In ambito industriale la misurazione del livello è un dato essenziale. È un’operazione importante, specialmente in quei settori dove liquidi o materiali solidi in forma granulare o polverizzata vanno a riempire serbatoi, tubi o recipienti di qualsiasi tipo.
Negli ultimi anni si sta assistendo ad un diffusione sempre maggiore dei sensori di livello, il cui utilizzo rappresenta una forma di controllo dei livelli di prodotto in tempo reale effettuabile in totale sicurezza. Come vedremo questa tematica ben si inserisce nel mondo dell’Iot, ossia il rivoluzionario Internet delle cose, che espande le proprie innovazioni in un numero sempre maggiore di settori.
Esistono diverse tipologie di sensori di livello: di seguito prenderemo in considerazione quelli capacitivi.
Sensori di livello capacitivo: come funzionano?
Il corretto funzionamento di un sensore di livello capacitivo dipende in larga misura dall’interazione con il serbatoio. Che si tratti di un silos o di una conduttura, il concetto principale, che bisogna sempre tenere a mente, è che sensore e serbatoio agiscono come due elettrodi.
Attraverso la loro interazione si ottiene un condensatore elettrico, il cui comportamento fisico è alla base della misurazione. Il sensore è inserito all’interno di un sistema di controllo di livello capacitivo. Le pareti del serbatoio da un lato e l’elettrodo della sonda dall’altro (quest’ultimo, rigorosamente isolato dalle pareti, dovrà sporgere internamente al contenitore) fungono da armature per il condensatore che si viene a creare. Tra queste due costanti l’unica variabile è il materiale da controllare, che fungerà da dielettrico.
La costante dielettrica dell’aria, o del vuoto, ha un valore pari a 1, mentre quella di qualsiasi altra sostanza è superiore a 1. Per questo motivo, ad ogni variazione della quantità di materiale nel serbatoio corrisponderà un aumento della capacità del condensatore. La rilevazione di questo cambiamento è possibile attraverso l’applicazione agli elettrodi di una tensione alternata ad alta frequenza. Di conseguenza con l’innalzarsi del livello di riempimento cresce anche il livello di corrente che scorre all’interno del condensatore, la quale verrà poi incanalata nella centralina e sfruttata per ricavarne i dati di misurazione.
La tipologia di misurazione può variare da modello a modello. In genere, tuttavia, un fattore fondamentale di discernimento da modello a modello è legato alla tipologia di continuità di rilevamento.
Per i sensori di livello capacitivi le modalità di misurazione principali sono due: ne esistono a punto oppure continui.
Con i sensori appartenenti alla prima categoria si imposta un valore soglia. Quando il limite viene superato, viene immediatamente inviato un segnale al sistema principale, che avvisa la sala di controllo. Generalmente i sensori capacitivi sono dotati di molteplici sonde, con il chiaro scopo di monitorare diversi livelli: in questo modo potranno essere segnalati sia il rischio di tracimazione sia quello di esaurimento. Fondamentale, quindi, che i sensori con misurazione a punto siano calibrati con precisione, poiché si baseranno sui precisi livelli impostati.
Discorso leggermente diverso per quanto riguarda i sensori capacitivi continui, che sfruttano un monitoraggio costante dei livelli di solidi o liquidi sia all’interno che all’esterno dei contenitori. Il livello di controllo è ancora più accurato poichè continuo. Da questo tipo di misurazione, inoltre, possono essere ricavati dei dati molto utili per conoscere le statistiche di produttività aziendale e, di conseguenza, elaborare delle strategie per incrementarla.
L’installazione deve essere effettuata con criterio e precisione, permettendo così al sensore di effettuare delle misurazioni quanto più accurate.
Il primo passo è quello di montare la sonda metallica, fulcro del sistema, visto che entrerà in contatto con il contenuto. Dovrà essere, ovviamente isolata, ossia rinchiusa in un custodia di metallo, arrivando in questo modo a formare, a contatto con la parete del serbatoio, il condensatore di cui accennavamo in precedenza.
All’aumentare del livello del liquido o dei solidi all’interno del serbatoio, si registrerà un conseguente aumento della capacità del condensatore.
È fondamentale che il fluido presenti il corretto valore di permittività. Affinchè la misurazione possa avvenire, senza che essere falsata, occorre accertarsi che sulle sonde non si depositino accumuli eccessivi di materiale.
Non è una problematica ricorrente, visto che generalmente gli elettrodi sono rivestiti con materiali anti aderenti come, ad esempio, il teflon; tuttavia è sempre bene programmare dei controlli periodici.
Generalmente i sensori di livello capacitivi vengono inseriti all’interno di strutture semplici ma resistenti. I più diffusi sono quelli ad asta o a fune. La scelta è giustificata dalla volontà di renderli in grado di entrare in contatto con la più ampia varietà di materiali possibile: dai liquidi ai solidi, dai corrosivi alle sostanze non conduttrici.
Molto importante è anche la fase di impostazione della sensibilità. È un’operazione preliminare, da eseguire quando gli elettrodi non sono ancora entrati in contatto con la sostanza da misurare: sarà necessario agire sul potenziometro di regolazione, fino all’identificazione del punto d’intervento del relé. Dopo l’annotazione della posizione del potenziometro, l’operazione andrà ripetuta in seguito al riempimento, segnalando anche in quel caso la posizione del potenziometro. L’operazione finale è quella di trovare il valore medio tra quelli riscontrati nelle due prove.
La misurazione, tuttavia, non deve essere necessariamente interna alle cisterne. I modelli più recenti di sensori capacitivi sono stati pensati principalmente per la misurazione di livello con applicazione esterna. Questa modalità contactless sta trovando una diffusione sempre più ampia, specialmente nei casi in cui i serbatoi sono realizzati in vetro o in plastica.
Sicuramente bisogna sempre avere un occhio di riguardo per prodotti di questo genere. Forma e fattura devono essere adeguati all’ambiente in cui dovranno effettuare le rilevazioni. Bisogna, perciò, essere assolutamente sicuri che i sensori siano in grado di sopportare diversi livelli di pressione, cambi di temperatura e umidità, addirittura che non si rovinino a contatto con schiume e fuoriuscite di liquidi.
Diverse aziende si stanno specializzando nella diversificazione dei propri prodotti, così da fornire dei sensori di livello capacitivi in grado di adattarsi a contenitori di ogni forma e dimensione.
Ma quali sono i settori che traggono giovamento dall’impiego di queste tecnologie?
Settori di maggior impiego dei sensori di livello capacitivi
Come abbiamo accennato, la misurazione del livello di riempimento è un dato che torna comodo in un numero elevatissimo di settori.
La principale richiesta di sensori capacitivi giunge principalmente da due settori: agrario e alimentare.
Si tratta di due ambiti in cui, molto spesso, si tende a raccogliere grandi quantitativi di sostanze all’interno di grandi contenitori. L’esempio più lampante sono i silos, dove vengono raccolti cereali e foraggi: trattandosi di enormi quantitativi di materiale, il controllo dei livelli di riempimento dev’essere sempre più che precisa.
Lo stesso ragionamento vale per molte attività, dai mangimifici ai pastifici, dove vengono coinvolti serbatoi di grandi capacità.
L’utilizzo di sensori di livello capacitivi non è limitato unicamente alla produzione alimentare. Sono frequentemente sfruttati anche in impianti di trasporto, stoccaggio, dosaggio e lavorazione di materie prime, senza dimenticare cementifici, aziende coinvolte nella lavorazione di materiali plastici e fonderie.
A seconda delle sostanze con cui entreranno in contatto e delle condizioni ambientali in cui saranno inseriti, i sensori capacitivi presenteranno rivestimenti e componenti di diversi materiali. Nei casi di contatto alimentare, ad esempio, si provvede ad applicare una muffola di rivestimento in materiale plastico, in regola con le normative HACCP.
Se, invece, si dovessero eseguire misurazioni in ambienti esposti a temperature estreme, in genere vengono consigliate apparecchiature di misurazione con alimentatore e componenti elettroniche separati dai sensori di rilevamento, che verranno utilizzati come estensioni delle parti sensibili. In questo modo sarà possibile utilizzarle in un range ampissimo di situazioni: dai -200° ai +250°.
Il sensore di livello capacitivo nel panorama IoT
I sensori di livello capacitivi si integrano alla perfezione in un panorama non più così futuristico. Svolgono una funzione di grande importanza in vari settori industriali, permettendo di effettuare misurazioni precise in condizioni di assoluta sicurezza.
Le versioni più recenti di questi sensori sono wireless, particolare di fondamentale importanza, che li rende perfetti per rilevamenti anche in condizioni estreme, molto pericolose o scomode.
Nell’ottica dell’Internet of Things gli oggetti comunicano dati su sè stessi e li rendono disponibili in tempo reale. I sensori di ultima generazione fanno proprio questo: nella loro versione a misurazione continua comunicano costantemente i dati relativi al livello del contenuto nei serbatoi, silos o cisterne che siano, fornendo un prospetto completo e aggiornato nel tempo.
La relazione viene comunicata ad un sistema centrale, sorvegliato il più delle volte in una sala di controllo. Il primo giovamento è sicuramente il maggior tasso di sicurezza, sia per quanto riguarda i livelli, che possono essere mantenuti costanti senza alcun rischio di perdita di materiale, sia per quanto riguarda gli operatori.
Altro aspetto sicuramente interessante è legato alla possibilità di elaborare report tramite le misurazioni. Con un monitoraggio costante e preciso nel tempo, l’azienda è in grado di guadagnare una maggiore consapevolezza riguardo alla propria situazione produttiva. Riuscire ad elaborare valutazioni di consumo medio annuo, oppure programmare più accuratamente ordini di materiale, sono tutti vantaggi rilevanti da prendere in considerazione nell’elaborazione di strategie aziendali.
I punti di forza dei sensori di livello capacitivi, inseriti nell’ottica dell’IoT, si traducono in un’attenta razionalizzazione a livello gestionale dell’azienda. Stiamo assistendo ad un’evoluzione tecnologica che punta ad un’integrazione di tutti i processi della nostra vita, a cominciare proprio da quelli produttivi.
Diventa essenziale, dunque, essere in grado di scegliere le attrezzature più idonee alla propria dimensione aziendale. Che si tratti di una grande realtà industriale oppure di un attività di piccole medie dimensioni, se si desidera migliorare la propria gestione aziendale tramite i giusti strumenti di misurazione, un sensore di livello capacitivo è ciò che fa al caso