¿Cómo funcionan los caudalímetros másicos por presión diferencial?
Los caudalímetros másicos de Alicat Scientific miden el flujo laminar basado en la presión diferencial. Estos caudalímetros y controladores de caudal son instrumentos multiparamétricos que también muestran los datos de presión y temperatura, que se emplean para determinar las tasas de flujo volumétrico y másico.
La metodología para la medición de caudal en un flujo laminar compensado internamente (ICL) se basa en la ecuación de Poiseuille. Primero se crea una restricción interna, conocido como elemento de flujo laminar (LFE). El LFE obliga a las moléculas de gas a moverse en caminos paralelos a lo largo del paso, eliminando casi totalmente la turbulencia del flujo. La caída de presión diferencial se mide dentro de la región laminar.
La ecuación de Poiseuille cuantifica la relación entre la caída de presión y el flujo volumétrico laminar de la siguiente forma:
Q = (P1-P2)πr4/8ηL
Donde:
Q = Caudal volumétrico
P1 = Presión estática en la entrada
P2 = Presión estática en la salida
r = Radio hidráulico de la restricción
η = Viscosidad absoluta del fluido
L = Longitud de la restricción
Como π, r y L son constantes para un LFE dado, la ecuación puede reescribirse como:
Q = K(ΔP)/η
En esta ecuación, K es un factor constante determinado por la geometría de la restricción, y muestra la relación lineal entre el caudal volumétrico (Q), la presión diferencial (ΔP) y la viscosidad absoluta (η) en una forma simple.
Los cambios en la temperatura afectan la viscosidad absoluta del gas, lo que hace necesaria su medición. Para la mayoría de los dispositivos basados en presión diferencial, esto se hace manualmente mediante tablas que indican las propiedades de viscosidad del gas a temperaturas dadas. En un Alicat, esta referencia se realiza continuamente mediante el uso de un sensor de temperatura discreto y un microprocesador.
Medición de caudal másico
En este punto, solo se ha determinado el caudal volumétrico. Para que un dispositivo de flujo laminar aborde las limitaciones de rango de los instrumentos de flujo térmico, se deben tomar medidas adicionales para determinar la tasa de flujo másico real del gas. La relación entre flujo volumétrico y flujo másico es:
Masa = Volumen * Factor de corrección de densidad
La ley de los gases ideales nos muestra que la densidad de un gas se ve afectada por su temperatura y presión absoluta. Utilizando esta ley, el efecto de la temperatura sobre la densidad (a presión constante) es:
ρa/ρs = Ts/Ta
Donde:
ρa = Densidad en condiciones de flujo
Ta = Temperatura absoluta (° K) en condiciones de flujo
ρs = Densidad en condiciones estándar (STP)
Ts = Temperatura absoluta (° K) en condiciones estándar (STP) en Kelvin (° K = ° C + 273,15)
Del mismo modo, el efecto de la presión absoluta sobre la densidad (a temperatura constante) es:
ρa / ρs = Pa / Ps
Donde:
ρa = Densidad en condiciones de flujo
Pa = Presión absoluta en condiciones de flujo
ρs = Densidad en condiciones estándar (STP)
Ps = Presión absoluta en condiciones estándar (STP)
Por lo tanto, para determinar el caudal másico (M), se deben aplicar dos factores de corrección al caudal volumétrico (Q): Los efectos de la temperatura y de la presión absoluta sobre la densidad. Juntos, la conversión al caudal másico se puede escribir como:
M = Q(Ts/Ta)(Pa/Ps)
En un caudalímetro másico Alicat se coloca un sensor discreto de presión absoluta en la región laminar de la corriente de flujo. Esta información se envía al microprocesador y se combina con los datos del sensor discreto de temperatura absoluta para realizar los cálculos apropiados y determinar el caudal másico.
Temperatura y presión estándar (STP)
El cálculo del caudal másico requiere una referencia a un conjunto de condiciones estándar de temperatura y presión (STP), como lo indican las variables Ts y Ps. El STP generalmente se define en condiciones de nivel del mar, pero no existe un estándar único. Las condiciones de referencia estandar STP más habituales son:
0° C y 1013 mbar
25° C y 14.696 psia
0° C y 760 torr o mmHg
Es importante tener en cuenta que, aunque las unidades típicas de masa se expresan en gramos o kilogramos por unidad de tiempo (a menudo llamado "caudal másico verdadero"), se ha convertido en estándar que la tasa de flujo másico se exprese como una tasa de flujo volumétrico estandarizado. Los ejemplos incluyen slm / slpm (litros estándar por minuto), sccm (centímetros cúbicos estándar por minuto) y scfh (pies cúbicos estándar por hora). Al conocer la configuración STP del dispositivo y la densidad de un gas particular en ese STP, es posible determinar la velocidad de flujo en gramos por minuto, kilogramos por hora, etc., como muestra el siguiente ejemplo:
Dado:
Gas = Helio
M = 250 sccm
STP = 25° C y 14.696 psia
Densidad de gas = 0.166 g/l
Flujo másico verdadero = M * Densidad de gas en STP
Flujo másico verdadero = (250 sccm) (1 litro por 1000 cc) (0.1636 g/l)
Flujo másico verdadero = 0.0409 g/min de helio
Los medidores y controladores de caudal másico Alicat pueden mostrar las tasas de caudal másico como tasas de caudal másico reales. Simplemente hay que seleccionar la unidad deseada y su Alicat realizará todos los cálculos.
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