Indicatore di portata
In ambito industriale, viene definito come indicatore di portate (o misuratore di portata) uno strumento che è in grado di rilevare e di misurare con accuratezza la portata volumetrica o massica di un fluido, di un liquido o di un gas. Talvolta gli indicatori di portata sono sfruttati in ambito urbanistico e civile, per esempio per effettuare una misurazione del consumo d’acqua di un condominio.
In gergo più tecnico, un indicatore di portata può anche essere definito come flussimetro (o flussometro), se la sua funzione è in riferimento ad un flusso liquido o aeriforme.
Questi strumenti conta-litri sono realizzati e tarati su specifiche sostanze, come l’acqua o altri liquidi e solidi; i misuratori di portata esistono di differenti categorie (volumetrici, massici, elettromagnetici e con ultrasuoni).
Un indicatore di portata può essere utilizzato in svariati contesti ed in molteplici settori (produzione chimica, industria alimentare, processi petrolchimici, acquedottistica). Nella produzione industriale è richiesta precisione, completezza, affidabilità: queste caratteristiche devono essere fiscali ed il misuratore di portata dev’essere certificato ed adeguatamente testato per un funzionamento eccellente.
Tipologie di indicatori di portata
I tecnici distinguono una prima classificazione degli indicatori di portata industriali. Esiste infatti una classificazione per i misuratori di portata che li contraddistingue per la tipologia di misurazione che eseguono: troviamo misuratori di velocità e misuratori di portata vera e propria. Ciascun tipo di indicatore può successivamente essere schedato in merito alla tecnica di misurazione che esegue: esistono misuratori a spostamento (altresì definiti dinamici), che possiedono parti in movimento causato dallo spostamento dello stesso fluido misurato; ci sono poi i misuratori di portata statici, in grado di misurare l’effetto di spostamento di un corpo senza che le componenti dello strumento si muovano.
Questi strumenti si rivelano essenziali per il monitoraggio del livello di riempimento di un silos, di un pozzo o di un serbatoio industriale di dimensioni anche notevoli. A livello industriale sono proposti molti differenti misuratori in base alla tipologia di misurazione richiesta, ma la distinzione più grande è quella tra indicatori di portata dinamici ed indicatori di portata statici. Le sotto-categorie sono poi molto numerose: indicatori di livello radar, indicatori di livello ad ultrasuoni, livellostati a misurazione capacitiva, indicatori di livello. Ogni misura richiede, ogni contesto ed ogni fluido\gas richiede la sua soluzione studiata ad hoc.
Indicatori di portata dinamici
Tra i principali indicatori di portata dinamici troviamo i galleggianti ed i misuratori (flussometri) ad area variabile.
Il misuratore a galleggiante è una tipologia di misuratore usato frequentemente nel passato e, occasionalmente, anche in alcuni processi industriali odierni. Questo misuratore di portata si fonda sull’osservazione che un oggetto sommerso in un fluido che si muove, tende a possedere una velocità relativa pari a zero rispetto al fluido stesso.
Il galleggiante primordiale era un tronco d’albero; ad oggi, a livello industriale si misura la velocità superficiale di un oggetto immerso nel fluido di interesse. L’analisi viene effettuata mediante una misura del tempo che tale oggetto galleggiante impiega a percorrere una regione misurata; da lì, se ne calcola la velocità relativa.
Lo strumento di misurazione a galleggiante viene generalmente costruito tramite una sfera di dimensioni abbastanza importanti (detta “a galleggiamento positivo”) la quale è direttamente collegata ad una seconda sfera di dimensioni inferiori (detta a “galleggiamento leggermente negativo”). Questo sistema è realizzato per tenere conto dell’effetto delle sponde. È un sistema molto preciso ma ad uso ristretto: viene sfruttato come indicatore di portata solamente per corsi d’acqua la cui sezione è costante almeno durante la base di misura, e più questa è estesa maggiormente è precisa la misurazione.
La seconda tipologia di indicatore di portata dinamico è detta flussimetro ad area variabile, o anche conosciuto come rotametro. Il flussimetro ad area variabile in sostanza è composto da un tubo di vetro o di un altro materiale polimerico che generalmente deve essere trasparente, con sezione longitudinale a cono. Dentro a questo tubo c’è un corpo dal volume cilindro-conico oppure sferico; il raggio di questo elemento è di poco minore rispetto a quello minimo del tubo che lo contiene; tale oggetto è definito (impropriamente) galleggiante.
Se questo tubo trasparente viene posizionato in posizione eretta con la sezione a raggio interno maggiore in alto, ed il fluido (la cui portata deve essere osservata) entra dal basso, viene esercitata una pressione sul galleggiante. Questa forza dipende dalla forma e dalla velocità del fluido all’interno della corona circolare tra il tubo ed il galleggiante. La pressione diminuisce con l’aumento del raggio di sezione e si raggiunge un equilibrio che dipende dalla velocità (e dalla caratteristiche fisiche) del fluido, dalla massa del galleggiante e dalla sua forma. Il flussometro ad area variabile può essere sfruttato solamente solo se in posizione verticale e con un flusso di fluido che ascende dal basso verso l’alto.
Indicatori di portata statici
L’indicatore di portata statico più diffuso è certamente l’orifizio tarato. Questo sensore si basa su un principio teorico semplice: se si inserisce una strozzatura all’interno di un tubo dentro al quale passa un fluido, viene a formarsi una perdita di carico posizionata nei pressi della zona della strozzatura stessa.
In poche parole, nella sezione prima e dopo la strozzatura si crea una differenza di pressione, proporzionale al quadrato della velocità di scorrimento del fluido nella strozzatura citata. Se in questo tubo si inserisce un orifizio tarato, la differenza di pressione che si misurerà in due tubi collegati prima e dopo l’orifizio saranno certamente una maggiore ed una minore. Effettuando una misura della differenza tra le due forze (proporzionale al quadrato della velocità) si può ottenere una precisa misurazione della portata.
In termini pratici, all’interno di questi indicatori di portata statici non si trova una vera e propria strozzatura, bensì una particolare specie di disco. Questo dico presenta all’interno un foro allineato all’asse del tubo stesso; il disco è premuto tra una flangia e l’altra. Questo sistema di misura di portata statico è decisamente molto diffuso per la sua agevolezza nella lettura della portata, ha un’ottima precisione (anche se non la migliore sul mercato) ed è molto versatile, adattandosi a misure molto piccole (centimetri cubi all’ora) ma anche molto grandi (migliaia di metri cubi all’ora).
Una seconda categoria di indicatori di portata statici è rappresentata dai Tubi venturi. Sono strumenti di misura simili agli orifizi tarati ma, a differenza di quest’ultimi, essi utilizzano una legge di conservazione dell’energia con la formula di Bernoulli. Dunque, la teoria che sottostà a questa categoria di indicatori è la seguente: se all’interno di un tubo si inserisce una strozzatura graduale, la velocità aumenterà gradualmente. Stando all’equazione Bernoulli, in corrispondenza della sezione iniziale della strozzatura, ad una crescita della velocità sarà associata una decrescita nei valori di pressione.
Nella sezione maggiore del tubo, la velocità sarà decisamente minore e dunque troveremo un valore di pressione associata maggiore. La differenza tra i due valori di pressione nel tubo strozzato è proporzionale (grazie ad una legge quadratica) alla velocità di scorrimento del fluido nella strozzatura stessa. Il tubo venturi presenta un vantaggio notevole rispetto ad altri indicatori di portata statici, quali gli orifizi tarati: infatti, questo sistema presenta una ridottissima perdita di carico, poiché non vi è allargamento repentino e successivo alla strozzatura dove recuperare l’energia cinetica in pressione statica; la geometria interna molto regolare del tubo venturi rende inoltre praticamente impossibile fenomeni di intasamento, permettendo così misurazioni su fluidi che contengono, per esempio, elementi o corpi solidi sospesi.
Uno svantaggio di questo strumento di misurazione per la portata, invece, è rappresentato dalla distanza tra le prese di pressione: mentre la presa di pressione minore si trova all’interno della strozzatura, la presa di pressione maggiore viene posta ad una distanza definita da essa, per non subire gli effetti della “vena contratta”. Questo si traduce in pratica che la presa di pressione maggiore dev’essere inserita a circa dieci diametri interni del tubo prima dell’inizio della strozzatura della sezione.
Questo comporta che lo strumento di misurazione statica occupa circa due metri di spazio. Il tubo venturi effettua misurazioni estremamente precise (al punto che talvolta sono usati come misuratori fiscali); le specifiche permettono al tubo venturi di adeguarsi a molti tipi di portata differenti, da pochi metri cubi all’ora fino a diverse migliaia.
Misuratori magnetici
Gli indicatori di portata di ultima generazione sono rappresentati in parte da una categoria interessante, ovvero i misuratori magnetici. Questi misuratori sfruttano il seguente principio teorico: se si effettua il passaggio di un corpo conduttore all’interno di un campo magnetico, si genera una forza elettro-motrice interna al corpo conduttore; tale forza è direttamente proporzionale alla velocità di movimento che il corpo possiede.
Perciò, supponendo di sottoporre ad un campo magnetico un tubo al cui interno passa un liquido, tale liquido (se possiede le caratteristiche di conduttore) trasmetterà corrente elettrica.
Un limite dell’indicatore di portata di tipo magnetico si risalta nella necessità di dover per forza possedere un fluido ad elevata conduttività; inoltre, la precisione della misura di questo strumento aumenta sensibilmente con l’aumentare della densità del fluido; se ne deduce che un misuratore magnetico non può essere sfruttato per un gas o un aeriforme.
Gli elettrodi di questo strumento necessitano costantemente un contatto con il fluido scorrente.
Misuratori a ultrasuoni
Esistono indicatori di portata ad ultrasuoni, precisi e sicuri. Ce ne sono due sotto-categorie: i più diffusi sono definiti “a riflessione”; per il loro funzionamento è emessa un’onda sonora dalla parete del tubo in direzione centrale; tale onda sarà parzialmente riflessa dalla parete della sponda opposta.
Il fluido in movimento nel tubo provocherà uno spostamento dell’onda sonora stessa, la quale compierà un diverso tracciato per raggiungere il sensore, diverso da quello standard. Gli algoritmi analizzano il tempo intercorso e la variazione per giungere alla velocità del fluido in maniera decisamente precisa ed efficiente.
Misuratori a effetto Doppler
I misuratori ad effetto Doppler sono strumenti che sfruttano la variazione della lunghezza dell’onda di un suono che viene emessa verso un corpo in movimento. Questo effetto prende proprio il nome di “effetto Doppler”. Grazie ad esso, è possibile ottenere la velocità di movimento del corpo stesso. Se il corpo in questione è rappresentato da una massa fluida in movimento all’interno di un tubo a sezione invariata, è possibile calcolarne la portata con rigorosa precisione.