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Selezione di un misuratore di portata massica per la vostra applicazione

Processi industriali e chimici che vanno dalla polimerizzazione alla fabbricazione della birra si basano sull'erogazione di precisi quantitativi di liquidi o gas. I flussi di erogazione possono essere misurati in termini di massa o volume per unità di tempo e la scelta dipende dal tipo di applicazione. In molte situazioni è sufficiente la misurazione del flusso volumetrico, soprattutto se temperatura e pressione sono note e stabili. Tuttavia, poiché la misurazione della portata massica indica direttamente la quantità di molecole presenti, ha il vantaggio di essere immune alla variazione della densità.

La maggior parte dei tecnici ha esperienza con alcuni dei vari modi di misurazione della portata volumetrica. La misurazione della portata massica è di solito quella meno conosciuta e compresa. Questo Libro bianco, prodotto da OMEGA Engineering, spiega come si possa procedere alla misurazione delle portate massiche sia direttamente (ad esempio attraverso la perdita di calore) che indirettamente (per deduzione dal calo di pressione) ed evidenzia le principali caratteristiche di alcuni misuratori di portata massica disponibili in commercio. Argomenti trattati nelle singole sezioni:
  • Tipi e principi di funzionamento dei misuratori di portata massica
  • Fattori che influenzano la precisione
  • Applicazioni per misuratori di portata massica
  • La tecnologia di nuova generazione per misuratori di portata massica e volumetrica

Tipi e principi di funzionamento dei misuratori di portata massica

Copper Bins
Contenitori di rame
I misuratori maggiormente usati sono quelli che rilevano la pressione differenziale, la massa termica e Coriolis.

Flussimetro a pressione differenziale
Un ostacolo, ad esempio un disco con un foro di diametro noto, viene inserito in una zona del flusso laminare, e viene misurata la pressione del fluido su ciascun lato. La pressione sarà superiore sul lato a monte, con la differenza tra i valori proporzionale alla distanza tra i due punti di misurazione, alla portata volumetrica, alla viscosità e al diametro del tubo, come definito nell'equazione di Poiseuille. Opportune correzioni vengono apportate a temperatura e pressione in modo da produrre una portata massica standardizzata.

Misuratore termico di portata massica
È disponibile in due diverse configurazioni: con tubo di campionamento riscaldato e ad inserimento. Entrambe ricavano la massa dal calore specifico del fluido (annullando quindi gli effetti delle variazioni di densità), per cui è necessario conoscere tale dato. I misuratori termici di portata massica sono ideali per basse portate di gas.

In un misuratore di portata massica con tubo di campionamento riscaldato, una parte o l'intera portata passa in un tubo ad alta precisione. Il calore viene applicato ad un tubo e viene calcolata la variazione di temperatura. La differenza di temperatura tra i due punti indica l'energia assorbita dal fluido, che dipende dalla massa che attraversa il tubo.

I misuratori di portata massica ad inserimento impiegano lo stesso principio, ma con due sonde RTD posizionate all'interno del flusso. Il sensore a monte misura la temperatura del fluido, mentre il secondo è riscaldato ad una temperatura superiore a quella del primo sensore. Il calore viene trasferito dal secondo sensore al fluido ad una velocità corrispondente alla portata massica.

Misuratore di portata massica Coriolis
I misuratori di portata massica Coriolis misurano la massa attraverso l'inerzia. Un liquido o un gas denso scorre all'interno di un tubo che viene fatto vibrare da un piccolo attuatore. Quest'accelerazione genera sul tubo una forza di torsione misurabile proporzionale alla massa. La portata massica viene indicata senza che sia necessario conoscere il fluido che scorre al suo interno. I misuratori Coriolis più evoluti impiegano tubi a doppia curva che assicurano maggiore sensibilità e minore calo di pressione.

Fattori che influenzano la precisione

Sono tre i fattori che influenzano la precisione del misuratore di portata massica a pressione differenziale. Primo, la misurazione è influenzata da temperatura e pressione, per cui eventuali errori di questi valori si riflettono sul risultato finale. Secondo, vengono eseguite delle stime sulla viscosità e sul livello al quale si ottiene il flusso laminare (la turbolenza influenza il flusso attraverso l'ostacolo e genera misurazioni di pressione fuorvianti). Terzo, e forse anche il più importante tra i fattori, l'orifizio può usurarsi, allargandosi con il passare del tempo e riducendo quindi il calo di pressione. A seconda del fluido passante al suo interno, esiste anche un rischio d parziale ostruzione.

Quando si utilizzano i misuratori termici di portata massica è importante tenere in considerazione la possibile influenza di:
  • Umidità che si condensa sul rilevatore di temperatura. Gas saturi possono produrre umidità che si traduce in letture errate ed eventuale corrosione.
  • Accumulo di particolato. Si possono anche registrare valori bassi nel caso in cui il trasferimento termico venga impedito dall'accumulo di residui sul sensore.
  • Errore nella stima del calore specifico, dovuto a variazioni o incongruenze nella composizione del gas.
Inoltre, i misuratori termici di portata massica hanno bisogno di tempo per raggiungere una temperatura di esercizio stabile. I valori non devono essere rilevati subito dopo l'accensione del dispositivo.

I misuratori di portata massica Coriolis, pur se considerati i più precisi, sono soggetti ad errori dovuti alla presenza di bolle nel liquido. Queste consentono la “formazione di spruzzi” all'interno del tubo, generando disturbi e alterando l'energia necessaria per la vibrazione del tubo. Grandi cavità aumentano in modo sproporzionato l'energia necessaria per la vibrazione del tubo, con conseguente misurazione completamente errata. Inoltre, la separazione del fluido nel gas e nel liquido genera un effetto ammortizzante sulla vibrazione del tubo.

Applicazioni per misuratori di portata massica

I misuratori di portata massica a pressione differenziale possono essere usati in qualsiasi applicazione nella quale si possa presupporre con sicurezza che il fluido abbia una viscosità uniforme, e in linea di massima dove la temperatura rimane invariata. La compressibilità dei gas può causare problemi, ma nelle applicazioni di trattamento ed erogazione dei liquidi di solito questo tipo di strumenti risulta idoneo. Occorre tener conto del calo di pressione nello strumento. Sono utili quando occorre procedere alle misurazioni subito dopo l'accensione dello strumento

I misuratori termici di portata massica funzionano sia con i liquidi che i gas. Sono diffusamente impiegati nelle applicazioni di:
  • Misurazione del gas per la produzione di semiconduttori
  • Monitoraggio dell'aria delle centrali nucleari
  • Trattamento chimico
  • Filtrazione e rilevamento perdit
Altre applicazioni comuni per i misuratori termici di portata massica comprendono le analisi di laboratorio, quale la gas-cromatografia.

I misuratori di portata massica Coriolis, i più precisi ad anche quelli con la tecnologia più costosa, sono quelli maggiormente impiegati nelle applicazioni scientifiche, dove sono in grado di misurare sia gas che liquidi corrosivi e puliti. Vengono anche usati in:
  • Trattamento di cellulosa e carta
  • Industria petrolifera e degli olii
  • Trattamento chimico
  • Trattamento delle acque reflue
Pulp and Paper Processing
Trattamento di cellulosa e carta
Petroleum and Oil
Industria petrolifera e degli olii
Wastewater Handling
Trattamento delle acque reflue
I misuratori del tipo a tubo diritto sono più facili da pulire e quindi preferiti nel settore alimentare e delle bevande e in quello farmaceutico. Possono essere impiegati anche con i fanghi solitamente presenti nelle attività minerarie.

La tecnologia di nuova generazione per misuratori di portata massica e volumetrica

Mass and Volumetric Flow Meters
Mass and Volumetric Flow Meters
I misuratori OMEGA® serie FMA6600/6700 sono flussimetri massici multiparametro capaci di fornire misurazioni di portata, pressione e temperatura. Progettati per l'uso con gas, la portata massica viene rilevata con il principio del tubo di campionamento riscaldato. Questi misuratori sono in grado di gestire portate di gas da 0,15 a 100 l/min con una precisione di ±1 percento e precisione di ±11⁄2 percento a fondo scala.

Progettata anche per gas secchi e puliti è la famiglia FMA3100/3300ST dei misuratori termici di portata massica in acciaio inossidabile. Questi strumenti, che utilizzano il principio del tubo di campionamento riscaldato, gestiscono portate da 0,4 a 20 SCCM a portate da 10 a 500 l/min con una sensibilità della temperatura di ±0,15% e ripetibilità di ±0,25%, a fondo scala.

Per situazioni in cui un misuratore di portata massica a pressione differenziale risulti più appropriato, il modello FMA-1600A ha una scala da 0 a 0,5 SCCM fino a 0 -o 3.000 SLM. Prevede più di 30 calibrazioni di gas e visualizza contemporaneamente temperatura, pressione e portate volumetrica e massica. La precisione tipica sulla serie FMA-1600A è ±(0,8% della lettura + 0,2% a fondo scala).

Conclusioni

Le portate massiche possono essere misurate indirettamente mediante il differenziale di pressione oppure direttamente con uno strumento che impieghi il calore specifico o l'effetto Coriolis.

I misuratori di portata massica Coriolis sono i più precisi per la maggior parte dei liquidi, ma anche i più costosi. Hanno il vantaggio che non necessitano di disporre di alcuna informazione sul fluido da misurare.

I misuratori termici di portata massica sono un metodo di misurazione meno preciso, ma comunque diretto. Per il loro impiego occorre conoscere il calore specifico del fluido.

Il misuratore di portata massica a pressione differenziale produce una misurazione indiretta ottenuta attraverso l'equazione di Poiseuille, che deve essere corretta in base alla temperatura e pressione del fluido. È efficiente quando il fluido è incomprimibile.

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