Modulo 1.1 Introduzione e richiami

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1 Corso di Strumentazione e Automazione Industriale Modulo 1.1 Introduzione e richiami Prof. Ing. Cesare Saccani Prof. Ing. Augusto Bianchini Ing. Marco Pellegrini Ing. Alessandro Guzzini Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

2 Agenda Da Process Flow Diagram (PFD) a Piping & Instrumentation Design (P&ID) al Quadro Elettrico (QE) Automazione degli impianti: codice pneumatico Automazione degli impianti: codice elettrico La catena di misura Schemi di regolazione Esercitazione: regolazione selettiva 2

3 Process Flow Diagram (PFD) Da PFD a P&ID a QE La rappresentazione schematica di un impianto e dei processi che vi avvengono è realizzata nel diagramma o schema di processo dell impianto (Process Flow Diagram PFD). All interno del PFD sono riportati i componenti principali necessari al funzionamento, le linee di collegamento fra questi, le potenze termiche scambiate (se presenti) ed le informazioni di processo (portate, temperature e pressioni) delle varie linee. Per la realizzazione del PFD è buona norma utilizzare diagrammi termodinamici che consentono non solo di rappresentare il processo fisico ma anche di dimensionare i componenti. PFD e diagramma termodinamico impianto frigorifero 1 2: il fluido viene compresso dallo stato di vapore saturo secco allo stato di vapore surriscaldato. 2 3: il vapore viene raffreddato fino a condensare. 3 4: il liquido saturo umido, raccolto in un recipiente, subisce una laminazione fino alla pressione di evaporazione (si ottiene un fluido bifase). 4 1: il fluido, acquistando calore dall ambiente da raffreddare, evapora. Diagramma termodinamico PFD

4 Piping and Instrumentation Design (P&ID) Da PFD a P&ID a QE Per fornire informazioni di dettaglio tecnico è realizzato lo schema meccanico ossia il Piping and Instrumentation Design (P&ID). Nel caso di modifiche durante la realizzazione dell impianto, queste sono riportate nel P&ID as built (il «come costruito»: l utilizzatore deve infatti conoscere come è realizzato l impianto effettivamente. P&ID impianto frigorifero All interno del P&ID il progettista riporta tutte i dispositivi per la realizzazione effettiva dell impianto quali strumentazione di controllo, linee di segnale, apparecchiature, valvole, tubazioni (piping) con relative dimensioni, spurghi, drenaggi. Per la schematizzazione di questi si possono seguire diverse normative fra cui la ISO È buona norma inoltre identificare i dispositivi presenti assegnando un tag number (sigla) che deve essere riportato nelle schede tecniche di riferimento. Nel caso della strumentazione la sigla identificativa dipende dalla funzione dello strumento (indicatore, trasmettitore, ) come riportato nella ANSI/ISA S5.1

5 Quadro Elettrico (QE) Da PFD a P&ID a QE All interno del PFD e del P&ID non sono riportati i collegamenti ed i dispositivi elettrici utilizzati per l alimentazione elettrica dei vari elementi presenti nell impianto. Per lo scopo si realizza il quadro elettrico dell impianto. QE impianto frigorifero Nello schema rappresentativo del quadro elettrico (a fianco) sono riportati i collegamenti ed i dispositivi per la realizzazione del quadro elettrico dell impianto, ossia del dispositivo responsabile dell alimentazione degli elementi elettrici di impianto

6 Agenda Da Process Flow Diagram (PFD) a Piping & Instrumentation Design (P&ID) al Quadro Elettrico (QE) Automazione degli impianti: codice pneumatico Automazione degli impianti: codice elettrico La catena di misura Schemi di regolazione Esercitazione: regolazione selettiva 6

7 Automazione degli impianti: codice pneumatico Automazione degli impianti: architettura di un sistema di misura e controllo Il controllo e l automazione di un impianto può essere schematizzato nello schema seguente dove sono presenti gli elementi principali. L elemento di misura E deve estrarre la minima potenza possibile dal sistema per non alterarlo e pertanto, E non potrà comandare direttamente un attuatore (il quale necessita di potenze maggiori). Risulta dunque necessario introdurre un regolatore R che si interfaccia tra l elemento sensibile e l attuatore. Per fornite potenza all attuatore, R viene alimentato da un segnale di potenza. E Segnale di potenza I codici di trasmissione del segnale dal regolatore all attuatore possono essere suddivisi in: 1)Codice pneumatico 2)Codice elettrico analogico 3)Codice elettrico digitale 7

8 Automazione degli impianti: codice pneumatico Il codice pneumatico L automazione pneumatica è nata nei paesi anglosassoni ed i segnali trasmessi mediante aria compressa vengono misurati in libbre per pollice quadrato (PSI). I segnali pneumatici trasmessi dal regolatore all attuatore sono solitamente nell intervallo di pressione compreso fra 3 15 PSI corrispondenti a circa 0,21 1 bar. Conseguentemente, il segnale in ingresso al regolatore dovrà avere una pressione superiore (20 PSI); nel caso particolare di presenza di più attuatori che devono attuare in sequenza, le pressioni sono maggiori PSI 8

9 Automazione degli impianti: codice pneumatico Il codice pneumatico Nel caso in cui le distanze fra elemento sensibile e regolatore dello schema precedente dovessero aumentare, si deve interporre un altra interfaccia fra elemento sensibile e regolatore, ossia un trasmettitore, che è una sorta di regolatore di pressione che restituisce rapidamente all ingresso del regolatore il segnale presente all uscita dell elemento sensibile. Rispetto all elemento sensibile che preleva potenza dal processo, tuttavia, il trasmettitore è alimentato con aria compressa e dunque è possibile inviare velocemente il segnale senza alterare il sistema in quanto la potenza del segnale di trasmissione è fornita dall esterno. Il segnale dal trasmettitore, inoltre, può essere inviato ad un registratore e ad un manometro si comporta da strumento indicatore. 9

10 Automazione degli impianti: codice pneumatico Il diametro di una tubazione: diametro nominale e pollici La dimensione delle valvole attuate presenti sull impianto dipende dalle esigenze di processo. A tal proposito un informazione molto importante per la definizione della valvola è la dimensione dell otturatore, che solitamente viene espresso in termini di diametro nominale o in pollici. In idraulica il diametro nominale (simbolo DN) è un valore convenzionale, espresso in mm, con cui vengono individuati componenti idraulici quali tubazioni, flange, valvole; inoltre, a seconda del materiale, viene dimensionato in funzione del diametro interno od esterno. Se il componente idraulico è dimensionato in funzione del suo diametro interno standardizzato si fa riferimento alla serie DN/ID (standard dimensionali basati sui diametri interni). Se invece è dimensionato in funzione del suo diametro esterno standardizzato viene riferito alla serie DN/OD. Il costruttore deve indicare se il DN si riferisce alla serie DN/ID o DN/OD. In generale per le tubazioni vale la seguente convenzione: ghisa sferoidale: DN/ID gres: DN/ID fibrocemento: DN/ID plastiche (PVC, PEAD): DN/OD acciaio: DN/ID Attenzione: il pollice cui si fa riferimento in idraulica non è lo stesso utilizzato in altri settori e non vale 2,54 cm. 10

11 11 Automazione degli impianti: codice pneumatico Il diametro di una tubazione: numero i schedula Nel caso sia fornito il diametro interno e si voglia risalire al diametro esterno o viceversa si fa riferimento allo spessore del tubo che è progettato in funzione della pressione interna a cui è soggetto il componente meccanico. Per lo scopo, i produttori forniscono il numero di schedula, schedule number (sch) che nella dizione anglosassone fornisce un'informazione sulla pressione interna sopportabile da una tubazione, come calcolato secondo la normativa americana ANSI. La normativa italiana UNI, fa riferimento invece alla pressione nominale. (Valori degli spessori espressi in mm) Le diciture Standard (Std), Extra Strong (XS) e Double Extra Strong (XXS) che troviamo nelle tabelle seguenti fa riferimento invece alla vecchia normativa (del 1927).

12 12 Automazione degli impianti: codice pneumatico Il diametro di una tubazione: numero i schedula Il numero di schedula viene calcolato come: SCH = 1000 p i τ Dalla formula di Barlow abbiamo che: s = p i D i 2τ + c Si ha quindi: Dove: p i è la pressione interna alla tubazione τ è la tensione massima ammissibile dal materiale a temperatura ambiente Dove: s è lo spessore della tubazione c è il sovraspessore di corrosione D i il diametro interno della tubazione p i = 2(s c)τ da cui otteniamo l'espressione del numero di schedula in funzione dello D i spessore di parete della tubazione (a T ambiente): SCH = 2000 (s c) D i

13 Automazione degli impianti: codice pneumatico Tabella comparativa diametri esterni delle tubazioni ext 13

14 Automazione degli impianti: codice pneumatico Esempio: spinta necessaria per chiudere l otturatore di una valvola pneumatica Ipotizziamo un otturatore di 6 di diametro (DN 150). Se a valvola chiusa si ha una differenza di pressione tra i due ambienti a monte e valle della stessa pari a 10 bar, il fluido esercita sull otturatore una spinta pari a: F fluido = π d2 4 p = π 0, = N 1800 kg Considerando un coefficiente di sovraccarico dovuto alla molla pari a 1,5 la spinta necessaria per tenere chiuso l otturatore sarà: F pneum = F fluido c = ,5 = 2700 kg La pressione massima fornita dal regolatore, corrispondente al segnale di 15 psi, è di circa 1bar (cioè 1kg/cm 2 di spinta) e pertanto servirebbe una membrana di diametro pari a : A membr = F pneum = 2700 p max 1 d = 4 A membr π = π = 2700 cm 2 = 59 cm linea tratteggiata: installazione autoclavica. Il flusso contribuisce alla chiusura dell otturatore ma si hanno problemi nella fase di regolazione finale. Per evitare un servomotore da 59 cm (ingombrante e costoso), conviene adottare un regolatore che fornisca un segnale maggiore di 15 PSI oppure trim bilanciato, oppure a doppio seggio. 14

15 Automazione degli impianti: codice pneumatico Consumo energetico derivante dalla regolazione di un impianto: aria compressa L aria compressa utilizzata per trasferire il segnale nel codice pneumatico deve essere prodotta da un impianto di aria compressa dedicato (P&ID di figura) che è responsabile di un assorbimento elettrico non trascurabile, funzione del rapporto di compressione e delle portate elaborate. Il calcolo dell energia spesa per la produzione di aria compressa può essere effettuato mediante l equazione energetica del moto dei fluidi. 15

16 Automazione degli impianti: codice pneumatico Equazione energetica del moto dei fluidi Con riferimento alla figura sottostante, si consideri un condotto fisso in cui un fluido sia in moto stazionario e siano C 1 e C 2 le velocità medie nelle due sezioni, z 1 e z 2 le quote dei baricentri delle sezioni stesse. Con riferimento all unità di massa del fluido, l equazione energetica del moto dei fluidi in forma meccanica si scrive: C C g z 2 z 1 + න In forma differenziale: c dc + g dz + v dp + R + δl = 0 R rappresenta l energia specifica dissipata a causa delle resistenze interne al fluido nel tratto di condotto considerato. L rappresenta il lavoro specifico scambiato tra il fluido e gli elementi meccanici in moto presenti nel condotto (ad L è attribuito il segno positivo quando risulta ottenuto dal fluido, uscente). 1 2 v dp + R + δl = 0 [J/kg] [J/kg] 16

17 Automazione degli impianti: codice pneumatico Nell equazione energetica del moto dei fluidi in forma meccanica sono presenti più termini: C C g z 2 z 1 + න 1 2 v(p) dp + R + δl = 0 [J/kg] In particolare, oltre alle perdite di carico ed al lavoro sono presenti: Termine energia cinetica c 2 /2; Termine energia potenziale gz; Il termine integrale si sviluppa in maniera differente in funzione della comprimibilità o meno del fluido; infatti vale: Fluido incomprimibile: v = cost න v(p) dp = v(p 2 p 1 ) 1 2 Fluido comprimibile: v = v(p), ossia il volume specifico del fluido è funzione della pressione secondo una legge che dipende dalla trasformazione eseguita; in particolare si può avere: Trasformazione isoterma: pv = cost; Trasformazione isoentropica: pv k = cost; Trasformazione politropica: pv n = cost. Dove k ( = cp/cv) e n sono rispettivamente gli indici della trasformazione isoentropica e politropica. Nel caso di fluido comprimibile, l integrale andrà risolto in funzione della trasformazione eseguita 17

18 18 Automazione degli impianti: codice pneumatico Esempio: sviluppo dell integrale nel caso di trasformazione isoentropica Nel caso di trasformazione isoentropica, se si considera un generico stato del fluido all interno della trasformazione a partire dallo stato iniziale 0 si può scrivere: pv k = p 0 v k 0 v k = p 0 p v 0 k v = p 0 p Il termine integrale dunque diventa: k 1 dp = v0 p 0 න v(p) dp = v 0 න 1 1 p0 p 2 1 k න 1 p 1 k v0 1 k dp = p 0 1 k ρ 0 p 1 1 k p k p1 Dove ρ 0 = 1/v 0 è la densità del fluido nelle condizioni iniziali [kg/m^3]. Per il calcolo del termine, dunque, occorre conoscere la densità del fluido a inizio trasformazione.

19 Automazione degli impianti: codice pneumatico Esempio: calcolo della densità dell aria in condizioni ambientali Si consideri la trasformazione per la produzione di aria compressa. La densità dell aria in aspirazione al compressore (Tamb, pamb) è dovuta alla presenza principalmente di due gas: azoto (77% in mol) e ossigeno (23% in mol). Nella realtà nell aria ambiente sono presenti anche altri gas la cui presenza, date la limitata quantità, viene trascurata per il calcolo. Il peso molecolare di una mole di aria μa può essere calcolato come: μ a = w 02 μ 02 + w N2 μ N2 = 0, ,77 28 = 28,92 kg/kmol Dove μo2 e μn2 sono rispettivamente la massa molare della molecola di ossigeno e di azoto mentre w è la concentrazione molare. Dalla legge dei gas ideali deriva inoltre che: pv = nr 0 T = RT ρ = p RT Dove R0 è la costante universale dei gas pari a 8,314 kj/(k x mol) e n è il numero di molecole presenti. R può essere ricavato da R0 dalla seguente: R = R 0 μ R a = R 0 = 8314 J = 287,5 μ a 28,92 kgk Sostituendo nell espressione precedente ed identificando come pressione e temperatura quelle ambiente (1 bar e 25 C) si ha: ρ = p RT = ,5 ( ,15) = 1,18 kg/m3 19

20 20 Automazione degli impianti: codice pneumatico Dalla forma meccanica alla forma termica: definizione di entalpia) h = u + p v dh = du + p dv + v dp 1 principio termodinamica) δq = du + p dv dh = δq + v dp (1) Inoltre: q = Q e + R (2) Mentre Q e rappresenta l energia termica specifica, scambiata dal sistema solo con l esterno (irraggiamento, convezione, ), q rappresenta l energia termica specifica totale ricevuta o ceduta dall intero sistema, ovvero data dalla somma algebrica del calore scambiato con l esterno Q e e dalle dissipazioni in calore R dovute alle trasformazioni interne. Dalla (1) e dalla (2) si ottiene l espressione: v dp = dh δq e R. Introducendo tale relazione nell equazione energetica del moto dei fluidi in forma meccanica, si ottiene la forma termica di tale equazione. c dc + g dz + v dp + R + δl = 0 c dc + g dz + dh = δq e δl [J/kg]

21 Automazione degli impianti: codice pneumatico Consumo energetico derivante dalla regolazione di un impianto: presenza di valvole Si supponga di dover regolare la portata d acqua all interno di un circuito idraulico, per esempio in un impianto di pompaggio. Per il controllo della portata si decide di utilizzare una valvola regolatrice che apre o chiude in funzione dello scostamento fra valore desiderato e valore misurato per esempio da un diaframma. La presenza in linea di una valvola utilizzata comporta una perdita di carico Δp in [Pa], ossia una perdita di potenza P [W] e dunque un consumo di energia E [Wh]. Occorre ricordare che la perdita di carico, sebbene inferiore rispetto alle condizioni di valvola in regolazione, è presente anche nel caso di valvola completamente aperta! G, [kg/s] P = G p η el p Nell espressione ηel è il rendimento elettrico della pompa. Qualunque elemento che determina una caduta di pressione, dunque, è responsabile di un consumo energetico. Si rende quindi necessario calcolare le perdite di carico provocate. 21

22 Automazione degli impianti: codice pneumatico Equazione di Darcy-Weisbach per il calcolo delle perdite distribuite lungo un condotto: Δp ρ = λ l d v 2 2 Δp = perdita di carico lungo il condotto [Pa] ρ = densità del fluido all interno del condotto [kg/m 3 ] λ = fattore d attrito l = lunghezza del condotto [m] d = diametro equivalente del condotto [m] v = velocità del fluido all interno del condotto [m/s] Il fattore d attrito λ è ricavabile dal diagramma seguente, realizzato grazie alle esperienze di Nikuradse e di altri: λ viene fornito in funzione del numero di Reynolds : Re = ρ v d μ Sul diagramma si distinguono tre diversi regimi di moto: 1) Regime di moto laminare dove vale la relazione λ = 64 2) Regime di transizione, μ = viscosità dinamica del fluido [Pa s] 3) Regime di moto turbolento dove il fattore λ risulta costante e viene fornito in funzione della scabrezza relativa del tubo ε/d Re 22

23 Automazione degli impianti: codice pneumatico Arpa di Nikuradse 23

24 Automazione degli impianti: codice pneumatico Diagramma per il calcolo della scabrezza relativa media dei seguenti materiali: da1 a 3: acciaio variamente lavorato; da 2 a 4: calcestruzzo variamente lavorato; da 3 a 6: legno più o meno grezzo; 5: ghisa; 7: ferro galvanizzato; 8: ghisa bitumata; 9: tubo in ferro saldato; 10: tubo in ferro trafilato. Tratto da: A. Cocchi, Termofisica per ingegneri, Ed. Libreria Editoriale Petroni 1974, pag

25 Automazione degli impianti: codice pneumatico Calcolo delle perdite di carico concentrate lungo un condotto In questo caso, per analogia a quello delle perdite distribuite, si utilizza un coefficiente di perdita di carico ξ che lega la caduta di pressione al quadrato della velocità del fluido. Valori indicativi per il coefficiente ξ: Δp ρ = ξ v2 2 Δp = perdita di carico concentrata [Pa] ρ = densità del fluido [kg/m 3 ] v = velocità del fluido [m/s] ξ = coefficiente di perdita 25

26 Automazione degli impianti: codice pneumatico Lunghezza equivalente In alternativa al coefficiente di perdita ξ, si può associare ad ogni accidentalità una lunghezza di condotto equivalente. Δp ρ = ξ v2 2 oppure Δp ρ = λ l eq v 2 d 2 ξ = λ l eq d Δp = perdita di carico concentrata [Pa] ρ = densità del fluido [kg/m 3 ] v = velocità del fluido [m/s] ξ = coefficiente di perdita λ = fattore d attrito l eq = lunghezza equivalente dell accidentalità [m] d = diametro equivalente [m] Dove ξ è proporzionale a λ ed alla lunghezza del condotto, espressa in numero di diametri. 26

27 Automazione degli impianti: codice pneumatico 27

28 Agenda Da PFD a P&ID a QE Automazione degli impianti: codice pneumatico Automazione degli impianti: codice elettrico La catena di misura Schemi di regolazione Esercitazione: regolazione selettiva 28

29 Automazione degli impianti: codice elettrico Il codice elettrico Fino agli anni si utilizzava il codice pneumatico perché l elettronica non era ancora nata. Con l avvento dell elettronica (e della conseguente miniaturizzazione in termini di dimensioni, costi, materiali) si è passati al codice elettrico. Tuttavia, nel caso in cui l impianto debba essere installato in presenza di un atmosfera potenzialmente esplosiva (classificazione ATEX), la strumentazione di tipo pneumatico consente di evitare possibili sorgenti di innesco (quali sono i contatti elettrici); nel corso degli anni, tuttavia, il progresso tecnologico ha consentito la realizzazione e messa in commercio di strumentazione elettrica conforme agli ambienti classificati ATEX. ATEX è il nome convenzionale che raggruppa due direttive dell'unione europea: la 2014/34/UE per la regolamentazione e la certificazione di apparecchiature destinate all'impiego in zone a rischio di esplosione ed è rivolta ai costruttori; la 99/92/CE per la sicurezza e la salute dei lavoratori in atmosfere esplosive; si applica negli ambienti a rischio di esplosione, dove impianti ed attrezzature certificate sono messe in esercizio ed è quindi rivolta agli utilizzatori. Metano Limite di infiammabilità inferiore Limite di infiammabilità superiore Temperatura di accensione Aria stechiometrica 10 5 % 3 m CH 4 m 3 aria 15 % 3 m CH 4 3 m aria 540 C 3 m aria m 3 CH 4 29

30 Automazione degli impianti: codice elettrico Il codice elettrico analogico Con la comunicazione mediante codice elettrico, all uscita dei regolatori si utilizza un codice in corrente o un codice in tensione: nel caso di codice in tensione l intervallo di segnali che arriva all attuatore è 0-10 V, mentre nel caso di codice in corrente è 4-20 ma. Comunicazione in tensione: 0-10V Quando la natura del segnale proveniente dallo strumento di misura è in tensione, il regolatore utilizza un codice elettrico in tensione, per evitare di introdurre errori a seguito di passaggi di conversione V R Doppino È importante osservare che nel caso di comunicazione in tensione si induce un errore sistematico (ineliminabile perché è l architettura del sistema che lo impone) variabile ΔV. La caduta di tensione lungo i cavi è variabile perché dipende dalla corrente che circola. Questa, a sua volta è funzione della differenza di tensione ai capi del circuito che è funzione del segnale ricevuto al regolatore dall elemento sensibile. 0 ± V 10 ± V 30

31 Automazione degli impianti: codice elettrico Il codice elettrico analogico Comunicazione in corrente: 4-20 ma Nel caso di comunicazione in corrente, il regolatore trasmette all attuatore un segnale in corrente il cui valore è determinato dal segnale in ingresso al regolatore ed è controllato da un amperometro di misura all interno del regolatore. Per ottenere questa corrente si dovrà spendere una certa potenza elettrica. La scelta del valore minimo pari a 4 ma piuttosto che quello di 0 ma consente di non confondere l assenza di segnale (per esempio un danneggiamento) con il segnale di minimo. R 4-20 ma s Doppino 31

32 Automazione degli impianti: codice elettrico Il codice elettrico digitale. A differenza del codice elettrico analogico, in cui il segnale assume un qualsiasi valore all interno dell intervallo definito (in corrente o in tensione), il segnale digitale è un segnale in tensione discreto che assume due valore, per esempio 0V e 5V. La strumentazione analogica deve avere un convertitore A/D per le comunicazioni con un PLC o un PC. Viceversa un PC o un PLC per comunicare con un attuatore analogico deve disporre di un convertitore D/A. I convertitori A/D e D/A sono caratterizzati da due parametri: Numero di campionamenti nell unità di tempo. Definisce ogni quanto tempo vado a campionare il segnale. Numero di bit. Rappresenta in quanti intervalli si va a suddividere il campo di variazione massima della variabile. Andando a campionare un segnale analogico si ottiene un segnale digitale caratterizzato da un unico valore per ogni intervallo di campionamento. Più frequentemente vado a campionare l onda analogica, tanto maggiore è il numero di bit utilizzato e tanto migliore sarà l approssimazione dell onda analogica con un onda quadra. 32

33 Automazione degli impianti: codice elettrico Il codice elettrico digitale La scelta della comunicazione digitale rispetto alla comunicazione analogica comporta alcuni vantaggi fra cui: Non è influenzata dal rumore elettrico che nel caso analogico obbliga l utilizzo di cavi armati con conseguente aumento dei costi. Si può comunicare più di un informazione dal singolo strumento; nel caso analogico è necessario utilizzare un doppino diverso per ogni informazione ricevuta e inviata dallo strumento alla sala comandi. In questo caso si ha una riduzione dei costi di cablatura. Un singolo doppino può trasferire più di un informazione da più di uno strumento fra cui anche lo stato dello strumento derivante da diagnostica. È una comunicazione bidirezionale. Posso ricevere informazioni dallo strumento, ma posso anche inviare comandi allo strumento. Questa proprietà è di fondamentale importanza laddove l impianto si trovi in ambienti difficilmente raggiungibili o ad elevato rischio per l operatore. Nonostante questi indubbi vantaggi, la comunicazione analogica è ancora molto utilizzata a causa del costo maggiore degli strumenti digitali rispetto agli strumenti analogici. 33

34 Agenda Da PFD a P&ID a QE Automazione degli impianti: codice pneumatico Automazione degli impianti: codice elettrico La catena di misura Schemi di regolazione Esercitazione: regolazione selettiva 34

35 La catena di misura Catena di misura Ci si avvale di un fenomeno naturale per leggere una variabile cercando di perturbare il meno possibile il mezzo È necessario condizionare il segnale acquisito: 1)Cambio scala 2)Conversione del codice (1) (2) (3) (4) (5) È necessario trasdurre la variabile in una variabile che possa essere misurata e manipolata 35

36 36 La catena di misura Catena di misura Esempio di catena di misura: si supponga di volere misurare la temperatura in un mezzo e per lo scopo si decida di utilizzare un termometro a mercurio. Si descrivono sotto gli elementi presenti riportati nella slide precedente: 1. Il mezzo: è il sistema in cui inseriamo l elemento sensibile e del quale vogliamo misurare la temperatura; 2. Elemento sensibile primario: è un oggetto selezionato dall uomo perché ha certe caratteristiche tuttavia non è quasi mai di per sé sufficiente a determinare la misura; 3. Elemento di conversione della variabile: è il trasduttore. Nel caso del termometro a mercurio si trasduce una variazione di temperatura in una variazione di volume secondo la legge V = V0 x (1+αT), dove V0 è il volume nelle condizioni di riferimento e α è il coefficiente di dilatazione che è necessario conoscere; infatti, se la legge di trasferimento non è chiara la catena di misura non ha alcun senso; 4. Elemento di manipolazione della variabile: nel caso proposto il termometro a mercurio trasduce una variazione di volume che sarebbe illeggibile nel caso in cui questa fosse contenuta in un serbatoio. Per evitare questa condizione, si inserisce il mercurio all interno di un volume che ne amplifica le dilatazioni o contrazioni assiali in caso di variazione di temperatura (amplificazione dei dati); 5. Elemento di trasmissione dei dati: la variazione di volume del mercurio potrebbe essere collegato ad un segnale elettrico o fisico che comporta lo spostamento di una lancetta e dunque la trasmissione dei dati. Nel caso di codice pneumatico, la variazione di temperatura determina lo spostamento di una paletta che apre o chiude un orifizio alimentato con aria compressa; 6. Elemento di presentazione dei dati: nel caso del termometro a mercurio è la scala graduata che consente di leggere il valore.

37 Termocoppie La catena di misura La termocoppia è costituita da due metalli conduttori di natura diversa saldati tra loro ad un estremità. Se disponiamo la giunzione ad una temperatura diversa da quella dei due capi liberi, tra questi nasce una f.e.m., funzione dell una e dell altra temperatura. Esistono tabelle e diagrammi che riportano l andamento della f.e.m., E(t), in funzione della temperatura t della giunzione, quando i due capi liberi siano posti a una determinata temperatura. Per quanto in teoria sia possibile utilizzare come termocoppia una qualsiasi coppia di metalli, i materiali più utilizzati sono i seguenti: (Costantana: 40% Ni 60% Cu) Tali termocoppie presentano caratteristiche praticamente lineari nei campi di temperatura che possono interessare, basta quindi misurare la f.e.m. e moltiplicarla per una costante, per avere la differenza di temperatura tra la giunzione e i due capi collegati allo strumento di misura dopo di che, rilevata la temperatura in corrispondenza dello strumento, si ha anche la temperatura della giunzione. 37

38 La catena di misura In figura è riportata la caratteristica di alcune tra le termocoppie più usate, supposto il giunto freddo a 0 C. Per alte T 38

39 La catena di misura Ponti di misura per termocoppie Quando il punto di misura è lontano dallo strumento, non conviene prolungare le termocoppie fino allo strumento stesso. Conviene invece utilizzare cavi di compensazione, cioè cavi realizzati con materiali «poveri» con caratteristiche simili a quelle delle termocoppie cui sono collegati. Per quanto riguarda la misura della f.e.m. con un normale millivoltmetro, ci troviamo al solito nella situazione di commettere un errore. Lo strumento infatti ha un equipaggio mobile i cui spostamenti sono proporzionali alla corrente i che passa nel circuito interno e questa vale: i = E R + r E = f.e.m. data dalla termocoppia r = resistenza della termocoppia R = resistenza interna dello strumento Lo strumento misura una d.d.p: V = Ri = ER R+r R e quindi non consente l esatto rilievo di E a meno che 1, R+r vale a dire a meno che non si abbia una r piccolissima, il che contrasta con l esigenza di impiegare conduttori molto sottili allo scopo di miniaturizzare la termocoppia (più la sezione del conduttore è grande, minore è la sua resistenza elettrica r = ρ l, dove ρ rappresenta la resistività elettrica, tuttavia l elemento di s misura risulta sempre perturbativo rispetto all ambiente di misura) 39

40 Potenziometri per termocoppie Per eliminare tale errore, si ricorre ai potenziometri per termocoppie (vedi schema a fianco). Col potenziometro si ha una misura delle f.e.m. senza che circoli corrente nella termocoppia stessa. Il reostato, su cui scorre un cursore cui è applicato un capo della termocoppia, ha una resistenza lineare con la lunghezza: R AC = R AB l Se sul reostato si fa passare una corrente i ben precisa, è possibile graduarlo direttamente in mv: V AC = i R AC = i R AB l La catena di misura x x = V AB l x Se la saldatura della termocoppia viene posta a temperatura t x, nasce una f.e.m. E. spostando il cursore si giungerò ad una posizione tale che la caduta di tensione sul reostato sia uguale e contraria alla E: così facendo non circola più corrente nella termocoppia. Bisogna assicurarsi che il valore di i sia quello voluto tramite l amperometro A 1, quindi si sposta il cursore finchè l amperometro A 2 non segna 0, leggendo sul cursore il valore di E. 40

41 La catena di misura Misure di Temperatura Termocoppie Termoresistenze (es: Pt 100) Termistori Manometro a colonna di liquido Manometro Bourdon Manometro a membrana e a soffietto Trasduttore di pressione piezoelettrico Misure di Pressione Misure di Portata Diaframmi Boccagli Tubi di Venturi 41

42 Esercitazione: perdite di carico dovute all attraversamento di un diaframma p = ξ ρ v2 2 = ξ ρ G2 2 A 2 ρ 2 = ξ G 2 2 A 2 ρ Definendo 1Τξ 2 pari ad α 2 si ottiene: G = p 2 A2 ρ ξ = A α 2 ρ p [kg/s] [Pa] Dati: diametro del tubo: D = 1 m densità dell acqua: ρ = 1000 kg/m 3 velocità dell acqua: v = 2 m/s Ipotesi: Si sceglie un diaframma tale da generare una perdita di carico localizzata Δp = 100 mmh 2 0 = 981 Pa Energia persa (equazione di Bernoulli per un fluido incomprimibile) c dc + g dz + v dp + R + L = 0 La catena di misura [J/kg] R = න 1 2 v dp = v p = p ρ = J/kg P = R G = = 1571 W G = ρ v A = ρ v π D2 4 = π = 1571 kg/s 42

43 La catena di misura Alterazione del sistema dovuto alla misura Tutte le volte che si esegue una misura, si va ad alterare il sistema nel quale viene effettuata la misura (esempio visto a lezione: due differenti termocoppie). Dove: t m è il tempo morto, ossia il tempo necessario per arrivare al punto di misura t c = costante di tempo 43

44 Agenda Da PFD a P&ID a QE Automazione degli impianti: codice pneumatico Automazione degli impianti: codice elettrico La catena di misura Schemi di regolazione Esercitazione: regolazione selettiva 44

45 45 Schemi di regolazione Semplice retroazione La regolazione cerca di tenere la variabile controllata entro i limiti imposti, rincorrendo il sistema. Il sistema è sensibile ai disturbi di alimentazione o di processo solo in uscita e ben si applica se la risposta avviene in tempi brevi. Se il processo ha tempi morti lunghi o costanti di tempo lunghe la semplice retroazione non va bene (si tenga presente che lentezza e velocità sono in funzione della velocità del disturbo).

46 46 Retroazione e previsione Schemi di regolazione A : prelievo segnale di previsione B : prelievo segnale di retroazione RLP : relè pneumatico RP : regolatore primario RS : regolatore secondario (di tipo P. o P.D.) Nel punto A viene prelevato il segnale di previsione (feed forward) ed inviato ad un regolatore secondario R s. Nel punto B si preleva il segnale di retroazione (feed back) che viene inviato al regolatore primario R p. Da R p a R s i segnali giungono ad un relè pneumatico (RLP) che, confrontandoli, produce un segnale in uscita (può far passare il più alto o il più basso e si parla di relè passa-alto o passa-basso) che viene inviato all otturatore. Questo sistema è utilizzato quando si verificano sensibili disturbi sull alimentazione e quando la velocità di semplice retroazione non consente di ottenere una buona stabilità

47 47 Schemi di regolazione Controllo in cascata A : B : RM : RSM : prelievo variabile intermedia prelievo variabile controllata regolatore master regolatore sub-master In questo caso il processo è individuato da 2 fasi fra le quali si preleva una variabile intermedia A che viene inviata ad un regolatore sub-master RSM il cui set-point è dato dall uscita del regolatore master RM che preleva il segnale da B (variabile controllata). L attuatore tiene quindi conto sia dell elemento sensibile in A, sia di quello in B, mentre con il controllo in retroazione e previsione, il sistema si esprimeva con due segnali, ma solo uno veniva utilizzato. Si anticipa che mentre RM può essere proporzionale-integrale (PI) o proporzionale-integralederivativo (PID), è opportuno che RSM sia uno strumento sensibile, veloce, ed alto guadagno (generalmente è un proporzionale (P) a banda stretta)

48 48 Schemi di regolazione Esempi sul controllo di livello di un sistema a due costanti di tempo. Si voglia controllare il livello del serbatoio II. Di seguito verranno valutate le diverse soluzioni di regolazione viste precedentemente.

49 49 Schemi di regolazione Esempio: Semplice retroazione (sistema a due costanti di tempo) Il regolatore di livello R L (ad es. un trasduttore di pressione come un manometro) sente le variazioni di livello nel serbatoio II (livello di altezza X) con grande ritardo rispetto all intervento di regolazione. Il rischio è quello di avere correzioni eccessive provocando pendolazioni del sistema (e quindi il fallimento della regolazione)

50 50 Schemi di regolazione Esempio: Previsione e retroazione (sistema a due costanti di tempo) Il regolatore di livello (master) R L fornisce il set ad un regolatore di portata (sub-master) R P che preleva un segnale dall alimentazione (previsione). R P controlla l attuatore in modo che la variabile controllata (il livello x) non venga apprezzabilmente influenzata dai ritardi e da disturbi dell alimentazione.

51 51 Schemi di regolazione Esempio: Controllo in cascata (sistema a due costanti di tempo) In questo caso si fornisce il set pneumaticamente al regolatore sub-master R L1 mediante il master R L2. Confrontando i due ingressi, R L1 fornisce il segnale all attuatore. Il sistema consente di ovviare a problemi di ritardi, ma non ha una risposta pronta ai disturbi sull alimentazione. Con questa configurazione, si ha un controllo diretto sui livelli, senza nessun controllo sulla portata.

52 Agenda Da PFD a P&ID a QE Automazione degli impianti: codice pneumatico Automazione degli impianti: codice elettrico La catena di misura Schemi di regolazione Esercitazione: regolazione selettiva 52

53 53 Esercitazione: regolazione selettiva Regolazione selettiva (o di sicurezza) La regolazione selettiva è utilizzata quando si vogliono controllare più variabili all uscita di un processo, mediante lo stesso organo regolatore, per esempio una valvola attuata. I segnali prelevati da A e B vengono inviati ad un relè pneumatico RLP che seleziona, per esempio, il più alto o il più basso dei due segnali, facendolo giungere all organo di regolazione che controlla il processo.. E così possibile regolare una variabile A (ad esempio la temperatura) fino a che un altra B (ad esempio la pressione) rimane entro certi limiti controllando una terza variabile (ad esempio la portata di fluido).

54 Esercitazione: regolazione selettiva Esempio di regolazione selettiva: regolazione della pressione di mandata di una pompa con controllo di sicurezza (anti cavitazione) all aspirazione Azione diretta Segnale in pressione 3-15 psi RP1 Segnale in pressione 3-15 psi RLP (PB) Segnale 15-3 psi RP2 Azione inversa Segnale in pressione 3-15 psi Aria compressa 20 psi PT1 PT2 Aria compressa 20 psi Segnale in pressione (dall impianto) Segnale in pressione (dall impianto) Acqua Problema della cavitazione Pompa Valvola Regolazione NC RP: regolatore pneumatico RLP (PB): relè pneumatico (passo basso) PT: trasmettitore pneumatico NC: valvola normalmente chiusa 54

55 Esercitazione: regolazione selettiva Scelta della condizioni normali della valvola di regolazione VR Le condizioni normali di una valvola (Normalmente aperta = NA; Normalmente chiusa = NC) sono le condizioni della valvola quando non vi insiste nessun segnale. La scelta relativa alle condizioni normali di una valvola all interno di un impianto è legata, solitamente, a considerazioni di sicurezza. In questo esempio, volendo regolare evitando la cavitazione, la valvola sarà una NC. Infatti in caso di perdita di alimentazione del segnale in pressione all attuatore, la valvola si chiude intercettando la mandata della pompa. Dunque, in assenza del segnale dai due trasduttori pneumatici, ossia in una condizione in cui non si hanno informazioni su come l impianto stia evolvendo, si intercetta la mandata per evitare cavitazione e dunque la rottura della pompa. Se si fosse scelto una valvola NA, in caso di assenza di segnale pneumatico e dunque perdita del controllo alla mandata della pompa, la valvola aprirebbe completamente aumentando la portata elaborata. Questa scelta potrebbe essere determinata dalla volontà di alimentare in ogni caso l utenza. In realtà questa scelta non è corretta tecnicamente: in caso del verificarsi di cavitazione, infatti, la pompa elabora una portata inferiore rispetto a quella nominale che si vorrebbe garantire aprendo completamente la valvola. Conseguentemente la regolazione dell impianto fallirebbe con l installazione di una valvola NA. 55

56 Esercitazione: regolazione selettiva Breve descrizione del funzionamento in caso di aumento della portata richiesta L aumento della richiesta di portata è responsabile di: Riduzione della pressione misurata da PT2. Il segnale pneumatico inviato a RP2 richiede l apertura della valvola VR per inseguire la richiesta da parte dell utenza. Riduzione della pressione misurata da PT1. Il segnale pneumatico inviato a RP1 richiede la chiusura della valvola VR per evitare fenomeni di cavitazione. Le due richieste all aumento della portata richiedono un azione diversa da parte del sistema di regolazione ed in ultima analisi da parte della valvola (apertura o chiusura). Per poter regolare correttamente l impianto, dunque, la regolazione deve essere in grado di identificare l azione prioritaria in funzione delle condizioni di funzionamento attuali dell impianto. In particolare, l obiettivo del sistema di regolazione è quello di soddisfare le richieste da parte delle utenze preservando la pompa da eventuali fenomeni di cavitazione e dunque da rotture.

57 Esercitazione: regolazione selettiva La cavitazione è un fenomeno che provoca il danneggiamento di dispositivi idraulici quali pompe e valvole ed è provocata dall implosione di bolle di vapore e gas che si formano nella sezione di ingresso dove la pressione del fluido è inferiore alla tensione di vapore, Tv, calcolata alla temperatura del fluido. L implosione delle bolle avviene nella sezione della pala dove la pressione ritorna ad essere superiore alla tensione di vapore, provocando il danneggiamento con conseguente erosione meccanica in breve tempo; tale fenomeno è accompagnato da un caratteristico «rumore metallico» e da un notevole calo delle prestazioni. Per garantire l assenza del fenomeno occorre che la pressione del fluido in ingresso alla pompa sia maggiore della tensione di vapore alla temperatura di lavoro. Con riferimento alla figura a fianco, scrivendo l equazione energetica del moto dei fluidi tra la sezione di ingresso nella girante e quella rappresentata dal pelo libero, si ha: C 2 C a g z z a + R c + R a + p p a ρ = 0 J kg Dove R c rappresenta le perdite subite dal fluido nel condotto di aspirazione (imputabili quindi all impianto), mentre R a rappresenta le perdite interne alla pompa che il fluido subisce tra la sezione di ingresso nella pompa e quella di ingresso nella girante. Posto h = z z a e trascurando C a si ottiene: C g h + R c + R a + p p a ρ = 0 57

58 All ingresso della girante si ha una depressione tanto più elevata, quanto più elevati sono: il dislivello, le perdite e l energia cinetica del liquido. La pressione p del liquido non deve quindi abbassarsi sotto il valore p s (pressione di saturazione) al fine di non avere cavitazione. p a ρ 1 + c p s g h R ρ c > R a + C2 2 dove c è un coefficiente di sicurezza che tiene conto della presenza di gas incondensabili (circa 0,3 0,5). A sinistra appaiono solo termini dipendenti dall impianto, mentre a destra quelli legati alla pompa. L impiantista conosce a che quota installa la pompa (p a ), a che temperatura lavora (p s ), il dislivello che deve vincere (h), la portata (Q) e le caratteristiche della condotta (R c ). Non conosce invece il termine: NPSH = R a + C2 2 Esercitazione: regolazione selettiva che prende il nome di indice di cavitazione o NPSH (Net Positive Suction Head); tale valore è fornito dal costruttore della pompa. 58

59 Catalogo di una pompa Esercitazione: regolazione selettiva Ttest = 40C 59

60 NPSH: Trascurando la pressione di saturazione e le perdite nel condotto si ha: p a ρ g h > NPSH Per esempio: Esercitazione: regolazione selettiva [m] 1) Q = 100 m 3 /h NPSH 3 m Posso installare la pompa a non più di 7 metri d altezza dal pelo libero del bacino da cui sto pescando. Infatti: h < p a NPSH = ρ g , m 2) Q = 380 m 3 /h NPSH 10 m La pompa va installata allo stesso livello del pelo libero (in realtà, servono ulteriori 1 1,5 m di battente per tutelarsi dalla cavitazione. La pompa andrebbe quindi installata sotto battente). 3) Q = 410 m 3 /h NPSH 12 m La pompa va installata almeno 2 metri sotto il battente. 60

61 Esercitazione: regolazione selettiva Regolazione della valvola Per comprendere come effettuare la regolazione della valvola si deve verificare la condizione normale della valvola, ossia il suo stato in assenza di segnale. Nel caso la valvola è del tipo NC, e dunque in assenza di segnale pneumatico è chiusa. Per garantire le richieste di portata e protezione rispetto alla cavitazione, i due regolatori RP1 e RP2 operano in condizioni antitetiche. Infatti, RP 1 chiuderebbe la valvola quando la pressione in aspirazione tende a scendere sotto il valore di taratura ed RP 2 chiuderebbe la valvola quando la pressione in mandata tende a salire. RP 1 azione diretta: se il segnale in ingresso aumenta (la pressione del processo), il regolatore aumenta il segnale in uscita (il segnale pneumatico). RP 2 azione inversa: se il segnale in ingresso aumenta (la pressione del processo), il regolatore diminuisce il segnale in uscita (il segnale pneumatico). PT1 PT2 61

62 Esercitazione: regolazione selettiva Regolazione della valvola Per decidere quale dei due segnali pneumatici inviare, si inserisce nella regolazione un Regolatore Passa Basso (RLP): questo dispositivo selezione e lascia arrivare alla valvola il segnale più basso dei due regolatori. Dunque, fintanto che la pressione all aspirazione sarà più alta del valore di set point (valore minimo ammesso per evitare cavitazione): il segnale di RP 1 sarà alto e verrà fermato dal relè pneumatico. il segnale di RP 2 opererà sulla valvola regolando la pressione e dunque alla mandata della pompa. Quando la pressione all aspirazione cala e raggiunge un valore limite, il regolatore passa basso acquisisce il segnale primario e comanda la valvola al fine di garantire un valore di pressione sufficiente ad evitare la cavitazione. si realizza così la regolazione fino a che non si interrompe il processo per motivi di salvaguardia. PT1 PT2 62

63 Esercitazione: regolazione selettiva Dimensionamento e scelta dei componenti Si consideri una pompa che preleva dell acqua da un serbatoio a pelo libero. La pompa elabora una certa portata di acqua, Gdes, inviandola ad un utenza industriale collegata. La temperatura massima di prelievo dell acqua risulta pari a di 30 C. Una valvola di non ritorno, VNR1, è inserita a monte della pompa al fine di evitare lo svuotamento della condotta di aspirazione allo spegnimento della pompa che potrebbe provocare problemi di adescamento alla ripartenza. La portata è regolata attraverso una valvola regolatrice, VR, posta alla mandata della pompa, che viene aperta o chiusa seguendo una logica di regolazione selettiva. 20 psi Legenda 3-15 psi 3-15 psi 15-3 psi 3-15 psi PT VNR Trasmettitore pneumatico Valvola di non ritorno 20 psi 20 psi VI Valvola di intercettazione VR Valvola regolatrice di portata 0,4 bar 8 bar ME Motore elettrico RP Regolatore pneumatico RLP Regolatore passa basso 63

64 Esercitazione: regolazione selettiva Dimensionamento della pompa Il dimensionamento e dunque la scelta della pompa deriva da diverse considerazioni che devono tenere conto delle seguenti informazioni di processo: 1. Tipologia scelta: pompa centrifuga; 2. Portata richiesta dall utenza: 80 m3/h. La portata richiesta dall utenza dipende dalle esigenze specifiche dell utenza allacciata. Sebbene il suo valore nominale possa essere calcolato mediante bilanci di massa e di energia al sistema, è opportuno identificare la presenza di eventuali condizioni di fuori progetto che richiedono portate maggiori rispetto a quelle nominali. 3. Prevalenza: 8 bar La prevalenza dipende dalla caratteristica del circuito. A seguito del calcolo delle perdite di carico complessive del circuito percorso dalla portata di progetto, è possibile individuare la prevalenza della pompa richiesta; infatti la relazione che lega la prevalenza della pompa con le perdite di carico è la seguente: p pompa = φ p circuito, dove φ è un fattore di sicurezza che tiene conto delle approssimazioni effettuate nel calcolo della perdita di carico complessiva. 4. Fluido elaborato: acqua. In funzione della tipologia di fluido elaborato dipendo i materiali utilizzati per le parti in contatto con il fluido, che dunque possono richiedere specifiche caratteristiche. 64

65 Esercitazione: regolazione selettiva Dimensionamento pompa: scelta pompa Si vuole lavorare in un punto a massimo rendimento La pompa scelta è una pompa centrifuga Grundfos caratterizzata da: Portata: 80 m3/h; Prevalenza: 8 bar; NPSH: 3 m; Potenza elettrica assorbita: 25 kw 65

66 Esercitazione: regolazione selettiva Dimensionamento pompa: dati tecnici e dimensioni Pompa Grundfos NK /254 NK è la tipologia di pompa; 50 è il diametro nominale della bocca in mandata in [mm]; 250 è il diametro nominale della girante in [mm]; 254 è il diametro effettivo della girante in [mm]. 66

67 Esercitazione: regolazione selettiva Calcolo altezza minima per evitare il fenomeno della cavitazione 67

68 Esercitazione: regolazione selettiva Calcolo altezza minima per evitare il fenomeno della cavitazione Per evitare fenomeni di cavitazione occorre verificare che l altezza di installazione della pompa eviti il raggiungimento della tensione di vapora in ingresso alla pompa. Per la verifica, si suppongano validi i seguenti valori: pb: 1 bar (pressione barometrico che è presente sul serbatoio aperto). Hf: 0,5 m (valore calcolato attraverso la somma di perdite distribuite e concentrate alla portata nominale nel tubo di aspirazione) HV (T=30 C): 0,4 m (da manuale) NPSH= 3,0 m (valore fornito dal costruttore) HS: 0,5 m (margine di sicurezza) Inserendo i valori numerici nell equazione fornita dal costruttore della pompa si ottiene: H = p b 10,2 NPSH H f H V H S = 1 10,2 3,0 0,5 0,4 0,5 = 5,8 m Dunque, per non avere fenomeni di cavitazione occorre installare la pompa ad un altezza massima di 5,8 m sopra il battente. Questa valutazione è valida in condizione di design, ossia portata uguale a quella di progetto. Nel momento in cui si effettua una regolazione della portata si potrebbero verificare tuttavia fenomeni di cavitazione e dunque la regolazione selettiva risulta necessaria. 68

69 Esercitazione: regolazione selettiva Dimensionamento e scelta della valvola di regolazione VR 69

70 Esercitazione: regolazione selettiva Dimensionamento valvola di regolazione VR 1. Scelta della tipologia di otturatore. Il primo passaggio che occorre svolgere è la scelta dell otturatore. In funzione della forma scelta, a parità variazioni di apertura della valvola si verificano variazioni di portata differenti come riportato in figura. Nel caso si è scelto un otturatore ad apertura lineare. In relazione alla scelta dell otturatore occorre effettuare una precisazione. Il segnale che arriva all attuatore è solo un indicazione della corsa dello stelo, ma non da nessuna informazione sulla portata effettivamente gestita dalla valvola. Se ho un alzata al 50% non è detto che la portata sia il 50%. Se la relazione fra il segnale in entrata (ossia quello che arriva all attuatore) e l uscita (la portata) non è lineare, occorre inserire all interno del regolatore la legge di trasferimento che tiene conto di tale non linearità. Questo ci consente di regolare il processo. 70

71 Dimensionamento valvola di regolazione VR La valvola di regolazione scelta è prodotta da Conflow ed è il modello 2000 AR serie Uniworld Caratteristiche tecniche: Esercitazione: regolazione selettiva Tipologia di attuatore: a diaframma; Segnale di azionamento: 3 15 psi, 6 18 psi, 6 30 psi; Profilo otturatore: otturatore ad apertura lineare; Massima pressione dell aria applicabile: 35 psi; Temperatura ambiente operativa: da -20 a +70 C; Cassa attuatore: Fe P11; Membrana: EPDM 70 (Gomma sintetica); Castello: Ghisa sferoidale EN-GJS500-7; Connessioni pneumatiche: ISO 7 Rp 1/8 71

72 Esercitazione: regolazione selettiva 72

73 Esercitazione: regolazione selettiva Dimensionamento valvola di regolazione VR 2. Scelta del corpo valvola: Calcolo del Cv Per calcolare il CV occorre stimare la perdita di carico ammissibile sulla valvola. Solitamente, con la valvola completamente aperta, si assume che la perdita di carico sia circa il 50% della caduta di carico totale dell impianto (stimata in 8 bar, valvola compresa): in questa maniera è possibile, da un lato, consentire una regolazione efficace e, dall altro, limitare le perdite di carico (costi di pompaggio). Dalla relazione si ha: C V = 1,17 Q d p 0,5 = 1, ,5 = 46,8 Si sceglie la valvola con Cv immediatamente superiore Valvola scelta 73

74 74 Esercitazione: regolazione selettiva Scelta dell attuatore Segnale a disposizione: 3 15 psi Corpo valvola calcolato: DN 50 L attuatore deve sostenere una pressione differenziale maggiore rispetto alla differenza di pressione fra monte e valle della valvola in condizioni di chiusura assunta pari a 2 bar.

75 Esercitazione: regolazione selettiva 75

76 Esercitazione: regolazione selettiva Dimensionamento della valvola di non ritorno La valvola di non ritorno è caratterizzata da un diametro nominale pari a quello della condotta di aspirazione. Condizione di buon progetto è assicurare in ingresso alla pompa una velocità non superiore a 2 m/s. Per cui il diametro del circuito risulta essere pari a: D = 4 Q π v 0,5 = π 2 0,5 = 118,97 mm Si considera una condotta da 5 ossia DN 125. La valvola di non ritorno considerata è una valvola prodotta da Gestra: in particolare si sceglie la valvola a disco di tipo RK 44. L otturatore a disco viene aperto dalla pressione del fluido che fluisce nella direzione di progetto. Nel momento in cui non si ha portata la forza della molla vince la pressione del fluido e riporta il disco nella sede intercettando la sezione di passaggio e dunque il flusso di fluido. 76

77 Esercitazione: regolazione selettiva Dimensionamento della valvola di non ritorno 77

78 Esercitazione: regolazione selettiva Dimensionamento della valvola di non ritorno Un parametro importante per le valvole di non ritorno è la pressione di apertura (cracking pressure). Questo parametro è la differenza di pressione fra monte e valle che determina l apertura e dunque il passaggio di fluido attraverso la valvola. Dal grafico a fianco si può determinare che la caduta di pressione attraverso la valvola di non ritorno a portata nominale di 80 m3/h risulta essere pari a circa 0,25 bar 78

79 Esercitazione: regolazione selettiva Scelta dei trasmettitori penumatici e dei regolatori Il rilevamento delle pressioni p 1 e p 2 avviene tramite i trasmettitori pneumatici PT1 e PT2 che presentano un elemento per la misura di pressione; questi trasmettitori forniscono in uscita un segnale pneumatico in 3-15 psi Il segnale in pressione viene manipolato dai regolatori di pressione RP1 e RP2 che inviano un segnale in pressione al relè pneumatico RLP passo basso. Il relè pneumatico comanda quindi l attuatore della valvola regolatrice. Segnale in pressione 3-15 psi RP1 Segnale in pressione 3-15 psi RLP (PB) Segnale 3-15 psi RP2 Segnale in pressione 3-15 psi Aria compressa 20 psi PT1 PT2 Aria compressa 20 psi Segnale in pressione (dall impianto) Segnale in pressione (dall impianto) Pompa Valvola Regolazione NC Acqua 79

80 Esercitazione: regolazione selettiva Trasmettitore pneumatico (PT): serie

81 Esercitazione: regolazione selettiva Regolatore pneumatico (RP1 e RP2) 81

82 Esercitazione: regolazione selettiva Relè pneumatico (RLP) passa basso (PB) 82

83 83 Esercitazione: regolazione selettiva P&ID e definizione dei componenti Spirax Sarco serie psi Fluidomatic BR10 Spirax Sarco serie 200 Spirax Sarco serie psi 3-15 psi 3-15 psi 3-15 psi Spirax Sarco serie psi 20 psi Legenda Legenda PT Trasmettitore penumatico ME Motore elettrico VNR Valvola di non ritorno RP Regolatore di pressione VI Valvola di intercettazione RLP Regolatore passa basso VR Valvola regolatrice di portata