Consideración de la histéresis en la selección del medidor de flujo másico

Los medidores de flujo másico y controladores de flujo másico de Alicat son reconocidos por su velocidad y precisión, pero ¿cuán importante es nuestra velocidad para su precisión? En este artículo, examinamos la histéresis y sus efectos sobre los tipos comunes de instrumentos de flujo másico.

Plot of elastic hysteresis

Histéresis de una banda elástica estirada. El espacio entre la carga y la descarga es la tendencia de la goma a no volver a su forma original debido a la fricción

La histéresis reduce la precisión de la medición al hacer que el medidor responda de manera diferente a entradas idénticas repetidas. ¿Qué es la histéresis? En términos simplificados, la histéresis es la tendencia de un sistema a reaccionar de manera diferente a la misma variable de entrada basándose en su historial de entradas pasadas. Por ejemplo, la mayoría de nosotros hemos comido una barra de chocolate a temperatura ambiente. ¡Qué rico! Pero cualquiera que haya usado chocolate en la cocina también sabe que una vez que el chocolate se ha calentado y derretido a su estado líquido, puede seguir siendo un líquido a medida que se enfría a temperatura ambiente. La misma entrada (temperatura) produce diferentes resultados (sólido vs líquido) basados en la historia del chocolate (calentamiento o enfriamiento). Éste es el efecto de la histéresis, y puede causar una gran dificultad en conseguir resultados repetibles.

Histéresis en medidores de flujo másico Coriolis

Ahora que hemos definido la histéresis, veamos cómo los diferentes tipos de tecnologías de medición de flujo másico muestran la histéresis. Los medidores de flujo Coriolis funcionan con tubos curvos vibratorios a través de los cuales fluye el gas. El aumento del caudal añade masa al sistema e induce oscilaciones de segundo orden que están directamente correlacionadas con la densidad y masa del fluido que fluye a través de la tubería, lo que se denomina efecto Coriolis. Así como el aumento de la masa a través de un caudal más rápido aumenta estas oscilaciones, la reducción del caudal disminuye las oscilaciones. Sin embargo, pasar rápidamente de una tasa de flujo a una tasa de flujo mucho más baja resulta en histéresis, ya que las oscilaciones de segundo orden requieren tiempo para amortiguarse hasta que se correspondan al nuevo nivel más bajo de flujo másico.

Puede visualizar el efecto de la histéresis en los medidores Coriolis poniendo en movimiento un péndulo de reloj. Ahora, golpee el péndulo desde una dirección perpendicular. Usted ha inducido un movimiento de segundo orden a la oscilación del péndulo, y aunque lo hizo por sólo un momento, tomará algún tiempo antes de que los efectos de ese movimiento adicional se disipen. Si golpea el péndulo por segunda vez antes de que se asiente, volverá a inducir un movimiento lateral, pero será algo diferente al del primer golpe.

Histéresis en medidores de flujo másico termal

Principio de funcionamiento de un medidor de flujo másico térmico

Los medidores de flujo másico térmico proporcionan mediciones indirectas de flujo másico basadas en las propiedades térmicas del flujo de gas. En lugar de detectar las moléculas individuales de materia que pasan, detectan los efectos del calor sobre la materia que pasa, un principio llamado dispersión térmica. Hay varios tipos de medidores térmicos, pero típicamente una pequeña porción del flujo de gas es desviado a través de un tubo capilar calentado que está equipado con múltiples sensores de temperatura. A medida que aumenta el caudal, las moléculas de gas son calentadas por el tubo y luego transportan ese calor más abajo por el tubo hasta que sus temperaturas regresen a su estado previamente no calentado. Los caudales más altos mueven la columna de calor más abajo en el tubo, y los caudales más bajos desplazan la columna sólo marginalmente. La cantidad de calor que se transporta por el tubo también depende de las propiedades térmicas de las moléculas de gas, su concentración (presión) y su temperatura ambiente antes de someterse a calentamiento. Una tasa de flujo alta que mueva la columna de calor más abajo en el tubo requerirá algún tiempo de asentamiento cuando la tasa de flujo haya caído. Esto se debe a que la alta conductividad térmica del diminuto tubo capilar necesario para detectar caudales bajos también lo hace muy bueno para retener esa temperatura elevada después de que el caudal haya descendido. Algunos medidores de flujo térmico emplean algoritmos de promedios o predictivos para superar esta histéresis, lo cual es una buena solución si sólo se requiere una tasa de flujo estimada.

El efecto de histéresis en los medidores de flujo másico térmicos es fácil de visualizar en la estufa eléctrica de su hogar. Antes de encender el quemador eléctrico, tóquelo con la mano brevemente y luego retírela. Ahora, encienda el dial del quemador a alto por un segundo, y luego apáguelo de inmediato. Ponga su mano sobre el quemador; ¿se siente más caliente de lo que se sentía al principio? El calor que usted siente es calor residual que no refleja con precisión el estado actual de ausencia de voltaje en el quemador. Si vuelve a girar el dial del quemador a la posición alta durante un segundo más antes de que el quemador se haya enfriado completamente, la temperatura del quemador en su estado sin voltaje será aún mayor. Cuando se agrega voltaje, el calor aumenta rápidamente, pero cuando se quita el voltaje, el calor se disipa mucho menos rápidamente; este es el efecto de histéresis.

Histéresis en medidores de flujo másico basados en presión

Hay muchos tipos de flujómetros basados en presión, pero todos miden de alguna manera el flujo de acuerdo con el principio de Bernouli, que establece que la presión dentro de un fluido en movimiento disminuye. De hecho, son los diferenciales de presión los que inducen el flujo en primer lugar, por lo que este tipo de medición de flujo está más cerca de la fuente. Un flujómetro basado en presión diferencial simplemente mide la presión diferencial que está generando el flujo en primer lugar. Al igual que los flujómetros térmicos, los medidores basados en presión tampoco miden directamente las moléculas individuales de gas; las mediciones de flujo másico se calculan a partir de las presiones diferenciales registradas utilizando leyes de gases no ideales.

Los sensores de presión diferencial de Alicat utilizan membranas que se desvían en una u otra dirección en función de la dirección del flujo. Esta característica marca una diferencia crítica entre las tecnologías de medición de flujo. Si invierte rápidamente la dirección del flujo en un medidor de flujo térmico, podría llegar a una situación en la que tanto los lados aguas abajo como aguas arriba del tubo capilar se hayan calentado hasta cierto punto. Del mismo modo, la inversión de la dirección en un medidor de flujo Coriolis no anula las oscilaciones anteriores, sino que añade una nueva dirección a las mismas. Ambas situaciones sufren de histéresis. Por el contrario, una membrana no puede desviarse al mismo tiempo hacia delante y hacia atrás, por lo que el cambio de dirección del flujo se produce sin histéresis. Sin embargo, la membrana puede oscilar hacia adelante y hacia atrás a medida que cambia el diferencial de presión, y esto es lo que le da al Alicat su velocidad de respuesta de 5 milisegundos.

Usted puede visualizar la histéresis limitada de un sensor de presión tipo membrana golpeando un tambor. Los golpes más fuertes (más presión) desvían aún más la membrana del tambor, comprimiendo una mayor masa de aire contra la segunda membrana, lo que resulta en el sonido que se oye. La membrana tensa vuelve rápidamente a un estado no deformado, pero requiere una cantidad de tiempo muy pequeña para hacerlo, lo que es histéresis. La estanqueidad de la membrana determina el grado de esta histéresis. Las membranas flojas responden más lentamente y tardan más tiempo en dejar de vibrar. Las membranas correctamente apretadas se humedecen muy rápidamente; en el caso de un tambor, puede ser imposible golpear una segunda vez antes de que se hayan disipado los efectos de histéresis del primer golpe.

Asimismo, la rápida velocidad de medición de un Alicat y la mínima histéresis resultan directamente en una mejor precisión para cada medición de flujo másico. Una histéresis baja significa que puede estar seguro de que su medición actual no se basa artificialmente en los efectos residuales de la última, incluso si ésta fue hace tan sólo 10 ms. Esta cualidad también hace que un Alicat sea muy hábil en la medición de fenómenos transitorios, como las breves ráfagas de actuadores neumáticos en pozos de petróleo y gas o las boquillas de ajuste de altitud en cohetes de sondeo.

¿Está intrigado? Contacte a uno de nuestros ingenieros de aplicaciones al 888-290-6060 o info@alicat.com para discutir su aplicación de flujo o presión.

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