Cosa sono le sonde di livello
La sonda di livello, conosciuta anche con il nome di sonda di livello immergibile, è un tipo particolare di sensore di pressione molto utile in diversi campi, dall’industria all’ingegneria. Una sonda di livello è progettata per misurare il livello di un qualsiasi liquido, o anche solido, compatibilmente al tipo di sonda, in silos, serbatoi, pozzi profondi e trivellati, stazioni di sollevamento fognatura e pompaggio, bacini, dighe, in pratica in tutti quei posti dove non è possibile arrivarci fisicamente. Nel caso di una sonda concepita per stimare valori in presenza di acqua, la sonda verrà fatta scendere nel foro dove c’è il liquido di cui stimare l’altezza e posizionata il più possibile in basso a fondo foro, perforazione o dove si vuole misurare il livello idrostatico. Così la sonda può calcolare con precisone la pressione esercitata dal liquido, attraverso questo dato è facilmente possibile risalire al livello in metri, quindi all’altezza della colonna d’acqua o qualsiasi altro liquido.
Data la precisone e l’importanza di questo strumento, nel momento in cui si dice di acquistarne uno o comunque adottarlo per fare misure, è utile seguire alcune semplici regole e porsi alcuni quesiti. La prima considerazione da fare è circa le strumentazioni tecnologiche che si hanno a disposizione, a cui collegare la sonda, perché a seconda delle esigenze si può scegliere tra una sonda con uscita a relais, analogica, su schermo digitale, ecc.
Quando si progetta questo tipo di indagine, bisogna tenere presente il tipo di materiale su cui si andranno ad eseguire misure, la prima cosa da chiedersi è se si tratti di un solido o un liquido, se la misura sarà a contatto o meno, se sia conduttivo o meno, se si tratta di un materiale liquido, se questo genera turbolenze, vapori, schiume, se questo è più o meno denso o lascia o meno residui sulle pareti o a fondo foro. Quando si progetta una campagna di rilevamento dati bisogna tenere in considerazione quale tipo di sonda usare, questa scelta si fa considerando a quali stress questa sarà sottoposta, perché stress troppo alti rischiano di romperla. I maggiori stress sono rappresentati dalla pressione che il liquido in cui verrà immersa eserciterà sulla sonda stessa, la temperatura e tutti gli stress meccanici del caso. Un ultimo punto su cui riflettere riguarda la tipologia di misure, se si vogliono misure puntuali o continue. Dopo aver fatto tutte queste considerazioni, si sarà in grado di scegliere la sonda di livello più adatta alle esigenze del caso per ottenere dati qualitativamente eccellenti.
Le principali tecnologie usate per la progettazione di sonde di livello per liquidi e non solo sono: tecnologia capacitiva, in questo caso si usano per serbatoi in plastica, sono in grado di fornire informazioni puntuali o continue, la maggior parte funziona senza contatto quindi la tipologia di materiale non influenza le misurazioni; ultrasonica, forniscono dati puntuali, questi non sono influenzati né dal materiale né dal contenitore; ottica, necessitano di contatto con il liquido o il materiale di cui stimare le misure, in questo caso piuttosto che il materiale quello che non influenza è il contenitore; piezoresistiva, sono le classiche sonde ad immersione, misurano, sommandole, la pressione esercitata dall’acqua su di essi e quella atmosferica.
Nel dettaglio, le tecnologie già elencate vengono applicate per creare sonde sempre più performanti e precise, le più usate sono:
Sonde di misura di capacità
Una volta installata la sonda, viene alimenta, e il sensore, produce un segnale a radiofrequenza, in seguito gli operatori stimano le differenze di intensità di corrente. Tutto ciò dopo che il sensore è stato correttamente alimentato ed ha prodotto una corrente con intensità tra i 4 e 20 m-Ampere.
Le sonde di livello di questo tipo restituiscono misure affidabili e continue in ambienti difficili, di fatti tra le loro caratteristiche principali ci sono resistenza ad alte temperature e pressioni, e a numerosi agenti corrosivi, è inoltre possibile usare dei rivestimenti per isolare le pareti del foro e non influenzare i dati raccolti. Sono adatte per liquidi, paste, e alcuni solidi sia conduttivi che non conduttivi, inoltre non hanno parti in movimento. L’operatore, può facilmente tarare lo zero in modo da non trascurare fattori quali la posizione di installazione, le dimensioni del serbatoio, la lunghezza dell’asta.
Le sonde di livello od anche i sensori di livello, come già detto, sono suddivisi in varie classi a seconda della tipologia, del materiale per cui sono più adatte a prendere misure. Tra tutte queste categorie, vi è in particolare quella dei sensori a ultrasuoni, questi in particolare vengono a loro volta suddivisi in due categorie che sono le sonde di livello ad ultrasuoni con e senza contatto.
Sensori di livello ad ultrasuoni senza contatto.
Questo tipo sonda invia un segnale formato da un gruppo di impulsi ad ultrasuoni che, impattando con la superficie dell’acqua, generano un segnale tipo eco.
Il sensore cattura questo segnale dalla superficie e lo invia all’unità digitale, che provvederà a rappresentare e quindi quantificare la distanza tra il sensore ed il livello che si vuole stimare. Attraverso un flusso di dati costante, il microprocessore stima i valori medi restituendo così il livello in metri del liquido nel foro o nel pozzo. Nello specifico, il sensore trasmette un segnale di una determinata intensità, poi in base all’entità della sua restituzione se inferiore o superiore a un certo amperaggio, il sistema invia di nuovo un segnale di amperaggio superiore o inferiore al precedente per determinare a quale segnale corrisponda il livello dell’acqua, in linea generale, questi segnali hanno un’intensità non superiore ai 20 Milli Ampere e non inferiore ai 4; per segnali inferiori ai 7/8 Milli Ampere si considera assenza di liquido. Diversamente dai precedenti, sono un po’ più complessi sia nel funzionamento che nella loro formulazione, questi sensori prevedono la presenza di un processore di segnale analogico, un microprocessore, degli interruttori codificati con metodo decimale in codice binario o meglio abbreviato BCD e naturalmente un circuito pilota di uscita che consente di trasmettere il segnale dal microprocessore al sensore attraverso un segnale di tipo analogico. Il sensore rileva l’eco dalla superficie e lo instrada indietro al microprocessore per una rappresentazione digitale della distanza tra il sensore ed il livello della superficie. Attraverso un aggiornamento costante dei segnali ricevuti, il microprocessore calcola i valori medi per misurare il livello del liquido. Questo tipo sonde permette di avere dati di ottima qualità per quel che riguarda la precisone, sia per misure relativamente piccole che per quelle più grandi, di fatto grazie al fatto che non è necessario tarare gli strumenti, sarà possibile avere valori attendibili per profondità che vanno dai trenta centimetri fino ai 18 metri. Inoltre, questi strumenti sono dotati di un sistema che elimina le eco e che autoregola la temperatura per evitare segnali che non sono provenienti dalla superficie di cui si vuole stimare la profondità.
Sensori di livello ad ultrasuoni a contatto.
Sono costituiti da sensori che emettono raggi infrarossi di bassa gamma, questi trasmettono un segnale quando il materiale viene a contatto con il sensore. Funzionano in modo estremamente simile rispetto a quelli senza contatto, sono adatti prettamente a recipienti o tubi per azionare automaticamente pompe, valvole ed allarmi. Per delle misurazioni ideali servirebbero due unità per rilevare le condizioni di pieno e vuoto nelle cisterne e per misurare i volumi del liquido. Sono adatti alla maggior parte dei liquidi, inoltre non sono influenzati dalla presenza di rivestimenti, sistemi anti-goccia, schiuma e vapori. Presentano qualche problematica quando incontrano liquidi altamente aerati o viscosi che possono alterare la distanza percepita durante la lettura dal sensore, in questi casi quindi si possono avere problemi di lettura e la stima può essere falsata.
Interruttori a galleggiante.
Questo genere di sonde di livello fornisce dati di tipo puntuale, sono formate da un galleggiante magnetico che si muove lungo la superficie del liquido, quando entra in contatto con questo, si accende una spia generalmente di colore rosso. Tra tutte le sonde, è quella che richiede meno manutenzione. Inoltre, è dotata di una scocca che la protegge per ridurre al minimo sia la pressione esercitata da ciò con cui viene in contatto che gli urti durante le discese in pozzi o altri luoghi piuttosto angusti.
Trasmettitori di livello radar
Anche questi sono dei sensori che registrano dati senza contatto diretto con la superficie. Questi sono molto adatti nel caso in cui ci siano superfici schiumose, l’ambiente sia ricco di vapori, o estremamente polveroso. Sono indicati in tutti quei casi in cui le sonde ad ultrasuoni sono inefficaci. Registrano e trasmettono dati attraverso le microonde, spesso questo tipo di sonde sono equipaggiate anche di termometri che misurano la temperatura attraverso dei sistemi ad infrarossi.
Interruttore di livello a palette per materiale secco
Per i materiali solidi, l’approccio è leggermente diverso, si usano interruttori di livello specificatamente pensati per molte sostanze granulari, pellettizzate e polverose. La sonda di livello a palette usa una tecnologia di tipo magnetico adatta a raccogliere dati in serbatoio, silos, cantieri. Queste sonde resistono a temperature prossime ai 400 gradi centigradi . Sono costituite da uno strumento che monitora la rotazione dell’albero costantemente. Si basano su un sistema di rilevamento magnetico perché è più efficiente e performante rispetto ad un sistema ottico.