CONTROLLO E REGOLAZIONE AUTOMATICA PARTE 2: STRUMENTI DI MISURA versione#a1 - Prof.A.Tonini - www.andytonini.com 1 - MISURE DI LIVELLO L : L'indicazione del valore del livello può essere locale (in loco o in situ), ma il più delle volte il segnale è trasmesso in sala controllo, con opportuni trasduttori, dove sarà utilizzato per indicazione, registrazione, allarme, regolazione. M. TIPO CONTINUE (C)- misurano continuativamente nel tempo la posizione, rispetto ad un piano di riferimento, di una superficie di materiale (per liquidi o solidi granulari); tipi: vasi comunicanti galleggiante spinta Archimede a pressione idrostatica capacitivi a radar a ultrasuoni a laser.( rilevatori di stato di livello) M. TIPO PUNTUALI (P) segnalano il raggiungimento o superamento di uno specifico livello: tipo -a galleggiante a conducibilità a forcella vibrante a contatto. ( misuratori collegati a interruttori di carico/scarico) fig.1 a indicatore esterno a tubo trasparente, principio vasi comunicanti in loco- opp. con galleggiante magnetico in apposito tubo con opportuno trasduttore di posizione- fig.2 a galleggiante, tipo C/P- per grandi serbatoi in loco fig.3 con misuratore di pressione idrostatica (livello = funz. p),usando strumenti di misura di pressione a capsula membrana molla Bourdon- fig.4 sensore capacitivo (variazione di capacità tra sonda e parete del serbatoio, provocata dalla variazione del livello del fluido o solido; adatti per misure di liquidi anche ad elevate pressioni e temperature (500 bar e 500 C) e di solidi polverulenti o granulati con elevata e costante permettività relativa rispetto al vuoto o all aria; buona stabilità alla aggressione meccanica e chimica, buona precisione, taratura da eseguire in campo sul prodotto da misurare.) -per condizioni estreme- fig.5 a sonar (rilevano il tempo di transito di un suono ultrasuono; adatti per misure di liquidi in serbatoi alla pressione atm. o leggermente superiore, e per misure di solidi in pezzi e/o polveri aventi dimensioni superiori a un decimo della lunghezza d onda del suono iniettato; nessun contatto con il prodotto, misura indipendente dalle caratteristiche fisiche ed elettriche del prodotto, buona precisione, inadatti per serbatoi sottovuoto o in pressione o con vapori fonoassorbenti) a radar :con impulsi el.magnetici alta frequenza; per alte p/t. - no ingombro e corrosione, costosi; no per schiume- fig.6 a barra di torsione (spinta idrostatica) (in loco) - fig.7 rivelatori conduttivi (si sfrutta la variazione di conduttanza della sonda a seconda che la sonda sia o meno a contatto con il fluido conduttivo); rilevano la presenza del liquido, e il suo livello, rilevando la conduttività con due o più sonde installate nel serbatoio (stati di livello minimo, medio e massimo); adatti solo per liquidi conduttori con conduttanza tra 1 S e 10-5 S (R tra 1 W e 105 W); impiegati come rilevatori di stati di livello o interruttori (C/P), robusti con scarsa manutenzione anche per condizioni severe ( 160bar/250 C) fig.8 interruttori di livello a vibrazioni (con sonda vibrante a elemento piezoelettrico a 400 Hz per i liquidi e a 80-160 Hz per i solidi polverulenti; se il materiale lambisce la sonda, la frequenza di vibrazione varia (es.20%); uso per rilevamento di livello max e min in liquidi e solidi polverulenti) prestazioni: tutti i liquidi no taratura e manutenzione - T 280 C; p 100 bar. fig.9 sensore a contatto (per solidi in silos anche di elevata altezza); elevata precisione - richiedono manutenzione programmata delle parti in movimento. fig.10 sensore a radioisotopi (si utilizza anche per i solidi, difficilmente danneggiabile), uso in casi particolari.
fig.11 misuratori di livello a spinta idrostatica per alte pressioni con pozzetto esterno al serbatoio fig.12 Misuratori di livello a spinta idrostatica, con sospensione e molla cilindrica Prof.A.Tonini fig.13 misuratori a gorgogliamento alimentati con aria/gas inerti (N 2 ),con misura press. che dà gorgogliamento. uso in ambienti corrosivi o con solidi sospesi, serb.aperti. 2 MISURE DI PORTATA F : misuratori contatori Per misure di quantità di flusso continua si usano i MISURATORI, per misure di quantità erogata (volume di liquido) si usano i CONTATORI. 2.1 - MISURATORI: VENTURIMETRO BOCCAGLIO DIAFRAMMA TUBO PITOT ROTAMETRI MIS.EL_MAGNETICI A - MISURATORI DI PORTATA A STROZZAMENTO, per fluido comprimibile (Gas o Vapori); (P1-P2) non troppo grande; K costante di taratura, F portata; usati per misura della portata volumetrica di gas o liquidi, con N Re > 500, installazione orizzontale, tubazione diritta e senza disturbo. Il venturimetro presenta una maggiore stabilità della misura nel tempo, poiché le piccole scalfitture dovute all azione delle particelle solide trasportate dal fluido esercitano una minore influenza sulle indicazioni dello strumento; a parità di rapporto di strozzatura con gli altri dispositivi a strozzamento, l accuratezza delle misure e le perdite di carico che si hanno sul venturimetro sono molto minori, ma ha costi più alti. B ROTAMETRO o flussimetro Relazione lineare portata - posizione del galleggiante, perdita di carico costante fra monte e valle del galleggiante. Campo di misura: basse portate, fino a 300 kg/s (H2O), fino a 1 kg/s (aria), facilità di lettura, facilità di montaggio e di uso in laboratori e in impianti pilota. Limitazioni/Svantaggi: necessità di far ricorso a calibrazione valida per un dato fluido a una precisa Temperatura e Pressione; formule di correzione per uso in condizioni diverse da quelle di calibrazione; mancanza di trasduzione elettrica della misura; installazione solo verticale. C MISURATORE ELETTROMAGNETICO Principio di funzionamento: liquido (anche impasto o emulsione, no gas) elettricamente conduttivo attraversa sensori elettromagnetici. In base alla legge di Faraday sull'induzione elettromagnetica, per misurare la portata di un liquido conducibile, viene generato nello stesso un campo magnetico alternato mediante il passaggio di corrente attraverso bobine di cavo in rame; la corrente viene controllata in modo che l'intensità del campo magnetico generato sia costante. Essendo costante anche la lunghezza del conduttore (ovvero la parte di liquido compresa fra gli elettrodi di misura), risulta che l'unica grandezza variabile è la velocità di deflusso del liquido trasportato. La tensione generata è linearmente proporzionale alla velocità e alla portata volumetrica. Il flusso può essere invertito di direzione. Sistema non intrusivo, perdite di carico trascurabili, utilizzati in ogni settore industriale - es. alimentari, acque reflue, chimica, con accuratezza molto spinta anche <0,5%, campo di misura da 0,005 a 30.000 kg/s (H2O). Limitazioni/Svantaggi : montaggio rettilineo (orizzontale e/o verticale).
Prof.A.Tonini D - TUBO DI PITOT (misura di velocità e portata) fornito di due prese di pressione, una all'estremità anteriore disposta tangenzialmente alla corrente (press. totale o dinamica= p/γ + v 2 /2g) e una sul corpo del tubo disposta perpendicolarmente al flusso (press. statica=p/γ); la differenza tra queste due pressioni (press. dinamica press. statica), ottenibile con l'utilizzo di un manometro differenziale e trasduttore opportunamente collegato alle due prese, risulta proporzionale al quadrato del modulo della velocità del fluido (a meno di perdite di carico): vedi formula Il tubo di Pitot può misurare la velocità di un solo filamento di fluido, quindi può essere usato in fluidodinamica per esplorare la distribuzione di velocità lungo una sezione di tubo. Per ottenere la velocità media devono essere effettuate più misure a varie distanze dal centro del tubo e conseguentemente integrate su tutta la superficie. Ovviamente, la portata totale può essere ricavata facilmente se la distribuzione delle velocità nel tubo è già nota. 2.2 - CONTATORI DI PORTATA: Sono usati come misuratori di quantità erogata, o totalizzatori (o contatori) di portata di liquidi. ESEMPI: CONTATORI A MULINELLO la velocità di rotazione è trasmessa meccanicamente all esterno CONTATORI A TURBINA con magnete interno che genera f.e.m. in circuito esterno, da cui si ricava la portata CONTATORI volumetrici a RUOTE OVOIDALI - Contatore a mulinello: sono i più comuni, il flusso incanalato viene fatto passare attraverso una piccola turbina idraulica la cui velocità di rotazione è proporzionale alla portata; un cinematismo meccanico provvede a far ruotare un indicatore su un quadrante, mostrando così la quantità di liquido passata. - Contatore a turbina: in alternativa la velocità di rotazione della turbina può venir misurata inserendo nella stessa un magnete che, in prossimità di apposito sensore, genera unea forza elettromotrice in un circuito esterno, per ogni giro effettuato (rotore assiale), correlandola alla portata volumetrica (funzionamento da trasduttore). - Contatori volumetrici: sono simili ad una pompa volumetrica, in cui il fluido passante riempie delle cavità di volume noto; con sistemi vari, il numero di cavità riempite viene contato fornendo così la quantità di fluido passato. 3 MISURE DI TEMPERATURA T : [INDUSTRIALI]: 3.1 SISTEMI VARI non elettrotermici Termometri bimetallici: sono composti da una lamina bimetallica (Me1/Me2) avvolta a spirale o elica, al termine di essa è connessa un asticina indicatrice. All aumentare della temperatura la lamina si incurva in maniera da consentire il maggiore allungamento del materiale più dilatabile. campot: 0 600 C basso costoscarsa precisione - non utilizzabili a distanza- Termometri a dilatazione di liquido: si basano sul principio della dilatazione di alcuni liquidi con l aumentare della temperatura. Lo strumento è costituito da un capillare terminante con un bulbo ripieno di liquido. Scaldando il bulbo il liquido sale nel capillare, dove è stata applicata una scala graduata per leggere la temperatura. campot: - 50 400 C Termometri a dilatazione di gas (azoto-elio,..): costituiti da un bulbo pieno di gas collegato tramite tubicino a un apparecchiatura a molla Bourdon (vedi oltre). campot: -50 600 C; - lettura anche a distanza -
3.2 TERMOCOPPIA (TC) Prof.A.Tonini Principio: quando due conduttori, diversi tra loro, ma ognuno omogeneo, sono uniti ad una estremità, e quest ultima è mantenuta a temperatura diversa, nel circuito così realizzato si manifesta una forza elettromotrice E funzione della temperatura. (Effetto Seebeck). Le TC misurano una differenza di temperatura tra 2 punti e non una temperatura assoluta. PROPRIETA Tensione termoelettrica elevata, con variazione abbastanza lineare in rapporto alla temperatura; Costanza della caratteristica termoelettrica nel tempo; Capacità di conservare invariate le caratteristiche termoelettriche in seguito a deformazioni meccaniche; Resistenza ad ambienti aggressivi, ossidanti o riducenti; Duttilità, onde poter ottenere anche dei fili sottili; Basso costo; Utilizzabilità anche ad alte temperature; Campo di T molto ampio. Non potendo riunire tutte queste caratteristiche in unica termocoppia, sono stati introdotte differenti tipi di termocoppie; vedi Tab. seguente: 3.3 TERMORESISTENZE (RTD) 3.4 TERMISTORI (NTC) Principio: dipendenza della resistenza elettrica di un conduttore dalla temperatura. La trasduzione della resistenza in tensione si realizza con un ponte di Wheatstone. Materiali: Platino, Nickel, Rame; Campo max di T : -200 750 C. (N.B.: filo avvolto in supporto di vetro-ceramica; RTD tipo a filo- a film metallico) Principio: variazione resistenza elettrica di semiconduttori in funzione della T; resistenza fatta da semiconduttore o ossido metallico (ad es. ossidi di Mn) campo -100 200 C basso costo- elevata sensibilità svantaggio autoriscaldamento 3.5 SENSORI INTEGRATI A SEMICONDUTTORI (IC) sensori di temperatura più complessi, IC sensor (Integrated Circuit sensor), che contengono specifici circuiti integrati. Principio: i sensori di temperatura integrati basano il loro funzionamento sulla proprietà dei semiconduttori, e in particolare delle giunzioni P-N e dei transistori, di variare il loro comportamento con la temperatura: [termoresistenze in silicio; giunzioni p n] basso range T:<150 C;basso costo;alto tempo risposta; fragili;
Prof.A.Tonini 3.6 PIROMETRI PRINCIPIO: è un tipo di termometro che misura l irraggiamento, e si basa sul fatto che ogni corpo portato ad una certa temperatura emette radiazioni, la cui intensità dipende dalla temperatura. Sono apparecchi di misura senza contatto. a)pirometro ottico (a filamento evanescente): l apparecchiatura consiste in un sistema con uno schermo su cui confrontare la radiazione visibile proveniente dal corpo e quella di una lampada campione a incandescenza in serie con un reostato. L'intensità luminosa della lampada viene fatta variare fino a coincidere con quella del corpo, quindi viene misurata la temperatura della stessa da un termometro a filamento accoppiato allo schermo che risulta alla stessa temperatura del corpo emettente. Sono strumenti utilizzati per misure di elevatissime temperature; possono fare le misurazioni senza contatto fisico, cioè misure a distanza; - range 373-3300 K elevato costo non molto preciso b)pirometro a radiazione totale: misura la temperatura d equilibrio alla quale si porta un assorbitore (con una termocoppia all interno) quando su di esso si fa incidere la radiazione termica totale proveniente dal corpo in esame. Uso: anche per T basse - misure a distanza - medio costo. c)pirometro a infrarossi: il principio di funzionamento è basato sull energia nello spettro infrarosso emessa da un oggetto. Questi strumenti, attraverso un ottica incorporata, raccolgono questa energia emessa dall oggetto e la focalizzano in uno speciale sensore che la trasforma in un segnale elettrico, successivamente amplificato e convertito in digitale e visualizzato. Campo T:-50 /1000 C; (N.B.: non è possibile effettuare la misura attraverso un vetro; da evitare l'esistenza di polvere o resti di umidità nella lente dello strumento o tra lo strumento e l'oggetto da misurare..) - misure a distanza elevato costo. SCHEMI DI PIROMETRI immagine a filamento evanescente. p.infrarossi
4 - MISURATORI DI PRESSIONE P : [INDUSTRIALI] CLASSIFICAZIONE di misuratori -sensori di pressione: Prof.A.Tonini 4.1) A LIVELLO DI LIQUIDO: variazione di altezza di liquido dovuta a p (principio di idrostatica h= p/γ). TUBI BAROMETRICI misura di pressioni assolute, relative, differenziali TIPI: Manometro (per pressioni assolute maggiori della pressione barometrica, ha lo zero alla pressione barometrica); Vuotometro o vacuometro (per pressioni assolute comprese tra il vuoto assoluto e la pressione barometrica, ha lo zero della scala che corrisponde al vuoto assoluto; misura la pressione residua.). Barometro (per la misura assoluta della pressione) ad U aperto a U chiuso (barometro) a tubo inclinato (più sensibile e preciso) a pozzetto USO nel campo delle basse pressioni relative, quasi esclusivamente per gas e vapori, come indicatori locali e non utilizzati in schemi di controllo automatico. 4.2) MECCANICI: deformazioni elastiche MANOMETRI A MOLLA BOURDON dispositivi basati sulla misura di deformazione di un elemento elastico (tubicino a spirale ad arco, a sez.ellittica) avente una estremità fissa collegata al fluido di misura, e l'altra estremità collegata a molla Bourdon membrana a soffietto a un indicatore; il tubicino si sposta per effetto dello sforzo di deformazione originato dalla pressione del fluido all interno; la misura dello spostamento dell'estremità dà una misura della pressione. Sono usati come indicatori locali, o accoppiati a trasduttori per misure a distanza. Campo:0,01/7000 bar, media sensibilità, poca accuratezza. MANOMETRI A MEMBRANA - DIAFRAMMA dispositivi basati sulla misura di deformazione di una membrana elastica collegata a opportuno indicatore, piatta o corrugata (per maggiori deformazioni e flessibilità), con eventuale molla di controspinta. In materiale metallico o gomma-plastica; se la molla di controspinta è sotto vuoto, misura pressioni assolute; per pressioni medio_basse <40bar, alta sensibilità. MANOMETRI A CAPSULA SOFFIETTO dispositivi basati sulla misura di deformazione di un contenitore flessibile, liscio o corrugato, collegato a opportuno indicatore. Per misure assolute, relative, differenziali (a due soffietti). per pressioni medio_alte. (Vedi anche appendice) ESEMPI DI MANOMETRI MECCANICI:
4.3) MISURATORI ELETTRICI -TRASDUTTORI Prof.A.Tonini A CELLA CAPACITIVA a membrane ceramiche sono basati sul principio della variazione della capacità (variazione di distanza tra armature di condensatore) dovuta alla deformazione indotta dalla pressione (con uso di ponte di Weatstone). Per p relativa/assoluta. Anche a doppia capacità per misure differenziali. Misure di p<600 bar. ESTENSIMETRI A METALLO (strain gauge) operano sul principio che un conduttore sottoposto a trazione o deformazione cambia la sua lunghezza ed il suo diametro e quindi anche la sua resistenza elettrica viene a variare; vengono applicati su membrane e diaframmi. Necessario l uso di ponte di Weatstone. Caratteristiche: - lamine metalliche o fili con spessori di pochi mm - resistenza di centinaia di ohm variabile con la deformazione - allungamento 0.2-5% - incollaggio con materiale isolante - adatti per i sensori più economici. PIEZORESISTENZE possono essere considerati varianti degli estensimetrici. Trasduttori piezoresistivi: il principio di misura si basa sull effetto piezoresistivo di semiconduttori (normalmente silicio), che sottoposti a sollecitazione meccanica esterna generano una variazione di resistenza elettrica. I campi di utilizzo sono per pressione assoluta, differenziale e relativa, in mezzo liquido e gassoso, nei settori industriale e biomedico, con forze statiche e dinamiche, campo di pressione medio/alto <1000 bar, basso costo, temperatura di impiego limitata. Trasduttori piezoelettrici Il principio di misura si basa sull effetto piezoelettrico di alcuni materiali, p.es.quarzo: il cristallo piezoelettrico sottoposto a sollecitazione meccanica genera una migrazione di cariche che con apposito circuito evidenzia una differenza di potenziale. I sensori piezoelettrici sono principalmente utilizzati per misure di pressione anche dinamiche costosi p<60bar. APPENDICE------------------------------ APPLICAZIONI VARIE:
da ABB- ktekcorp.com sinottico strumenti di misura di livello