¿Cuál es el rango «utilizable» de un regulador de caudal másico? ¿Es lo mismo «rango útil» que «relación de reducción»?
Antes de responder a estas preguntas, vamos a asegurarnos de que todos conocemos los conceptos básicos, como qué es un controlador de caudal másico (MFC) y dónde se utiliza.
Los controladores de caudal másico combinan un sensor de caudal, una válvula de control y un sistema electrónico de control integrado en un paquete integrado relativamente pequeño capaz de medir y controlar automáticamente el caudal de un fluido determinado hasta el caudal especificado por el usuario (ver vídeo sobre la teoría de funcionamiento). Los controladores de caudal de gas se utilizan en diversas industrias y aplicaciones, como la fabricación de chips semiconductores, la investigación de procesos químicos, el recubrimiento de vidrio y metal, la fabricación de células solares y fibra óptica, el procesado de alimentos y los procesos biotecnológicos.
¿Qué entendemos por gama útil y a quién debería importarle?
Permítame empezar con una analogía. Si se va a comprar un coche y el vendedor indica que tiene una velocidad máxima de 250 millas/hora (402 kilómetros/hora), ¿cuál es la autonomía útil de esa capacidad? Puede depender de si estamos conduciendo por la autopista o por una ciudad. Pero todos estamos de acuerdo en que tener la capacidad de ir tan rápido y poder aprovecharla son cosas muy distintas. Es posible que los conductores la ciudad, nunca lleguen a circular a más de 80 km/h, por lo que toda la gama de 80 a 402 km/h no sería utilizable, y tener esa capacidad no aporta ninguna ventaja real. Del mismo modo, tener un regulador de caudal másico con una amplia reducción puede sonar muy bien, pero ¿realmente se puede aprovechar esa capacidad? La respuesta es que depende de la aplicación específica. Las necesidades de una aplicación de investigación de procesos químicos son muy diferentes de las de una aplicación de alimentos y bebidas o de una aplicación de deposición de películas finas.
Volvamos a los controladores de flujo de gas y a los elementos que influyen en el rango utilizable. Cuando decimos rango utilizable, nos referimos al rango que va desde el caudal máximo medible del dispositivo, también conocido como rango de escala completa del dispositivo, hasta el mínimo que proporciona buenos resultados significativos para el proceso. El mínimo suele estar limitado por la capacidad del sensor de caudal para proporcionar una señal limpia, estable y precisa, o por la capacidad de la válvula de control para mantener un control estable del caudal tanto a caudales altos como bajos.
La tabla siguiente muestra algunas especificaciones de precisión de los controladores de caudal másico típicos, así como un caudalímetro de área variable a modo de comparación. La tabla muestra varios puntos en todo el rango disponible del dispositivo y destaca las áreas en las que el dispositivo puede no ser utilizable en algunas aplicaciones.
Cuando el error del dispositivo a un caudal determinado es igual o superior al 100% del caudal, suele decirse que el dispositivo es inutilizable en ese intervalo. En el caso del caudalímetro de área variable, cuando la reducción es superior a 10:1, el error en % del caudal supera el 100% del caudal. Esta zona aparece resaltada en rojo. Lo mismo ocurre con las demás columnas que representan las especificaciones de precisión típicas de los reguladores de caudal de gas. Dependiendo de la especificación de precisión, el rango utilizable puede llegar a 250:1, como es el caso de los controladores de caudal másico de la serie SLA5800 de Brooks Instrument.
La válvula de control marca la diferencia
La siguiente consideración a tener en cuenta es la capacidad de la válvula para mantener un control estable con caudales bajos y grandes reducciones. El dispositivo sólo puede controlar hasta el caudal de fuga máximo más allá de la válvula. Como se trata de válvulas de control, NO de válvulas de cierre, la capacidad de la válvula para controlar caudales muy bajos depende de que la válvula sea casi tan buena como una válvula de cierre. Esto depende del tipo de válvula de control, el material del asiento de la válvula, el rango de escala completa del dispositivo y cómo se configura el dispositivo para la respuesta dinámica. Si tiene un dispositivo de 100 sccm (un buen caudal a escala completa) con una reducción de 1000:1, esa válvula necesita “cerrarse” a menos de 0,1 sccm. Si dispone de una válvula con un amplio rango de control, asiento de elastómero y un tiempo de respuesta razonable (relativamente lento), este tipo de “cierre” / reducción es posible. Pero en aplicaciones más exigentes en las que el asiento de la válvula es de metal o PTFE, o la presión de la línea es alta (rango de control de la válvula reducido), o la respuesta dinámica está ajustada para ser de acción rápida, la capacidad de esa válvula de control para “cerrar” se verá comprometida. Aunque la hoja de especificaciones de un dispositivo pueda afirmar que tiene una amplia reducción, asegúrese de comprender las limitaciones prácticas de esa válvula y su capacidad para “cerrarse”.
Por qué es importante el “alcance útil
Entonces, ¿A quién le importa el alcance útil y por qué? A la mayoría de los usuarios de dispositivos de medición y control de caudal les importa la reducción y, lo que es más importante, el rango utilizable. En algunos casos, el usuario puede reducir el número de controladores de caudal másico necesarios en un sistema, o los repuestos necesarios en el inventario, aprovechando un amplio rango utilizable.
En las aplicaciones de deposición de películas finas (semiconductores, células solares, fibra óptica, recubrimiento de metales y vidrio), puede haber múltiples pasos en el proceso, algunos con caudales altos y otros con caudales bajos. Disponer de un dispositivo con una amplia gama utilizable podría reducir el número de controladores de caudal de gas necesarios en el sistema para cubrir toda la gama de caudales requeridos. En estas aplicaciones se suele determinar el punto de consigna que proporciona los resultados deseados y se confía en la repetibilidad del dispositivo para obtener el resultado deseado.
En las aplicaciones de investigación química y petroquímica, cuanto más amplio sea el rango utilizable, más flexibilidad obtendrán los usuarios del dispositivo. Sin embargo, en estas aplicaciones se suele realizar un balance de masas de todas las entradas y salidas de productos y residuos, por lo que la precisión tiende a ser muy importante. Con el deseo de una alta precisión, el rango utilizable puede ser limitado.
Para aplicaciones biotecnológicas, algunos procesos requieren caudales de oxígeno extremadamente bajos durante el arranque, pero estos caudales aumentan rápidamente. De forma similar a la aplicación de película fina descrita anteriormente, el usuario puede reducir el número de controladores de flujo másico necesarios en la línea de oxígeno si la MFC es capaz de ofrecer buenos resultados consistentes con una baja relación señal/ruido y tiempos de respuesta razonables.
En resumen, el alcance utilizable de cualquier instrumento depende de los límites prácticos del instrumento, así como de los requisitos de la aplicación. Cuanto más estrictos sean los requisitos de precisión, más limitado será el alcance utilizable. Asegúrese de comprender los requisitos de la aplicación, así como los límites prácticos reales de los dispositivos que se están considerando en las condiciones de funcionamiento reales.
Póngase en contacto con Gometrics para obtener más información sobre nuestro paquete SLA Biotech con cierre de válvula mejorado, amplia reducción, materiales mejorados, certificaciones y aprobaciones. O no dude en preguntar a los expertos de Gometrics si necesita asistencia en cualquier aplicación de medición y control de caudal o presión.
Fuente principal:
Blog Brooks instrument
