Principio de medición de caudal por dispersión térmica

Los caudalímetros másicos por dispersión térmica forman una categoría única dentro de los caudalímetros y pueden dividirse en dos grupos principales:

Principio de “dispersión térmica” (también conocido como anemométrico) (Fig. 1)
: un elemento calentado se sumerge en el caudal. La velocidad en la que este se enfría corresponde a una medida de la velocidad másica específica local, y por lo tanto, del caudal.

Principio “calorimétrico” (Fig. 2)
: se suministra calor a una zona limitada del fluido. La temperatura local aumenta y la cantidad de energía añadida permite estimar el caudal másico.

Ambos tipos de equipos están disponibles en el mercado. La alta sensibilidad de algunos modelos ha favorecido su amplia difusión en aplicaciones de investigación. Sin embargo, esta gran sensibilidad también significa que las propiedades físicas del fluido, como la conductividad térmica, la capacidad calorífica o su composición gaseosa (en caso de mezclas), así como las condiciones de instalación, pueden afectar fácilmente a la medición.

El principio de dispersión térmica se utiliza habitualmente en diversas aplicaciones gracias a la precisión que ofrece en la medición del caudal másico.

Los caudalímetros de dispersión térmica pueden operar mediante uno de los siguientes métodos: 1) potencia constante y 2) diferencial de temperatura constante.

En el método de potencia constante, la electrónica mantiene una corriente eléctrica constante a través del denominado "sensor de velocidad" (un elemento sensor calentado, generalmente un detector de temperatura resistivo (RTD)). La temperatura del fluido se mide con un detector RTD independiente. A medida que varía el caudal, el diferencial de temperatura (diferencia entre las temperaturas medidas entre el sensor de velocidad y el sensor de temperatura del fluido) también cambia.

En el método de diferencial de temperatura constante, la electrónica mantiene una diferencia de temperatura constante entre el sensor de velocidad y el sensor de temperatura del fluido. A medida que cambia el caudal, la potencia suministrada al sensor de velocidad calentado debe ajustarse para mantener la diferencia de temperatura constante. Independientemente del método utilizado, los cambios medidos (en la potencia suministrada o en la temperatura diferencial) son directamente proporcionales a las variaciones de caudal. En ambos diseños, la relación entre el caudal y la transferencia de calor del sensor de velocidad se describe mediante la ecuación de King (o una derivación de la misma):

La forma de esta ecuación muestra la sensibilidad a las propiedades del fluido y la importancia que el segundo término adquiere al aumentar el caudal. La ecuación no es lineal, pero afortunadamente las técnicas de procesamiento de señales digitales permiten linealizarla fácilmente. Algunos modelos emplean un simple cable calentado (los clásicos anemómetros), mientras que otros utilizan dos termistores, uno como sonda y el otro como referencia. La Figura 1 muestra la punta de estas sondas térmicas. Para medir la tasa de disipación de calor, el fluido ha de circular por el sensor de fluido (a), el elemento no calentado y el sensor de velocidad (b), el elemento calentado.

La Figura 2 ilustra el principio de medición “calorimétrico”, en el que se basan diversos diseños comerciales de caudalímetros por dispersión térmica. En estos caudalímetros se genera calor en su interior, que se transfiere al fluido. A continuación, dos elementos sensibles miden la diferencia de temperaturas entre puntos diferentes. A veces se utilizan dos puntos de calentamiento y tres sensores para obtener un perfil de temperaturas más completo. Cuando el fluido no circula, todos los sensores indican la misma temperatura.

Cuando el fluido circula, los sensores se calientan o se enfrían con respecto al otro y se detecta una diferencia de temperatura ∆T, que está directamente relacionada con el caudal. La ecuación que caracteriza este tipo de caudalímetros es la siguiente:

Se suministra una cantidad de calor (H) cuando no hay caudal y se crea un perfil térmico regular (a), que se desplaza hacia la derecha cuando hay caudal (b).

La última ecuación depende en menor medida de las propiedades del fluido, aunque la constante A incluye tanto los efectos de la conductividad como los de la viscosidad.

Para ambos métodos de medición ("dispersión térmica" y "calorimétrico") se han desarrollado modelos con sensores de detección en uno o varios puntos, para ser instalados tanto en líneas principales como en derivaciones. Ello permite cubrir una amplia rangeabilidad de caudal, desde caudales residuales de gases limpios en aplicaciones médicas hasta grandes volúmenes de gases de antorcha en chimeneas de alivio.

Los dos principios descritos se aplican comercialmente a sensores instalados en líneas principales y en circuitos de derivación. Los dos principios operativos y los dos modelos comerciales básicos se solapan considerablemente entre sí, especialmente en cuanto a los intervalos de caudal y las dimensiones de las tubería. Otros factores que pueden influir en la elección del modelo final dependen de la aplicación particular y de la naturaleza del fluido que se va a medir.

El tipo más simple de caudalímetro por dispersión térmica es el anemómetro térmico. El sensor de velocidad es un fino cable de tungsteno, platino o niquel. Existen modelos comerciales que operan mediante los principios de intensidad constante y temperatura constante. Típicamente, el cable es de 0,02 mm de diámetro y va montado entre dos soportes. Su pequeño tamaño evita una distorsión apreciable del caudal, de modo que se preservan tanto la sensibilidad del equipo como su correcta ejecución. Puede haber un único sensor o más de uno orientados en cualquier dirección (Fig. 3). Los modelos más sofisticados se suelen emplear en aplicaciones de investigación.

Los tipos de caudalímetros de derivación (o bypass), conocidos como caudalímetros másicos por dispersión térmica capilares (CTMF), pertenecen a un subtipo específico dentro de la categoría de caudalímetros calorimétricos. A menudo, junto con la derivación capilar, utilizan un elemento de caudal laminar. Una pequeña cantidad de caudal se desvía por un tubo de derivación conectado a la entrada y a la salida de algún equipo de caudal másico laminar y se muestrea (Fig. 4). El diseño del caudalímetro asegura que el caudal total de gas que pase por el tubo de derivación donde se efectúa la medición sea constante. El calentador y los sensores de temperatura no se suelen hallar en el conducto principal, sino en un tubo de derivación. Algunos modelos no tienen tubo de derivación ni dispositivo de caudal laminar, y los sensores se hallan directamente en el conducto principal (en la tubería). Puede haber uno o dos calefactores y hasta tres sensores dispuestos de diversas formas a lo largo del tubo.

En general, el caudalímetro CTMF se suministra con los accesorios roscados necesarios para su acoplamiento, aunque se pueden proporcionar accesorios de acoplamiento de tipo brida. Este modelo de caudalímetros suele ir combinado con un controlador de caudal másico aguas abajo del sensor. Esta configuración se denomina controlador de caudal másico (MFC). Normalmente, la interfaz electrónica se halla ubicada en la misma unidad que el circuito de derivación.

Los caudalímetros de inserción se suelen utilizar en tuberías largas. Sin embargo, algunos modelos también pueden utilizarse para diámetros inferiores a DN 50/2". Los sensores se hallan en el extremo de una sonda que se inserta en la corriente de gas en circulación. El caudal másico total se determina a partir del caudal puntual medido, el área de la sección transversal y la compensación de temperatura para el perfil de caudal.

Los sensores incluyen comúnmente algunos niveles de protección física. Muchas adaptaciones de montaje incluyen accesorios de acoplamiento de tipo brida, prensaestopas y accesorios para aplicaciones sanitarias y de alta pureza. La disposición de los sensores en la sección transversal de la tubería es crucial para una ejecución óptima. Si no es posible disponer la instalación recomendada por el fabricante, será necesario introducir las correcciones necesarias.

Algunos modelos de caudalímetros de inserción permiten ajustar la posición de los sensores en la tubería para colocarlos en la posición de medición óptima. Para instalar caudalímetros de inserción en tuberías existentes se suelen emplear adaptadores soldados a la superficie externa de la tubería. Los caudalímetros de inserción se instalan en la tubería con ayuda de este adaptador. Los accesorios de acoplamiento del adaptador deben corresponderse con los de la sonda de inmersión.

En algunas aplicaciones se emplean modelos de inserción múltiple. Un uso común de estos modelos es, por ejemplo, el control de gases en chimeneas de alivio o de contaminación en procesos gaseosos. Algunos modelos pueden presentar un aspecto muy parecido a los tubos de Pitot de puerto múltiple cuyas sondas térmicas reemplazan los puntos de detección de presión. Estos toscos modelos requerirán ser retirados periódicamente para su limpieza, pero han demostrado ser métodos aceptables para estas difíciles aplicaciones.

Los caudalímetros másicos por dispersión térmica en línea (ITMF) constan de tres elementos: el cuerpo, el elemento sensor y la electrónica, que puede encontrarse lejos del sensor primario. Como en la mayoría de instrumentos modernos, el procesamiento de señales permite una gran variedad de funciones asociadas a la medición de caudales y de alarma en cualquier tipo de formato de salida. El cuerpo del equipo se encuentra disponible con una variedad de conexiones a proceso, como rosca ANSI, DIN, NPT o conexiones higiénicas, lo que permite su adaptación a diversas aplicaciones. La figura 5 muestra la disposición esquemática de un caudalímetro en línea y un caudalímetro de inserción.

En conjunto, las características generales de los caudalímetros másicos por dispersión térmica son bastante satisfactorias, aunque presentan tanto ventajas como desventajas. El rango de rendimiento general de estos equipos puede situarse entre ±1 % lect. y ±3 % lect., con una precisión de hasta ±0,3 % e.c. Además, su rangeabilidad típica es de 100:1, o incluso mayor. La repetibilidad generalmente alcanza valores cercanos a ±0,5 %, o incluso mejores. Pueden medir caudales de 2 a 10.000 kg/h (4,4 a 22.000 lb/h) y superiores.