• Demostración en vídeo: Tecnología térmica para la detección de flujo másico

Two men discussing thermal readings on a computer monitor, energy management software, sustainability reporting.
Tutorial: Uso de la temperatura para medir flujos de gas

Ver el vídeo.

Tradicionalmente, medir flujos de gases plantea muchos más problemas que medir flujos de líquidos, principalmente porque los gases se pueden comprimir. Cambiar la presión y la temperatura del gas tiene un efecto directo en su volumen, y por ese motivo en una medida de volumen de gas han de especificarse valores de presión y temperatura. En EE. UU. se utilizan pies cúbicos estándar (SCF) y la medición métrica correspondiente es metros cúbicos normales (Nm3). Ambos tienen especificadas condiciones subyacentes. Si se entienden esas especificaciones, es posible convertir el valor volumétrico a otras condiciones más relevantes para las necesidades específicas, o un valor de masa. En cualquier caso, cuando se trata de un flujo de gas es preciso tener claro de qué se está hablando. Por ejemplo, la salida de un compresor de aire puede medirse en SCFM, o en CFM a presión y temperatura específicas, tales como 100 psi y 21 °C.

Medir un flujo de gas utilizando un enfoque basado en el volumen como un rotámetro o un caudalímetro de área variable es difícil si no se entiende cómo funciona. Estas unidades tienen una escala de lectura directa, pero solo dan un valor correcto en condiciones de funcionamiento muy concretas. Si se está operando a una presión diferente, por ejemplo, se puede corregir el valor, pero es preciso saber o medir todos los datos pertinentes. Si se necesita una lectura del dispositivo en una situación en la que no cambian las condiciones, la mayoría de los fabricantes de rotámetros pueden proporcionar una unidad con una escala específica para esas condiciones. Sin embargo, ese dispositivo no se puede utilizar para nada más sin correcciones.

La mejor manera de evitar todo esto es utilizar un enfoque basado en la masa. Un kilo de gas sigue siendo un kilo a cualquier presión o temperatura. Para muchas aplicaciones, un caudalímetro Coriolis es los mejor para gases, pero normalmente son muy costosos. Hay alternativas, y una de ellas es la tecnología de masa térmica.

Los caudalímetros másicos térmicos se basan en comprender que una masa de fluido dada eliminará una cantidad de calor conocida de un cuerpo dado. Básicamente, el sensor utiliza un elemento de calentamiento y al menos dos sensores de temperatura. El primero mide la temperatura de la corriente del fluido del proceso. La segunda mide el elemento calefactor. Hay dos enfoques para utilizar esas mediciones: una alimenta una cantidad específica de corriente en el elemento calefactor y calcula el flujo midiendo la disminución de la temperatura actual comparada con la que debería ser para esa cantidad de corriente. En el otro enfoque se calienta el elemento hasta una temperatura específica y se calcula el caudal midiendo la cantidad de corriente que se necesita para mantener esa temperatura. Ambos comparan la temperatura del calentador con la del fluido entrante. Los niveles de corriente y las diferencias de temperatura proporcionan los datos para calcular el flujo de masa.

Al diseñar caudalímetros, la tecnología se puede utilizar de dos maneras. Los caudalímetros en línea envuelven el calentador alrededor de una sección de tubería y calientan la pared desde el exterior. Normalmente, esos se utilizan en los diseños más pequeños. Los sensores de inserción ponen el calentador y el sensor de temperatura en una sonda y la sitúan en el flujo de gas. Estos son más adecuados para tamaños de tubería más grandes, en los que una sonda no ocasiona demasiada obstrucción del flujo interno.

La demostración en vídeo utiliza el enfoque de inserción, y une un termopar a un soldador de 25 W. Cuando el aire se mueve a través del conducto, se lleva el calor del soldador. Dado que la potencia del elemento calefactor es fija, simplemente se enfría a medida que se desplaza más aire a través de la tubería. En una aplicación más sofisticada, la temperatura del calentador se compararía con la del gas entrante. En la demostración no se calibra la lectura, sin embargo se usa una lectura de presión diferencial simultánea para confirmar un cambio en el flujo.

A la hora de evaluar una instalación real, hay que tener en cuenta algunas consideraciones prácticas. Puesto que los efectos de estas varían para los distintos fabricantes, es preciso comprobar los detalles para los posibles proveedores.

Dado que el diseño utiliza un elemento calefactor, funciona de forma continua (o al menos con largos periodos encendido) a niveles de alta potencia para mantener la temperatura estable, una alimentación a baterías probablemente no es una opción práctica.

Las sondas se pueden hacer de muchos tamaños y para muchos diámetros de tubería, por lo que son escalables y pueden minimizar la obstrucción del conducto.

Usar una sonda para la medición implica que esta podría estar leyendo solo una pequeña sección de la corriente de gas. La práctica normal es colocar el punto de detección en el centro de la tubería y el cálculo del flujo final se basa en perfiles de velocidad característicos para ese tamaño de tubería. Esto significa que la longitud de la sonda tiene que ser ajustable o fija para un tamaño de tubo específico. También significa que las turbulencias tienen que ser mínimas, lo cual requiere estabilizadores de flujo o largas secciones de tubería rectas aguas arriba y abajo.

Para grandes conductos o donde la turbulencia sea inevitable, algunas sondas tienen múltiples puntos de detección por todo el diámetro, y leen el perfil del flujo para corregir una mala distribución del gas.

Las corrientes de gases sucios y corrosivos pueden dejar depósitos en superficies críticas e interferir con las mediciones o dañar puntos de detección frágiles.

Consulta a tus proveedores de instrumentación para trabajar con esas variables. El resultado final puede ser una manera económica y práctica de medir el flujo del gas sin tener que trabajar con correcciones complejas.

— Peter Welander, 
Ingeniería de control

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