Aplicaciones y selección de medidores de caudal masivo de gas térmicos

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Los medidores de caudal de masa de gas térmicos son cada vez más reconocidos y utilizados por los usuarios, gracias a sus excelentes características únicas; actualmente se emplean en numerosas aplicaciones de medición de caudal de gas. Pero en estas aplicaciones también existen muchos problemas y conceptos erróneos. La publicidad irresponsable de muchos fabricantes, junto con los defectos de calidad de los productos, generan numerosas dificultades y limitaciones en su uso. Esto hace que muchos usuarios tengan malas ideas sobre los medidores de caudal de gas de tipo térmico. Algunos creen erróneamente que estos medidores pueden medir el caudal de gas en todas las condiciones posibles, mientras que otros los rechazan y se oponen a ellos. Durante estos años me he dedicado a promocionar y dar a conocer los medidores de caudal de tipo térmico. He tenido contacto con varios fabricantes nacionales e internacionales de este tipo de dispositivos, y en el proceso de promoción he encontrado muchos problemas relacionados con su uso. He acumulado una gran cantidad de casos prácticos, y al analizarlos he llegado a algunas conclusiones propias, que me gustaría compartir con ustedes. Este artículo responderá a las dudas desde un punto de vista profesional, ayudando a los técnicos especializados en diferentes industrias a elegir correctamente los medidores de caudal de masa de gas de tipo térmico. Lo explicaremos desde tres aspectos: primero, una comprensión correcta del principio del medidor de caudal de masa de gas por método térmico. El origen del medidor de caudal de masa de gas por método térmico se remonta al anemómetro de hilo caliente. La temperatura del filamento calefactor de platino está en proporción con la velocidad del flujo del fluido: cuanto mayor es la velocidad, más calor se lleva consigo. A continuación, se explica brevemente por qué es posible determinar el caudal de masa del gas mediante la medición de los cambios en la cantidad de calor. Fórmula: H = m × Cp × ΔT. La cantidad de calor medida es H. Al mantener constante la diferencia de temperatura ΔT, para un gas con un calor específico Cp constante, se puede calcular directamente el caudal de masa del gas, m. A continuación, explicaremos a nivel microscópico por qué es necesario medir el caudal de masa directamente del gas. Como se muestra en la figura, las moléculas de gas entran en contacto con la pared calentada, lo que permite la transferencia de calor y, así, se lleva el calor presente en la sonda. Dado que las moléculas de gas tienen capacidades diferentes para transportar calor, y sabiendo la capacidad de conducción térmica de las moléculas de gas (es decir, el valor de Cp), se puede determinar directamente la cantidad de moléculas de gas que fluyen a través de un sistema, midiendo la potencia eléctrica disipada. La cantidad de moléculas de gas corresponde, a su vez, a la masa del gas, lo que permite calcular el caudal de masa del mismo. Si transformamos la fórmula: H = m × Cp × ΔT, obtenemos: m = H / (Cp × ΔT). Donde: m es el caudal de masa del gas; H es la cantidad de energía eléctrica compensada; Cp es la capacidad calorífica a presión constante, y depende del tipo de gas; ΔT es la diferencia de temperatura entre las dos sondas. A partir de esta fórmula, se pueden deducir dos principios relacionados con el método térmico: mantener constante la diferencia de temperatura en el denominador, y medir en tiempo real la cantidad de calor que el gas lleva consigo, para así determinar su caudal de masa. Este es el principio utilizado en los métodos térmicos de diferencia de temperatura que son comunes en el mercado actual. Si se mantiene constante la cantidad de calor H de las moléculas, y se mide en tiempo real el valor de la diferencia de temperatura para determinar el caudal de masa del gas, entonces se trata de un método térmico de potencia constante. El principio de diferencia de temperatura constante presenta excelentes características a bajas caudalidades; incluso cuando la velocidad de flujo masivo es de solo 0.1 Nm/s, mantiene una buena linealidad. Además, también cuenta con la capacidad de responder rápidamente. El principio de potencia constante permite detectar cambios en la velocidad del flujo de mayor magnitud; por lo tanto, tiene un rendimiento excelente en aplicaciones con altas velocidades de flujo. Sin embargo, sus prestaciones a bajas velocidades no son tan buenas como las del principio de diferencia de temperatura constante. Además, su tiempo de respuesta es peor en comparación con el principio de diferencia de temperatura constante. II. Comprensión adecuada de las excelentes prestaciones del medidor de caudal de masa de tipo térmico. Un producto de calidad para medir el caudal de forma térmica debe contar con dos características principales: un buen proceso de fabricación de la sonda y un dispositivo completo para la calibración con flujo real. Analicemos por separado estas dos características principales: a. Proceso de fabricación de la sonda: anteriormente hablamos sobre el principio de funcionamiento de los medidores de caudal de tipo térmico. Según este principio, podemos ver que la sonda es el elemento clave en todo medidor de caudal de masa de gas de tipo térmico. Las cualidades de la sonda determinan la precisión de medición, la repetibilidad, la vida útil del medidor, así como su rendimiento a bajas velocidades de flujo. La sonda está compuesta por un hilo resistivo de platino y una cubierta de acero inoxidable. El hilo calefactor de platino conduce electricidad, y la cubierta de acero inoxidable también conduce electricidad. Por lo tanto, el material que se utilice como relleno entre ellos debe tener una excelente capacidad de conducción térmica, pero al mismo tiempo no debe conducir electricidad. Esto nos lleva al elemento fundamental de todos los medidores de caudal de tipo térmico: el material de relleno de la sonda de calentamiento y el proceso de encapsulación. Cuanto más grueso sea el estrato de relleno, mejor será su aislamiento eléctrico; sin embargo, su capacidad para transmitir calor será peor, al igual que su sensibilidad a las cambios de temperatura. Además, habrá un retraso en la respuesta del dispositivo. Si el material de relleno es orgánico, es propenso a envejecer, lo que provoca grietas en el relleno; como resultado, el medidor de caudal presenta desviaciones en su punto cero. Si hay pequeñas cantidades de aire en el espacio entre los componentes, y dado que esta sonda está constantemente en estado de calentamiento, ese aire se expande, lo que provoca fluctuaciones en el punto cero. El sensor de velocidad de calentamiento de los medidores de caudal de masa térmicos tradicionales está incrustado en el extremo de la sonda de tubo de acero inoxidable, y entre el sensor y la pared interna del tubo se vierte una mezcla. Esta mezcla debe ser aislante eléctricamente y, al mismo tiempo, tener una baja resistencia térmica. Por lo general, se utilizan resinas epoxi, cementos cerámicos, masillas resistentes al calor, o polvos de alúmina y magnesio. Estos sensores “húmedos”, que utilizan los rellenos mencionados anteriormente, presentan algunas deficiencias: por ejemplo, su resistencia térmica superficial aumenta con el paso del tiempo, lo que hace que la curva de salida disminuya. Esto reduce la sensibilidad del sensor y, en última instancia, afecta la precisión de las mediciones. “El relleno del sensor de humedad, debido a que su coeficiente de expansión térmica es diferente al del sensor de velocidad, sufre envejecimiento y grietas con el paso del tiempo. Esto hace que la precisión de medición del sensor disminuya, y resulta difícil mantener una precisión constante a largo plazo. Con este tipo de encapsulamiento y relleno, a corto plazo no se observa diferencia alguna, pero después de medio año o un año pueden aparecer problemas como una menor repetibilidad y desviaciones en los valores. A la derecha se muestra un diagrama anatómico de la sonda de caudal por calor de SIERRA en Estados Unidos. El sensor de velocidad de Sialer es, actualmente, el único sensor verdaderamente “seco” del mundo. Su proceso de encapsulación único permite un relleno perfecto entre el sensor de velocidad y la pared interna de acero inoxidable, sin utilizar materiales orgánicos como relleno, sino compuestos inorgánicos de platino y iridio. Los medidores de caudal de tipo Sialer alcanzan un nivel óptimo en cuanto a sensibilidad y repetibilidad. En ningún momento se producen grietas en el relleno del sensor de velocidad, ni hay problemas de desviación debido a dichas grietas. Esto permite mejorar enormemente la precisión de las mediciones y mantenerla de manera óptima a largo plazo. SIERRA utiliza en sus componentes más esenciales de tipo térmico un relleno inorgánico con propiedades aislantes a nivel nanométrico, y mediante un proceso de moldeo a alta presión, se logra que estos rellenos nanométricos sean aún más densos, lo que garantiza que no haya desviaciones durante diez años. Dos tecnologías de encapsulación diferentes también dan como resultado productos de calidad distinta. b. Técnica de calibración con flujo real: Primero, hablemos sobre la importancia de la calibración con flujo real en los medidores de caudal de masa de gas de tipo térmico. Anteriormente hablamos sobre el principio de medición por calor. Según este principio, se sabe que el caudal masivo de gas medido por un medidor de flujo de gas por calor está estrechamente relacionado con las propiedades de conductividad térmica del gas en cuestión. La capacidad calorífica específica de cada tipo de gas varía según la temperatura y la presión. No es científico confiar únicamente en la calibración con aire a presión atmosférica o a presión negativa, y luego realizar correcciones para obtener un medidor de caudal de alto rendimiento. Además, la realidad demuestra que los medidores de caudal sin calibración en flujo real presentan grandes desviaciones al medir medios distintos al aire. Actualmente, la mayoría de los medidores de caudal de masa de gas de tipo térmico en el mercado se calibran utilizando presión negativa en circuito abierto, y posteriormente se ajustan para condiciones de alta presión, o bien para otros gases como argón, dióxido de carbono, oxígeno, hidrógeno, amoníaco, entre otros. La calibración correctiva inevitablemente hace que no se pueda garantizar la precisión de las mediciones. Los instrumentos calibrados para bajas presiones deben utilizarse en condiciones de alta presión, y los instrumentos calibrados con aire como medio de transmisión deben emplearse con otros gases; en estos casos, tampoco se puede garantizar la precisión de las mediciones. III. Elección adecuada del medidor de caudal de masa de tipo térmico. Hay datos que demuestran que, en cuanto a las posibles fallas en los medidores de caudal, una selección inadecuada del mismo es la causa de aproximadamente el 70% de esos problemas. El calidad del producto del medidor o otras causas representan el 30% restante. Esto muestra cuán importante es elegir correctamente el medidor de caudal. Los usuarios de los medidores de caudal de masa de tipo térmico deben tener especial cuidado: no elijan ellos mismos un modelo determinado de medidor, a menos que sea para reemplazar uno existente. Es mejor dejar esta tarea en manos del vendedor, ya que ellos son los expertos en este campo. Solo necesita proporcionar los datos de las condiciones de operación más completos posibles y algunos requisitos técnicos. Por ejemplo, el rango de caudal (se recomienda utilizar metros cúbicos como unidad de medida), el medio a medir, el diámetro del tubo, el material del tubo, la presión de funcionamiento, la temperatura de funcionamiento, si se requiere resistencia a explosiones, la temperatura ambiental en la que funciona el medidor de caudal, los requisitos energéticos para la señal, el grado de precisión, en qué proceso se utiliza (control de procesos o medición comercial), así como el grado de sequedad y limpieza del medio a medir. Al medir el caudal de un gas mezclado, es necesario indicar los porcentajes de cada uno de los componentes que lo componen. Por último, un recordatorio: si las condiciones lo permiten en el sitio, elíja un medidor de caudal integrado. Si se trata de un sistema separado, dado que los cables de transmisión de señales forman parte del circuito de medición y tienen una resistencia propia, independientemente de cuán buenos sean, la baja resistencia de las sondas de medición afectará inevitablemente al funcionamiento y procesamiento del circuito electrónico. Además, debido a las condiciones del entorno en el que se encuentra el equipo, la resistencia de estos cables puede variar. Si es necesario elegir un modelo separado, se recomienda que la distancia entre las partes sea lo más corta posible. Si el gas a medir es otro tipo de gas que no sea aire, se recomienda elegir medidores de caudal de tipo térmico que hayan sido calibrados con flujo real en el extranjero; esto es algo que debe recordarse siempre. Por supuesto, a menos que sus requisitos en cuanto a los datos de medición sean bajos y no le importe cuán grande sea la desviación, ya que solo desea observar las tendencias del caudal, entonces puede optar por aquellos medidores de caudal de tipo térmico de gama baja. Tenga especial cuidado con los productos vendidos a precios bajos. Calcule los costos básicos para determinar si se trata de un medidor de flujo capaz de garantizar la calidad del producto. Hay un costo fundamental del que no se puede prescindir: la calibración de un medidor de flujo de gas con un diámetro inferior a DN50 cuesta alrededor de 1000 unidades monetarias (los precios varían según el instituto de metrología local). Por debajo de DN100, es 1500 yuanes. Para DN100 en adelante, cada aumento en el diámetro del tubo incrementa el costo de calibración en aproximadamente 1000 yuanes. Lo más importante al elegir correctamente un medidor de caudal de masa de gas por método térmico es aprender lo máximo posible, comprender los principios de medición y las características del producto. También es necesario mantener una comunicación profunda con el personal comercial del fabricante para poder distinguir las características de cada marca. Solo así se puede tener una base sólida para elegir correctamente el medidor de caudal de gas térmico que cumpla con las propias necesidades. (Extraído del foro HaiChuan Quhua; los derechos de autor pertenecen al autor original)