmica diferente do sensor de velocidade, sofre envelhecimento e rachaduras com o passar do tempo. Isso acaba fazendo com que a precisão de medição do sensor fique fora dos limites aceitáveis, além de dificultar a manutenção dessa precisão a longo prazo. Com tal tipo de encapsulamento e material de preenchimento, não é possível perceber diferenças a curto prazo, mas, após seis meses ou um ano, podem surgir problemas como menor repetibilidade e desvios nos valores medidos. À direita, há um diagrama anatômico do sensor de vazão termal da SIERRA, nos Estados Unidos. O sensor de velocidade da Sialer é, atualmente, o único sensor “seco” verdadeiro do mundo. Seu processo de encapsulamento único permite que o sensor de velocidade seja preenchido perfeitamente entre as paredes internas de aço inoxidável, sem a utilização de materiais orgânicos como enchimento, sendo utilizado em vez disso um material inorgânico de platina e irídio. Os medidores de vazão do tipo Sialer alcançam um nível ótimo de sensibilidade e repetibilidade. Em nenhum momento ocorrem rachaduras no material de preenchimento do sensor de velocidade, nem há problemas de desvio devido a fissuras. Isso resulta em uma precisão de medição extremamente alta, além de manter essa precisão ao longo do tempo. A SIERRA utiliza, nos componentes mais essenciais do seu sistema térmico, um material inorgânico com propriedades isolantes em nível nanométrico. Por meio de processo de moldagem sob alta pressão, esse material é tornado ainda mais denso, garantindo assim que não haja desvios de temperatura ao longo de dez anos. Duas tecnologias de encapsulamento diferentes também resultam em produtos de qualidade diferente. b. Técnica de calibração com fluxo real: Primeiramente, vamos falar sobre a importância da calibração com fluxo real em medidores de vazão massiva de gás de tipo térmico. Anteriormente, falamos sobre o princípio de medição por calor. De acordo com esse princípio, sabe-se que o medidor de vazão massica de gás por calor está fortemente relacionado às propriedades de condutividade térmica do gás a ser medido. A capacidade térmica específica de cada tipo de gás varia em diferentes temperaturas e pressões. Se se contar apenas com o ar a pressão atmosférica ou a pressão negativa para calibração, e posteriormente fazer correções para obter um medidor de vazão de alto desempenho, isso ainda não é científico. Além disso, a experiência comprovou que os medidores de vazão sem calibração real apresentam grandes desvios nos dados ao medir meios diferentes do ar. Atualmente, a maioria dos medidores de vazão massiva de gás de tipo térmico no mercado utiliza calibração com ar sob pressão negativa em regime aberto, e depois faz correções para condições de alta pressão ou para outros gases, como argônio, dióxido de carbono, oxigênio, hidrogênio, amônia, entre outros. A calibração corretiva inevitavelmente faz com que a precisão das medições não seja garantida. Medidores calibrados para baixa pressão devem ser utilizados em condições de alta pressão, e medidores calibrados para meio aeroso devem ser usados em outros meios gasosos; nesses casos, a precisão das medições não pode ser assegurada. III. Escolha correta do medidor de vazão de massa de gás por método térmico. Há dados que comprovam que, em termos de probabilidade de ocorrência de falhas nos medidores de vazão, uma escolha inadequada do medidor é responsável por cerca de 70% dos problemas, enquanto a qualidade do produto ou outros fatores são responsáveis por 30%. Isso mostra quão importante é fazer uma escolha adequada do medidor para medição de vazão. Os usuários de medidores de vazão de massa de gás por método térmico devem ter especial atenção para não escolherem um determinado modelo de medidor, a menos que queiram substituir o medidor existente. É melhor deixar essa tarefa para o vendedor, pois eles são profissionais nessa área. Você só precisa fornecer os dados de condições de operação mais completos possíveis e algumas exigências técnicas. Por exemplo, a faixa de vazão (recomenda-se usar metros cúbicos como unidade de medida), o meio a ser medido, o diâmetro do tubo, o material do tubo, a pressão de operação, a temperatura de operação, se é necessário um dispositivo à prova de explosões, a temperatura ambiente em que o medidor funciona, as exigências relativas à fonte de alimentação do sinal, o grau de precisão, em qual processo será utilizado (controle de processo ou medição comercial), e qual é o nível de umidade e pureza do meio a ser medido. Para medir o fluxo de gás misto, é necessário fornecer os valores percentuais de participação de cada um dos componentes. Por fim, um lembrete: se houver condições no local, escolha um medidor de vazão integrado. Se for um sistema modular, como os cabos de transmissão de sinais fazem parte do circuito de medição, eles possuem uma resistência própria. Por mais que sejam bem projetados, a baixa resistência dos sensores de medição faz com que a resistência desses cabos afete inevitavelmente o funcionamento e o processamento dos circuitos eletrônicos. Além disso, devido às condições do ambiente em que o equipamento está instalado, a resistência desses cabos pode sofrer variações. Se for necessário escolher um modelo separado, recomenda-se que a distância entre as partes seja o mais curta possível. Se o gás a ser medido for um meio gaseoso diferente do ar, recomenda-se escolher medidores de vazão de tipo térmico que tenham sido calibrados com fluxo real no exterior. Isso é algo que deve ser sempre levado em consideração. Claro, a menos que você tenha requisitos baixos em relação aos dados de medição e não se importe com o grau de desvio, apenas querendo observar as tendências do fluxo, você pode optar por aqueles medidores de vazão térmicos de baixo custo. Fique atento aos produtos com dumping de preços baixos. Calcule os custos básicos para ver se o medidor de vazão é capaz de garantir a qualidade do produto. Há um custo fundamental que não pode ser ignorado: o custo de calibração de um medidor de vazão de gás com diâmetro inferior a DN50 é de aproximadamente 1000 reais (os valores podem variar ligeiramente, dependendo do instituto de medição local). DN100 ou menos é 1500 yuan. Acima de DN100, cada aumento no diâmetro do tubo aumenta o custo de calibração em aproximadamente 1.000 yuan. O mais importante para escolher corretamente um medidor de vazão massica de gás por método térmico é estudar bastante*, compreender os princípios de medição e as características do produto, além de manter uma comunicação aprofundada com os representantes comerciais dos fabricantes, a fim de identificar as vantagens de cada marca. Só assim é possível se firmar como indivíduo e escolher corretamente o medidor de vazão de gás em estado gasoso que atenda às próprias necessidades. (Transposto do fórum HaiChuan Chemical, os direitos autorais pertencem ao autor original)