Misuratori di portata
I misuratori di portata, contrariamente a quanto si pensi non sono utili a misurare solo la portata dell’acqua, ma anche di altri materiali. Ne esistono di specifici che servono a misurare la portata di gas e altri volatili. Nello specifico, di seguito si parlerà di misuratori di portata per liquidi.
I misuratori di portata sono strumenti studiati per misurare la portata, quindi prima di parlare di misuratori di portata è utile definire prima cosa è la portata e quindi a cosa servono questi strumenti.
La portata serve a dare un valore alla quantità di liquido, gas o vapore che fluisce attraverso una determinata sezione in una certa unità di tempo. Questa è ben quantificabile attraverso la legge di Darcy Q= kSi dove K è un coefficiente che dipende dal materiale, S è la superficie, i il gradiente idraulico. Le forme attraverso cui è rappresentabile sono molte, c’è quella che prevede l’espressone attraverso volumi quindi in metri cubi all’ ora, litri al minuto ecc.
Oppure attraverso l’uso di unità di masso come i chilogrammi al secondo, minuto ecc. Si può anche esprimere la tipologia di flusso, nel caso in cui non si voglia quantificare in litri il suo flusso, è possibile calcolare il numero di Reynolds, stimando questo parametro, è possibile definire la tipologia di flusso se laminare, per valori inferiori a 2000, se turbolento, per valori superiori a 2100; tale valore se correttamente stimato può fornire informazioni circa la velocità media del flusso di cui si vuole stimare la portata. Questo aspetto è di fondamentale importanza per valutare quale strumento sia più adatto effettuare le misurazioni.
I campi in cui è utile essere muniti di un misuratore di portata sono moltissimi, così come le tipologie di misuratore adatte alle esigenze presentate dai vari campi e dalle varie situazioni. Ad esempio, nel settore degli acquedotti, sono molto usati misuratori di tipo magnetico, perché a questi è possibile associare degli strumenti utili alla stima dei consumi di acqua da parte delle utenze e non solo. Nell’industria chimica e del petrolio i più usati sono quelli elettromagnetici, i massicci. Un altro valido campo di applicazione è quello dell’industria alimentare, qui il misuratore non solo dovrà essere estremamente preciso, ma dovrà essere dotato di specifiche certificazioni che lo rendono applicabile al campo alimentare.
Dati i numerosi tipi di misuratore di portata che esistono e le caratteristiche ben diverse di uno rispetto ad un altro, è utile prima di sceglierne uno, conoscere quali sono le principali tipologie e quali le caratteristiche principali di applicazione.
Tra le numerose soluzioni esistenti, ci sono i misuratori di portata massicci, sono formati da un tubo a forma di U che oscilla secondo una frequenza di risonanza al posto di essere messo in rotazione. C’è poi un processore che elabora e riceve i dati raccolti dai sensori. Questo genere di misuratore è adatto a tutti tipi di fluido, si applica bene anche nel caso vi siano gas, questi devono essere però sotto pressione. Questi si servono dell’effetto Coriolis.
L’effetto Coriolis è un particolare effetto che si ha quando un fluido passa attraverso un sistema in rotazione, questa peculiarità li rende immuni dall’influenza di variazioni di temperatura, pressione, densità e viscosità.
I misuratori di portata elettromagnetici sono formati da un tubo vuoto, quindi sono adatti per liquidi sporchi e con solidi in sospensione, sono adattabili anche al campo dell’industria alimentare. Le uniche due condizioni affinché questi strumenti possano essere efficienti, sono che il liquido sia conduttivo e che il tubo sia pieno.
Così come suggerisce il nome, sfruttano la legge di Faraday riguardante l’induzione magnetica. Questa legge afferma che, un conduttore, in questo caso proprio il liquido di cui si vuole stimare la portata, che si trovi in un campo magnetico, in questo caso indotto dallo strumento, produce ai suoi estremi una forza elettromotrice proporzionale alla velocità con cui il conduttore taglia le linee di flusso del campo magnetico stesso.
I misuratori di portata elettromagnetici sono molto utili quando si vuole avere una misura quanto più precisa ed accurata possibile.
I misuratori di portata a turbina sono formati da un elemento girante molto leggero, generalmente si tratta di un’elica o un mulinello, che rileva la velocità di una determinata corrente fluida, e poi la trasforma in moto rotatorio, la velocità di rotazione registrata è funzione della portata fluente, è quindi l’elemento che poi fornirà i valori cercati.
I misuratori di portata a turbina sono adatti per misure industriali di gas e di liquidi e vengono applicati generalmente per valori del numero di Reynolds maggiore di 2000 quindi in regime turbolento. Un misuratore di portata a turbina non è indicato per fluidi ad elevata viscosità, in quanto l’elevata viscosità tende a rovinare abbastanza in fretta l’elemento girante, è quindi necessario il filtraggio del fluido per evitare che le particelle solide in sospensione presenti nel fluido danneggino lo strumento.
I misuratori di portata a turbina sono indicati oltre che per acqua e fluidi con ph vicino al 6, quindi neutri, anche per gas quali metano, azoto, aria, idrogeno, ecc.
I misuratori di portata con tecnologia Vortex
I misuratori di portata con tecnologia Vortex sono adatti a misurare la portata sia per liquidi che per gas in tubazioni di piccolo diametro, non sono adatti per fluidi viscosi per i quali è richiesto il filtraggio del fluido.
Questo tipo di misuratori funziona in base a ciò che stabilisce la legge di Karman.
Karman intuì come funzionano i vortici e come questi si formano, riportando una teoria molto robusta circa quest’argomento fino ad allora abbastanza sconosciuto. Questo tipo di misuratori generano essi stessi i vortici attraverso un opportuno strumento a corpo sagomato inserito nella tubazione, questi strumenti, generano di loro un regime turbolento, quindi numero di Reynolds maggiore di 2000, pertanto un fenomeno generato dal fluido stesso ed è teoricamente lineare con la velocità del fluido in regime di moto turbolento.
I misuratori di portata volumetrici sono forniti di un pezzo mobile, generalmente un pistone, che può essere anche un disco, o una coppia di ingranaggi. Questi sotto la spinta del fluido mettono in movimento un albero di trasmissione il quale trasferisce il movimento dell’elemento mobile, il pistone, all’esterno del corpo dove viene raccolto da un dispositivo addetto al conteggio.
I misuratori di portata volumetrici rilevano la portata in base a volumi geometrici generati e conteggiati dal dispositivo di misura appena citato.
I misuratori di portata volumetrici, sono strumenti estremamente precisi, al punto che sono adatti a misure fiscali.
Sono molto efficienti in presenza di liquidi ad alta viscosità come solventi, prodotti petroliferi quindi gasolio, kerosene, olio combustibile, benzina, nafta, gpl.
Questo tipo di misuratori di portata presentano una grande limitazione, lo strumento stesso è estremamente soggetto all’usura e al deterioramento, in particolare del dispositivo di misura mobile. E quindi si presenta particolarmente inadatto a liquidi sporchi o abrasivi.
I misuratori di portata ad ultrasuoni sono adatti per liquidi sporchi o abrasivi e per tubazioni di diametro elevato, la precisione è molto dipendete dal tipo di regime del fluido.
I misuratori di portata ad ultrasuoni sono stati creati, pensando di sfruttare la naturale capacità dei materiali di propagare il suono. Nei fluidi, in generale, la velocità di propagazione del suono è una caratteristica che è influenzata dalla massa volumica, dalla pressione e dalla temperatura.
I misuratori di portata ad ultrasuoni funzionano sfruttando il principio per cui un impulso elettrico viene applicato ad un trasduttore elettro acustico che lo converte in un impulso di energia sonica equivalente con frequenza non superiore ai 5 mega Hertz.
Dato che i fluidi non hanno tutti la stessa capacità di propagazione del suono, l’impulso si propaga nei diversi tipi di fluido, con velocità che appunto dipende dalla velocità del fluido stesso, fino al sensore dove viene trasformato in segnale elettrico e convertito in un valore che viene visualizzato sullo schermo.
I misuratori di portata a canale aperto, così come suggerisce il nome, sono adatti a condurre campagne di misurazioni dove non è presente una tubazione ma una condotta aperta altrimenti detta canale. Nei misuratori di portata a canale aperto la misura di livello avviene nella sezione dove il flusso tende ad aumentare la velocità, quindi dove la sezione è più stretta. Naturalmente, non è adatto a misurare la portata con qualsiasi velocità, anzi questa varia in base alla sezione del canale da circa 55 cm/s fino a 2 m/s.
I misuratori di portata a canale aperto vengono solitamente impiegati in condizioni di flusso libero, con il livello dell’acqua tanto basso da non esercitare una contro pressione contro il getto ad alta velocità che passa attraverso la sezione ristretta del canale.
I misuratori di portata a canale aperto sono adatti a tubature con medie e grandi portate, si applicano sia a liquidi sporchi, che su quelli che hanno dispersi al loro interno dei solidi in sospensione.
I misuratori di portata a dispersione termica sono usati per la maggior parte per i gas, nel caso di fluidi bisogna conoscere bene proprietà termo fisiche del liquido.
I misuratori di portata a dispersione termica si basano sul principio di trasferimento del calore secondo il quale in presenza di una resistenza alimentata elettricamente, che riscalda il fluido che attraversa la tubatura, il calore prodotto verrà poi assorbito dal liquido nella tubatura.
I misuratori di portata a dispersione termica possono essere con riscaldamento interno o esterno della tubazione. La tipologia di derivazione dipende dalla misura delle tubazioni, quindi piccole, medie e grandi.