Principi di misura del livello

Nelle industrie vengono utilizzati due tecniche di misura, scelte in base ai requisiti del processo: misura del livello continua o a punti. La differenza tra la misura del livello a punti o continua è che nella misura del livello a punti il rilevamento si effettua usando interruttori di livello che rilevano soltanto la presenza del livello in un determinato punto o in una posizione, quando il sensore rileva la presenza del livello, viene emesso un segnale con interruttore binario.

Nella misurazione continua del livello invece, un trasmettitore di livello misura costantemente il livello su un'estensione con intervallo tra 0 e 100%, con un output analogico proporzionale al livello misurato.

Solitamente, gli interruttori di livello vengono usati come dispositivi di sicurezza contro il troppo pieno e per evitare il funzionamento a secco delle le pompe in combinazione con trasmettitori di livello in continuo. Tuttavia, alcune applicazioni semplici di controllo possono essere eseguite anche solo con interruttori di livello.

Figura 1 – Misurazione del livello continua e a punti

Figura 2 – Radar a spazio libero (sinistra) e radar a onda guidata (destro)

Gli indicatori di livello radar sono indicatori di livello continuo per liquidi e solidi granulari che impiegano onde elettromagnetiche come metodo di misura. I misuratori di livello radar sono adatti a svariate applicazioni in tutti i settori. Ne sono un esempio i serbatoi di accumulo, i fiumi, i livelli del mare, le sostanze aggressive, i rifiuti chimici, lo stoccaggio del vino, l'acqua e le acque reflue, latte di calce, bitume, cemento e misurazione della portata nei canali aperti.

Per questo tipo di strumenti sono disponibili due metodi di valutazione: Time-of-Flight – ToF (tempo di volo) e Frequency Modulated Continuous Waves – FMCW (radar a onda continua modulata in frequenza). Nel metodo Time-of-Flight viene emesso un impulso elettromagnetico dal trasduttore dello strumento, l'impulso viaggia nell'aria, riflette la superficie della sostanza e ritorna allo strumento, il livello può essere valutato misurando il tempo che l'impulso impiega a tornare allo strumento.

Nel metodo FMCW invece, lo strumento emette onde elettromagnetiche con modulazione di frequenza continua, che viaggiano nell'aria e si riflettono sulla superficie della sostanza, i cambiamenti di livello provocano una variazione della frequenza. La differenza di frequenza tra il segnale emesso e quello riflesso è usata per stabilire il livello.

Un altro tipo di radar comunemente impiegato nelle industrie è il radar a onda guidata, che impiega il tempo di volo come metodo di misura, ma questa volta gli impulsi viaggiano sulla superficie del liquido con una sonda metallica come guida. Questo fa sì che il segnale si concentri su un'area più limitata, il che lo rende particolarmente interessante per le installazioni in spazi ristretti e con liquidi con ridotta costante dielettrica, come gli oli.

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Vantaggi degli indicatori di livello radar:

• Le tecnologie radar possono essere usate in solidi e liquidi
• La misurazione è indipendente dalle condizioni di processo come densità, temperatura, pressione e viscosità
• Misurazioni senza contatto, eccetto per radar a onde guidate
• Alta precisione e affidabilità rispetto ad altre tecnologie di misura del livello
• Possono resistere alle alte temperature e ai limiti di temperatura

Limiti degli indicatori di livello radar:

• È necessaria una costante dielettrica della sostanza per una misura affidabile
• Un'elevata turbolenza sulla superficie della sostanza può incidere sulla misurazione
• Le strutture interne alla cisterna, quali agitatori, interruttori di livello e bobine riscaldanti possono provocare interferenze
• Il radar a onda guidata non è raccomandabile in caso di sostanze vischiose
• Costo maggiore rispetto ad altre tecnologie

Gli indicatori di livello ad ultrasuoni sono strumenti di misura di livello continuo per liquidi e solidi che impiegano onde sonore ultrasoniche o, in altre parole, onde meccaniche ad alta frequenza come metodo di misura. Gli indicatori di livello ad ultrasuoni possono essere usati su diverse applicazioni, come la misura del livello nelle cisterne d'acqua sotterranee, cisterne di petrolio, pozzi, laghi, solidi granulari nei silos e nei cumuli di riserve e misurazione del flusso in canali aperti.

I trasmettitori di livello ad ultrasuoni usano il principio Time-of-Flight come metodo di valutazione, come i radar, ma questa volta, invece di usare le onde elettromagnetiche, impiegano onde sonore, che sono onde meccaniche. Lo strumento emette un impulso che viaggia nell'aria riflettendosi sulla superficie della sostanza e tornando allo strumento. Il livello può essere stabilito misurando il tempo necessario all'onda sonora emessa di tornare allo strumento.

Scopri gli indicatori di livello ad ultrasuoni

Figura 3 - Indicatori di livello ad ultrasuoni

Indicatori di livello ad ultrasuoni - vantaggi:

• Misurazione senza contatto
• Misurazione non dipendente dalla costante dielettrica del liquido, buona alternativa per gli oli
• Non influenzata dai cambiamenti di densità

Limiti dei misuratori di livello ad ultrasuoni:

• Non raccomandata per applicazioni con schiuma e superficie dei liquidi turbolenta
• Polvere vapore, condensa e variazioni della temperatura ambiente possono incidere sulla misura
• La forma irregolare all'interno del contenitore può provocare perdite di segnale
• Non applicabile su cisterne con presenza di vuoto
• Limiti di temperatura e pressione rispetto ad altre tecnologie

Figura 4 – Montaggio diretto (sinistra), sonda immergibile (destra)

Trasmettitori di pressione a montaggio diretto

Un dispositivo di misura della pressione relativa può essere montato in fondo o su cisterne letteralmente non pressurizzate per misurare il livello dei liquidi. Il livello è direttamente proporzionale alla pressione esercitata dalla colonna di liquido sopra il sensore, in linea di massima, 100 mbar equivalgono a 1 metro di colonna d'acqua. È importante considerare che diversi liquidi hanno diversi valori di densità, pertanto, la relazione tra pressione e livello può essere diversa.

Trova i dispositivi di misura della pressione relativa qui

Sonde immergibili

Nelle situazioni in cui non è possibile montare un trasmettitore di pressione nel serbatoio o in una cisterna sotterranea, è possibile usare una sonda di livello immergibile, nota anche come trasmettitore di pressione idrostatica, seguendo lo stesso principio di misura. Il trasmettitore di pressione ora è posizionato internamente al serbatoio, immerso nel liquido.

Vai ai dispositivi di misura della pressione idrostatica

Sulle cisterne pressurizzate, per misurare il livello del liquido con un trasmettitore di pressione, è necessario compensare la pressione in testa della cisterna in modo tale che non incida sulla misurazione della pressione idrostatica. Si può effettuare con un trasmettitore di pressione differenziale.

Il trasmettitore di pressione differenziale è costruito in modo tale da poter misurare la differenza di pressione tra due punti. Un punto di misura viene preso sul fondo della cisterna, per rilevare la pressione idrostatica sommata alla pressione di testa, l'altro punto di misura è preso sulla parte superiore del serbatoio, per rilevare soltanto la pressione di testa. Lo strumento può quindi compensare la pressione di testa, dando come risultato soltanto la pressione idrostatica. Un'altra soluzione in questo scenario consiste nell'usare due dispositivi di misura della pressione relativa separati, però il calcolo della compensazione in questo caso si farebbe esternamente, dal sistema di controllo.

Figura 5 – Misura di livello con trasmettitore di pressione differenziale

Misura di livello con trasmettitore di pressione differenziale - vantaggi:

• Soluzione semplice ed economica per misurare il livello
• Metodo di misura ben noto
• Misura precisa e affidabile

Misura di livello con trasmettitori di pressione differenziale - limiti:

• Applicabile soltanto ai liquidi
• Le alterazioni di temperatura incidono sulla densità dei liquidi, influenzando la precisione di misura
• Il contatto diretto con il liquido o le sostanze aggressive potrebbero richiedere l'uso di accessori aggiuntivi, come vasi sigillanti
• Non raccomandato per liquidi altamente viscosi
• Gli agitatori possono provocare impulsi di pressione che incidono sulla misurazione

Figura 6 – Misuratore di livello laser

Vantaggi degli indicatori di livello laser:

• Angolo del raggio stretto
• Il trasmettitore laser può anche essere montato ovunque sul coperchio del serbatoio, anche lungo il muro del serbatoio
• Sono raggiungibili frequenze di aggiornamento molto elevate
• Le tecnologie laser possono essere usate in solidi e liquidi
• Le misurazioni non sono condizionate dalla densità del materiale o dalla costante dielettrica

Indicatori di livello laser - limiti:

• La polvere in sospensione può interferire con il raggio laser
• Non raccomandati per le applicazioni in cui potrebbe formarsi schiuma
• Non adatti ai liquidi trasparenti

I misuratori di livello capacitivi sono usati per la misurazione continua di livello di liquidi. Essendo strumenti semplici, affidabili ed economici rispetto ad altre tecnologie, i misuratori di livello capacitivi possono essere una buona soluzione per la misurazione del livello di acqua, oli e acidi.

I misuratori di livello capacitivi, come suggerisce il nome, funzionano sulla base del principio di capacità. La sonda dello strumento e le pareti del serbatoio formano un capacitore, la variazione del livello cambia la capacità di questo capacitore così formato. L'elettronica dello strumento può quindi mettere in relazione il valore di capacità al livello del liquido. In uno scenario in cui il serbatoio è realizzato in materiale non conduttivo, come la plastica, è necessario usare una sonda di terra, alcuni modelli di trasmettitori di livello capacitivi possono avere una sonda di terra per questo scopo.

Scopri i misuratori di livello capacitivi

Video 1: Nozioni di base sulla misura di livello capacitiva (inglese)

Misuratori di livello capacitivi - vantaggi:

• Adatti a liquidi conduttivi e non conduttivi
• Misurazione dell'interfaccia liquida
• Tecnologia conveniente
• Disponibilità di modelli speciali per le sostanze viscose

Misuratori di livello capacitivi - limiti:

• Tecnologia intrusiva
• L'installazione in serbatoi di plastica richiede l'uso di una sonda di terra
• Le alterazioni sulla costante dielettrica della sostanza possono incidere sulla misurazione

Misuratori di livello capacitivi - vantaggi:

• I Misuratori di livello capacitivi sono disponibili per solidi e liquidi
• Tecnologia conveniente
• Disponibilità di modelli speciali per le sostanze viscose

Misuratori di livello capacitivi - limiti:

• Tecnologia intrusiva
• L'installazione in serbatoi di plastica richiede l'uso di una sonda di terra
• Per i solidi è necessaria una minima costante dielettrica

Video 2: Fondamenti della misura di livello vibronica (inglese)

Gli interruttori di livello a vibrazione sono strumenti usati per il rilevamento del livello in un punto per i liquidi e i solidi granulari, essendo una delle soluzioni più diffuse e affidabili per la misurazione del livello in un punto per diverse branche industriali, come quella alimentare e delle bevande, l'industria farmaceutica, chimica e petrolchimica.

Gli interruttori di livello a vibrazioni funzionano sulla base della frequenza di risonanza di un diapason, un motore eccita il diapason alla sua frequenza di risonanza, non appena il diapason viene coperto dal liquido, il liquido ammortizza l'oscillazione, con uno scostamento della frequenza di risonanza. L'elettronica del dispositivo è in grado di rilevare il cambiamento di frequenza, pertanto viene rilevata la presenza del liquido.

Sugli interruttori di livello a vibrazione per i solidi granulari, il funzionamento è molto simile, ma questa volta viene monitorata l'ampiezza delle oscillazioni, non più la frequenza. La presenza di materiale sfuso cambierà l'ampiezza di oscillazione rilevata dall'elettronica dello strumento.

Trova gli interruttori di livello a vibrazione qui

Interruttori di livello a vibrazione - vantaggi:

• Gli interruttori di livello a vibrazione sono compatti e facili da installare
• Non sono necessari interventi di manutenzione
• Non sono condizionati dalle proprietà dei liquidi, quali conduttività, densità, pressione e temperatura
• Sono adatti per applicazioni con turbolenza nei fluidi, schiuma o bolle
• Opzioni rivestite per la compatibilità con sostanze chimiche

Interruttori di livello a vibrazione – limiti:

• Metodo intrusivo
• Non raccomandabili per sostanze vischiosi con forte tendenza ad accumuli

Gli interruttori di livello conduttivi vengono usati per il rilevamento del livello in un punto di liquidi e rappresentano un metodo conveniente, soprattutto per le applicazioni semplici, come il controllo di livello a due punti delle cisterne e dei serbatoi dell’acqua, con protezione dal funzionamento a secco della pompa.

In poche parole, un interruttore di livello conduttivo consiste in una sonda di terra e una o più sonde di rilevamento. Una tensione AC viene applicata alla sonda di terra e alle sonde di rilevamento. Non appena il liquido copre sia la sonda di terra che la sonda di rilevamento, si forma un circuito elettrico. L’elettronica del dispositivo rileva una corrente elettrica che scorre attraverso questo circuito; così, viene rilevato il livello.

Sui serbatoi di metallo, il serbatoio stesso può essere usato come sonda di terra, nel qual caso si può usare un rilevatore di livello a sonda singola.

La tensione AC previene la corrosione e la distruzione elettrolitica delle sonde. La tensione applicata è totalmente innocua e non c’è rischio di scossa elettrica se le sonde vengono toccate.

Agli interruttori di livello conduttivi

Figura 7 – Interruttori di livello conduttivi

Benefici degli interruttori di livello conduttivi:

• Soluzione semplice ed economica per il rilevamento di punti
• La sonda può essere tagliata a qualsiasi lunghezza, a seconda del modello
• Punti di rilevamento multipli, a seconda del modello

Limiti per interruttori di livello conduttivi:

• Funziona solo con liquidi conduttivi
• Limiti di temperatura e pressione

Figura 8 – Interruttori di livello a pala

Gli interruttori di livello a pala sono indicatori di livello progettati per il rilevamento di livello a punti di solidi granulari, come cereali, zucchero, gesso, polveri, trucioli e altro. A seconda della densità della sostanza è possibile selezionare diverse forme delle pale.

L’interruttore di livello a pala è composto da un motore elettronico che fa girare le pale in modo indeterminato, non appena la pala inizia a essere coperta da solidi, arresta il motore e l’elettronica dello strumento è in grado di rilevare la presenza del livello.

Esplora gli interruttori di livello a pala

Interruttori di livello a pala – vantaggi

• Design e funzionamento semplici
• Adatti a diverse dimensioni e densità dei grani
• Indipendenti dalle proprietà elettriche del materiale

Interruttori di livello a pala – limiti

• Applicabili soltanto ai solidi
• Le parti in movimento possono usurarsi nel tempo
• Metodo intrusivo

Gli interruttori a galleggiante sono tra gli strumenti più semplici per misurare il livello a punti dei liquidi, in quanto sono una soluzione conveniente economicamente per applicazioni semplici, come per esempio il controllo delle pompe sulle cisterne d'acqua. Gli interruttori a galleggiante possono avere design e principi di funzionamento diversi a seconda del fabbricante e del modello, ma hanno tutti un elemento in comune: un corpo flottante.

In una delle sue versioni più semplici, un corpo flottante realizzato in materiale plastico ha una sfera metallica a movimento libero internamente, che agisce chiudendo e aprendo i contatti elettrici. Quando non c'è liquido, il galleggiante punta verso il basso, mentre quando c'è liquido punta in alto. La sfera metallica segue questo movimento, facendo scattare i contatti elettrici.

Scopri gli interruttori a galleggiante

Figura 9 - Funzionamento di un interruttore a galleggiante

Interruttori a galleggiante - vantaggi:

• Soluzione conveniente a livello economico
• Facile installazione e messa in servizio
• I modelli base non richiedono un alimentatore

Interruttori di livello a galleggiante - limiti:

• Metodo intrusivo
• Adatti solo ai liquidi
• Solitamente sono costruiti con materiali semplici che possono usurarsi nel tempo o reagire con alcuni liquidi
• Non raccomandabili per sostanze vischiosi con forte tendenza ad accumuli
• Limiti di temperatura e pressione

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