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Cómo optimizar sistemas de flujo

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Cómo optimizar sistemas de flujo

Hacer que un sistema de flujo funcione mejor

Los dispositivos Alicat -de control de flujo másico, control de presión y medición- hacen posible adaptar soluciones para una variedad de condiciones y materiales. Optimizar el flujo requiere comprender y tener en cuenta:

El rango de flujo
El fluido
El tamaño de las válvulas
Tiempo de respuesta de control
El ajuste PID
El tiempo de respuesta
Las condiciones ambientales
Los diferenciales de presión

Este artículo proporciona una explicación de, y ofrece maneras de ajustar, estos puntos. Hablar con uno de nuestros ingenieros de aplicaciones al diseñar su sistema ayuda a garantizar que todo funcionará apropiadamente y que está optimizado cuando se usa un dispositivo Alicat.

Rango de flujo: el límite de velocidad

Los dispositivos de flujo másico de Alicat ofrecen diferentes rangos de flujo disponibles según su aplicación. Conocer el rango de flujo correcto para su aplicación lo ayudará a determinar el mejor medidor o controlador para su sistema. Esto se aplica a todas las unidades de gas y líquido, pero también a los controladores de presión para un dimensionamiento adecuado de la válvula.

Idealmente, la escala completa del dispositivo debe coincidir con la tasa de flujo más grande que necesita poder medir. Alicat ofrece un rango de flujo adaptado cuando compra su instrumento, para brindarle la mejor precisión y control posibles sobre el rango completo del dispositivo. Si un dispositivo tiene un rango de flujo más pequeño o más grande que el que requiere su sistema, sufrirá una reducción de su precisión y no suministrará la mejor medición.

En algunas aplicaciones, el rango de flujo es demasiado amplio para que lo maneje un solo dispositivo. Esto es un problema de menor frecuencia con los dispositivos Alicat, gracias a nuestra relación entre flujo máximo y flujo mínimo de 200:1. Esto es 4 veces más grande que los dispositivos estándar de la industria en 50:1.

Como ejemplo, imagine que necesita un medidor de flujo másico de 50 SLPM (litro estándar por minuto, siglas en inglés) para medir sus tasas de flujo más altas. Pero su aplicación también requiere que mida un caudal de 0.3 SLPM (300 SCCM) en el extremo inferior. Esto significaría que el dispositivo necesitaría medir un índice de flujo que es 150 veces más pequeño que su rango de escala completa. Por debajo (o por encima) del rango de flujo especificado, su dispositivo aún puede detectar el flujo, pero como está fuera de las especificaciones, no hay certeza científica para las cantidades.

Para la relación típica entre flujo máximo y flujo mínimo de 50:1 de los dispositivos típicos, debe comprar dos medidores de flujo en esta aplicación. Un Alicat 200:1 puede manejar ambas tasas de flujo y mantenerse dentro de las especificaciones. La especificación estándar de precisión para un dispositivo de flujo de gas Alicat es ± (0,8% de lectura + 0,2% de escala completa). También está disponible una calibración de alta precisión. Ambos rangos de precisión ofrecen una capacidad de relación entre flujo máximo y flujo mínimo de 200:1, ahorrando tiempo de configuración y dinero.

Si necesita una relación entre flujo máximo y flujo mínimo aún mayor, como 1000:1, pueden conectarse en cadena dos o tres dispositivos Alicat para cubrir por completo el rango de flujos que va a medir.

DETERMINACIÓN DE LA TASA DE FLUJO

¿Qué pasa si no conoce la tasa de flujo de su sistema?

Aplique la ley de los gases ideales

PV=nRT

Puede derivar esta ecuación para calcular la tasa de flujo volumétrico de una prueba de disminución de presión:

Formula for calculating volumetric flow rate

Donde:

Q = Tasa de flujo volumétrico
V = Volumen del sistema presurizado
P_differential = Diferencia de presión en PSI
t = tiempo
P_atm = Presión atmosférica estándar [14.696 PSIA]

Para llevar a cabo esta prueba, presurizará su sistema a la presión de prueba y observará cuánto tiempo se tarda en disminuir la presión en una cantidad determinada. Cerciórese de que sus lecturas de presión estén en las mismas unidades, y que sus unidades de volumen y tiempo sean las mismas que la velocidad de flujo volumétrico que está esperando.

Conocer su fluido es importante

Aunque no es el caso con los medidores de flujo y controladores Alicat, muchos dispositivos de medición de flujo másico están calibrados solo para un gas y una condición de temperatura y presión (TPE). En el caso de tales dispositivos de calibración única, la inexactitud aumenta si el gas calibrado o las condiciones de operación deben cambiarse. Cuando algunos dispositivos ofrecen selección de gas, el resultado no siempre es un estado recalibrado: por lo general, solo proporcionan un desplazamiento puntual único (un factor K), que no tiene en cuenta el rango completo de cambios de viscosidad, densidad y compresibilidad al flujo volumétrico de gases a diferentes temperaturas y presiones. Tenga cuidado al leer las especificaciones para observar la introducción de una incertidumbre de precisión adicional al cambiar el fluido, o cuando las condiciones de temperatura y presión se apartan de las normales o estándar.

Los dispositivos Alicat son mucho más flexibles que esto, y ofrecen la capacidad de cambiar cuál gas fluye sin reducir la precisión. En los dispositivos Alicat esto se logra mediante el almacenamiento de modelos internos para las propiedades físicas (viscosidad, compresibilidad y densidad) de cada gas en función de la temperatura y la presión.

Puede cambiar fácilmente el gas calibrado al conmutar en la pantalla del panel frontal y seleccionar el gas o la mezcla adaptada que está fluyendo (sin el uso de factores K).

La condensación líquida u otra entrada destruirá la mayoría de los instrumentos de flujo másico de gas. Si bien no es fatal para un Alicat, no es una situación ideal. A veces es inevitable. Si la condensación o el ingreso de líquidos es un riesgo en su sistema de flujo, la serie MS/MCS de Alicat es su mejor opción, equipada con un sensor de acero inoxidable 316 que puede manejar la humedad y gases agresivos como amoníaco, sulfuro de hidrógeno, gases refrigerantes y más. Si encuentra que el gas se está condensando en el proceso de su aplicación, nuestro equipo de asistencia puede aconsejarle sobre las medidas que puede tomar para minimizar la condensación en el medidor o controlador.

SELECCIÓN DEL GAS CON TOTAL PRECISIÓN

En el firmware GAS SELECT™, hemos suministrado calibraciones para gases comunes en muchas aplicaciones:

21 Gases puros
19 Mezclas de gas de biorreactor
14 Corrosivos puros
15 Gases de respiración
12 Mezclas de gas combustible
18 Refrigerantes
2 Gases de cromatografía
3 Mezclas de concentradores de oxígeno
14 Mezclas de gases de soldadura
6 Mezclas de gases de chimenea
6 Mezclas de gas láser

¿Qué pasa si el gas que estoy fluyendo no está en la lista de gases precargada?

Póngase en contacto con Alicat para ver si tenemos datos sobre su gas particular y, de ser así, podremos añadir ese gas a la lista precargada. Constantemente estamos buscando ampliar la lista de gases que nuestros dispositivos pueden fluir, siempre y cuando sean compatibles con los materiales húmedos de nuestro dispositivo

Compuertas: dimensionando la válvula

La válvula de control proporcional en los controladores de flujo másico y presión de Alicat se selecciona para brindarle el máximo control de su dispositivo. La válvula controla activamente el valor nominal dado al dispositivo.

Puesto que tener el tamaño incorrecto puede complicar sus esfuerzos, es importante determinar cuál tamaño se adapta mejor a su aplicación. Si una válvula es demasiado pequeña, su proceso no se estabilizará rápidamente y el flujo se ahogará independientemente de la presión de suministro. Con una válvula demasiado grande, el más mínimo ajuste en la posición de la válvula afectará la estabilidad y el control de su sistema. Al proporcionar a nuestro equipo de soporte las condiciones de presión de entrada y salida junto con la tasa de flujo esperada, puede ayudarnos a seleccionar para usted la válvula más adecuada para su controlador de flujo másico o controlador de presión, que proporcionará el mejor comportamiento a su sistema. Está disponible una amplia variedad de tamaños de válvula para adaptarse a diferentes condiciones de presión y rango de flujo.

PID: ajuste derivado integral proporcional (siglas en inglés)

Ya sea que esté asignando un valor nominal por primera vez a su nuevo controlador de flujo másico Alicat o colocando un controlador de presión Alicat confiable en un nuevo sistema (el PID no se aplica a los medidores de flujo), a veces su dispositivo puede necesitar algunos ajustes para lograr el mayor grado de estabilidad de control. En nuestros laboratorios, podemos hacer ajustes para las condiciones de aplicación que nos proporcione, de modo que la unidad brinde el mejor control inmediatamente. En caso de que su aplicación cambie, los perfiles PID de los dispositivos Alicat también son ajustables por el usuario, por lo que no necesariamente tiene que enviarlos de regreso a la fábrica para optimizar el comportamiento de la válvula de control.

Nuestros controladores de válvula doble, únicos, las series MCD y PCD, usan los términos PID, pero lo hacen de forma diferente que en un algoritmo tradicional. Usamos un algoritmo especial PD2I creado por Alicat que incorpora una función predictiva en el algoritmo. Esta es la razón por la que los métodos estándar de ajuste PID no funcionarán para estos dispositivos. El algoritmo PD2I es más complejo, y los controladores de una sola válvula generalmente no se benefician de él. Recomendamos trabajar con un ingeniero de aplicaciones de Alicat si tiene dificultades para ajustar un PCD o MCD.

Cuando al hacer el pedido nos proporciona las presiones de entrada y salida esperadas, nuestros técnicos ajustan el dispositivo de manera óptima para esas condiciones para proporcionarle una unidad adaptada desde el primer momento.

ADAPTAR LOS AJUSTES PID

El problema más común que experimentan los usuarios es la oscilación sobre el valor nominal. Lo que está sucediendo es que los términos P y D están corrigiendo en exceso.

La solución más frecuente es:

Deje solo el término D y disminuya el término P.
Si los dos términos están bien equilibrados, la variable de proceso convergerá rápidamente al valor nominal.
Puede reducir P demasiado y poner a oscilar de nuevo el sistema, donde P y D están en desequilibrio.

Dos tipos de rapidez de respuesta

Tiempo de respuesta

Como dice nuestra hoja de especificaciones, nuestros medidores de flujo másico tienen un tiempo de respuesta de 10 milisegundos. El tiempo de respuesta es el tiempo que tarda un dispositivo en detectar un cambio en la tasa de flujo. Diez milisegundos es mucho más rápido que el tiempo de respuesta de 100ms-500ms común a otros medidores de flujo actualmente en el mercado. Los cambios en la velocidad de flujo en un Alicat se informan a la pantalla de visualización a la velocidad de bus total de 10 ms.

Si está utilizando el protocolo de comunicación RS-232 o RS-485, puede transmitir datos desde el dispositivo. Los datos tardan más en transmitirse que el tiempo de respuesta, pero aún así se actualizan a una velocidad, bastante buena, de alrededor de 50 milisegundos por paquete. Esta frecuencia de actualización puede variar un poco dependiendo de la configuración exacta de software y hardware que esté utilizando. También puede ajustar la velocidad de transmisión usted mismo, modificando los registros internos en el dispositivo o eliminando campos de la trama de datos reportados, como se ilustra a continuación.

Optimizando su flujo de datos para actualizaciones más rápidas

Alicat serial data frame for 5v and 6v

Así s ve la trama de datos típica – una instancia de datos reportada – desde un dispositivo Alicat. Cada campo (el parámetro de presión absoluta es un campo, el parámetro de temperatura es un campo) se suma al tiempo necesario para enviar el marco. Al eliminar los parámetros innecesarios, puede acelerar la velocidad a la que el dispositivo carga los marcos de datos en aproximadamente ~ 5 ms por campo eliminado. Tenemos una guía más detallada sobre el conjunto de comandos y las funciones de registro, disponible a pedido.

Tiempo de respuesta de control

El tiempo de respuesta de control es el tiempo que le lleva a un controlador de flujo másico o controlador de presión alcanzar un nuevo valor nominal o recuperar el control después de cambios en el flujo o la presión aguas arriba. En un controlador Alicat, logramos su valor nominal en menos de 50 ms con un ajuste adecuado, en comparación con productos similares con tiempos de respuesta de control de hasta 3 segundos.

El tiempo de respuesta de control depende de algunos factores importantes, como el tiempo de respuesta del sensor, la velocidad de respuesta de la válvula y el ajuste PID. El tiempo de respuesta es, simplemente, la velocidad con la que el sensor detecta un cambio. La velocidad de respuesta de la válvula es la velocidad a la que responde la válvula, que depende de las propiedades electromecánicas de la válvula con la que está trabajando. El ajuste de PID es un factor que Alicat puede optimizar antes de la compra y usted puede adaptarlo más a fondo como se explicó anteriormente.

Este video demuestra la velocidad de respuesta de control de un controlador de flujo másico Alicat:

El efecto ambiental en su proceso

Muchos fabricantes de dispositivos de flujo másico miden la tasa de flujo y la densidad con base en una suposición de condiciones estándar. Sin embargo, los factores ambientales como la presión y la temperatura pueden tener un efecto significativo en los resultados de su proceso de flujo, si no se consideran y ajustan. La presión ambiental puede afectar su proceso: por ejemplo, al realizar una prueba de detección de fuga de ventilación a la atmósfera, si alguien abre una puerta o el aire acondicionado se apaga en el laboratorio de pruebas, un medidor de flujo másico, controlador de flujo o controlador de presión no detectará o compensará el cambio, a menos que el dispositivo sea alimentado específicamente con la información en un lazo cerrado. Del mismo modo, un dispositivo bajo prueba puede verse afectado por los cambios de temperatura en la habitación, y el medidor de flujo o el controlador de presión no detectarán los factores externos.

A veces, se pueden hacer ajustes al proceso de flujo para controlar los asuntos ambientales. Cuando se miden tasas de flujo muy bajas, tales cambios ambientales,se registrarán en el dispositivo de flujo. Puede aislar el proceso para reducir estas variaciones. Si se da cuenta de errores relacionados con la temperatura, se puede colocar una caja con control de temperatura alrededor del dispositivo bajo prueba para anular los cambios de temperatura en la habitación o las “fugas fantasma” que cambian la temperatura.

Por defecto, la TPE (presión de temperatura estándar) en un dispositivo Alicat se establece en 25 °C y 14.696 PSIA a menos que se solicite una configuración adaptada. El instrumento también acepta ajustes normales de temperatura y presión (TPN). Independientemente, es fácil cambiar su TPE o TPN a través de los menús de la pantalla del panel frontal, en caso de que sus condiciones estándar sean diferentes de lo esperado.

Adquirimos la tasa de flujo másico usando esta ecuación, y la temperatura está en Kelvin.

Formula for calculating mass flow

Siempre es conveniente operar tan cerca de la temperatura y presión estándar (TPE) como sea posible, para estar seguros de una medición de flujo más precisa. Sin embargo, al elegir un dispositivo Alicat, las variables ambientales son más fáciles de controlar y menos preocupantes para obtener resultados precisos.

Entrada / salida: diferenciales de presión

La diferencia de presión en las unidades de entrada y salida fluye a través de su dispositivo. Es uno de los parámetros más importantes en un dispositivo de flujo másico. Nuestros dispositivos de flujo másico miden el diferencial de presión para determinar la velocidad de flujo.

Es importante que el diferencial de presión no sea demasiado grande para evitar dañar el sensor: si debe operar su flujo con un diferencial de presión entre la entrada y la salida del dispositivo superior a 75 PSID, le recomendamos que instale un orificio calibrado en el puerto de salida del dispositivo de flujo másico. Otra técnica de mitigación es programar su sistema para que alcance la presión (y reduzca la presión) en incrementos de 15-20 PSIG.

En el otro extremo de la escala, si su diferencial de presión es pequeño, es posible que pueda usar un lmedidor o controlador de flujo con baja pérdida de carga como nuestros instrumentos Whisper.

Nuestros controladores de flujo másico tienen una válvula de control proporcional que reducirá tanta presión como sea necesario para mantener el valor nominal dado, por lo que los diferenciales de presión son menos críticos en los controladores; la válvula verá la pérdida de carga en lugar del sensor, en la mayoría de los casos. Esto también ayuda a mitigar los diferenciales de presión que pueden dañar un sensor.