Tecnologías para la medición de velocidad/caudal de aire

Tecnologías de medición de velocidad/caudal de aire, presión diferencial, temperatura, humedad y sus aplicaciones en el monitoreo en áreas limpias y sistemas de VAC.

En el presente artículo se intentará explicar de la forma más concisa y clara las bases tecnológicas, diferentes opciones de sensores en el mercado y ventajas y desventajas según cada aplicación en la cual se efectuaran mediciones de velocidad/caudal de aire, presión diferencial, temperatura y humedad. Esperamos que al finalizar esta lectura, el lector haya adquirido los conceptos básicos sobre estas tecnologías, a fin de que pueda generar criterios propios al momento de seleccionar entre distintos tipos de instrumentos y sensores de medición buscando la mejor relación de prestaciones según la aplicación a la cual destinara dichos instrumentos.

En casi todas las industrias, no siendo una excepción la farmacéutica y de biotecnología, es requerido generar ambientes con condiciones controladas de temperatura, humedad y presión diferencial (en algunos casos) en pos no solamente del confort de las personas que desarrollan tareas, sino también con el fin de mantener condiciones estables que permitan resguardar la integridad del producto que se encuentra en su interior y también generar un ambiente con una cantidad de partículas viables y no viables según lo requiera cada uno de los procesos, gracias al pasaje de aire a través de una unidad de tratamiento de aire (UTA) y posteriores sistemas de filtros para luego distribuirlo por un sistemas de ductos que idealmente deberían ser estancos para permitir una correcta distribución del aire ya tratado, minimizando perdidas del mismo y evitando el ingreso de partículas extrañas al interior del sistema de distribución.

Algunos de los controles frecuentes que se efectúan para corroborar el correcto funcionamiento de los sistemas de aire y asegurar que el flujo del aire inyectado al ambiente genera las condiciones deseadas suelen ser:

- Caudal/velocidad de aire

- Temperatura y humedad relativa/absoluta

- Presión diferencial con respecto al ambiente contiguo

- Control de integridad de filtros

Conviene efectuar un pequeño repaso sobre el tratamiento que se le dará a algunos conceptos y definiciones para poder tener una mejor comprensión del artículo:

Calibración: Es el proceso de comparación entre el valor medido por el equipo de medición y el valor convencionalmente verdadero (instrumento patrón) en determinadas condiciones, contempla el calculo y la documentación de la corrección y la incertidumbre, y la confección del certificado.

Incertidumbre de una medición: Es el intervalo dentro del cual se estima poder encontrar el valor real de una propiedad medida, esta estimación se da generalmente con un nivel de confianza determinado.

Exactitud: Es la capacidad de un instrumento en dar valores cercanos al valor convencionalmente verdadero. Se especifica de fábrica.

Precisión: Es la capacidad de un instrumento de reproducir sus propias mediciones, se encuentra asociado a eventos de reproducibilidad y repetibilidad.

Resolución: Es la mínima diferencia que puede indicar un instrumento entre dos mediciones

Rango de medición: Es el rango entre un valor máximo y un valor mínimo dentro del cual se espera tener un dato con una exactitud y una precisión conocida.

Instrumento: Es la parte del equipo de medición que convierte la señal proveniente de un sensor en un dato en el display o similar. En adelante usaremos como sinónimos a instrumento y equipo de medición.

Sonda: Es la parte del equipo de medición que contiene al sensor, lo protege y a su vez permite su uso en una aplicación en particular (Ejemplo: medición de temperatura por inmersión o en superficie)

Sensor: Es la parte del equipo de medición que convierte el valor físico de medición en una señal que puede ser leída por el instrumento (Ejemplo: en un valor eléctrico; capacidad, inductancia, resistencia, etc.)

En adelante desarrollaremos los conceptos relacionados con las tecnologías de medición de velocidad/caudal, temperatura y humedad y presión diferencial y sus posibles aplicaciones en monitoreo de áreas limpias y sistemas de VAC.

Tecnologías para la medición de velocidad/caudal de aire:

Para las mediciones en campo de velocidad/caudal de aire, es común utilizar sondas con tres tipos de sensores: del tipo térmico (o de hilo caliente), de molinete, o por tubo pitot.

Sondas térmicas: El principio de las sondas térmicas esta basado en un elemento calentado del cual se extrae calor mediante el impacto de un caudal de aire que lo enfría. La corriente se mantiene constante vía un regulador, la cual es directamente proporcional a la velocidad de aire. Cuando las sondas de velocidad térmicas se utilizan en caudales turbulentos, el resultado de la medición esta influenciado por el caudal que impacta en el cuerpo calentado desde todas las direcciones. En caudales turbulentos, un sensor de velocidad térmico indica valores de medición mayores que los de una sonda de molinete.

Sondas de molinete: El principio de medición de las sondas de molinete se basa en la conversión de la rotación del mismo en una señal eléctrica. Un sensor inductivo de proximidad “cuenta” las revoluciones del molinete y emite una secuencia de pulsos que se convierten en el instrumento de medición a valores de velocidad. Se recomiendan los molinetes de diámetro grande para efectuar mediciones en caudales turbulentos (ya que el área del molinete ayuda a tener lecturas promedio del flujo de turbulencia de la rejilla) y los de diámetro pequeño para mediciones en ductos, en cuya sección se espera tener un flujo de aire unidireccional. La sonda de molinete también se debe ajustar a la dirección del flujo de caudal tomando como indicación el eje del molinete, siendo la ubicación optima aquella en la cual se logra medir el valor máximo.

Tubos pitot: El orificio del tubo Pitot toma la presión total y la conduce a la conexión “a” en la sonda de presión de un manómetro de presión diferencial con la capacidad de expresar mediciones con unidades de velocidad. La presión estática pura se toma desde una parte lateral y se conduce a la conexión “b”. La presión diferencial resultante es una presión dinámica que depende de la velocidad.

La velocidad se calcula indirectamente como, donde ∆P es el diferencial

de presión a-b, y ρ es la densidad del aire de proceso.

Igual que las sondas térmicas, el tubo pitot reacciona más en caudales turbulentos que las sondas de molinete.

A menudo se producen errores de medición debido a que los cálculos se usan con una densidad media de 1200g/m3.Para cálculos exactos, cuando se miden flujos de aire, la densidad del mismo debe ser tenida en cuenta, siendo correcta la compensación de la misma por la modificación de la temperatura y la presión absoluta desde el instrumento.

Sus aplicaciones en áreas limpias y sistemas de VAC:

En general, para estas aplicaciones, suelen utilizarse instrumentos de medición con sensores de molinete o de hilo caliente, pero cuando usar uno u otro? Aquí es donde el técnico que se encargara de efectuar las mediciones debe tener en cuenta ciertos factores como ser la velocidad a medir en cada caso, temperatura ambiente, grado de turbulencia del aire, posibilidad de transporte de partículas, etc.

Para las aplicaciones de áreas limpias y de sistemas de VAC, normalmente nos topamos con condiciones de temperatura y humedad estables y no criticas (es común los rangos de temperatura de 20-25 C.) y estamos en presencia de un aire “limpio” (si gran carga de partículas en él), por lo cual la elección del tipo de sensor esta influenciada en gran medida por el valor de velocidad a medir y su posible error de medición. Vemos que el error de estos sensores de velocidad normalmente se encuentran asociados a un valor fijo ± un valor correspondiente a un porcentaje del valor medido. Los sensores de hilo caliente suelen tener valores fijos pequeños (del orden de 0,03m/seg.) y valores correspondientes al porcentaje del valor medido que influyen mas en el valor final del error de medición. Los sensores de molinete se comportan de forma inversa: valores fijos más altos (del orden de 0.2m/seg.) y valores correspondientes al porcentaje del valor medido más bajos que en el caso de los sensores de hilo caliente. Este análisis general nos lleva a la tabla 1, en la cual podemos generalizar que para mediciones de velocidad muy bajas (por debajo de 2 m/seg.) se espera tener menos error de medición con un instrumento que posea un sensor de hilo caliente que si se usara un instrumento que posea un sensor de molinete, sucediendo lo contrario en mediciones de velocidad cercanas a los 10 m/seg.

Casos especiales son las mediciones en cabinas de seguridad biológica o flujos laminares, donde solemos encontrar velocidades de 0,45m/seg. Aquí es donde se vuelven mas valiosos los sensores de hilo caliente de alta exactitud, permitiendo lograr mediciones con una exactitud de ± 0,04m/seg. aproximadamente.

Al medir en sistemas de conductos, es frecuente ver que el trazado del mismo es tortuoso, con lo cual se generan condiciones de flujo no uniformes en algunas secciones del mismo. Para minimizar los errores en las mediciones, como regla

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