Tecnologia da Alicat

Princípio de medição de fluxo de massa de Alicat 

Os instrumentos de fluxo de massa Alicat operam com base no princípio de medição de fluxo laminar com base em pressão diferencial. Nosso medidor de fluxo e controladores de fluxo são instrumentos multiparâmetros (multivariados) que também exibem os dados de pressão e temperatura que usamos para determinar as taxas de fluxo volumétrico e de massa.

Equação de Poiseuille para medição de fluxo laminar

Uma metodologia para medição de vazão em uma unidade laminar compensada internamente (ICL) é baseada na física da Equação de Poiseuille. Primeiro, uma restrição interna é criada. Esta restrição é conhecida como Elemento de Fluxo Laminar (LFE). O LFE força as moléculas de gás a se moverem em caminhos paralelos ao longo do comprimento da passagem, quase eliminando a turbulência do fluxo. (Leia sobre o fluxo laminar aqui.) A queda de pressão diferencial é medida dentro da região laminar.

A Equação de Poiseuille quantifica a relação entre a queda de pressão e laminar taxa de fluxo volumétrico como:

Q = (P1-P2) πr4/ 8ηL

Onde:

Q = taxa de fluxo volumétrico
P1 = Pressão estática na entrada
P2 = Pressão estática na saída
r = raio hidráulico da restrição
η = Viscosidade absoluta do fluido
L = Comprimento da restrição

Uma vez que π, r e L são constantes para um determinado LFE, a equação pode ser reescrita como:

Q = K (ΔP) / η

Nesta equação, K é um fator constante determinado pela geometria da restrição. Ele mostra a relação linear entre taxa de fluxo volumétrico (Q), pressão diferencial (ΔP) e viscosidade absoluta (η) de uma forma mais simples.

Mudanças na temperatura do gás afetam a viscosidade absoluta do gás. Isso requer uma medição de temperatura para determinar o valor de η. Para a maioria dos dispositivos baseados em pressão diferencial, isso é feito referenciando manualmente os gráficos que indicam as propriedades de viscosidade do gás em determinadas temperaturas. Em um Alicat, essa referência é realizada continuamente por meio do uso de um sensor de temperatura discreto e um microprocessador.

Medição de fluxo de massa

Neste ponto, apenas a vazão volumétrica foi determinada. Para que um dispositivo de fluxo laminar atenda às limitações de faixa dos instrumentos de fluxo térmico, medições adicionais devem ser feitas para determinar a taxa de fluxo de massa real do gás. A relação entre fluxo volumétrico e fluxo de massa é:

Massa = Volume * Fator de Correção de Densidade

As leis dos gases ideais nos mostram que a densidade de um gás é afetada por sua temperatura e pressão absoluta. Usando as leis dos gases ideais, o efeito da temperatura na densidade (a pressão constante) é:

ρuma/ ρs = Ts/ Tuma

Onde:

ρuma = Densidade nas condições de fluxo
Tuma = Temperatura absoluta (° K) nas condições de fluxo em Kelvin
ρs = Densidade em condições padrão (STP)
Ts = Temperatura absoluta (° K) nas condições padrão (STP) em Kelvin
(° K = ° C +273,15)

Da mesma forma, o efeito da pressão absoluta sobre a densidade (a temperatura constante) é:

ρuma/ ρs = Puma/ Ps

Onde:

ρuma = Densidade nas condições de fluxo
Puma = Pressão absoluta nas condições de fluxo
ρs = Densidade em condições padrão (STP)
Ps = Pressão absoluta em condições padrão (STP)

Portanto, para determinar a vazão mássica (M), dois fatores de correção devem ser aplicados à vazão volumétrica (Q): os efeitos da temperatura e da pressão absoluta sobre a densidade. Juntos, a conversão para fluxo de massa pode ser escrita como:

M = Q (Ts/ Tuma) (Puma/ Ps)

Em um medidor de fluxo de massa Alicat, um sensor de pressão absoluta discreto é colocado na região laminar da corrente de fluxo. Essas informações são enviadas ao microprocessador e combinadas com os dados do sensor de temperatura absoluto discreto para fazer os cálculos apropriados para determinar o fluxo de massa.

Temperatura e pressão padrão (STP)

A realização dos cálculos de fluxo de massa requer referência a um conjunto de condições padrão de temperatura e pressão (STP), conforme indicado pelas variáveis Ts e Ps. O STP é geralmente definido nas condições do nível do mar, mas não existe um padrão único para esta convenção. Exemplos de condições comuns de referência de STP incluem:

0 ° C e 1013 mbar
25 ° C e 14,696 psia
0 ° C e 760 torr ou mmHg

É relevante notar que, embora as unidades típicas de massa sejam expressas em gramas ou quilogramas por unidade de tempo (muitas vezes chamado de “fluxo de massa verdadeiro”), tornou-se padrão que a taxa de fluxo de massa seja expressa como uma taxa de fluxo volumétrico padronizado. Os exemplos incluem slm / slpm (litros padrão por minuto), sccm (centímetros cúbicos padrão por minuto) e scfh (pés cúbicos padrão por hora). Conhecendo a configuração de STP do dispositivo e a densidade de um determinado gás naquele STP, é possível determinar a taxa de fluxo em gramas por minuto, quilogramas por hora, etc., como mostra o exemplo a seguir.

Dado:

Gás = Hélio
M = 250 SCCM
STP = 25 ° C e 14.696 PSIA
Densidade do gás = 0,166 gramas por litro

Fluxo de massa verdadeiro = M * Densidade do gás no STP
Fluxo de massa verdadeiro = (250 SCCM) (1 litro por 1000 CC) (0,1636 gramas por litro)
Fluxo de massa verdadeiro = 0,0409 gramas por minuto de hélio

Os medidores de fluxo de massa e controladores de fluxo de massa Alicat feitos desde a primavera de 2016 podem exibir taxas de fluxo de massa como verdadeiras taxas de fluxo de massa. Basta selecionar a unidade desejada e seu Alicat fará todos os cálculos.

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