Principi di misura della portata

Che cos'è la misura della portata?

Tipi di misuratori di portata

Misuratori di portata magnetico-induttivi

Misuratori di portata a effetto Coriolis

Misuratori di portata a ultrasuoni

Misuratori di portata termici

Misuratori di portata a turbina

Misuratori di portata a vortice (Vortex)

Misuratori di portata a pressione differenziale

Misuratori di portata ad area variabile

Come si sceglie un misuratore di portata?

1) Qual è il liquido da misurare?

2) Quali sono le condizioni di processo?

3) Dove sarà installato il misuratore di portata?

4) Quali sono le condizioni ambientali?

5) Qual è il livello di performance richiesto per i misuratori di portata?

6) Quali sono gli investimenti in programma?

Sono necessarie ulteriori informazioni sui misuratori di portata?

Che cos'è la misura della portata?

La misura della portata è il processo che quantifica la portata di una particolare sostanza. Il flusso di liquidi e gas, ad esempio, è una delle variabili solitamente più misurate nell'industria della lavorazione. Si usa in diversi settori per diversi scopi, dal controllo delle variabili secondarie, come il riscaldamento tramite il controllo del flusso di vapore, fino al monitoraggio dei consumi e alla fatturazione. In breve, la portata può essere definita come il volume o la massa divisa per un periodo di tempo.

Nel linguaggio matematica, può essere rappresentata come segue:

Portata (Q) = massa (kg) ÷ tempo (s)

Portata volumetrica (Q) = volume (m³) ÷ tempo (s)

Le unità del SI per misurare la portata massica e volumetrica sono rispettivamente kg/s e m³/s, ma nella pratica si possono utilizzare unità diverse, come kg/h, ton/h per la portata massica e l/min o m3/h per la portata volumetrica.

È anche possibile stabilire la portata volumetrica in un tubo o condotto se si conosce la velocità del fluido e l'area a sezione trasversale del tubo, dove:

Portata volumetrica (Q) = area (m²) ∙ velocità (m/s)

Il risultato di questa equazione è la portata nell'unità di misura SI (sistema internazionale) m³/s.

Se la densità del liquido è nota e costante, è possibile ottenere la portata massica moltiplicandola per la portata volumetrica.

Portata massica (Q) = portata volumetrica (m³/s) ∙ densità (kg/m³)

Il risultato di questa equazione è la portata massica nell'unità SI in kg/s.

Nel caso di misurazioni della portata volumetrica dei gas, le particelle dei gas hanno legami intermolecolari più deboli dei liquidi, visto che la loro densità è soggetta ad alterazioni dovute alle oscillazioni di pressione e temperatura. Per un confronto diretto, spesso le portate volumetriche sono corrette a una condizione di riferimento di temperatura e pressione. Le condizioni di riferimento maggiormente utilizzate sono 0°C (32°F) e 1 bar (100 kPa) definite da IUPAC e 20°C (68°F) e 1013.24 mbar (101.325 kPa) definite dal NIST. Nella misurazione della portata massica dei gas, non è necessaria alcuna compensazione, in quanto la massa è indipendente dalle oscillazioni di temperatura e pressione.

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Tipi di misuratori di portata

La maggior parte dei principi legati alla misurazione della portata è basata sulla fluidodinamica o sulle caratteristiche dei fluidi, ad esempio termiche, acustiche ed elettromagnetiche, con portate misurate direttamente o calcolate indirettamente dalle altre grandezze misurate. Viste le proprietà fisiche di liquidi e gas, spesso la misurazione della portata volumetrica di liquidi e gas viene considerata separatamente. A seconda dei requisiti dell'applicazione, si distingue tra misurazione della portata volumetrica e misurazione della portata massica. A seconda dei principi di misurazione, i misuratori di portata possono essere installati in diversi modi: in linea, a inserzione o a morsetto clamp.

Misuratori di portata magnetico-induttivi

I misuratori di portata magnetico-induttivi agiscono sulla base della legge di Faraday sull'elettromagnetismo, in quanto solitamente si usano per misurare il flusso volumetrico di liquidi conduttivi, come acqua, sostanze chimiche o bevande, in diversi settori industriali. Il corpo di misura, non ostruito, in sostanza non provoca perdite di pressione, il che lo rende una valida scelta quando si misurano sostanze viscose dense, inoltre, grazie al materiale speciale e al suo design, può anche essere usato per liquidi corrosivi e abrasivi.

I misuratori di portata magnetico-induttivi sono composti da due bobine installate sui lati opposti del tubo di misura, in modo da creare un campo magnetico. Quando il liquido passa attraverso il campo, induce una tensione, che viene misurata da una coppia di elettrodi. La tensione indotta è direttamente proporzionale alla velocità del flusso. Visto il principio di misura applicato, i misuratori di portata magnetico-induttivi possono misurare soltanto liquidi conduttivi, non sono invece adatti ai liquidi non conduttivi, come oli, idrocarburi o acqua demineralizzata, pura o distillata.

Vai ai misuratori di portata magnetico-induttivi

Video 1: Panoramica del principio di misura del flusso elettromagnetico

Misuratori di portata magnetico-induttivi - vantaggi:

Alta precisione
Facile messa in servizio
Nessuna perdita di pressione
Ampia scelta di misure a disposizione
Misurazione del flusso bidirezionale

Misuratori di portata magnetico-induttivi - limiti:

Sono adatti solo ai liquidi conduttivi
Non sono adatti alle alte temperature

Misuratori di portata a effetto Coriolis

I misuratori di portata a effetto Coriolis sono tra i misuratori di portata più versatili, avanzati e precisi a disposizione, funzionano sulla base dell'effetto Coriolis sviluppato la prima volta dallo scienziato francese Gaspard-Gustave de Coriolis nel 1835. I misuratori di portata a effetto Coriolis sono in grado di misurare portata massica, densità e temperatura e possono anche calcolare altre variabili, come la portata volumetrica, la concentrazione e la viscosità. Spesso si usano in applicazioni che richiedono alta precisione e affidabilità, ad esempio nelle applicazioni di dosaggio nel settore alimentare e delle bevande e nell'industria farmaceutica, oppure per la misura fiscale nell'industria chimica, petrolifera e del gas.

Video 2: Panoramica del principio di misura del flusso a effetto Coriolis

I misuratori di portata a effetto Coriolis possono avere design diversi a seconda del fabbricante e del modello, ma seguono comunque lo stesso principio di base: una bobina primaria eccita il tubo su una frequenza risonante, mentre una coppia di sensori installati nell'ingresso e nell'uscita del tubo misura la frequenza del tubo oscillante. Quando non c'è flusso, le due estremità del tubo oscillano in modo sincrono. Non appena è presente flusso nel tubo, per via del movimento del tubo provocato dalla bobina, il movimento del fluido impone una torsione alternante nel tubo e i due sensori rilevano uno spostamento di fase nel movimento delle due estremità del tubo. Il flusso di massa è quindi proporzionale alla differenza temporale tra le risposte dei sensori di ingresso e di uscita.

La frequenza di risonanza del tubo dipende dalla densità del fluido: quanto maggiore è la densità tanto minore sarà la frequenza di risonanza. Tenuto conto di questa proprietà, i misuratori di portata a effetto Coriolis misureranno con precisione anche la densità del liquido e, con la densità misurata è anche possibile calcolare il flusso volumetrico. Un sensore della temperatura integrato aiuta il misuratore di portata a effetto Coriolis di calcolare valori di concentrazione specifici come Brix, Plato, Baumé e API.

Questa tecnologia avanzata ha un costo elevato rispetto ad altre tecnologie, ma si tratta di un investimento che ritorna nel tempo grazie all'aumento della precisione e della produttività che questo tipo di dispositivo è in grado di garantire.

Misuratori di portata a effetto Coriolis - vantaggi:

Una delle tecnologie più precise
Misuratori di portata di liquidi e gas
Misurazioni multivariabili
Per temperature estreme e condizioni di processo sotto pressione
Misurazione del flusso bidirezionale

Misuratori di portata Coriolis - limiti:

Elevati costi di investimento iniziali
Perdita di pressione a seconda del design del tubo

Misuratori di portata a ultrasuoni

I misuratori di portata a ultrasuoni sono misuratori di portata volumetrici, solitamente con forma costruttiva a morsetto clamp, installati esternamente nella parete del tubo, senza contatto con le sostanze misurate. L'applicazione più comune di questo tipo di misuratore di portata è la misurazione dell'acqua, soprattutto in tubi grandi, dove altre tecnologie diventano costose. Si sono diffusi anche nel settore dell'acqua e delle acque reflue, ma anche in altre applicazioni, mentre alcuni modelli sono stati progettati per misurare i gas. Sono disponibili due tecnologie sul mercato: a tempo di transito ed ad effetto doppler, a seconda del produttore e del modello.

Il metodo con effetto doppler richiede la presenza di particelle o bolle nel liquido. Un trasduttore emette un segnale a ultrasuoni che viene riflesso nella particella o nelle bolle, con ritorno a una frequenza diversa da quella emessa originariamente. Questo spostamento di frequenza è proporzionale alla velocità del flusso.

Figura 1 – Metodo con effetto doppler

Video 2: Panoramica del principio di misura del flusso a ultrasuoni

Il metodo del tempo di transito è la versione più comune. Impiega una o più coppie di sensori. Ogni sensore produce, e quindi riceve, il segnale a ultrasuoni che proviene dall'altro sensore. Lo spostamento del liquido nel tubo cambia il tempo necessario al segnale per transitare tra i sensori, proporzionale alla velocità del flusso.

I misuratori di portata a ultrasuoni possono essere validi alternativi ai misuratori di portata elettromagnetici, ad esempio per le sostanze non conduttive o in caso di tubi con diametri maggiori. Dato che i sensori dei misuratori di portata a ultrasuoni a morsetto clamp non entrano in contatto con le sostanze, possono essere una valida scelta per i liquidi corrosivi e le linee ad alta pressione. Inoltre, spesso sono usati per il retrofit senza interrompere un processo in corso, o come misuratore portatile per le misurazioni temporanee, ad esempio per l'auditing o la convalida della portata.

Misuratori di portata a ultrasuoni - vantaggi:

Indipendenti dalla conduttività, viscosità o pressione del fluido
Nessuna perdita di pressione
Versione a morsetto clamp: una soluzione non invasiva ed economica per tubi di grandi dimensioni

Limiti dei misuratori di portata a ultrasuoni:

Sono necessari lunghe sequenze di ingresso e uscita
Sensibili ai liquidi bifase

Misuratori di portata termici

I misuratori di portata termici lavorano sulla base del principio di dispersione termica, noto anche come la Legge di King, secondo la quale un fluido in movimento porta via il calore da una fonte di calore. Questo tipo di misuratore di portata viene usato solitamente come misuratore dell'aria compressa e anche per diversi tipi di gas, per il fatto di essere una tecnologia affidabile ma economica rispetto ad altri misuratori di portata, come quello a effetto Coriolis.

La struttura dei misuratori di portata termici può variare a seconda del fabbricante, in linea di massima però comprende due sensori di temperatura. Uno agisce come sensore di riferimento e misura la temperatura del liquido, mentre il secondo è riscaldato da una corrente elettrica: si crea così una differenza di temperatura costante tra il sensore di riferimento e il sensore riscaldato. Non appena è presente il flusso nel tubo, una parte del calore viene portata via dal liquido, raffreddando l'elemento riscaldato. L'elettronica poi fornirà più corrente al sensore riscaldato, garantendo così che la differenza di temperatura rimanga costante. La portata massica può essere quindi calcolata sulla base del consumo di corrente del sensore riscaldato.

Video 4: Panoramica del principio di misura del flusso termico

Le proprietà termiche del liquido devono essere note al trasmettitore di flusso, in quanto cambiano a seconda del liquido e incidono sulla misurazione. I gas maggiormente utilizzati nei diversi settori sono già pre-configurati sulla maggior parte dei misuratori di portata termici.

Sono disponibili due design di base per i misuratori di portata termici: a inserzione e in linea. La versione a inserzione solitamente è utilizzata per i tubi più grandi, dove il sensore viene inserito direttamente nel tubo.

Misuratori di portata termici - vantaggi:

Misurazione della portata massica diretta
Perdita di pressione trascurabile
Il tipo a inserzione può essere conveniente con i tubi grandi

Misuratori di portata termici - limitazioni:

Soggetti a imprecisioni per via dell'umidità del gas
Soggetti a imprecisioni per via delle alterazioni nella composizione dei gas

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Misuratori di portata a turbina

Video 5: Panoramica del principio di misura della portata a turbina

I misuratori di portata a turbina sono misuratori di portata volumetrica e sono una delle tecnologie di misura più note. I misuratori di portata a turbina possono essere usati per la misura della portata volumetrica di liquidi e gas, rappresentano quindi una valida alternativa quando si lavora con liquidi non conduttivi, come gli oli.

I misuratori di portata a turbina hanno un principio di funzionamento relativamente semplice, composto da un rotore con pale montate su un cuscinetto, supportato all'interno da un mandrino centrale. Quando è presente il flusso nel tubo, l'energia cinetica del liquido fa girare il rotore. Il movimento delle pale è rilevato da un sensore di movimento che produce impulsi elettronici che corrispondono alla grandezza volumetrica. La portata volumetrica è quindi proporzionale alla frequenza degli impulsi.

I misuratori di portata con ruota a pale, noti anche come misuratori di portata a girante, spesso sono considerati varianti dei misuratori di portata a turbina, utilizzati comunemente per le applicazioni semplici, come la misurazione della portata dell'acqua. Al posto delle turbine, i misuratori della portata sono dotati di ruota a pale che gira spinta dalla forza del liquido in movimento. I giri della ruota a pale sono proporzionali alla portata. Il movimento delle pale è rilevato da un sensore di movimento che produce impulsi elettronici che corrispondono alla grandezza volumetrica. Sui modelli più semplici, la ruota a pale muove una serie di ingranaggi che girando fanno avanzare il contatore. In questa versione, si tratta di strumenti completamente meccanici che non richiedono alimentazione elettrica.

Figura 2 - Misuratori di portata massica termici

Figura 2 - Misuratore di portata a pale

Misuratore di portata a turbina - vantaggi:

Alta precisione e riproducibilità
Indipendente dalla conduttività del liquido
Struttura semplice e prezzo contenuto

Misuratori di portata a turbina - limitazioni:

Perdita di pressione
Le parti in movimento possono usurarsi nel tempo
Limitazioni derivanti dalla viscosità del liquido

Misuratori di portata a vortice

Video 6: Panoramica del principio di misura della portata a vortice (Vortex)

I misuratori di portata a vortice (Vortex) sono misuratori di portata volumetrici con una vasta gamma di applicazioni, dalla misurazione della portata dell'acqua a quella del gas. Tuttavia, vista la loro resistenza ad alte temperature e pressioni, sono ampiamenti diffusi nelle applicazioni di misura della portata del vapore, che è l'applicazione più comune per questo tipo di misuratore di portata.

I misuratori di portata a vortice (Vortex) funzionano sulla base del principio della scia vorticosa, laddove un flusso di liquido supera un ostacolo, noto come corpo tozzo, creando zone di bassa pressione dietro il corpo tozzo e formando vortici sparsi sui due lati del corpo tozzo. Un sensore installato a valle del corpo tozzo misura la frequenza in cui si formano i vortici, quindi la velocità del flusso e la portata volumetrica sono proporzionali alla frequenza in cui si verificano i vortici.

I misuratori di portata a vortice (Vortex) possono misurare la portata di liquidi e gas. Tuttavia, è necessaria una minima velocità di flusso affinché si possano formare vortici. I misuratori di flusso a vortice (Vortex) sono misuratori di flusso volumetrici, se abbinati a sensori di temperatura e pressione, possono calcolare il flusso di massa di gas e vapore. Alcuni modelli hanno anche sensori di temperatura e pressione integrati.

Misuratori di portata a vortice (Vortex) - vantaggi:

Soluzione conveniente e affidabile per misurare il vapore
Resistenza alle alte temperature
Indipendente dalla conduttività del liquido

Misuratori di portata a vortice (Vortex) - limiti:

Non adatti per liquidi altamente viscosi
Diametri limitati dei tubi
Richiedono un minimo di velocità di flusso
Misurazione della direzione di flusso monodirezionale

Misuratori di portata a pressione differenziale

I misuratori della portata a pressione differenziale, comunemente denominati misuratori DP impiegano una delle tecnologie di misura più comuni, adatte alla misurazione della portata volumetrica di liquidi, gas e vapore. Impiegano la differenza di pressione indotta da elementi primari, quali piastre forate, ugelli, tubi di Venturi, tubi di Pitot, ecc. Un'area di applicazione primaria è la misura del vapore e della condensa ad alte temperature. I tubi di Pitot sono più adatti per le situazioni in cui è necessario evitare perdite di pressione o per tubi di grande diametro.

Gli elementi primari restrittivi, come le piastre forate e i tubi di Venturi, provocano un crollo della pressione nella linea. Misurando la pressione prima e dopo la restrizione è possibile stabilire la portata volumetrica. Possono essere usate forme e tipi diversi di elementi primari restrittivi a seconda delle applicazioni. Il tipo più comune è la piastra forata, che ha anche forme e design diversi.

Figura 3 – Misuratore di portata a pressione differenziale con piastra forata

Figura 4 – Flussimetro a tubo di Pitot

Gli elementi primari a inserzione, come i tubi di Pitot, misurano la pressione dinamica. È la somma della pressione statica di linea più la pressione esercitata dal movimento del liquido contro l'elemento sensore, mentre si esegue una misurazione separata soltanto della pressione statica. La velocità del flusso e la portata volumetrica possono essere calcolate sulla base della differenza di pressione tra i due punti di misura.

A causa del suo design, anche gli elementi primari di tipo a inserzione provocano perdite di pressione. Ad ogni modo è inferiore della perdita di pressione provocata da una piastra forata, ad esempio.

Misuratori di portata a pressione differenziale - vantaggi:

Costo minore rispetto ad altre tecnologie
Misura di liquidi, gas e vapore
Alte temperature e resistenza alla pressione
Elementi primari robusti senza parti in movimento

Misuratori di portata a pressione differenziale - limiti:

Perdita di pressione
L'installazione può essere più complessa rispetto alle altre tecnologie
Precisione minore rispetto ad altre tecnologie

Misuratori di portata ad area variabile

I misuratori di portata ad area variabili, anche noti come flussimetri a galleggiante o rotametri, sono misuratori di portata volumetrici con una costruzione relativamente semplice e un costo ridotto, adatti alla misurazione della portata di gas e liquidi. I flussimetri ad area variabile sono impiegati per un semplice monitoraggio del flusso per via del loro costo ridotto, soprattutto nelle versioni con tubi di vetro affusolato con scala, dove è necessaria soltanto un'indicazione locale. I misuratori di portata ad area variabile sono particolarmente adatti per misurare il flusso all'estremità inferiore di una scala volumetrica.

I misuratori di portata ad area variabile sono composti da un tubo verticale in materiale trasparente, come il vetro, con diametro che si allarga progressivamente, e un galleggiante in vetro o metallo. In breve, il flusso di liquido esercita una forza contro il galleggiante, spingendolo verso l'alto e, a causa della forza gravitazionale, il peso del galleggiante e il design affusolato del tubo consentono di raggiungere un equilibrio nel sistema, per cui il galleggiante rimane fermo in una posizione fissa, indicando la portata della corrente. La posizione del galleggiante è visibile su una scala che indica la portata, mentre i modelli più avanzati sono dotati di sensore integrato che rileva la posizione del galleggiante e trasmette un segnale elettrico proporzionale, ad es. 4-20 mA.

Vista la diversità tra fluidi, esistono diverse forme e design di tubo e galleggiante, con diversi materiali, che vanno scelti in base all'applicazione, altrimenti le prestazioni e il funzionamento del dispositivo potrebbero risultare compromessi.

Figura 5 – Misuratori di portata ad area variabile

Misuratori di portata ad area variabile - vantaggi

Misuratore di portata economico con design semplificato
Non è necessaria un'alimentazione elettrica ausiliaria
Ridotta perdita di pressione
Adatto per applicazioni con portata ridotta

Misuratori di portata ad area variabile - limiti:

Precisione limitata
Non adatti per liquidi con contenuto solido o per liquidi sporchi

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Come si sceglie un misuratore di portata?

Le diverse forme e design, le tecnologie e la varietà di applicazioni possono rendere complicata la scelta del misuratore di portata, oltretutto condizionata da una serie di fattori.

Innanzitutto è importante comprendere il problema di misura o il compito di misura, in altre parole il motivo per cui è necessario un misuratore di portata. Tra le operazioni tipiche vi sono: monitoraggio, controllo, dosaggio o riempimento, batching e commutazione. Diversi requisiti di un misuratore di portata possono essere derivati da un compito specifico, ad esempio, le applicazioni di batching richiedono alta precisione e speciali funzioni batch. Per le operazioni di controllo sono accettati cali di precisione, ma è necessaria un'elevata ripetibilità della misura.

Dopo avere definito l'operazione di misura, le seguenti considerazioni di base o requisiti saranno determinanti per la scelta del misuratore di portata:

1) Qual è il liquido da misurare?	La scelta del misuratore di portata si basa sopratutto sul liquido che deve essere misurato. Alcune tecnologie avranno migliori prestazioni rispetto ad altre in base al tipo di fluido, mentre altre non funzioneranno per niente con alcuni liquidi, ad esempio, i misuratori di portata elettromagnetici non sono adatti a misurare la portata dei gas. Tenendo conto di questo, è importante verificare che la tecnologia del misuratore di portata sia compatibile con l'applicazione.
2) Quali sono le condizioni di processo?	È importante comprendere le condizioni di processo dove sarà installato il misuratore di portata, come: portata prevista, temperatura di processo e pressione di processo. Il misuratore di portata deve avere dimensioni conformi a queste condizioni per garantire buone performance e durata.
3) Dove sarà installato il misuratore di portata?	Anche le condizioni di installazione possono essere un fattore da considerare quando si sceglie un misuratore di portata. È importante conoscere il diametro del tubo, il collegamento di processo, il tipo di presa e di connettore come anche la presenza di fonti di alterazione del flusso, come valvole di controllo, raccordi, pompe, ecc.
4) Quali sono le condizioni ambientali?	Vale la pena sapere se il misuratore di portata sarà installato in un punto accessibile dove gli operatori possano raggiungerlo facilmente. La temperatura ambiente, l'umidità e l'esposizione alle intemperie sono altre condizioni da considerare.
5) Qual è il livello di performance richiesto per i misuratori di portata?	A seconda dell'applicazione, cambiano i livelli di performance necessari. Comprendendo i requisiti di un processo, è possibile scegliere una tecnologia del misuratore di portata con livelli di performance compatibili.
6) Quali sono gli investimenti in programma?	I costi di investimento iniziali, le caratteristiche del misuratore di portata, i costi di manutenzione e i costi di taratura vanno considerati quando si sceglie un misuratore di portata. Un misuratore di portata più economico con componenti a basso costo potrebbe risultare costoso a lungo termine per via degli interventi di manutenzione e della ri-taratura richiesta.

Sono necessarie ulteriori informazioni sui misuratori di portata?

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