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1 Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Chimica Insegnamento: Dinamica e Controllo dei Processi Chimici Learning Object N. 1: STRUMENTI DI MISURA DELLE PRINCIPALI VARIABILI DI PROCESSO Unità didattica N. 3: MISURATORI DI PRESSIONE Progettista dei contenuti: prof. Michele MICCIO Realizzatore multimediale: ing. Michela FRAGANZA Rev del 28 maggio 2014 Unione Europea Fondo Sociale Europeo Ministero del Lavoro e delle Politiche Sociali Regione Campania Università degli Studi di Salerno Tutto il materiale contenuto in questo Learning Object è stato sviluppato nell ambito del progetto e-learning dell ed è tutelato da licenza Creative Commons secondo le seguenti specifiche In base alla specifica attribuzione di questa licenza L'utente ha il diritto di: riprodurre, distribuire, comunicare al pubblico, esporre in pubblico, rappresentare, eseguire e recitare l'opera. modificare l'opera L'utente ha il dovere di: attribuire la paternità dell'opera nei modi indicati da chi ha dato l'opera in licenza, ovvero all'università, in caso di alterazione o trasformazione dell'opera, o di uso per crearne un'altra, l'utente deve distribuire l'opera risultante con una licenza identica a questa L'utente ha il divieto di: usare l'opera per fini commerciali. Ogni volta che usa o distribuisce l'opera, l'utente deve farlo secondo i termini di questa licenza, che va comunicata con chiarezza In ogni caso, è possibile concordare col titolare dei diritti d'autore utilizzi dell'opera non consentiti da questa licenza. Nessun elemento di questa licenza può limitare i diritti morali dell'autore Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 2

2 What is Pressure? Absolute, Gauge (Gage in USA) and Differential Tratta da Fundamentals of Instrumentation & Process Control, 2006 Control Station, Inc Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 3 DEFINIZIONI PRESSIONE ASSOLUTA: pressione misurata partendo dal vuoto perfetto o mancanza assoluta di pressione; PRESSIONE BAROMETRICA: esercitata dall atmosfera sulla superficie terrestre (varia con l altitudine e con le condizioni metereologiche); PRESSIONE DIFFERENZIALE: Differenza tra due pressioni riferite a due punti diversi; PRESSIONE RELATIVA o MANOMETRICA (gauge pressure): Differenza tra la pressione assoluta e la pressione barometrica; PRESSIONE RESIDUA: pressione assoluta misurata al di sopra della linea dello zero assoluto, ma inferiore alla pressione barometrica; VUOTO: pressione misurata al di sotto della linea di zero relativo o pressione barometrica. pressione assoluta = pressione relativa + pressione barometrica Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 4

3 PRESSIONE ATMOSFERICA STANDARD La pressione atmosferica normale (o standard) di riferimento P atm (n), equivalente alla pressione barometrica esercitata dall atmosfera al livello del mare, alla temperatura di 0 ºC e con condizioni atmosferiche normali, è definita essere: P atm (n)= Pa = bar = 1 atm = kg/cm 2 = psi = 760 mm (Hg) = m (H 2 O) Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 5 TIPOLOGIE DI MISURA DELLA PRESSIONE Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 6

4 DEFINIZIONI MISURATORI DI PRESSIONE Tutti gli strumenti misuratori di pressione sono stati impropriamente definiti manometri anche se in realtà è necessario distinguere fra i diversi misuratori di pressione: Manometro è lo strumento che misura pressioni assolute maggiori della pressione barometrica ed ha lo zero alla pressione barometrica. Deprimometro è lo strumento che misura pressioni assolute minori della pressione barometrica ed ha lo zero alla pressione barometrica. Misura il vuoto. Vuotometro o vacuometro è lo strumento che misura le pressioni assolute comprese tra il vuoto assoluto e la pressione barometrica, il vuotometro ha quindi lo zero della scala che corrisponde al vuoto assoluto. Misura la pressione residua. Barometro è quel particolare strumento che esegue solamente la misura assoluta della pressione atmosferica del momento (barometrica) Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 7 MISURATORI DI PRESSIONE Classificazione Nei sensori più comunemente usati la misura di pressione può originare da: 1. una variazione di altezza di liquido, 2. una deformazione di un elemento elastico, 3. una variazione di una grandezza elettromagnetica. 1. Nella prima categoria rientrano i dispositivi basati sulla misura dell altezza di una colonna di liquido. Ad es. i manometri a U 2. Nella seconda categoria rientrano i dispositivi basati sulla misura di deformazione di un elemento elastico a seguito dell azione di forze di pressione. Sono in genere basati su macro-deformazione. Ad es.: i manometri (molle) di tipo Bourdon i manometri a soffietto i manometri a diaframma 3. Nella terza categoria rientrano i trasduttori nei quali una variazione di pressione, che magari comporta una micro-deformazione di un elemento elastico (filamento, diaframma), porta ad una variazione di una proprietà elettrica (capacità, resistenza, induttanza, frequenza) che dà origine al segnale. Ad es.: trasduttore a cella estensimetrica (straingauge); Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 8

5 Manometri e barometri a colonna di liquido o TUBO ad U LEGGE DI STEVIN Dispositivi basati sulla misura dell altezza di una colonna di liquido Campi di misura: mm Hg bar mm H 2 O NB: sono usati nel campo delle basse pressioni differenziali o relative quasi esclusivamente per gas e vapori come indicatori locali e di fatto non utilizzati in schemi di controllo automatico PI WaterColumn.swf Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 9 MANOMETRO di BOURDON consistono in un tubo elastico di sezione ellittica a forma di arco di circonferenza, avente una estremità fissata; l'estremità libera si sposta per effetto di sforzo di deformazione originato dalla pressione del fluido interno la misura dello spostamento dell'estremità dà una misura della pressione NB: Sono usati come indicatori locali nel Piping & Instrumentation Diagram PI Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 10

6 MANOMETRI di BOURDON e ACCESSORI di MONTAGGIO Manometri standard con quadrante Ø 40 mm Quadrante a doppia graduazione: in psi e kg/cm 2 Manometri con quadrante Ø 50 mm Quadranti a doppia graduazione in bar e in psi. Attacco Centrale filettato maschio 1/8" BSP Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 11 Trasduttori di pressione capacitivi PRIMA della deformazione F = (P 1 -P 2 )* Area Con P 1 >P 2 DOPO la deformazione Principio della misura: Variazione della CAPACITA C r costante dielettrica relativa 0 costante dielettrica del vuoto Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 12

7 Trasduttori di pressione capacitivi CELLE CAPACITIVE a MEMBRANE CERAMICHE CELLA a DIAFRAMMA METALLICO pressione CELLA a DOPPIO CONDENSATORE per PRESSIONE DIFFERENZIALE NB: Il fluido dielettrico può passare dall una all altra. Compensa automaticamente variazioni di densità del fluido dielettrico Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 13 Trasduzione della variazione di capacità in segnale elettrico Trasduzione deformazione - capacità Si usa un Ponte di Wheatstone a tensione alternata, con raddrizzatore per generare un segnale continuo Si raddoppia la sensibilità se le capacità sono due ed hanno variazioni opposte, inserendole su due rami del ponte Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 14

8 Trasduttori a deformazione di resistenza elettrica Trasduttore a cella estensimetrica o Estensimetri (strain-gauge) operano sul principio che un conduttore sottoposto a trazione cambia la sua lunghezza ed il suo diametro e, quindi, anche la sua resistenza elettrica viene a variare (2 legge di Ohm) - lamine metalliche con spessori di pochi m - resistenza di centinaia di ohm variabile con la deformazione - allungamento 0.2-5% - incollaggio con materiale isolante NB: - Adatti per i sensori più economici Adhesive Strain gauge Termination Wires Trasduttori piezoresistivi e piezoelettrici Tratto da Dr. Chi-fu Wu, ME 4903-Special Problem in ME, GTREP, Savannah (USA), Oct. 21, 2004 Substrate Possono essere considerati delle varianti degli estensimetrici. In essi la resistenza elettrica o la differenza di potenziale di un monocristallo di materiale (silicio o semiconduttore) costituente l'elemento sensibile varia direttamente per effetto della deformazione Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 15 Trasduzione della variazione di resistenza in segnale elettrico Trasduzione deformazione - resistenza (con ponte di Wheatstone) 4 estensimetri (2 a trazione e 2 a compressione) su 4 rami del ponte V alim E Accuratezza 0.1% della misura Rangeability (75 100):1 Campi di misura: The pressure range is bar [see the University of Michigan Chemical Engineering Process Dynamics and Controls Open Textbook at ] Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 16

9 Principio della misura: Variazione della induttanza L Trasduttore induttivo di pressione differenziale Trasduzione deformazione - induttanza La deformazione del diaframma metallico comporta una traslazione di 2 nuclei di ferrite rispetto a 2 bobine fisse disposte ai lati del diaframma. La deformazione indotta dalla differenza di pressione è, così, trasdotta in una variazione di induttanza (di verso opposto nelle 2 bobine). Questa viene trasdotta in segnale elettrico con ponte di Wheatstone in alternata e raddrizzamento oppure incorporando le induttanze come elementi di sintonia di oscillatori (circuiti LC). P 1 P Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 17 Risonatori su silicio Principio della misura: Variazione della FREQUENZA DI RISONANZA MEMS = Micro ElectroMechanical Systems doppio diapason a monocristallo di silicio risonante immerso in un campo magnetico permanente frequenza di risonanza dipendente dalla deformazione trasversale indotta dalla pressione da misurare VANTAGGI Assenza di attriti Assenza di convertitore A/D Migliori prestazioni e massima stabilità nel tempo (minima necessità di taratura) Strumentazione e Controllo dei Processi Chimici - Prof M. Miccio 18