El principio de medición del caudal por dispersión térmica

Cada día, se transportan una gran variedad de gases en sistemas de tuberías. Entre ellos, aire en el sector del agua y aguas residuales, dióxido de carbono en el alimentario, nitrógeno y oxígeno en el farmacéutico o gas natural para calderas y quemadores.
Los gases que fluyen por las tuberías suelen tener propiedades diferentes según las condiciones de proceso. Por tanto, se requieren distintos principios operativos para medirlos. Uno de ellos es la medición de caudal basada en el principio de dispersión térmica.
Los conceptos físicos básicos de este principio se remontan al físico canadiense Louis Vessot King. En 1914 describió matemáticamente el transporte de calor en los caudales.

A continuación se explica el funcionamiento de este método de medición.
Dentro de los caudalímetros por dispersión térmica hay dos sensores de temperatura que sobresalen hacia el tubo de medición. Son los llamados termómetros de resistencia Pt100.
Uno de estos sensores de temperatura mide la temperatura real del gas como referencia, independientemente de la velocidad de flujo.
El segundo sensor de temperatura se calienta constantemente con energía eléctrica para mantener una diferencia de temperatura predefinida entre los dos sensores; por ejemplo, 10 grados.

Si no hay caudal, la temperatura diferencial entre los dos sensores no varía.
En cuanto el fluido empieza a circular por el tubo de medición, el sensor de temperatura caliente pierde calor, que pase al gas. A continuación, el calor se transfiere al fluido.
El efecto de enfriamiento resultante se monitoriza y se compensa de forma inmediata mediante la adición de una mayor corriente de calentamiento. El resultado es una diferencia de temperatura objetivo que se mantiene estable de forma constante.
La corriente de calentamiento necesaria para mantener la diferencia de temperatura es proporcional al efecto de refrigeración y, por tanto, una medida directa del caudal másico en la tubería.
Cuanto mayor sea la velocidad de flujo (y, por ende, la refrigeración adicional del sensor calentado), mayor tendrá que ser la corriente de calentamiento.

Una adaptación alternativa de este principio mantiene la corriente de calentamiento en un valor constante y, a continuación, mide el cambio en la temperatura diferencial.
Pero, ¿cómo se transfiere el calor del sensor de temperatura caliente al gas circulante?
En esta secuencia se muestra que el calor lo transfieren las propias moléculas del gas. Al fluir el gas, sus moléculas absorben unas bolsas de calor diminutas y las transportan en el caudal. Cuanto más rápido fluya el gas, con más frecuencia absorberá el calor.
La transferencia de temperatura también depende de la densidad del gas, ya que a una presión superior (o una temperatura menor), hay más moléculas de gas en la tubería. Cuanto mayor sea el número de moléculas, mayor es el contacto con el sensor caliente, lo que conlleva un aumento de la refrigeración y, por tanto, del flujo de corriente de calentamiento.

Finalmente, la transferencia de calor también se ve afectada por las propiedades térmicas del gas. Por ejemplo, con el mismo caudal másico, la alta conductividad térmica del hidrógeno (que se muestra en verde) provoca una refrigeración 100 veces superior a la del aire. Por ello, para obtener una medición precisa es importante conocer las propiedades específicas del gas, y que estas sean constantes.
Asimismo, es posible medir el caudal por dispersión térmica en tuberías y conductos grandes. Algunos tipos de caudalímetros están especialmente diseñados para esta aplicación. Se pueden insertar directamente en la tubería mediante una conexión a proceso estándar. Es importante respetar la profundidad de inserción necesaria para que la medición se lleve a cabo en el punto correcto.
Por este motivo, es esencial programar el diámetro interno real de la tubería para todos los caudalímetros de inserción. Una inserción correcta también se aplica a los conductos rectangulares y cuadrados que suelen presentar los sistemas de circulación del aire de fábricas y edificios.

Con los caudalímetros másicos por dispersión térmica de Endress+Hauser, es posible medir con precisión un gran número de gases y mezclas de gases diferentes, incluso con presiones de proceso y velocidades de caudal bajas.
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