Aplicaciones y selección de medidores de caudal masivo de gas térmicos

Thread Content

Este mensaje fue editado por última vez por *aojiaoya0546* el 28-6-2016 a las 19:31. Los medidores de caudal de masa de gas térmico son cada vez más reconocidos y utilizados por los usuarios, gracias a sus excelentes características únicas. Actualmente, se emplean en numerosas aplicaciones relacionadas con la medición del caudal de gases. 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 percepciones 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 modelos de medidores de diferentes marcas, tanto nacionales como internacionales. En el proceso de promoción, me he encontrado con muchos problemas relacionados con su uso, y he acumulado una gran cantidad de casos prácticos. Al analizar estos casos, he llegado a algunas conclusiones personales que me gustaría compartir con ustedes. I. Orígenes históricos del medidor de caudal de masa de gas térmico. En la década de 1960, en Estados Unidos, hubo dos eruditos muy destacados: el Dr. John Olin y el Dr. Jerry Koz. Ambos se graduaron de la Universidad de Stanford y se unieron a la empresa TSI en Minnesota. Desde 1968 hasta principios de la década de 1970, trabajaron en el departamento de desarrollo de TSI, donde se dedicaron principalmente al estudio de los anemómetros en el área de HAVC. Más tarde, dejaron la empresa TSI y comenzaron a trabajar juntos en el desarrollo de sus propios medidores de caudal de masa de gas de tipo térmico. Sabían que los anemómetros de tipo hilo caliente no eran adecuados para su uso en entornos industriales. Los primeros productos fueron anemómetros y sensores de velocidad del viento, además de dispositivos para la toma de muestras de aire; estos constituyeron la base de los primeros productos de Sierra Instruments. Sierra Instruments fue fundada en 1973 en Minnesota. En 1975, Sierra Instruments se trasladó de Minnesota a California. Después de colaborar durante unos años, en 1977 los dos decidieron separarse. El Dr. John Olin se quedó con Sierra Instruments y con los productos relacionados con la toma de muestras de aire. Por su parte, el Dr. Jerry Kurz fundó Kurz Instrument, y obtuvo los productos relacionados con medidores de velocidad del viento y sensores de velocidad del viento que pertenecían a la empresa anterior. La empresa Sierra ha desarrollado mediciones con caudalímetros térmicos para aire y gas natural, incluyendo aplicaciones en gases multicomponentes. Los medidores térmicos Sierra también se utilizan ampliamente en el sector industrial, incluyendo la industria farmacéutica, la biotecnología, la petroquímica y la siderurgia ； También se utiliza en la medición de los flujos de gas en combustión, en la medición del volumen de gas natural y en el monitoreo de los gases que salen de las chimeneas. Sierra es la única empresa que abarca todo el campo de la medición del caudal de gases, desde 0,1 mililitros por minuto hasta velocidades de flujo masivo de cientos de metros por segundo. Solo salen de fábrica después de una calibración en tiempo real, unidad por unidad. Lo más destacado de los instrumentos Kurz es su uso en centrales eléctricas. Kurz desarrolló una serie de medidores de caudal térmicos de tipo insertable, tanto de un punto como de múltiples puntos, para medir y monitorear los gases residuales y los gases de combustión. Los relojes de Kurz también se utilizan en la refinación, la industria del cemento, la fabricación de papel y otras industrias procesadoras. En la misma época en que surgieron Sierra y Kurz, en Estados Unidos también existía otra empresa famosa: FCI. La empresa FCI fue fundada en 1964. Al principio, se dedicaba a fabricar interruptores térmicos en California, con el objetivo de determinar si el petróleo que se transportaba en los campos petroleros estaba en movimiento o inmóvil. No se utilizaban esos dispositivos para medir el caudal del petróleo. No fue hasta el año 1981 cuando se desarrollaron los verdaderos medidores de caudal ； Ese año, FCI comenzó a instalar una gran cantidad de componentes electrónicos en los medidores de interruptores, lo que permitió desarrollar el primer medidor de caudal térmico para la medición de gases. Más tarde, algunos empleados provenientes de las empresas Sierra, Kurz y FCI fundaron sus propias compañías dedicadas a la producción e investigación y desarrollo de medidores de caudal de gas térmico. Estas empresas lograron influir y expandirse gradualmente a otras regiones del mundo. II. Principio y estructura del medidor de caudal masivo de gas por método térmico
El medidor de caudal masivo de gas por método térmico utiliza el principio de difusión térmica. La tecnología de difusión térmica es una técnica que ofrece un rendimiento excelente y alta fiabilidad en condiciones extremas. Sus componentes sensores típicos incluyen dos resistencias térmicas (hechas de alambre de platino); una de ellas sirve como sensor de velocidad, mientras que la otra se utiliza para medir la temperatura del tubo de conducción. Cuando estos dos sensores se colocan en el gas, el sensor de temperatura mide la temperatura del gas dentro del tubo. En el sensor de velocidad hay un filamento eléctrico que se calienta hasta alcanzar una temperatura superior a la que mide el sensor de temperatura (lo cual corresponde a la temperatura del gas en el tubo), y esa temperatura se mantiene constante. El flujo de aire se lleva el calor del sensor de velocidad, lo que reduce la diferencia de temperatura. Para mantener constante la diferencia de temperatura, es necesario un poder eléctrico adicional para compensar la calefacción; la magnitud de este poder eléctrico compensatorio es proporcional al caudal masivo de gas. Los sensores de caudal térmicos que se utilizan en tuberías industriales cuentan con sondas de velocidad y de temperatura hechas de resistencias de platino. Cuentan además con una carcasa protectora robusta; el hilo de platino no entra en contacto directo con el fluido, por lo que son muy utilizados en diversas aplicaciones. La carcasa protectora está hecha, por lo general, de material 316L. En el caso de medios gaseosos corrosivos, se utiliza material de aleación Hastelloy o tantalio. A continuación, explicaremos de manera más detallada el principio de medición de los caudalímetros térmicos mediante fórmulas, y comprenderemos por qué los caudalímetros térmicos son, en realidad, caudalímetros de masa. Fórmula: H = M × Cp × ΔT. Al medir la cantidad de calor H, y manteniendo constante la diferencia de temperatura ΔT, para un gas con capacidad calorífica específica Cp constante, se puede calcular directamente el caudal de masa del gas, M. Hablemos ahora, a nivel microscópico, de por qué es necesario medir el caudal de masa de los gases. Las moléculas gaseosas entran en contacto con la pared calentada, lo que permite la transferencia de calor y, así, se lleva consigo el calor de las sondas ubicadas en el sensor. 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 corresponde a la masa del gas, lo cual permite calcular el caudal de masa del gas. Se utiliza un revestimiento de acero inoxidable alrededor del hilo calefacción de platino para resolver los problemas relacionados con la vida útil del hilo y su resistencia a la corrosión. De este modo, **se amplían las posibilidades de aplicación de este tipo de sistemas de calefacción. Sin embargo, este proceso es bastante complicado. El hilo calefector de platino conduce electricidad, y la cubierta de acero inoxidable también lo hace. Por lo tanto, el material que se utiliza como relleno entre ellos debe tener excelentes propiedades de conducción térmica, pero al mismo tiempo no debe conducir electricidad. Esto lleva a la importancia del material de relleno y del proceso de encapsulación de la sonda de calentamiento, que constituyen la esencia de todos los medidores de caudal de tipo térmico. Si se examinan todos los fabricantes de medidores de caudal de tipo térmico en el mundo, son pocas las marcas que logran resolver realmente este problema. Los fabricantes nacionales utilizan materiales orgánicos como resina epoxi, cemento cerámico, masillas resistentes al calor, polvo de alúmina y polvo de magnesio. El uso de estos materiales conlleva ciertas deficiencias en los sensores: por ejemplo, la resistencia térmica de su superficie 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 su precisión. El uso de estos materiales conlleva la desventaja de que reduce la vida útil del sensor y aumenta su tasa de fallos. Existen muchas empresas nacionales que también han analizado una gran cantidad de productos de marcas extranjeras y han llevado a cabo numerosas actividades de investigación y desarrollo. Sin embargo, debido a la escasa acumulación de conocimientos científicos, tanto el personal dedicado a la investigación y desarrollo como los recursos financieros son insuficientes. Por ello, no se ha logrado resolver estos problemas de manera efectiva, lo que hace que los productos nacionales estén muy por debajo del nivel avanzado de los productos extranjeros, limitando así su aplicación. El Dr. John O’Leary, de la empresa estadounidense SIERRA, junto con su equipo, tras décadas de esfuerzos incansables y dedicación, logró, finalmente en el año 1999, perfeccionar una tecnología revolucionaria y patentada para medir la velocidad de flujo de masa de los gases: el “sensor seco” sin deriva. La tecnología patentada del sensor Dry utiliza un relleno inorgánico con propiedades aislantes a nivel nanométrico; además, mediante un proceso de moldeo a alta presión, los materiales a nivel nanométrico se vuelven aún más densos, lo que garantiza que el sensor no presente desviaciones durante diez años. En el caso de los medidores de caudal de masa de gas de tipo térmico, aunque existen principios de medición muy avanzados y los fabricantes cuentan con métodos científicos y rigurosos para controlar la calidad, para lograr indicadores técnicos excelentes es necesario contar también con técnicas de calibración basadas en flujos reales, de carácter científico y preciso. Sabemos el principio de tipo térmico: la masa del fluido está en proporción directa con la potencia eléctrica utilizada para calentarlo. Además, también está relacionada de manera importante con la capacidad calorífica específica del fluido que se mide. La capacidad calorífica de cada medio gaseoso varía en función de la temperatura; en algunos casos, las diferencias son aún mayores. No es científico confiar únicamente en la calibración con aire a presión atmosférica 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. En este sentido, no existe en el país ninguna empresa que cuente con tecnología de calibración de flujo real; todas utilizan una calibración por aire a baja presión y en modo abierto. Por lo tanto, al aplicarlo en medios que no son aire, si se requiere un alto nivel de precisión, trate de evitar los productos calibrados con aire. III. Aplicaciones y selección del modelo
Características de aplicación de los medidores de caudal de masa de tipo térmico:
a. Amplio rango de medición: Los medidores de caudal de masa de tipo térmico tienen una ventaja que los demás medidores no pueden igualar: un amplio rango de medición, lo que les permite detectar velocidades de flujo que van desde 0,05 Nm/s hasta 100 Nm/s (algunas marcas incluso pueden medir velocidades superiores a 200 Nm/s). b. Medidores de caudal de masa reales: Los medidores de caudal de masa de tipo térmico se diferencian de los demás medidores de caudal de gas en que no es necesario realizar correcciones de presión y temperatura; miden directamente el caudal de masa del gas. Se trata, por lo tanto, de verdaderos medidores de caudal de masa de tipo directo. c. Sin dispositivo de compensación de presión: A diferencia de otros medidores de caudal por derivación, los medidores de caudal de masa de gas de tipo térmico no requieren la instalación de dispositivos de detección de presión y temperatura para poder medir el caudal del gas. **Se ha simplificado la configuración de los equipos en el sitio, lo que reduce las fallas y la frecuencia de mantenimiento. d. Baja pérdida de presión: Gracias al diseño especial de sus sensores, el medidor de caudal de masa de gas térmico **reduce la pérdida de presión que se genera en los sensores debido al flujo del fluido, por lo que es adecuado para tuberías de cualquier forma, siempre y cuando se conozca su área transversal. e. Fácil instalación: El caudalímetro de masa de gas de tipo térmico requiere muy poco trabajo de instalación. Gracias a su estructura de tipo insertable, se puede instalar y mantener en funcionamiento mientras el equipo está en uso, lo que **reduce los costos de instalación y mantenimiento**. f. Diversas formas de medición: el caudalímetro de masa de gas de tipo térmico puede ofrecer soluciones como medición en un solo punto o en varios puntos, según las condiciones reales del sitio donde se utiliza y los requisitos de medición del usuario. La medición en un solo punto consiste en utilizar directamente un único medidor de caudal para medir el flujo real de gas en la tubería. La medición en múltiples puntos se utiliza principalmente para la medición del caudal en tuberías grandes. Se conectan las señales de varios medidores de caudal distribuidos a lo largo de la sección transversal de la tubería al controlador de caudal, lo que permite obtener un valor preciso del caudal. Esto tiene una gran aplicabilidad en la medición de fluidos de gran diámetro, donde las transformaciones técnicas y las limitaciones en los procesos de la empresa causan inestabilidad en el campo de flujo. Según numerosos estudios realizados a lo largo de los años, se ha demostrado que los medidores de caudal de tipo térmico presentan buenas características de salida. En particular, tienen una alta sensibilidad cuando el caudal es bajo. El rango de medición del caudal puede ser de 100:1 o incluso mayor. Existen aplicaciones específicas en el campo de la medición del caudal de gases, pero también hay muchos problemas que aún no han sido resueltos. El problema de la baja consumo de energía: dado que las sondas térmicas necesitan una cierta corriente de calentamiento, resulta difícil lograr un funcionamiento con bajo consumo de energía alimentado por baterías. Los efectos de la humedad y los problemas relacionados con su corrección: dado que tanto la regulación como la detección del nivel de humedad son difíciles, actualmente no existen métodos eficaces para obtener datos experimentales sobre los efectos de la humedad en los medidores de caudal de tipo térmico, ni para corregir dichos efectos. El problema del impacto del polvo: si la sonda térmica funciona durante mucho tiempo en un entorno con corrientes de aire que contienen polvo (se refiere principalmente al polvo húmedo; el polvo seco tiene dificultades para adherirse a la sonda), la superficie de esta se contaminará. Esto afectará también su capacidad de disipación de calor, lo que a su vez modificará las características de salida del medidor de caudal. Sin embargo, aún no es posible describir cuál es el impacto exacto con datos concretos. Otra limitación es que no puede utilizarse en situaciones donde hay cambios en los diferentes medios. En condiciones de mezcla de varios medios, si la proporción de cada uno de ellos se mantiene constante, aún es posible satisfacer los requisitos mediante el uso de factores de corrección. Además, si la temperatura en las condiciones reales varía mucho, por ejemplo, con cambios de más de 100 grados, el uso de medidores de caudal de gas térmicos puede causar una pérdida de precisión. Por lo tanto, es necesario elegirlos con cuidado. ¿Cómo elegir un medidor de caudal de masa de gas de tipo térmico? Existen datos que demuestran que, en cuanto a las posibilidades de fallo en los medidores de caudal, una selección inadecuada del mismo es responsable de aproximadamente el 70% de esos fallos. Se puede ver cuán importante es la selección adecuada para la medición del caudal. Los usuarios de los medidores de caudal de masa de tipo térmico deben tener especial cuidado: no elijan un modelo de medidor por su cuenta, a menos que sea con el fin de reemplazar al medidor existente. Lo mejor es dejar esta tarea en manos del vendedor, ya que ellos son los expertos en este área. 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 unidades de volumen estándar), el medio a medir, el diámetro del tubo, el material del tubo, la presión de funcionamiento, la temperatura de funcionamiento, si se requiere protección contra explosiones, la temperatura ambiental en la que funciona el medidor de caudal, los requisitos de alimentación de señal, el grado de precisión, para qué proceso se utiliza (control de procesos o medición comercial), qué tan seco y limpio está el medio a medir, y si se trata de medir el caudal de gases mezclados; en este último caso, es necesario indicar el porcentaje de cada uno de los medios presentes. Por último, un recordatorio: si las condiciones lo permiten en el sitio, elíja un medidor de caudal integrado. Si se trata de un sistema modular, 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 hace que la resistencia de esos cables afecte inevitablemente los cálculos y procesamientos del circuito electrónico. Además, debido a las condiciones del entorno en el que se encuentra el dispositivo, la resistencia puede variar. Si es necesario elegir un modelo separado, se recomienda que la distancia entre las partes sea lo más corta posible. Estas son algunas de mis experiencias de estos últimos años; espero que puedan ser de ayuda para todos. Si hay algún problema que necesite ser discutido, puede hacerlo en privado.