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Sensori di Portata

en-lang Flow meter

La portata è una delle grandezze fisiche più complesse da misurare. Sul mercato sono presenti numerose tipologie di misuratori. È dunque opportuno procedere a un’analisi che tenga conto del principio di misura, del tipo di fluido interessato e delle prestazioni richieste.

Nell’industria moderna, le misurazioni di portata sono essenziali nel controllo di processo nei più svariati ambiti: industria chimica, impianti idroelettrici, industria mineraria, industria alimentare, acque reflue e ingegneria ambientale.

In generale, la misura della portata è affetta da imprecisioni relativamente elevate, in quanto gli errori di misura possono influenzare il processo in ognuno dei numerosi “passaggi” necessari e dipendere anche dalle assunzioni adottate. Va dunque dedicata la massima attenzione al rilevamento di questa grandezza, in quanto una misura errata può provocare guasti che danneggiano l’integrità di un impianto industriale e comprometterne la resa economica. Ma cosa si intende precisamente per portata? La portata è la quantità di fluido che attraversa una sezione di area A nell’unità di tempo. Data una sezione si può definire una portata ponderale se riferita al peso (massa moltiplicata per l’accelerazione gravitazionale pari a 9,80665 m/s²), una portata di massa o massica (misurata in kg/s) se riferita alla massa di fluido e una portata volumetrica (misurata in m3/s) se riferita al volume. Per passare dalla portata volumetrica (q) alla portata massica (w), è necessario moltiplicare la portata volumetrica per la densità ρ del fluido (espressa in kg/m3). Una prima classificazione dei misuratori di portata relativa al metodo di misura distingue misuratori di velocità (statici o dinamici) e misuratori di portata diretta. In base ai principi di funzionamento si distinguono sensori di portata a strozzamento (dischi forati, boccagli, venturimetri), ad area variabile, a vortici (o swirl), elettromagnetici, di Coriolis (massici), radar, a ultrasuoni, rotanti e volumetrici.

 

Sensori di portata a vortici (vortex)

 

Se un fluido incontra un ostacolo, si creano delle fluttuazioni di pressione nel fluido che provocano la nascita di vortici. Questo fenomeno viene applicato nei misuratori di portata a vortice e ad elica. Grazie a ostacoli definiti geometricamente (corpi a vortice o ad elica) nel misuratore di portata vengono prodotti dei vortici la cui frequenza è rilevata da un sensore. In questo modo è possibile stabilire in modo preciso e sicuro la portata di fluidi, gas e vapore. Il misuratore di portata a vortice funziona in base alla legge di Karman, secondo la quale la frequenza dei vortici viene misurata dietro al corpo che ostacola il flusso e risulta proporzionale alla velocità del fluido stesso.

 

Sensori di portata elettromagnetici

 

Il principio di misura elettromagnetico può essere utilizzato per la misura della velocità di scorrimento (flusso) di un fluido conduttore in un tubo. In questo sistema una porzione del condotto, realizzata in materiale non conduttore, è interessata da una campo di induzione magnetica; il fluido agisce come il filo conduttore ed è quindi sede, al momento del passaggio nella zona di campo, della f.e.m. (forza elettromotrice) indotta. Il principale vantaggio di questo tipo di flussimetro consiste nel fatto che l’impiego dello strumento non richiede di inserire alcunché nel condotto e quindi non comporta il rischio di ostruirlo o gli svantaggi che deriverebbero dalla riduzione della sua sezione.

 

Sensori di portata di Coriolis (massici)

 

Il misuratore di portata ad effetto Coriolis si realizza mediante la configurazione lungo il condotto di un tratto “a ferro di cavallo” su un piano al cui vertice dello stesso viene posto un vibratore con il compito di fare oscillare il condotto lungo l’asse ortogonale al piano mentre è attraversato dal fluido. Per rispettare la conservazione della quantità di moto si ha una coppia di forze costante che torce il condotto. Questa coppia di forze è dovuta all’effetto Coriolis. Da equazioni fisiche risulta che la velocità del fluido è proporzionale alla coppia di torsione. Quest’ultima è misurabile per mezzo di strain gauge posizionati sulle braccia del condotto.

Questo tipo di misuratore è in grado di fornire direttamente la misura della portata in massa, in quanto l’effetto Coriolis è di tipo gravitazionale. L’utilizzo di questo tipo di misura risulta particolarmente indicata per i riempimenti in presenza di liquidi molto corrosivi, la misura di liquidi e gas moderatamente densi (metano, ossigeno, azoto, anche per grossi diametri), le alte temperature, fino a 260 °C e le alte pressioni, fino a 900 bar.

 


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