Fundamentos térmicos de los controladores y medidores de caudal másico: Definición, estructura y ventajas

¿Qué es un controlador de caudal másico (MFC) / medidor de caudal (caudalímetro) másico (MFM)?

Un controlador / medidor de caudal másico (o Mass Flow Controller / Meter) es un sistema compacto y cerrado para el control (MFC) o la medición (MFM) de cantidades másicas de gas.

MFC / MFM: Estructura y funcionamiento

La diferencia entre los controladores y los medidores de caudal másico

Los medidores de caudal másico constan de un sistema fluídico, sensores y un sistema electrónico para la medición del caudal másico de gases.

Los controladores de caudal másico tienen una estructura idéntica y además, incluyen un elemento de control que hace que no solo se mida el caudal, sino que también se controle de forma activa según un valor de consigna de caudal másico preestablecido. La definición de ese valor preestablecido se realiza eléctricamente a través de una señal analógica estandarizada, un bus de campo o Ethernet Industrial.

El valor real registrado por el sensor se compara con el valor de consigna en el controlador. El controlador envía una señal de tensión modulada por pulsos como magnitud de ajuste al elemento de control que se modifica en función de la desviación típica establecida.

Sensores térmicos de caudal

La mayoría de los fabricantes de MFC/MFM son partidarios de los sensores térmicos de caudal, puesto que ofrecen una gran reproducibilidad y precisión en la medida, además de unos tiempos de reacción rápidos y amplios intervalos de medida. Dado que, además, no hay partes móviles en el medio, los sensores térmicos prácticamente no sufren ningún desgaste.

Principio de medición de los equipos para la medición térmica de caudales másicos

El calor siempre fluye hacia la zona de menor temperatura. De manera que, si un cuerpo tiene una temperatura más alta que su entorno, transmite su energía calorífica a la corriente que fluye a través de él. El método de medición térmico/calorimétrico se beneficia de este principio de transmisión de calor y de su transporte a través de los gases.

Los sensores térmicos de caudal para el cálculo del caudal másico de los gases consisten esencialmente en un elemento calefactor y en sensores de temperatura. El elemento calefactor calienta el gas que pasa a través, lo que hace que los sensores de temperatura detecten la cantidad de calor transmitida. La correspondiente cantidad de calor transmitida sirve para medir el caudal másico del gas.

¿Qué es el caudal másico?

El caudal másico define la masa, y también el peso del medio que fluye (gas) y que atraviesa el equipo en un tiempo determinado.

¿En qué se diferencia del caudal volumétrico?

A diferencia del caudal másico, el caudal volumétrico define el volumen de gas que atraviesa el equipo en un tiempo determinado. Cuando se mide el volumen de gas, para poder comparar los valores se necesitarán también los valores de temperatura y presión, ya que los gases son compresibles. Esto significa que su densidad y, por tanto, su volumen, cambian en función de la presión y la temperatura.

Debido a la gran dependencia que existe entre el volumen de un gas y su presión y temperatura, con el fin de realizar una medición del caudal de los gases precisa y fiable, es recomendable medir el caudal másico (y no volumétrico), ya que es independiente de la presión y la temperatura.

Diferentes tipos de sensores térmicos de caudal

Los sensores térmicos se dividen entre las siguientes categorías:

• Sensores directos: El elemento sensor se asienta directamente en la corriente de gas. A este tipo pertenecen, por ejemplo, los sensores «Inline» y los «CMOS / MEMS».
• Sensores indirectos: El elemento sensor está aislado del medio. A este tipo pertenecen, por ejemplo, los sensores capilares.

Ventajas e inconvenientes de los sensores Inline y CMOS / MEMS (sensores directos)

Principio de medición del sensor Inline           Principio de medición del sensor CMOS

Ventajas
 
✓ Tiempo de reacción rápido
✓ Gran precisión en la medida
✓ Estabilidad a largo plazo de la calibración del caudal
✓ Caída de presión reducida
✓ Insensible frente a las impurezas

Inconvenientes
 
- Incompatible con gases agresivos
- La transformación de los gases mediante un factor de conversión está muy limitada 

Ventajas e inconvenientes de los sensores capilares (sensores indirectos)

Principio de medición del sensor capilar    

Ventajas
 
✓ Apto para gases agresivos

✓ La transformación de los gases mediante un factor de conversión es posible en gran medida

Inconvenientes

- Tiempos de reacción más lentos debido a las barreras térmicas entre el sensor y el gas
- Pérdida de precisión a la hora de convertir los gases
- Menor estabilidad a largo plazo de la calibración del caudal
- Mayor caída de presión
- Tubos capilares más finos, más sensibles a la contaminación

Campos de aplicación de los controladores de caudal másico

Desde hace tiempo, los controladores / medidores de caudal másico son un elemento fijo dentro de los sistemas modernos de automatización de procesos. El control y medición de los gases de una forma automatizada y precisa desempeña un papel primordial, por ejemplo, en la producción y el tratamiento del vidrio y los metales, interviniendo en el control de los quemadores, la alimentación del gas de proceso o la regulación de la atmósfera.

En los procesos de fermentación, se alimentan gases a un biorreactor a través de un MFC, y en las plantas de envasado o en las máquinas empaquetadoras los controladores de caudal másico garantizan el aporte de gas protector necesario.

Encuentre el controlador / medidor de caudal másico que mejor se adapte a sus necesidades.