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Misurare il flusso correttamente e interpretare i dati di misurazione

Grazie alla divisione aziendale Pewatron, il gruppo Angst + Pfister offre un ampio portafoglio di prodotti nei comparti della sensoristica e dell’energia. È in grado, ad esempio, di realizzare soluzioni individuali di sensori per la misurazione di flusso, per quasi tutte le tipologie di misurazione (gas, liquidi) e con diverse tecnologie (termica, a pressione, a ultrasuoni, diretta).

 

Un’attività di misurazione ricorrente nella medicina o nell’industria è la misurazione della portata volumetrica o massica, che dipende dall’applicazione usata e dal modo in cui si interpretano i dati misurati.

Come spesso accade nella tecnologia o nella vita di tutti i giorni, un compito può essere eseguito in diversi modi. L’esempio della misurazione del flusso mostra quanto sia importante scegliere l’approccio giusto fin dall’inizio. I metodi più comunemente usati per misurare il flusso sono per lo più due: il primo prevede la misurazione tramite una pressione differenziale; il secondo, la misurazione della portata sulla base del principio termico. Esistono anche altri metodi altrettanto validi, ma dal carattere piuttosto marginale. Il presente articolo prende in considerazione principalmente i fluidi gassosi. Molti aspetti relativi a questi fluidi si riscontrano anche nei liquidi, altri devono essere invece considerati separatamente.In primo luogo, bisogna considerare la differenza tra portata volumetrica e portata massica. Nel caso della portata massica (anche detta flusso massico), si misura il numero di molecole, per il flusso volumetrico lo spazio occupato dalle molecole. Poiché i gas sono comprimibili, il flusso volumetrico può cambiare in modo significativo in seguito a variazioni di temperatura e pressione. L’equazione di stato dei gas perfetti (pV = nRT) descrive questo rapporto, che si può illustrare chiaramente con un esempio con due pistoni.

 

Perché il flusso massico è il più preciso

La modalità più esatta per calcolare una portata massica è la misurazione diretta del flusso massico. Altri metodi prevedono il calcolo del flusso attraverso la pressione differenziale, la portata volumetrica o la velocità del flusso. Tuttavia, dipendendo dalla pressione e dalla temperatura, questi metodi devono poi essere corretti. Se la grandezza che si vuole misurare è il flusso massico, la misurazione solitamente più accurata è dunque quella diretta. Questa misurazione diretta avviene sulla base del principio termico. Cos’è esattamente il principio termico? Semplificando: si misura l’energia trasportata, cioè l’energia generata dal riscaldatore e dispersa poi attraverso il flusso. È quindi evidente che, per il trasporto dell’energia, non è tanto il volume a essere cruciale bensì il numero di molecole. 

Questi rapporti spiegano che, in realtà, un flusso massico dovrebbe essere espresso in unità di peso, come mg/s o g/h. Nella pratica, però, spesso si utilizzano unità di volume. Questa procedura non è sbagliata, ammesso che la pressione e la temperatura di misurazione siano indicate chiaramente. Per farlo, ci sono due condizioni di riferimento. Si definisce normale una condizione con una pressione pari a 1013 mbar e una temperatura pari a 0°C. Questa unità di volume è contras-segnata dalla lettera n in pedice: ln/min. Una seconda definizione usata comunemente per la conversione della massa in volume è la condizione standard. Questa prevede una temperatura di 20°C anziché di 0°C e viene contrassegnata con la lettera s al posto della n: ls/min. Queste indicazioni di temperatura e pressione sono assolutamente obbligatorie. Se non si tiene conto della differenza tra ln/min e ls/min, ne risulta un errore del 7% circa. Se anche le condizioni di pressione si discostano dai 1013 mbar, il valore misurato può allontanarsi in modo ancora più evidente da quello reale. I misuratori volumetrici, come i contatori a palette, i flussometri a galleggiante o a turbina, non rilevano le variazioni di temperatura e di pressione. Per una misurazione della portata massica dovrebbero essere utilizzati sensori aggiuntivi per le altre variabili e un’unità di conto che calcoli il flusso massico reale da tutti i dati di misurazione grezzi. Tuttavia, si tende a non utilizzare questo principio di misurazione o a farlo per lo più quando è richiesta una mi-surazione approssimativa o non si richiede la massima precisione, o quando la variabile che si vuole ottenere è la portata volumetrica. Fondamentalmente, a determinare cosa deve essere misurato – se la portata volume-trica o il flusso massico – è la stessa applicazione. Spesso la scelta è stata effettuata in passato e rimastainvariata nel tempo, o dipende dai settori di utilizzo. Se l’unita di misura di acquisto o vendita della sostenza misurata è il volume, si dovrebbe effettuare la misurazione volumetrica. Se, come per la benzina, il fattore determinante per il prezzo è il peso, si dovrebbe invece misurare la portata massica.

 

Misurazione della pressione differenziale tramite orifizio.

 

Le condizioni ambientali specifiche dell’applicazione

Oltre alla grandezza da misurare, anch’essa dipendente dall’applicazione, vi sono le condizioni ambientali a determinare il tipo di sensore o il principio di misurazione da utilizzare. Un ottimo esempio in tal senso è rappresentato da un regolatore di flusso volumetrico per gli impianti di ventilazione dei sistemi HVAC. Qui, occorre considerare soprattutto due fattori secondari: lo sporco e la deriva offset a lungo termine. Col tempo, è normale che nei sistemi di ventilazione di case ed edifici commerciali si accumuli polvere. Confrontando un sensore di pressione differenziale MEMS con un sensore di flusso termico, si nota che la polvere ha un effetto completamente diverso sui due strumenti di misurazione. Solitamente, la pressione differenziale viene generata da un orifizio e varia con il flusso. Tale pressione differenziale viene misurata con un sensore di bassa pressione MEMS e solitamente è di pochi mbar. In questo caso, la polvere non rappresenta un grosso problema. Grazie alla membrana non vi è alcuna connessione tra i due punti di misurazione.

Il sensore non è attraversato da un flusso e questo significa che il sensore di pressione non può ostruirsi con la polvere. Diverso è il caso dei sensori di flusso termico. Questi possono essere configurati anche come sensori di pressione differenziale e utilizzati nella stessa struttura. Tuttavia, per funzionare correttamente, è necessario che il sensore sia sempre attraversato da un flusso, seppur esiguo. Se il sensore è intasato da polvere o sporco, il flusso viene interrotto e il sensore non funziona. Fatta eccezione per tali inconvenienti, i sensori di flusso termico offrono diversi vantaggi. Come da principio, l’offset ha una deriva quasi nulla nel corso degli anni. Non è quindi necessaria alcuna regolazione dell’offset nell’applicazione. La strut-tura – e alle volte anche la posizione – dei sensori di pressione genera un offset sfalsato, soprattutto dei sensori a bassa pressione. Se si opta per un sensore di pressione, si consiglia sempre di regolare l’offset durante la produzione o la messa in funzione e, se possibile, per tutto il periodo di funzionamento. Se vi è uno stato di funzionamento noto e definito, questo dovrebbe essere utilizzato per correggere l’offset tramite software. Nei casi in cui fosse possibile farlo in un’applicazione, il sensore di pressione è solitamente la soluzione migliore, perché più preciso e più conveniente. Se non è possibile alcuna regolazione, bisognerà considerare la deriva dell’offset nei calcoli di precisione.

 

 

Confronto tra i diversi principi di misurazione

Come per qualsiasi misura, i vari principi di misurazione presi in considerazione devono essere confrontati tra loro, valutandone i pro e i contro. A seconda dell’applicazione, si possono impiegare strategie piuttosto diverse. Spesso anche il prezzo è un fattore decisi Rappresentazione del principio alla base dei sensori di pressione MEMS. Temperature sensors Heating element Gas Mass Flow T1T2> T1 Pconst. Sensor Mass Flow T2Pconst. Sensor P1P2 Active Dievo: si sceglie una soluzione perché è più promettente da un punto di vista commerciale e non perché sia effettivamente la soluzione tecnica migliore. L’importante è considerare questi aspetti, inclusi i fattori secondari, il prima possibile durante lo sviluppo e durante la fase di progettazione.Offriamo anche approcci e soluzioni simili nel settore delle misurazioni del flusso dei liquidi. In questi casi, usiamo spesso la nostra tecnologia a ultrasuoni che saremo lieti di illustrarvi anche personalmente.

 

Rappresentazione del principio alla base dei sensori di pressione MEMS.

 

 

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published: 30 lug 2020, 16:07:00  by: Angst+Pfister Group