Dispense strumenti misura portata - Università degli Studi di Cassino
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1. Tabella 2 8 Valori medi dei fattori di peso W su tre curve isocinetiche per due differenti profili di velocit Figura 2 26 a Curva A w Li aa 1 Curva B pz 1 1 2 1 0 8 1 1 24 l 8 Curva C pago 0 7 1 1 2 1 6 1 2 1 0 7 0 6 0 7 1 1 2 1 6 1 2 1 0 7 __ 16 Figura 2 26 b Curva A W 1L2 12 1 2 1 2 12 4 Curva B W 1 05 1 14 Re 1 2 1 6 1 2 1 114 E II A A i 1 12 16 2 5 1 6 12 1 0 7 _ o7 1 Un altra svolta decisiva nella costruzione dei misuratori elettromagnetici risale agli anni 70 con l introduzione del sistema di eccitazione delle bobine con tensione continua Nei primi elettromagnetici infatti le bobine venivano eccitate con corrente alternata alla frequenza di rete ma ci provocava diversi problemi tra cui 74 Capitolo II Gli strumenti di misura il fluido conduttore tra i due elettrodi si comporta come un secondario del trasformatore che ha per primario la bobina di eccitazione producendo un segnale di disturbo E E senot in quadratura rispetto al segnale di portata E E senot nel circuito di alimentazione e nel cavo di trasmissione del segnale si generano delle correnti di scarico rispettivamente pari a C dE dtper il circuito di alimentazione e C dE dt per il cavo di trasmissione le quali a loro volta generano tramite la resistenza del liquido Rz e la resistenza interna del cavo Rr un disturbo capacitivo rispet2. Tecnologie costruttive Nella pratica quando un cilindro di questo tipo viene posto in una condotta chiusa difficile ottenere una configurazione dei vortici uniforme come quella illustrata in figura 2 21 Le forze dovute alla pressione trasversale della scia che regolano il passo alternato di vortici sono deboli ed in condizione tridimensionale possono non essere sufficienti a garantire un oscillazione bidimensionale ben definita Si pu verificare una variazione della dimensione del vortice tale da provocare una diminuzione dell ampiezza del segnale a livelli inaccettabili per quelli che sono i normali sistemi di rilevazione del segnale tale fenomeno viene definito dissolvenza La tendenza attuale quella di realizzare una forma del corpo del generatore di vortici che abbia la minima tendenza alla dissolvenza in un ampia gamma di condizioni a monte a valle del misuratore Per comparare la tendenza alla dissolvenza delle varie forme di corpi usati si adotta comunemente il rapporto R tra la massima e la minima ampiezza del segnale misurato a frequenza costante all uscita della sezione preamplificatrice in un ampio campo di condizioni Dal confronto sistematico di numerosi test effettuati con barre di forma diversa quella che ha fornito i migliori risultati in termini di minore perdita di carico e di stabilit del segnale minima generazione di vortici secondari e quindi maggiore rapporto segnale disturbo sicuramente la bar
3. 1 0003 1 0003 1 0003 1 0003 1 0003 1 0003 1 0003 1 0003 1 0003 1 0003 15 00 1 0000 1 0000 1 0000 1 0000 1 0000 1 0000 1 0000 1 0000 1 0000 1 0000 1 0000 15 25 0 9997 0 9997 0 9997 0 9997 0 9997 0 9997 0 9997 0 9997 0 9997 0 9997 0 9997 15 50 0 9994 0 9994 0 9994 0 9994 0 9994 0 9994 0 9994 0 9994 0 9994 0 9994 0 9994 15 75 0 9991 0 9991 0 9991 0 9991 0 9991 0 9991 0 9991 0 9991 0 9991 0 9991 0 9991 16 00 0 9987 0 9988 0 9988 0 9988 0 9988 0 9988 0 9988 0 9988 0 9988 0 9988 0 9988 27 50 0 9843 0 9844 0 9844 0 9845 0 9845 0 9846 0 9847 0 9847 0 9848 0 9849 0 9849 27 75 0 9840 0 9840 0 9841 0 9842 0 9842 0 9843 0 9844 0 9844 0 9845 0 9846 0 9846 28 00 0 9837 0 9837 0 9838 0 9839 0 9839 0 9840 0 9841 0 9841 0 9842 0 9843 0 9843 28 25 0 9833 0 9834 0 9835 0 9835 0 9836 0 9837 0 9838 0 9838 0 9839 0 9839 0 9840 28 50 0 9830 0 9831 0 9832 0 9832 0 9833 0 9834 0 9834 0 9835 0 9836 0 9836 0 9837 55 00 0 9493 0 9495 0 9497 0 9499 0 9501 0 9503 0 9505 0 9507 0 9509 0 9511 0 9513 Tecnologie costruttive E possibile distinguere due grandi categorie di misuratori in funzione degli orientamenti e delle esigenze dei mercati che ne hanno condizionato lo sviluppo tecnologico una basata su
4. Questo misuratore per lo pi utilizzato per acqua e per fluidi a bassa o media viscosit misuratore a palette scorrevoli sliding vane ISOIL o SMITH Il misuratore volumetrico a palette costituito figura 2 1b da pale retrattili montate su un rotore Le palette garantiscono la tenuta del misuratore grazie a un eccentrico interno camma che spinge la singola paletta contro la cassa durante la rotazione o in alternativa mediante l accoppiamento delle palette contrapposte guidate dal profilo della camera di misura il rientrare di una paletta provoca la fuoriuscita dell altra Il volume base in tal caso determinato dal settore delimitato da due palette contigue la camera esterna e il rotore stesso Il volume ciclico invece pari a quattro volte il volume base Questo misuratore particolarmente utilizzato per fluidi a bassa viscosit misuratore ad ingranaggi o a lobi oval gear PETROL o BOPP amp REUTHER Il misuratore costituito figura 2 1c da una cassa cilindrica a sezione ovoidale e due ruote ovali o due lobi che ruotano in senso contrario circoscrivendo tra esse stesse e la cassa un volume prefissato di liquido volume base La posizione reciproca tra le ruote nella rotazione garantita dagli ingranaggi praticati o sulle ruote stesse o su due ruote dentate a cui i lobi sono calettati Il movimento delle ruote garantito dalla differenza di pressione esistente tra monte e valle del misurat
5. al principio fisico di funzionamento Di ciascuna categoria saranno esaminate le principali realizzazioni costruttive evidenziandone vantaggi e limiti 23 Capitolo II Gli strumenti di misura Tabella 2 1 Classificazione dei principali misuratori di portata di fluido Categoria Intrusivit Tipo di misuratore Classificazione Energetica A pressione differenziale tipologie comuni Diaframma Boccaglio Venturimetro A pressione differenziale altre tipologie p de pa Gomito Pitot Pitot multiplo Annubar Bersaglio Rotametro V Cone A strizione conica Ad apertura variabile a molla Volumetrici Positive Displacement A multi rotore A pistoni rotanti A disco nutante A lamelle striscianti A pistoni contrapposti A ruote ovali lobi A turbina Hml nn nm mmnm A jamm Turbina assiale Turbina tangenziali Turbina ad inserzione Fluidodinamici miZ I NI Luni A generazione di vortici Ad effetto Coanda A precessione di vortici Vortex ad inserzione Elettromagnetici Ad elettrodi interni Ad elettrodi esterni Elettromagnetici ad inserzione Ad ultrasuoni A tempo di transito TOF Ad effetto Doppler A forza e momento Z Z Z Z ZZ z A momento della quantit di moto Ad effetto Coriolis A doppio rotore gemello indiretto Termici A griglia termica calorimetrici Termici massici Altri A ponte di Whe
6. I misuratori contatori volumetrici sono particolarmente indicati quando richiesta un elevata precisione Essi infatti possono garantire prestazioni tipiche generalmente migliori dello 0 5 V L con rangeability anche superiori a 20 1 ed una affidabilit d uso in fluidi puliti che li rende concorrenziali alle turbine nella misura fiscale di fluidi a media alta viscosit L incertezza di misura di questi fortemente legata alle tolleranze meccaniche che si riesce a realizzare tra le parti fisse e quelle mobili tolleranze che possono causare indesiderati trafilamenti e conseguenti errori sistematici nella misura per questo motivo per la loro produzione sono richieste lavorazioni meccaniche molto precise Per lo stesso motivo questi misuratori sono molto sensibili alle cadute di pressione tra monte e valle dello strumento in quanto al variare della caduta di pressione pu variare la quantit di prodotto che by passa la camera di misurazione Teoricamente nel caso di trafilamento costante in tutte le condizioni operative l errore di misura potrebbe essere opportunamente corretto nella realt l entit del trafilamento connesso oltre che alla caduta di pressione anche alla temperatura alla viscosit ed alle dimensioni del misuratore stesso 25 Capitolo II Gli strumenti di misura I misuratori tipo PD o volumetrici misurano direttamente il volume del liquido in erogazione senza sfruttare leggi fluidodinamiche c
7. In verit bisogna osservare che pur se non esplicitamente evidente nella 2 47 il modulo elastico K della tubazione dipendente dalle propriet elastiche della tubazione risonante nonch dalle sue dimensioni e forme La dipendenza delle propriet elastiche dei tubi risonanti dalla temperatura del fluido di misura in essi effluente rende perci necessaria in tutti i misuratori a tubi deformanti una termocompensazione di tali effetti limitandone l utilizzo a fluidi con temperature non superiori a 250 C Tecnologie costruttive I misuratori ad effetto Coriolis di ultima generazione sono generalmente costituiti figura 2 33 da una coppia di tubi risonanti gemelli 1 posti in vibrazione flessionale o torsionale in altre configurazioni in controfasce alla propria frequenza naturale tramite degli eccitatori elettromagnetici 2 La scelta di raddoppiare la tubazione di passaggio del fluido di misura rispetto alle prime versioni prodotte commercialmente dovuto all esigenza sia di bilanciare dinamicamente il sistema vibrante nella sua globalit sia di ridurre le perdite di carico caratteristiche di detti tubi che dovendosi deformare sotto l azione delle forze di Coriolis presentano necessariamente piccoli diametri e piccoli spessori I materiali pi comunemente 80 Capitolo II Gli strumenti di misura utilizzati sono altamente resistenti alla corrosione acciaio inossidabile seamless 316L ma esistono anch
8. anno di fabbricazione c il o i coefficienti di dilatazione cubica espressi con cinque cifre decimali per i quali l apparecchio predisposto d la temperatura massima e quella minima autorizzate del liquido misurato e la temperatura di riferimento f l erogazione parziale minima del misuratore cui sono associati I provvedimenti specifici di approvazione potranno prescrivere ove necessario l apposizione sulla targhetta di indicazioni sostitutive o a completamento delle precedenti Al fine di ridurre l incertezza associata alla misura della temperatura del liquido le sonde termometriche devono essere totalmente immerse nel liquido nelle prossimit immediate del misuratore oppure ove le condizioni di sicurezza non lo consentano collocate in pozzetti termometrici con modalit tali utilizzo di un opportuno liquido di riempimento da favorire al massimo gli scambi termici Gli apparecchi per la compensazione della temperatura nuovi o ridotti a nuovo sono sottoposti a verificazione prima nell officina del fabbricante o del riparatore Le prove richiedono in primo luogo l accertamento della conformit dell apparecchio al modello approvato successivamente la verifica dell errore dello strumento mediante l ausilio di bagni termostatici la cui temperatura stabilizzata a 0 1 C per temperature lt 50 C a 0 2 C per temperature 50 120 C e a 0 5 C per temperature gt 120 C La verifica dovr ess
9. di fatto incognito dipendendo dallo stato termodinamico del fluido la misura della velocit nei dispositivi oggi disponibili commercialmente effettuata per mezzo di due differenti treni d onda con uguali direzioni ma opposti versi di propagazione in modo che ciascuno risulti rispetto al fluido di misura in equicorrente od in controcorrente Ci d luogo a differenti tempi di transito 2 L 1 1 _ L At 2 27 2cos t tn 2D tt e quindi a differenti frequenze 2 w 2 i _ Af 2 28 2cos 4 t 2D dalla cui misura possibile risalire direttamente alla determinazione della portata volumetrica V che risulter pertanto proporzionale alla differenza dei tempi di transito metodologia a tempo di transito o alla frequenza tra i due treni d onda metodologia sing around ed indipendente dallo stato termodinamico del fluido V K M K N 2 29 dove K una costante di proporzionalit caratteristica dello strumento Invece di misurare il tempo che l onda di pressione sonora impiega ad attraversare il condotto possibile inviare due differenti impulsi con frequenza f pulsazione 27f costante ma sfasati tra loro nel tempo di y 2n f t 2 30 Ya 27 f t Dalle 2 24 e 2 28 possibile dunque ricavare la 60 Capitolo II Gli strumenti di misura Lof Ay D Yi To w 2 31 relazione caratteristica dei misuratori a differenza di fase I due treni d onda possono infine
10. solo dalla frequenza degli impulsi elettrici forniti dai sensori per cui l accuratezza della misura non influenzata da eventuali fluttuazioni dello zero dall ampiezza degli impulsi o dalla sensibilit dei sensori Utilizzando una semplice barra generatrice di vortici la perdita di carico risulta comparativamente bassa Per quanto riguarda i criteri costruttivi va osservato che i sensori non sono esposti direttamente al fluido da misurare per cui possono operare in condizioni pi gravose rispetto ad altri Non ci sono parti in movimento o fori che possano ostruirsi permettendo cos una 69 Capitolo II Gli strumenti di misura elevata ripetibilit anche per lunghissimi periodi di tempo presentano un basso costo complessivo data la semplicit dell installazione e la minima manutenzione richiesta Possono infine funzionare da 200 C a 400 C permettendo cos la misura di liquidi criogenici o del vapore surriscaldato con pressioni fino a 200 300 bar tramite l impiego di opportuni attacchi di processo a wafer o flangiati Per quanto riguarda i limiti di applicabilit dei vortex va osservato che come qualsiasi misuratore di portata anch essi non possono misurare con precisione portate in prossimit dello zero non si formano vortici nello strumento quando la velocit del fluido molto bassa al contrario quando la velocit del fluido molto elevata si formano vortici nella tubazione ancor prima che il flui
11. v caratteristica non lineare al variare della portata linearizzabile con testate elettroniche IS Specifiche metrico legali e norme collegate Come detto in precedenza i misuratori volumetrici sono storicamente i misuratori pi usati nelle misure fiscali di liquidi e per questo motivo oggetto di una diffusa standardizzazione internazionale In particolare 1 complessi di misurazione per liquidi diversi dall acqua muniti di contatori volumetrici sono regolati dal D P R 856 82 2 di attuazione della direttiva CEE n 77 313 Ai complessi di misurazione indicati ove sottoposti al controllo CEE si estende la disciplina stabilita dal decreto che attua la direttiva del Consiglio delle Comunit europee n 71 316 per quanto applicabile Il controllo CEE dei predetti complessi di misurazione comprende l approvazione CEE del modello nei casi contemplati dal presente decreto e la verificazione prima CEE da attuare secondo le modalit e alle condizioni fissate dal decreto citato precedentemente E la verifica pi importante poich finalizzata ad impedire l immissione in commercio e quindi l utilizzo di strumenti difettosi o non idonei Di norma si svolge presso il fabbricante costruttore di strumenti ma a richiesta pu anche essere eseguita presso l utente utilizzatore per gli strumenti fissi Con il DM 179 00 5 viene inoltre data la possibilit anche ai fabbricanti purch accreditati in base alla norma UNI CEI EN 45
12. Doppler 61 Capitolo II Gli strumenti di misura Si noti che non essendo noto a priori il punto esatto di riflessione del segnale di misura non essendo possibile avere una esatta correlazione della misura di velocit puntuale con quella media del fluido nel condotto per cui per un esatta valutazione della velocit media poich i trasduttori ultrasonici esplorano una sezione del condotto di misura necessario che tutte le particelle che attraversano tale sezione contribuiscano alla generazione del segnale Doppler per cui le particelle devono essere uniformemente distribuite nel fluido di misura le onde ultrasonore generate e diffuse devono attraversare tutta la sezione I misuratori ad effetto Doppler possono essere quindi utilizzati solo in fluidi sporchi o meglio ricchi di disomogeneit acustiche presentando per grosse limitazioni d uso al variare della concentrazione e della natura delle particelle sospese In particolare la portata di un fluido molto ricco di particelle viene di solito sottostimata perch l onda ultrasonora riflessa dalle particelle periferiche pi lente mentre il contrario vale per un fluido poco inseminato Tecnologie costruttive Esiste una grande variet di realizzazioni costruttive di misuratori ad ultrasuoni a tempo di transito essenzialmente legate all impiego di uno o pi coppie di treni d onda su diametri o corde della tubazione differenti All aumentare di
13. I misuratori ad ultrasuoni utilizzano per la rilevazione del flusso alcune particolari fenomenologie connesse alla propagazione di onde ultrasonore attraverso un fluido in moto Essi sulla base del principio fisico utilizzato possono essere suddivisi in due categorie 1misuratori a tempo di transito Time of flight flowmeters TOF 1misuratori ad effetto Doppler Doppler ultrasonic flowmeters In entrambe le categorie si sfrutta la propagazione di onde di pressione sinusoidali a frequenze superiori di solito 10 MHz a quelle udibili dall orecchio umano generalmente 0 020 20 kHz che si propagano all interno della corrente fluida con velocit pari alla velocit relativa del suono nel mezzo La vibrazione indotta nel cristallo trasmettitore dall applicazione di una d d p su di esso si propaga attraverso il fluido raggiungendo il cristallo ricevente che eccitato produrr un segnale elettrico proporzionale Il semiangolo di propagazione dell onda conica proporzionale alla lunghezza d onda 4 di propagazione del segnale ed inversamente al diametro dc del cristallo secondo la sena 12 1 2 Co do di f 2 24 La lunghezza d onda del segnale 4 il compromesso tra due opposte esigenze aumentare l efficienza del trasmettitore diminuendo il rapporto 4 dc e dunque aumentando il diametro del cristallo e garantire la maggiore compattezza possibile al sistema di misura diminuendo il diametro del
14. attenzione va infine posta in fase di progettazione del misuratore nella forma dei condotti nella scelta dei materiali rugosit superficiale dimensioni del grano durezza del materiale e nelle lavorazioni necessarie ad eliminare le tensioni residue ed a garantirne la resistenza alla corrosione invece interessante notare che alle frequenze relativamente alte raggiunte in tali misuratori il limite di resistenza indipendente dallo spessore del tubo 83
15. con sensore a diretto contatto con il fluido sono pi vulnerabili I vortex sono misuratori di portata a vortici che non utilizzano parti elastiche o soggetti a vibrazione Essi rilevano le variazioni di forze mediante sensori piezoelettrici montati su una barra massiccia di acciaio al carbonio in AISI 316 o in Hastelloy C talmente robusta che le modeste forze dei vortici possono al massimo provocare spostamenti di qualche millesimo di micron da qui scaturisce la loro denominazione di vortex statici figura 2 25 La parte superiore della barra saldamente bloccata al corpo mentre l estremit inferiore solo guidata ed assialmente svincolata per consentire libere dilatazioni dovute alle variazioni di temperatura 68 Capitolo II Gli strumenti di misura sensori piezoelettrici usa barra generatrice Usa SS ZA compressione N N C d Al rs 4 NS NS z NANN trazione Distribuzione delle sollecitazioni sui sensori piezoelettrici Do Figura 2 25 Schema costruttivo di un misuratore vortex statico e relative sollecitazioni indotte dai vortici Le forze dei vortici sono ortogonali alla direzione del fluido ed hanno una intensit proporzionale alla densit ed al quadrato della velocit del fluido Il valore di picco di queste forze e dato da F 1 CpW dD 2 36 avendo indicato con C il coefficiente di efflusso d la larghezza della barra gen
16. cristallo Valori tipici oggi utilizzati in commercio prevedono un diametro di circa 1 cm cui corrisponde una lunghezza d onda di circa 1 mm Se allora si considera che la velocit di propagazione del suono in acqua ferma 1498 m s evidente il perch sia necessario lo sfruttamento di frequenze dell ordine del MHz Sono attualmente utilizzate due differenti metodologie realizzative a seconda che vengano misurati i tempi di transito o lo sfasamento dei due treni d onda utilizzati nella misura Nei misuratori a tempo di transito l informazione sulla velocit media del fluido W e quindi sulla portata in volume si ottiene dalla misura del tempo di propagazione delle onde ultrasonore dal trasmettitore al ricevitore che nella classica configurazione sono posizionati su opposte pareti a distanza L figura 2 16 e direzione obliqua e prefissata rispetto alla direzione del moto cio all asse del condotto individuata dall angolo cosg D L Il tempo di propagazione quindi espresso dalla relazione pra 2 25 Co w cosp per cui la velocit media w risulta essere espressa dalla dire w en 2 26 cos 59 Capitolo II Gli strumenti di misura Stort J Start Contatore a CNT Nn CI na CONTROLLORE DEN o Ricevitore stor Contatore Oscillatore Figura 2 16 Schema di funzionamento di un misuratore ad ultrasuoni Poich per il valore di co nelle 2 25 e 2 26
17. essere inviati anche con frequenze pulsazioni differenti ma con la stessa lunghezza d onda y y 27m con m scelto pari ad un intero In questo caso i tempi di transito diverranno m fi f 2 32 pet PRI e la relazione caratteristica sar rP w 2 33 n 2 33 relazione caratteristica dei misuratori a controllo di fase La seconda categoria di misuratori ad ultrasuoni quella basata sull effetto Doppler che caratterizza l aliquota di energia diffusa scattered energy dalle soluzioni di continuit presenti in un fluido in moto quando quest ultimo viene attraversato da un fascio d onde di qualsiasi natura Infatti la composizione della velocit del fluido supposta coincidente con quella delle particelle sospese con la velocit di propagazione delle onde determina nell onda riflessa figura 2 17 una variazione di frequenza 4f Doppler frequency shift Tale fenomeno a seconda della natura dell onda propagantesi nel fluido viene utilizzato sia per la valutazione della velocit locale impiegando fasci laser Anemometria Laser Doppler LDA sia per la valutazione della velocit media e quindi della portata in volume V nei misuratori di portata ad ultrasuoni ad effetto Doppler Pet Af 2 34 dove C una costante caratteristica dello strumento Trasduttore o gt 3 IASISLISSISSISSSLSILIAIA Sup riflettente Figura 2 17 Schema di funzionamento di un misuratore ad ultrasuoni ad effetto
18. involucro esterno i misuratori tipo PD possono essere costruiti a cassa singola o doppia Nella versione a cassa singola generalmente usata per basse pressioni di linea l involucro serve sia da recipiente in pressione che da parete esterna della camera di misura Nella versione a cassa doppia generalmente usata per pressioni operative maggiori la pressione di linea sollecita solo le pareti esterne dell alloggiamento il recipiente un vero e proprio recipiente in pressione e la camera di misura un unit indipendente Relativamente alla camera di misura la costruzione a doppia cassa presenta almeno da un punto di vista teorico diversi vantaggi pu essere facilmente rimossa per la manutenzione e il lavaggio della linea in fase di start up funziona a pressione bilanciata essendo completamente circondata dal fluido di misura e pertanto viene eliminata ogni possibile variazione dimensionale dovuta ad eventuali variazioni di pressione della linea essendo la stessa camera svincolata dalla cassa esterna essa non soggetta a sollecitazioni dovute alle tubazioni di collegamento le ridotte sollecitazioni cui sono soggette le pareti rendono possibili realizzazioni di elevata precisione dimensionale con evidenti vantaggi anche nell accuratezza del misuratore L elemento di misura vero e proprio consiste di un parete di contenimento detta camera di misura e di uno o pi elementi mobili il cui movimento conti
19. lasceranno il rotore secondo un moto vorticoso di swirl mentre quest ultimo per effetto della spinta esercitata ruoter ad una velocit angolare proporzionale alla velocit media w del fluido e quindi alla portata volumetrica m s secondo la relazione V K 2 18 53 Capitolo II Gli strumenti di misura dove K una costante caratteristica di ciascun misuratore in prima approssimazione indipendente dalle propriet del fluido I misuratori a turbina trovano ampia diffusione in campo industriale nella misura di portata di fluidi puliti liquidi gas e talvolta vapori A causa delle notevoli differenze di densit nonch delle diverse velocit caratteristiche di efflusso tra liquidi e gas i disegni delle giranti nei misuratori a turbina sono completamente diversi nei due casi suddetti figura 2 12 Tecnologie costruttive Pur se la palettatura di un misuratore a turbina sostanzialmente equivalente a quella di una turbina convenzionale per la produzione di potenza c una differenza importantissima Una turbina convenzionale sempre calettata su di un albero ed progettata al fine di trasmettere la massima potenza possibile estratta dal fluido ruotando ad una velocit di rotazione in un ristretto intervallo del valore di progetto Il rotore di un misuratore a turbina non mai direttamente connesso ad un albero ed sempre libero di ruotare alla velocit trasmessa dal moto del fluido in un ampio ra
20. linea cui il misuratore stato progettato per funzionare Il corpo la camera di misura ed il rotore devono essere adeguatamente calcolati e dimensionati per sopportare variazioni della pressione di linea anche in condizioni anomale quali ad esempio la chiusura istantanea di una valvola posta a valle del misuratore ma un brusco aumento di pressione potrebbe danneggiare la struttura meccanica dell accoppiamento di misura Altri accorgimenti da utilizzare in fase di installazione sono l impiego di una valvola limitatrice di portata e di un adeguato degasatore La prima evita che un aumento della portata rispetto al valore massimo di progetto possa imprimere al rotore velocit eccessive creando dei logorii meccanici Il secondo dispositivo indispensabile qualora ci siano dubbi sulla presenza formazione di gas nel liquido che infici la precisione dello strumento 36 Capitolo II Gli strumenti di misura I misuratori volumetrici inoltre per la loro intrinseca tipologia di funzionamento sono caratterizzati da elevate perdite di carico Specificando la taglia del misuratore viene automaticamente fornita anche la caduta di pressione attraverso il misuratore compatibilmente con le condizioni di flusso richiesto Il normogramma che ci consente di valutare la caduta di pressione attraverso un misuratore in funzione della portata generalmente ricavato utilizzando acqua come liquido di prova Esso quindi utile per una stima gr
21. misura e B L w 2 38 Essendo L un parametro costruttivo e B un dato di progetto ne consegue che la tensione e generata funzione dell unica variabile w ed indipendente dalle altre costanti del fluido quale viscosit peso specifico temperatura pressione ecc i misuratori magnetici sono dunque dei misuratori di velocit Dalla velocit del fluido nota la sezione del tubo di misura pu essere calcolata la portata volumetrica Il valore di tensione e misurato deve ovviamente rappresentare la media reale della velocit del fluido e o comunque dovrebbe essere indipendente dal profilo di velocit nella sezione di misura Poich in pratica la rilevazione del segnale deriva dalla somma dei contributi di f e m derivanti da tutte le infinite particelle conduttive di fluido che occupano la sezione di misura in un dato istante facile intuire che l apporto di f e m agli elettrodi non uniforme ma avr un valore minimo nel punto in periferia pi distante e crescer gradualmente per le aree pi prossime agli elettrodi In figura 2 27 tutti i punti sulla curva isocinetica B pur essendo caratterizzati dalla stessa velocit puntuale non determinano negli elettrodi la stessa f e m i punti sulla curva C a loro volta forniscono un contributo diverso dai precedenti sia per la differente distanza dagli elettrodi sia per il diverso valore di velocit cui sono caratterizzati Per tener conto di questo effetto si utilizza
22. parte dei casi assume il peso relativo maggiore certamente il profilo di velocit Difficilmente infatti le condizioni di moto completamente sviluppato sono realizzate nella prevista sezione di misura l inevitabile presenza di componenti di disturbo e le ridotte dimensioni del piping determinano flussi secondari la cui analisi risulta difficilmente riconducibile ad un modello esaustivo sia per la variet delle soluzioni impiantistiche sia per la complessit del problema Inoltre in molti casi il misuratore stesso altera il profilo di velocit rendendo dubbia un analisi disgiunta dei modelli di moto del fluido e del misuratore La pi comune causa di distorsione del profilo di velocit data dalla presenza di elementi di disturbo fluidodinamico quali curve gomiti riduttori diffusori valvole filtri che provocano la deviazione del vettore assiale della velocit dalla direzione assiale primitiva originando i seguenti effetti v fenomeni di swirl consistono in una rotazione generalmente di tipo assialsimmetrica nel piano ortogonale alla direzione principale del flusso tali fenomeni si verificano in particolare in presenza di una doppia curva su piani differenti o innesti a T v fenomeni di cross flow consistono in due o pi vortici contro rotanti disposti in un piano ortogonale all asse del condotto questi fenomeni si verificano in particolare in seguito alla presenza di una curva v as
23. principali dispositivi condizionatori di flusso che possibile utilizzare per attenuare la presenza di flussi secondari b Presenza di pulsazioni I misuratori di portata sono spesso utilizzati in condizioni diverse da quelle relative al regime stazionario sia per fenomeni transitori dovuti ad esempio all apertura chiusura di valvole e alla variazione dei consumi sia per variazioni a valore medio costante di tipo periodico o random dovuti a componenti attivi come pompe compressori alternativi e a componenti passivi come valvole bypass ecc Tutti questi fenomeni possono dar luogo ad errori di rilevante entit nella misura della portata anche se nella maggioranza dei casi pratici i flussi in regime transitorio proprio per effetto della loro occasionalit possono essere trascurati Un misuratore ideale dovrebbe quindi rilevare istantaneamente le variazioni nel tempo del misurando e inoltre non dovrebbe risentire delle variazioni del profilo di velocit Nella realt a causa della non linearit della caratteristica dell inerzia dello strumento della sovrapposizione della pulsazione caratteristica del flusso con quella del misuratore e della dipendenza della misura dal campionamento e dal profilo di velocit gli errori di misura possono essere significativi In particolare nei misuratori a pressione differenziale le cause di incertezza per la presenza di pulsazioni sono principalmente imputabili a v la distors
24. quella relativa al maggiore o minore grado di invasivit della misura Un sensore di portata infatti si definisce intrusivo I se determina una forte modifica del campo di moto del fluido di misura o meglio se l interazione tra sensore e fluido comporta una considerevole deviazione dei filetti fluidi estesa a tutto il volume di controllo I misuratori E E normalmente sono dei misuratori intrusivi I e come conseguenza della loro interazione con il fluido di misura sono caratterizzati da non trascurabili perdite di carico I sensori definiti non intrusivi N I sono invece quelli nei quali la misura avviene senza un alterazione del campo di moto se non in alcuni casi limitata a zone molto ristrette del volume di misura Essi normalmente sono dei misuratori E A in quanto le particolari forme di energia scambiate tra sensore e fluido non vanno ad alterare il campo fluidodinamico e quindi non determinano perdite di carico apprezzabili Le classificazioni dei misuratori di portata su riportate possono a prima vista apparire delle esercitazioni di valore puramente accademico Esse invece risultano di valido aiuto agli 22 Capitolo II Gli strumenti di misura specialisti in strumentazione nell effettuare una scelta oculata del misuratore di portata pi adatto alle esigenze E possibile infatti affermare che strumenti delle differenti categorie funzionanti sulla base di uno
25. realt dagli esempi riportati in tabella 2 8 ci accade solo per profilo di velocit assialsimmetrico e circolare figura 2 27a In presenza di profilo non assialsimmetrico figura 2 27b infatti il prodotto W B non costante e ci pu influenzare il segnale sviluppato agli elettrodi indipendentemente dalle variazioni di velocit del fluido introducendo dunque un errore di misura non eliminabile da circuiti elettronici Una svolta notevole si ebbe negli ani 60 con la costruzione di misuratori con bobine caratterizzate capaci cio di generare un campo magnetico non omogeneo ma di intensit B crescente con la distanza dagli elettrodi in maniera inversamente proporzionale al relativo fattore di peso W Con l uso di tali bobine in sostanza il prodotto W B ad essere mantenuto costante W B Er w dx dy 2 40 per cui la f e m dipende solo dalle variazioni di velocit anche in presenza di profili di flusso non omogenei e simmetrici Ci ha permesso la costruzione di misuratori pi semplici e compatti ma soprattutto pi accurati dei precedenti con la possibilit di montaggio dello stesso in prossimit di valvole gomiti ecc 73 Capitolo II Gli strumenti di misura Elettrodi Elettrodi 2 5 Figura 2 27 Sezione trasversale del misuratore coefficienti di peso W linee continue e profili di velocit linee tratteggiate rispettivamente assialsimmetrico a e non simmetrico b
26. stesso principio fisico presentano prestazioni metrologiche tra loro paragonabili ed uguali limitazioni applicative Entrambe queste ultime caratteristiche sono conseguenza infatti della realizzabilit operativa del principio fisico di funzionamento e cio della migliore aderenza dello strumento al modello teorico Ad esempio l esigenza di lunghi tratti rettilinei di tubazione a monte ed a valle dell elemento primario caratteristicacomune a tutti i misuratori a pressione differenziale nei quali l unidimensionalit del moto del fluido di misura ipotesi necessaria per l applicabilit del teorema di Bernoulli che determina la proporzionalit tra portata volumetrica e Area di passaggio nell ambito della stessa categoria le diverse tipologie costruttive dei sensori rappresentano di solito un tentativo di adattare il principio fisico alle differenti condizioni operative al fine di far coincidere modello teorico e modello sperimentale Ad esempio sempre nei misuratori classificati a pressione differenziale l utilizzazione di elementi primari come i bersagli rispetto ai classici organi di strozzamento diaframmi dovuta al tentativo di applicare i misuratori a pressione differenziale in fluidi non perfettamente compatibili fluidi sporchi erosivi etc con le prescrizioni d uso relative ai suddetti organi di strozzamento nel caso dei diaframmi l azione erosiva del fluido pu modificare la sezione di efflusso in maniera s
27. volumetrica L equazione 2 13 in assenza di moti rotatori trasversali e o locali tali da compromettere l uniforme distribuzione della velocit nelle sezioni di misura e quindi la perfetta trasformazione adiabatica tra monte e valle ipotizzata esprime la portata ideale che passerebbe attraverso tale strozzamento qualora l area di efflusso fosse realmente l area A2 Pertanto nelle ipotesi suddette una misura della differenza di pressione statica tra le sezioni a monte e a valle dello strozzamento consentirebbe di determinare il valore della portata volumetrica 2 12 V A w2 La 2 13 presuppone condizioni di moto unidimensionali nelle sezioni 1 e 2 del dispositivo In realt i filetti fluidi sono tutti paralleli tra loro in una sezione abbastanza a monte del restringimento moto indisturbato e a valle del restringimento stesso nella sezione di massima contrazione della vena fluida Le prese di pressione statica andrebbero perci posizionate come indicato nella figura 2 8 Purtroppo la posizione della sezione contratta non mai definibile a priori in quanto si sposta progressivamente verso valle al crescere della portata a parit di configurazione geometrica ed al ridursi del diametro del foro di efflusso a parit di portata e di diametro della tubazione Per tener conto di questo effetto e della non perfetta adiabaticit della trasformazione la norma UNI EN ISO 5167 1 29 prevede l uso di prese d
28. 012 di effettuare la verificazione prima conseguendo il rilascio della concessione di conformit metrologica 37 Capitolo II Gli strumenti di misura Il decreto introduce inoltre il principio di mutuo riconoscimento delle verifiche effettuate tra i Paesi membri dello Spazio economico Europeo In tabella 2 4 vengono riportati gli errori massimi tollerati previsti dalla Direttiva 2004 22 CE per la verificazione dei misuratori di liquidi diversi dall acqua per volumi non inferiori a due litri Gli errori massimi tollerati EMT in Italia e nell Unione Europea per gli strumenti di misura dei carburanti sono dello 0 3 V L per quanto riguarda il misuratore e dello 0 5 V L per quanto riguarda l intero sistema di misura Tabella 2 4 Errori massimi tollerati o nella verificazione dei misuratori di liquidi diversi dall acqua per volumi non inferiori a due litri Classi di precisione 0 3 0 5 1 0 1 5 2 5 3 o 5 o 10 o 15 o 25 o A 2 o 3 o 5 o 10 o 15 o B La verifica periodica rivolta all accertamento nel tempo delle caratteristiche iniziali ed testimoniata da ulteriori bolli Gli strumenti possono essere ammessi alla verificazione periodica solo se muniti dei bolli relativi alla verificazione prima Gli errori massimi tollerati sono in genere il doppio di quelli previsti per la verificazione prima e le operazioni di verificazione sono quasi sempre analoghe La normativa n
29. 1 Formazione di vortici a valle di un corpo cilindrico e triangolare I primi studi sui fenomeni vorticosi risalgono al XV secolo con Leonardo da Vinci che per primo osserv come tali vortici fossero pi intensi dove la corrente era pi elevata Nel 1878 Strouhal elabora le prime analisi quantitative sul fenomeno determinando la relazione tra la frequenza fe la velocit media w del fluido fee 2 35 avendo indicato con d il diametro del corpo cilindrico generatore e con St il numero adimensionale di Strouhal 65 Capitolo II Gli strumenti di misura Nel 1912 Von Karman pubblica una tesi analitica sulla formazione di vortici osservando che i treni di vortici risultano stabili quando il rapporto h a tra la distanza dei treni e la distanza dei vortici a costante e pari a 0 28 Come si pu osservare in figura 2 22 per una barra cilindrica avente diametro d il numero di Strouhal rimane costante in un campo abbastanza ampio di portate Re 2x10 7x10 caratteristico della maggior parte dei fluidi utilizzati nell industria Ci implica che in tale campo la frequenza di formazione dei vortici f funzione unicamente della velocit media w del fluido per cui misurando la frequenza f dalla 2 35 possibile calcolare la portata volumetrica nella condotta St Campo misurabile Campo di linearit 5x103 2x104 7x106 Re Figura 2 22 Andamento del numero di Strouhal in funzione del numero di Reynolds
30. 8 1 15 0 00125 C Il volume effluito nella testata in prova compensato riportato alla temperatura di 15 C risulter Vm 5 Fp Vy 0 9839 50 1 49 29 L utilizzando il fattore F Vm5 Vm 1 0 15 28 1 49 28 L utilizzando il coefficiente a Il fluido erogato ad una temperatura minore di quella di prova ovviamente occuper un volume minore In una prova di verifica metrico legale esso generalmente fornito dal distributore In mancanza di tale informazione o in caso di dubbio il coefficiente a pu essere facilmente calcolato tramite la F tr F ty DL n ne i F t ty t dove F t e F tg sono i fattori di correzioni del liquido considerato alle temperature M MOCGR rispettivamente di ty tg 28 Capitolo II Gli strumenti di misura Tabella 2 2 Esempio di tabella ASTM 54B prodotti in genere per la correzione dei volumi Correzione dei volume a 15 C T Densit a 15 C C 730 0 732 0 734 0 736 0 738 0 740 0 742 0 744 0 746 0 748 0 750 0 5 00 1 0248 1 0247 1 0246 1 0245 1 0244 1 0243 1 0242 1 0241 1 0240 1 0239 1 0238 14 00 1 0013 1 0012 1 0012 1 0012 1 0012 1 0012 1 0012 1 0012 1 0012 1 0012 1 0012 14 25 1 0009 1 0009 1 0009 1 0009 1 0009 1 0009 1 0009 1 0009 1 0009 1 0009 1 0009 14 50 1 0006 1 0006 1 0006 1 0006 1 0006 1 0006 1 0006 1 0006 1 0006 1 0006 1 0006 14 75 1 0003
31. Capitolo II Gli strumenti di misura CAPITOLO II GLI STRUMENTI DI MISURA 2 1 Classificazione dei misuratori di portata 2 2 Misuratori Contatori volumetrici 2 3 Misuratori a pressione differenziale 2 4 Misuratori a turbina 2 5 Misuratori ad ultrasuoni 2 6 Misuratori fluidodinamici 2 7 Misuratori elettromagnetici 2 8 Misuratori Coriolis 22 25 42 53 59 65 71 78 Capitolo II Gli strumenti di misura 2 1 Classificazione dei misuratori di portata L esigenza di operare una classificazione dei misuratori di portata di fluido nasce dalla constatazione che questi sensori sono senza alcun dubbio una delle pi numerose e diversificate categorie di strumenti presenti sul mercato Basti pensare che operando una suddivisione sulla base del principio fisico di funzionamento possibile raggruppare i misuratori di portata in condotti chiusi ed in pressione in ben otto differenti famiglie per un totale di oltre trenta diverse tipologie costruttive cos come riportato sinteticamente in Tabella 2 1 V subito evidenziato che la suddivisione pi significativa quella che distingue i misuratori di portata in volume da quelli di portata in massa In particolare opportuno sottolineare che la misura della portata in massa sarebbe certamente pi corretta in tutte quelle applicazioni collegate alle commercializzazioni di fluidi ad elevato contenuto energetico ad esempio i combustibili i fluidi termovetto
32. Per applicazioni particolari quali misura di liquidi con elevata percentuale di solidi tipo pasta carta sono disponibili strumenti con frequenza di eccitazione pi elevata Dove sia indispensabile una regolazione rapida o cicli molto brevi di misura imbottigliamento dosaggi o ancora con elevate esigenze di sicurezza vengono utilizzati strumenti con frequenza di eccitazione programmabile fino a 240 Hz in funzione del diametro La precisione tipica dell 1 VL per arrivare anche allo 0 3 nei sistemi con elettronica separata Le temperature massime di esercizio sono non superiori agli 80 180 C con i valori maggiori applicabili solo per sistemi con elettronica separata Nelle applicazioni normali vengono utilizzati strumenti con fondo scala corrispondente a velocit comprese tra 1 3 m s senza mai oltrepassare i 2 m s per fluidi abrasivi e o che tendano a formare depositi fanghi ecc Le migliori prestazioni si ottengono comunque con velocit comprese tra 1 10 m s Specifiche metrico legali e norme collegate Lo strumento di misura pu essere installato in qualsiasi posizione della tubazione purch siano osservati le seguenti prescrizioni evitare l installazione ad una distanza inferiore ai 3 5 diametri da organi che causano turbolenze valvole curve ecc assicurarsi che non ci siano forti vibrazioni in caso contrario l elettronica dovr essere separata dal sensore controllare che la temperatura ambiente non sia
33. a Il diverso tipo di elemento di misura oltre a condizionare le prestazioni metrologiche dello strumento ne limita sostanzialmente il campo di impiego soprattutto rispetto alla viscosit del fluido Relativamente al materiale impiegato va precisato che il bronzo generalmente usato nel caso di misura di liquidi non corrosivi quali acqua dolce acqua salata zucchero liquido glicole l acciaio adatto alla misura di acqua grassi animali oli combustibili oli vegetali melasse benzene benzina carbone impecia distillati l acciaio inossidabile viene destinato infine alla misura di liquidi quali acido nitrico succhi di frutta fenolo in acqua deionizzata formaldeide ed oleum I rotismi utilizzati per trasmettere il movimento rotatorio dell elemento mobile alla testata di conteggio possono essere di tipo meccanico con tenute del tipo o ring premistoppa o altro o di tipo elettromagnetico Nel caso di contatori meccanici il sistema di trasmissione ha in realt oltre alla funzione di trasmissione del segnale di misura quello di calibrare il misuratore stesso per mezzo di apposite viti Il giunto magnetico tipico dei misuratori volumetrici a rotore tendenza giapponese ed caratterizzato da una tenuta statica che garantisce totalmente da perdite e o da fuoriuscite del liquido in erogazione I meccanismi ad ingranaggi richiedono invece una maggiore potenza in quanto occorre superare la resistenza delle parti in movim
34. a comunque per la maggior parte dei misuratori a turbina solo per particolari condizioni di utilizzo e cio di flusso in regime turbolento e non elevato numero di Reynolds Figura 2 14 Andamento del coefficiente K in funzione della frequenza del segnale di uscita f numero di Reynolds In regime laminare zona A in figura 2 14 ed ancora in regime di transizione zona B in figura 2 14 l effetto della viscosit e degli attriti degradano considerevolmente le caratteristiche di linearit dei misuratori a turbina Un aumento della portata e quindi un aumento della velocit determina come risultante un aumento alla seconda potenza della forza dinamica x pw 2 ed alla prima potenza della forza resistente oc ww I avendo indicato con la lunghezza della paletta della turbina Il risultato finale che si ricava dal rapporto delle due forze che aumentando la velocit del fluido diminuisce sempre di pi fino a diventare trascurabile l apporto della forza resistente viscosa rispetto a quello dovuto alla forza inerziale dinamica il che evidenzia una migliore applicabilit dei misuratori a turbina ad elevata velocit ovvero in regime turbolento almeno fino ad un nuovo limite fisico caratterizzato da un elevato numero di Reynolds zona D in figura 2 14 condizioni comunque difficilmente raggiungibili nelle applicazioni pratiche A seconda delle tipologie costruttive e dei contenuti tecnologici adottati possibile tr
35. agrammi tipo quello riportato in figura 2 11b La norma 29 riporta anche per ogni tipo di dispositivo i valori di in funzione del rapporto delle pressioni 7 p2 p e dalle propriet del fluido k esponente isoentropico del gas A riguardo va osservato che in base alla teoria i valori delle pressioni p e pz andrebbero misurati in una sezione indisturbata a monte e nella sezione contratta Si gi rilevato come ci provochi delle difficolt pratiche e quindi come di solito si preferisca misurare p e p2 nelle sezioni immediatamente a monte ed a valle del dispositivo di strozzamento Se nel valutare amp si assume p pr p2 pi si commette comunque un errore che generalmente del tutto tollerabile un errore del 10 nella valutazione di tale differenza equivale a circa il 2 di errore nella valutazione di 7 E giusto rilevare come le considerazioni precedenti interessino nella realt soltanto le misure effettuate con boccagli i valori di per i diaframma vengono infatti determinati sperimentalmente operando in condizioni simili a quelle E possibile altres usare grafici quali quello di figura 2 11 ricavati direttamente dalle tabelle suddette e pertanto suscettibili di una maggiore incertezza di interpolazione oppure relazioni empiriche normalizzate quali quella di Stolz 50 Capitolo II Gli strumenti di misura successivamente usate nelle prove mentre nei Venturimetri l ipotesi p p
36. almente trasmesso ad una stazione di monitoraggio remota Il movimento del rotore sempre ottenuto dalla differenza di pressione del liquido tra la sezione di ingresso e quella di uscita del misuratore Quest ultimo da un punto di vista energetico pu essere assimilato ad un motore idraulico ad elevato rendimento volumetrico che assorbe solo un piccolo quantitativo di energia dal flusso che l attraversa per il suo stesso funzionamento L energia assorbita infatti necessaria a superare gli attriti interni dell elemento di misura e la resistenza viscosa delle parti accessorie in movimento nel fluido di misure L energia assorbita risulta ovviamente direttamente proporzionale alla caduta di pressione tra la sezione di ingresso ed uscita del misuratore stesso Tale differenza di 26 Capitolo II Gli strumenti di misura pressione tra monte e valle del misuratore come gi accennato in precedenza la causa principale del trafilamento di liquido attraverso il meato esistente tra rotore e camera di misura senza che lo stesso fluido venga contabilizzato Questo effetto varia in modo non lineare al variare della portata e ci spiega perch esso pur potendo essere in parte compensato mediante una valvola di taratura il calibratore la principale causa di inaccuratezza del misuratore Altre cause di trafilamento del liquido nel contatore sono dovute a i la larghezza e la lunghezza del meato ii la viscosit del fluid
37. assimo valore di tensione somma del segnale di misura Ey e del disturbo galvanico Eg che viene per compensata a zero il procedimento si ripete ma in senso inverso e con campo magnetico a polarit invertita fasi 3 e 4 e con segnale corrispondente pari alla differenza EG Em Ne consegue che ogni valore elaborato formato dalla somma di due valori il segnale di misura e quello di disturbo che si susseguono in una semifase dalla sottrazione dei due valori successivi aventi segni opposti si ottiene il segnale di misura Ec Em Eg Em 2Ey La compensazione continua della tensione di disturbo d luogo inoltre ad uno zero stabile e ad un rapporto ottimale segnale rumore Nei sistemi con frequenze di eccitazione programmabili si deve infine tener conto che lavorando a frequenze pi elevate si ha un minore tempo di risposta ma un maggiore consumo di energia 75 Capitolo II Gli strumenti di misura E volt Correzione Correzione Figura 2 28 Fasi di misura e di correzione dello zero durante l eccitazione delle bobine di tipo continuo impulsivo e bipolare Caratteristiche metrologiche La diffusione dei misuratori elettromagnetici essenzialmente legata alla possibilit di essere impiegati con liquidi anche a bassissima conducibilit gt 0 05 uS nonch alla possibilit di misurare anche fluidi sporchi con solidi in sospensione grassi depositi contaminati purch non conduttivi
38. atstone fluidica Anemometri a filo caldo Anemometri a laser A risonanza magnetica Ad tracciante di fluido mm mE m mie mje m j m e a a j a a a a ja a a a a a a je a m gt gt im gt mi gt pi gt gt Sim m m mjm m mje m m m m j e a a a a a je m E A Legenda I misuratore intrusivo N I misuratore non intrusivo E E E A misuratore Energy Extractive misuratore Energy Additive 24 Capitolo II Gli strumenti di misura 2 2 Misuratori Contatori volumetrici I misuratori di portata volumetrici pi esattamente definiti contatori di volume sono nella letteratura tecnica denominati Positive Displacement PD termine inglese che evidenzia in sintesi il loro principio di funzionamento basato sulla contabilizzazione di volumi finiti e noti che si riempiono e si svuotano ciclicamente dal fluido di misura La misura della portata volumetrica cio realizzata parcellizzando il fluido di misura e contabilizzando le volte in cui il fluido nel suo moto riempie i volumi creati dal movimento dell organo mobile nella cassa del misuratore Essi sono storicamente i misuratori pi usati nelle misure fiscali di liquidi essendo utilizzati da oltre un secolo nel campo acquedottistico e dalla fine degli anni sessanta anche nel campo petrolifero Nel corso degli ultimi anni sebbene questi misuratori siano rimasti inalterati dal punto di vista costruttivo numerosi miglioramenti sono stati apportati modifican
39. azionale per la fabbricazione degli strumenti metrici cos come quella comunitaria tratta i requisiti essenziali che gli strumenti debbono soddisfare finch possono essere immessi in commercio e posti in servizio mentre lascia agli Stati membri la facolt di provvedere a controlli successivi finalizzati ad accertare 1 criteri e periodicit degli interventi per l esecuzione delle verifiche successive Il periodo di verificazione varia con la categoria 4 anni per misuratori di volumi di liquidi diversi da carburante e dall acqua e la destinazione degli strumenti nei singoli Stati In Italia la verificazione periodica gi prevista dal Testo Unico delle leggi sui pesi e misure approvato con Regio Decreto del 23 agosto 1890 n 7088 e dal Regolamento sul Servizio Metrico approvato con Regio Decreto del 31 gennaio 1909 n 242 stata modificata ed integrata con il DM n 182 00 6 Un ulteriore elemento fortemente innovativo riguarda la possibilit di delegare alle condizioni ed alle modalit stabilite con decreto del Ministero dell Industria Commercio e artigianato sentito il Comitato Centrale Metrico la verifica periodica a laboratori accreditati dalle Camere di Commercio Relativamente al principio di misura utilizzato ed ai requisiti di installazione e misura per tali dispositivi stato gi abbondantemente detto nei paragrafi precedenti ed al capitolo 1 Merita ancora attenzione quanto la normativa nazionale e internazionale richi
40. contatto diretto con il fluido in tal caso a fronte di un accuratezza della misura decisamente non influenzata dalle caratteristiche della tubazione va tenuto in debito conto l eventuale azione corrosiva esercitata dallo stesso fluido di misura I misuratori ad ultrasuoni a tempo di transito vengono impiegati solo nella misura di liquidi puliti per evitare le frequenti interruzioni di segnale dovute alla presenza nel fluido di soluzioni di continuit quali particelle sospese bolle d aria o di gas ecc il campo di misura 63 Capitolo II Gli strumenti di misura non inferiore a 20 1 mentre l incertezza di tali misuratori a seconda delle tipologie adottate varia tra 1 e 4 con ripetibilit di 0 1 I misuratori ad ultrasuoni ad effetto Doppler seppur caratterizzati da un estrema facilit di installazione e d uso e da un costo virtualmente indipendente dal diametro della tubazione di misura non presentano per elevate prestazioni metrologiche Essi sono in definitiva per lo pi utilizzati come indicatori di portata del fluido previa definizione delle caratteristiche della tubazione con incertezze per quanto sopra riportato nel migliore dei casi non inferiori a 3 con una ripetibilit di 0 1 FS richiedendo in ogni caso periodiche tarature Anche per i misuratori ad ultrasuoni l attendibilit della misura sostanzialmente legata alle effettive condizioni di flusso e dunque alle problematich
41. do ed una testata di compensazione che sulla base di un valore preimpostato della densit del fluido nelle condizioni di riferimento cosiddetto standard corrispondente alla temperatura di 15 C compensa automaticamente le variazioni della densit in esercizio Sul quadrante della stessa testata si avr dunque la lettura del volume erogato nelle condizioni di esercizio nonch la misura del volume nelle condizioni di riferimento Le moderne testate elettroniche effettuano tale compensazione mediante appositi algoritmi implementati nella eprom del proprio circuito elettronico 27 Capitolo II Gli strumenti di misura Esempio In un impianto di distribuzione del carburante sono state acquisite le seguenti misure densit del carburante in prova alla temperatura di 15 C p 738 0 kg m3 coefficiente di espansione volumica del liquido a non fornito lettura del volume sulla testata in prova Vym 50 1 litri lettura della temperatura nella testata in prova ty 28 0 C Entrando in tabella ASTM 54B vedi tabella 2 2 in corrispondenza del valore colonna di densit tipo di fluido di 738 0 kg m3 si ricava alla temperatura di 28 C il fattore di correzione del volume letto sulla testata in prova F tm 0 9839 alla temperatura di 15 C il fattore di correzione del volume letto ovviamente pari ad 1 F tg 1 0000 Il coefficiente di espansione volumica a del liquido in prova risulta a 1709839 0 9839 2
42. do ad esempio il metodo di trasmissione del segnale di misura che passa da una trasmissione meccanica ad ingranaggi dal moto del rotore alla utilizzazione di una dinamo tachimetrica o ad effetto Hall che contabilizza i volumi riempiti o variando il metodo di compensazione e conteggio passando dalle testate meccaniche usate per il condizionamento ed il trattamento del segnale fornito dall elemento primario alle testate elettroniche a microprocessore le quali consentono sia il miglioramento delle prestazioni metrologiche attraverso la correzione dei principali fattori di influenza che la connessione e trasmissione dei dati a dispositivi di memorizzazione e o post elaborazione di tipo elettronico In tal modo l uso e l importanza dei PD si consolidato soprattutto nelle applicazioni connesse a transazioni commerciali con particolare riferimento ai settori trasferimento fiscale di prodotti petroliferi petrolchimici chimici caricamento di autobotti autocisterne o vagoni cisterna rifornimento di aerei bunkeraggio di navi taratura di serbatoi e autocisterne determinazione dei consumi di motori calibrazione di contatori gi installati denaturazione in linea additivazioni e o miscelazioni in linea di pi prodotti La maggior parte dei misuratori di portata per liquidi ammessi alla verificazione metrica e normalmente utilizzati per transazioni legali e fiscali sono oggi del tipo contatore volumetrico
43. do incontri la barra generatrice di vortici provocando in tal modo misure errate Fluidi viscosi tendono ad impedire la formazione di vortici e quindi la loro misurabilit soprattutto alle basse portate l applicabilit dei vortex con questa tipologia di fluido deve essere valutata caso per caso ed favorita quando maggiore la velocit e la temperatura del fluido in genere le variazioni di viscosit e o di peso specifico del fluido non influiscono sulla correttezza della misura quando si opera con numeri di Reynolds compresi tra 20000 e 7000000 Le vibrazioni della tubazione rappresentano il vero punto debole dei vortex soprattutto di quelli realizzati con parti elastiche membrane ecc Pu infatti accadere che a causa delle vibrazioni lo strumento fornisca in uscita un segnale di portata anche a flusso nullo In generale i rimedi in questi casi consiste nell ancorare la tubazione alla struttura e o intervenire sul trigger del circuito elettronico Da non trascurare sono infine le specifiche di installazione fornite generalmente dai costruttori che possono essere riassunte in evitare l applicazione su fluidi bifasi o multifasi prevedere un tratto rettilineo a monte e a valle dello strumento solitamente 10D e 5D il diametro interno della tubazione adiacente ai vortex deve essere uguale o leggermente superiore al diametro interno del vortex avendo cura che i due assi siano perfettamente allineati bloccare le
44. e a pistoni contrapposti reciprocating piston MAX COM HAS Il modello pi diffuso quello a quattro pistoni contrapposti figura 2 2 La rotazione dell asse genera il movimento reciproco dei quattro pistoni dello strumento Il movimento reciproco dei pistoni controllato nel tempo in modo tale che la discarica da uno dei cilindri per effetto della spinta esercitata dal relativo pistone corrisponde alla semidiscarica dell intero strumento La distribuzione avviene per mezzo di una valvola solidale all asse che trasmette il moto al contatore la quale nel suo moto di rotazione ed attraverso le sue luci comanda l entrata e l uscita del liquido dai cilindri Detto Vc il volume spazzato da un singolo pistone nella sua corsa utile D il diametro del cilindro Nc il numero dei cilindri del misuratore e xy il coefficiente di riempimento la capacit utile per ogni rotazione dell asse data dalla nD Vy Ky VcNe Ky Ne 2 3 Questo modello pu resistere ad alti differenze di pressione ed quindi particolarmente indicato per la misura di fluidi viscosi garantendo una elevata precisione Flusso in uscita Flusso in ingresso Figura 2 2 Elemento di misura in un contatore volumetrico a pistoni contrapposti Il coefficiente di riempimento rappresenta il rapporto tra la quantit di liquido che attraversa la camera di misura e la sua cilindrata 32 Capitolo II Gli strumenti di misur
45. e sostituzione del rotore con prodotti aventi differenti viscosit In figura 2 3 questo effetto si traduce nello spostamento verso destra del coefficiente correttivo del misuratore aumento del tore camera di max coef di portata viscosit cP Figura 2 3 Coefficiente correttivo di massima portata per un tipico misuratore volumetrico 34 Capitolo II Gli strumenti di misura In figura 2 4 a titolo di esempio si riporta la fascia di inaccuratezza relativa ad una tipologia di misuratore volumetrico inizialmente tarato per operare con fluido avente viscosit pari a 1 cP e poi utilizzato con un fluido avente viscosit pari a 100 cP Si pu notare come pur se l accuratezza peggiora per il non corretto utilizzo del misuratore l errore risulti comunque inferiore al 1 2 e nessun ulteriore peggioramento sia apprezzabile oltre i 100 cP a testimonianza di come tutti i misuratori del tipo positive displacement perdano ogni sensibilit alle variazioni di viscosit oltre tale valore 1 5 10 0 5 Errore 0 5 0 1 0 5 1 0 5 0 10 50 100 e Viscosit cP Figura 2 4 Fascia di inaccuratezza per un misuratore volumetrico utilizzato a viscosit del fluido diverse da quelle di progetto Curve di prestazioni tipiche per un misuratore di portata volumetrico con differenti fluidi sono riportate in figura 2 5 In essa l accurate
46. e dovute agli effetti di installazione I valori pi comunemente richiesti per una corretta installazione suggeriscono l utilizzo di un tratto di tubazione rettilinea a monte variabile tra 10 e 50 D in funzione del tipo di disturbo e sempre di un tratto rettilineo a valle di 5 D La delicata apparecchiatura utilizzata infine inadatta alla misura di fluidi ad elevate temperature Tmax lt 150 C TIPO DI i DISTURBO FLUSSO ui INLET OUTLET D Variazioni di sezione 777 nella condotta i 10xD__I 5x0 Versione con sensore ritratto Singola curva a 90 z o connessione a T 20x0 xD ZZZTNWZIZZZZI Doppia Sava neno ACA Versione con sensore a filo stesso piano pi 25xD 5x0 Doppia curva su g piani differenti 40xD 5xD Valvole T gt A T A A a saracinesche 50xD SxD_ Versione con sensore clamp on Pompe Q ma Pa a ___50xD 5xD Figura 2 20 Possibili installazioni di misuratori ad ultrasuoni in funzione della tipologia di disturbo fluidodinamico e tipologie di montaggio del sensore 64 Capitolo II Gli strumenti di misura 2 6 Misuratori fluidodinamici Il principio di funzionamento Quando un ostacolo viene immerso in un flusso una roccia immersa nel flusso d acqua di un torrente una bandiera fissata ad un asta ed esposta al vento immediatamente a valle dell ostacolo si nota un inversione della direzione di scorrimento del fluido e la formazione di un vortice comunemente acce
47. e sia parallelamente che ortogonalmente all asse di rotazione dello strumento Il modello standard quello assiale ed indicato nel caso di applicazioni a grosse portate e a basse pressioni 31 Capitolo II Gli strumenti di misura f misuratore a disco Nutante nutating disc 8 n Il misuratore caratterizzato figura 2 1f da un disco nutante solidale ad una sfera e contenuto in una camera di misura con una sede sferica e pareti troncoconiche contrapposte Il movimento del disco e della sfera guidato da un perno cilindrico ad essa solidale che ruota intorno ad una camma troncoconica Il liquido entra dall apposita apertura e riempie gli spazi sopra e sotto il disco stesso Tale volume ad ogni movimento completo del disco corrispondente ad un ciclo viene spostato nella parte troncoconica opposta e rilasciato mentre il volume di fluido spostato misurato con un registratore connesso al disco stesso Il moto del disco armonioso e continuo e non genera pulsazioni del flusso in uscita Il trafilamento del liquido tra disco e camera di misura purtroppo causa di inaccuratezze dello strumento anche a basse portate Questi misuratori sono tipicamente molto affidabili e relativamente insensibili ai cambiamenti di viscosit del fluido Sono inoltre molto leggeri economici di facile installazione in campo ma non molto accurati per tale motivo per lo pi utilizzato in campo acquedottistico misurator
48. e versioni realizzate in titanio in lega di Hastelloy e per alcune applicazioni chimiche in tantalio 3 Separatore di flusso CI 52 Flusso 5 Sensori di posizione 5 Sensori di posizione 2 Eccitatori elettromagnetici 1 Tubi gemelli risonanti in controfase 2 Eccitatori elettromagnetici 1 Tubi gemelli risonanti in controfase Flusso 3 Separatore di flusso i RE 2 Eccitatori O ee 3 elettromagnetici da 6 Te sostegno 5 Sensori di posizione Figura 2 33 Differenti tecnologie costruttive dei misuratori ad effetto Coriolis I tubi gemelli sono rigidamente connessi ad un separatore di flusso 3 che suddivide approssimativamente il flusso in ingresso in parti uguali nelle due tubazioni ma in molti esemplari anche ad una barra rigida di sostegno 4 posta ad una certa distanza dal separatore al fine di disaccoppiare le stesse tubazioni e dunque le vibrazioni di misura dal piping su cui esse sono installate Il moto di misura invece determinato dall insorgere nel fluido delle forze di Coriolis alternate che deformano angolarmente i tubi ed rilevato da sensori di spostamento di tipo elettromagnetico 5 la differenza di fase dei segnali da essi inviati elaborata da una centralina di controllo e regolazione finalizzata anche al mantenimento della vibrazione alla frequenza propria del misuratore Caratteristiche metrologiche I parametri pi importanti da tenere in cons
49. e verso opposto a quello di a Assumendo per semplicit vi eo paralleli rispettivamente all asse x ed 78 Capitolo II Gli strumenti di misura all asse z sen Q 1 ricordando le definizioni di velocit istantanea e di portata massica 1 3 la forza di Coriolis agente su tutto il tratto L di tubazione data dalla L L dFe 2 dm 0 f2 1 0 dx 2 10 L 2 43 0 0 Tale relazione rappresenta in forma esplicita il legame funzionale tra la portata massica m e la forza di Coriolis Una volta riprodotte nella tubazione le condizioni di moto relativo necessarie all insorgere dell effetto Coriolis possibile valutare la portata in massa m effluente misurando gi effetti spostamenti deformazioni ecc prodotti nella tubazione stessa da detta forza di Coriolis Nella generica configurazione di figura figura 2 31 la tubazione di passaggio del fluido viene fatta oscillare intorno l asse O O per mezzo di un eccitatore elettromagnetico i vettori delle velocit del fluido nei diversi tratti della tubazione risultano pertanto ortogonali e di verso opposto nei tratti A e C e paralleli nel tratto B alla direzione di La forza di Coriolis che si genera nei suddetti tratti risulta pertanto nulla nel tratto B sen9 0 e massima ma di verso opposto nei tratti A e C sen8 1 Ci implica la generazione di un momento M sull asse di simmetria R R dato dalla M Fa cr Fo 1 2 F r 4 r m 0 L 2 44 O Flus
50. ede relativamente agli apparecchi compensatori di temperatura Tali dispositivi sono attualmente regolamentati dal DM n 330606 77 4 relativo ai soli misuratori di liquidi diversi dall acqua ed indirettamente come sistemi di misura dalla Direttiva 2004 22 CE Gli errori in tabella si applicano nel seguente modo Riga A Sistemi di misurazione completi in sede di approvazione del modello verificazione iniziale e verificazioni susseguenti a tutte le portate e per tutte le quantit erogate nell ambito delle condizioni operative specificate dal costruttore Riga B Insieme misuratore ed organo di visualizzazione contatore in sede di approvazione di modello e verificazione iniziale a tutte le portate e per tutte le quantit erogate nell ambito delle condizioni operative specificate dal costruttore 38 Capitolo II Gli strumenti di misura Come gi riportato al 1 4 essi determinano automaticamente ed indicano il volume compensato del liquido misurato in funzione del volume non compensato della temperatura di misurazione del coefficiente di dilatazione cubica preselezionato e o di eventuali altri parametri Figura 2 6 Testata elettronica di compensazione VEGA 1 concessione ISOIL Gli apparecchi per la compensazione della temperatura devono essere muniti di una targhetta recante le indicazioni seguenti a la marca di fabbrica del costruttore e la sua ragione sociale b la denominazione il numero e l
51. effetti dinamici indesiderati e dannosi per i delicati sistemi di sospensione delle giranti Per questa ragione e per evitare danneggiamenti dei cuscinetti nel montaggio dello strumento di misura buona norma prevedere un elemento filtrante a monte del misuratore stesso La presenza di cuscinetti di rotazione causa anche limitazioni sulla temperatura del fluido di misura Tmax 150 C Requisiti normativi Per ovviare agli effetti indesiderati indotti dall asimmetria del profilo di velocit o dalla presenza di componenti di swirl nel fluido in moto la norma API 2534 16 consiglia figura 2 15 l installazione della turbina a valle di un tratto di tubo rettilineo della lunghezza di almeno 10 D diametro della turbina e di un tratto di tubo rettilineo della lunghezza di almeno 5 D a valle della turbina stessa oppure l installazione di un raddrizzatore di flusso immediatamente a monte della turbina seguito a valle da un tratto rettilineo della lunghezza pari ad almeno 5 volte il diametro D della tubazione La stessa norma raccomanda che il raddrizzatore sia realizzato con un insieme di tubi convogliatori di lunghezza pari a 2 o 3 volte il diametro della tubazione Turbina Turbina a pa Raddrizzatore c AT E o a 10 D 5D zo 3D s gt SD Turbina a Presenza di valvole e o di coni di b AT riduzione L2 g b Presenza di curve a largo raggio 20 D 5D o c Soluzione consigliata per migliorare la ripetibil
52. effluito pari a 1000 litri La temperatura media rilevata nella capacit campione risulta di 20 0 C Le letture sulla testata riportano i seguenti dati volume effluito 999 6 litri temperatura media di prova Tp 23 2 C misurata sulla linea in prossimit del contatore volume compensato Vr 995 4 litri Il volume effettivo della capacit campione a 20 0 C risulta Ve oo Ve as 1 2 20 15 1000 180 litri 2 5 Il fattore di conversione dei volumi a 15 C per il carburante in uso ed alla temperatura di 20 0 C risulta ASTM tabella54B F 0 9940 Il volume su calcolato effettivamente contenuto nella capacit campione a 19 9 C se compensato a 15 C risulta Vcc 15 F Vc 20 994 18 litri 2 6 L errore della testata compensatrice risulta dunque V Vo _ Vr Ve 1000 2954 99418 Vac 994 18 E 1000 1 2 2 7 Poich Tp gt 15 5 C l errore risulta inferiore all EMT di cui alla Direttiva 2004 22 CE 41 Capitolo II Gli strumenti di misura 2 3 Misuratori a pressione differenziale Il principio di funzionamento I misuratori di portata a pressione differenziale anche denominati AP meters o head meters sono molto probabilmente gli strumenti pi diffusi nelle misure industriali di portata dei fluidi grazie ad una ormai diffusa normalizzazione internazionale ed all affidabilit mostrata nei pi svariati settori di applicazione Il loro funzionamento basato essenzial
53. elementi a palette e l altra su elementi a rotore In termini pratici la prima tipologia di misuratori rispecchia il mercato anglo americano il quale ha portato allo sviluppo di misuratori destinati essenzialmente alla misurazione di liquidi petroliferi di largo consumo quali benzine e gasoli costruttivamente pi delicati e progettati per una produzione in serie con caratteristiche di elevata precisione La seconda tipologia di misuratori invece rispecchia il mercato giapponese tendenzialmente indirizzata verso misuratori destinati alla misurazione di liquidi di varia natura utilizzati prevalentemente nell industria generalmente di notevole robustezza e progettati per una produzione su commessa con caratteristiche di buona precisione ridotta manutenzione e lunga durata Ovviamente sono proprio i misuratori volumetrici appartenenti a quest ultima categoria che meglio si prestano ad applicazioni in condizioni particolarmente gravose di esercizio Tutti i misuratori volumetrici possono essere suddivisi in quattro componenti essenziali 1 un involucro o cassa esterno munito di raccordi flangiati per l allacciamento alla rete di distribuzione 2 un elemento di misura il cuore dello strumento stesso 3 un sistema di trasmissione del conteggio rotismi meccanici o accoppiamenti elettromagnetici 29 Capitolo II Gli strumenti di misura 4 una testata di conteggio meccanica o elettronica Relativamente all
54. ente con il numero di Reynolds fino ad un massimo per diminuire dapprima lentamente poi rapidamente sino ad un valore costante che funzione crescente di 2 Per i boccagli ed i Venturimetri gli andamenti sono analoghi pur non presentando un massimo anche per questi dispositivi C resta costante oltre un determinato Reynolds limite funzione di 49 Capitolo II Gli strumenti di misura DIAFRAMMI NORMALIZZATI valore coste funzione di PB DIAFRAMMI coefficiente di efflusso log Re 104 105 109 Figura 2 11 Andamento del coefficiente di efflusso C per diaframmi normalizzati Le misure di portata si eseguiranno quando possibile con valori di Reynolds maggiori di quello limite in tal caso infatti baster conoscere la geometria dello strozzamento per determinare il valore del coefficiente correttivo C da tabelle normalizzate per ogni dispositivo in funzione del numero di Reynolds e di 2 Qualora il numero di Reynolds sia inferiore al valore limite per un dato dispositivo la procedura impone un cambio dell organo di strozzamento arrivando se necessario al pi piccolo valore di B compatibile con la massima perdita di carico tollerabile se non possibile quanto al punto precedente una procedura iterativa assumendo un valore iniziale di C calcolando la portata e quindi Reynolds e correggendo iterativamente C sulla base delle stesse tabelle normalizzate o dei di
55. ento e delle tenute che sono motivo di ulteriore caduta di pressione In molti misuratori volumetrici di portata la trasmissione dal meccanismo interno al contatore attraverso impulsi di tipo elettromeccanico magnetico o come in misuratori di recente generazione di tipo ottico o con tecniche elettroniche consente rispetto ad 1 tradizionali sistemi meccanici una minore caduta di pressione trasmissione a display remoto previa alimentazione da rete o eventualmente da pannelli solari il monitoraggio della pressione e della temperatura del fluido permettendo quindi la correzione delle misurazioni per i cambiamenti di volume del fluido dovuti alle variazioni di temperatura e della pressione di linea accesso alla banca dati dello strumento da una stazione centrale di monitoraggio via radio o via satellite Per contro tutti i contatori a guida meccanica attraverso un opportuna selezione del meccanismo possono mostrare il volume di fluido misurato o parte di questo senza bisogno di alimentazione esterna permettendo sempre l installazione in posizione remota Associato al sistema di trasmissione del segnale possibile riscontrare in molti misuratori il cosiddetto calibratore Esso un dispositivo di regolazione che consente di calibrare il misuratore in modo tale che la differenza tra la quantit di liquido indicata dalla testata totalizzatrice e la quantit realmente misurata risulti inferiore all errore massi
56. eratrice D il diametro della tubazione p la densit del fluido e w la velocit media del fluido nella sezione Quando il fluido si muove incontrando la barra a sezione trapezoidale si ha la formazione dei vortici i quali provocano sulla barra medesima delle forze alternate con la stessa frequenza di formazione dei vortici In un determinato istante si avr una forza nell esempio in figura verso destra che tende a sollecitare met sezione della barra a trazione e l altra met a compressione Queste sollecitazioni interessano anche la parte superiore della barra dove appunto sono sistemati ermeticamente sigillati i sensori piezoelettrici La frequenza degli impulsi forniti dai piezoelettrici risulta pertanto proporzionale alla portata volumetrica Caratteristiche metrologiche I vantaggi dei vortex rispetto ad altri misuratori di portata possono essere raggruppati in due categorie quelli derivanti dal principio di misura e quelli derivanti dei criteri costruttivi Per quanto riguarda il principio di misura l accuratezza tipica di questi misuratori pu variare da 0 75 VL a 1 5 VL con una ripetibilit non inferiore allo 0 2 VL ed una rangeability di 15 1 potendo in alcuni casi anche superare 40 1 Il segnale di uscita pu essere 4 20 mA e o ad impulsi ed direttamente lineare con la portata il che svincola la misura dal calcolo della radice quadrata richiesta nei misuratori con dispositivo di spostamento La portata dipende
57. ere condotta almeno a tre temperature diverse di riferimento la massima e la minima autorizzata Si intende per volume non compensato il volume occupato alla temperatura di misurazione dal liquido erogato quale rilevato dal misuratore si intende per volume compensato il volume che occuperebbe la quantit di liquido corrispondente al volume non compensato qualora lo stesso liquido fosse portato ad una prefissata temperatura 39 Capitolo II Gli strumenti di misura Le prove di esattezza condotte in situ nel caso di collaudo in opera o verifica periodica devono essere precedute dall accertamento che il coefficiente di dilatazione cubica riportato sulla targa delle iscrizioni o quello preselezionato sull apposito congegno corrisponda al liquido misurato La temperatura deve essere misurata per mezzo di un termometro tarato la cui divisione abbia un valore non superiore a 2 10 C L utilizzatore tenuto a fornire per il controllo il o i termometri necessari per coprire tutta l ampiezza dell intervallo termico del liquido nell installazione Le prove sono realizzate nelle condizioni di utilizzazione In ciascuna di esse deve essere erogato un volume di prova almeno uguale all erogazione minima fissata per il complesso di misura Detto Vmc il volume compensato dallo strumento e Vrir il volume calcolato sulla base del volume non compensato indicato dal misuratore del coefficiente riportato
58. he correlano la velocit o la portata del fluido ad altre grandezze fisiche quali ad esempio la pressione differenziale il tempo di transito di un impulso sonoro l accelerazione di Coriolis Le difficolt pi comuni che si incontrano nel loro impegno sono legate al fatto che la massa volumica dei liquidi e quindi il volume misurato varia con la temperatura Difficolt parzialmente risolta almeno nell ambito petrolifero grazie alla norma API ASTM IP 17 in base alla quale possibile compensare la variazione dei volumi del fluido in misura in funzione della temperatura riferendosi a condizioni di riferimento standard Il principio di funzionamento Come gi accennato in precedenza un misuratore contatore volumetrico essenzialmente costituito da due elementi rispettivamente definiti primario e secondario L elemento primario quella parte dello strumento che con il suo moto converte la quantit da misurare in una variabile ed aziona l elemento secondario detto anche testata totalizzatrice che a sua volta converte tale variabile in unit di misura Il principio di funzionamento determinato dal fatto che il flusso misurato defluisce nel misuratore e viene diviso da questo con contituit in volumi noti volumi base che si riempiono e svuotano Il fluido viene isolato continuamente dal flusso in ingresso canalizzato nella cosiddetta camera di misura insieme dei volumi base e successivamente
59. i Estensimetro Sollecitazioni del generatore di vortici Elementi piezoelettrici 67 Capitolo II Gli strumenti di misura b Sfera oscillante Figura 2 24 Esempi di sistemi di rilevazione della frequenza dei vortici a a rilevamento di movimento b a raffreddamento dell elemento Lo studio comparato dei vari criteri di rilevamento ha evidenziato che i sistemi che utilizzano la distinzione di movimento figura 2 24a sono estremamente vulnerabili soggetti a rottura e richiedono frequenti tarature oggi non sono praticamente pi usati i sistemi che rilevano le variazioni di velocit del fluido figura 2 24b offrono una ripetibilit inferiore ai sistemi basati sulla rilevazione della variazione di pressione i sistemi che utilizzano sensori accoppiati ad una membrana di separazione sono particolarmente sensibili ad elevati sovraccarichi di portata e di pressione nonch alla eventuale collisione di particelle solide sospese nel fluido da misurare i sistemi che utilizzano elementi elastici membrane linguette oscillanti barre vibranti non garantiscono una buona ripetibilit per lunghi periodi di funzionamento se costretti a funzionare a temperature estreme all intervallo 100 250 C l utilizzo di tubetti o fori nel generatore di vortici per trasferire le variazioni di pressione all elemento sensibile comporta il rischio di una loro eventuale ostruzione da particelle in sospensione i sistemi
60. i magnetici utilizzando una bobina pick up montata esternamente al corpo del misuratore e di magneti permanenti montati o in prossimit del pick up stesso o su ogni paletta rotorica Nel secondo caso la rotazione della girante nel fluido e la conseguente interruzione del flusso magnetico genera come segnale in uscita un impulso di tipo induttivo se i magneti sono montati direttamente sul pick up o riluttivo se montati sul rotore La frequenza f dell impulso generato sar ovviamente proporzionale alla portata volumetrica del fluido PRF 2 19 Per un assegnato periodo di campionamento possibile aumentare la risoluzione del segnale di uscita aumentando la frequenza f ad esempio ricorrendo a pick up multipli sullo stesso misuratore Altri fattori importanti da considerare nella progettazione di un efficiente rotore per misuratori a turbina la realizzazione di una palettatura che sia il pi possibile insensibile da un lato a variazioni della portata del profilo di velocit della temperatura e della densit del fluido o in altre parole del numero di Reynolds dall altro agli effetti delle componenti di swirl nel fluido in moto Il secondo obiettivo decisamente il pi difficile da realizzare causa la 54 Capitolo II Gli strumenti di misura tecnologia costruttiva del misuratore stesso una girante sospesa nel fluido in moto e gli inevitabili effetti di installazione presenti nella condotta di misura causat
61. i che essendo basati sulla misura della portata in volume nella valutazione della massa richiedono ulteriori sensori pressione e temperatura per la terminazione della densit del fluido a discapito dell incertezza finale della misura Tale peculiarit tipica dei veri misuratori massici inoltre accentuata dalla minore interazione non intrusivit tra fluido e sensore di misura tubo vibrante nonch dalla completa indipendenza della misura dal regime di moto del fluido a differenza di quanto avviene nei misuratori di portata volumetrica non intrusivi magnetici ad ultrasuoni nei quali com noto la precisione fortemente influenzata dal profilo di velocit Le principali limitazioni in esercizio dei misuratori ad effetto Coriolis sono riconducibili in parte alla loro tecnologia costruttiva in parte a problemi di carattere fluidodinamico nel condotto di misura ed in parte alle caratteristiche di resistenza a fatica dei materiali impiegati Relativamente alla tecnologia costruttiva difficile ottenere un comportamento ideale dei vincoli uno smorzamento uguale dei due condotti ogni combinazione possibile misuratore impianto possiede delle propriet termofluidodinamiche che a turno possono caratterizzare il comportamento dinamico del sistema oscillante la separazione della corrente di fluido in due parti uguali in tubi alimentati in parallelo tale problema non presente nei misuratori alimentati in serie Pe
62. i da valvole filtri gomiti e ostruzioni varie A riguardo si vedano le specifiche normative richieste per minimizzare tali effetti Altri contributi importanti all inaccuratezza di un misuratore a turbina sono attribuibili al sistema di trasmissione meccanico o elettronico del segnale per gli effetti indesiderati di trascinamento del rotore nonch all eventuale presenza di aria o gas nel fluido di misura che passando attraverso il misuratore hanno il duplice effetto negativo di falsare la misura e far girare la turbina a velocit superiori a quella consentita danneggiandola L ultimo aspetto viene generalmente evitato installando a monte della turbina un degasatore spesso inglobato nello stesso corpo filtrante Caratteristiche metrologiche La norma ISA RP31 1 12 definisce la linearit di un misuratore a turbina come la massima deviazione percentuale del fattore K dal suo valor medio in un determinato campo di misura linearit 100 dl K ned 2 20 med Generalmente la linearit di tali misuratori variabile tra 0 25 0 5 VL in un campo di misura non superiore a 10 1 e per temperatura e viscosit del fluido costante Il contributo di quest ultima propriet fluidodinamica dipendente dalle variazioni di temperatura nel fluido di esercizio quantificabile in 0 01 0 3 cSt Il miglior modo per descrivere comunque l influenza della temperatura sul fattore K di un misuratore a turbina sicuramente attraver
63. i di tali onde acustiche vengono utilizzati cristalli piezoelettrici figura 2 18 che possono o meno essere in contatto con il fluido di misura dando luogo rispettivamente alle versioni wetted talvolta detti anche inserted e cio con trasduttori montati in contatto col fluido ed in posizione fissa o clamp on trasduttori mobili montati opportunamente all esterno della tubazione I cristalli piezoelettrici utilizzati come trasmettitori e ricevitori di tali onde acustiche sono attualmente progettati per emettere brevi ed amplificati impulsi sonori al fine di generare una elevata frequenza di emissione e sfruttare al massimo i vantaggi offerti dalle riflessioni multiple per campi di utilizzo fino a 400 bar Elemento ceramico Trasduttore piezoelettrico Acciaio Sostegno Tubazione Accoppiamento NI acustico x Su Inserto in pressione Fluido acciaio Figura 2 19 Trasduttori piezoelettrici e dispositivi per il montaggio in linea Caratteristiche metrologiche La gran diffusione dei misuratori ad ultrasuoni indipendentemente dal principio di funzionamento essenzialmente legata alla possibilit di essere impiegati con facilit nelle versioni clamp on con l evidente vantaggio di fornire una misura non intrusiva senza perdite di carico della portata in impianti in esercizio senza sostanziali interventi sulla tubazione Esistono ovviamente anche soluzioni wetted con sensori a
64. i pressione adiacenti alle facce anteriore e posteriore del dispositivo ed introduce un coefficiente C correttivo detto coefficiente di efflusso che va a moltiplicare il secondo membro della 2 13 la quale viene definitivamente scritta come Ci tanto pi vero nel caso dei diaframmi perch tali dispositivi non offrono alcuna guida alla corrente n a monte n a valle dell organo di laminazione Per i diaframmi occorre quindi innanzi tutto definire la forma della vena fluida cio della zona di moto pressoch a potenziale alla quale si pu applicare la relazione teorica 2 8 43 Capitolo II Gli strumenti di misura e O i 2 14 4 P dove il coefficiente di portata definito dalla a Do An 2 15 1 8 funzione oltre che del rapporto tra il diametro d della strizione e il diametro D del condotto del tipo di dispositivo di misura della locazione delle prese di pressione e del numero di Reynolds del fluido nella tubazione p d p Angoli 1D D2 NI I 1 2 A SMAS SISSSISSSSSSSESSSSN ZAN n Prius it _ _ _ manie DSSS IAA DO HJI NNN N ND LAI Posizione vena contratta non facilmente individuabile p d p Flange TN l 1 If la Gg ra j 7 Pressione nella tubazione Ha N lg Perdita di pressione carico 2 Figura 2 8 Flusso monodimensionale e stazionario attraverso un diaframma Volendo infine tener conto anche de
65. iderazione nella scelta di un misuratore Coriolis sono la portata da misurare il salto di pressione disponibile la max perdita di carico la viscosit e la densit del fluido nelle condizioni di esercizio Essi presentano ampi campi di misura tipicamente 20 1 e sono adatti alla misura di liquidi anche particolari quali fanghi impasti e fluidi a comportamento reologico non newtoniano grazie alla completa indipendenza del principio di misura dal regime di moto L applicabilit agli aeriformi pur se vantata da alcuni costruttori per elevate pressioni di linea di fatto limitata dall esiguit delle forze di Coriolis generate da fluidi di bassa densit Le incertezze di misura dei misuratori ad effetto Coriolis sono variabili tra 0 15 0 25 VL ma ad esse va aggiunta la tipica stabilit di zero causata da piccole derive nei sensori di posizionamento e nell elettronica integrata Questo contributo diviene particolarmente rilevante alle basse portate va contemplato un contributo aggiuntivo dello 0 01 VL o 81 Capitolo II Gli strumenti di misura addirittura dell 1 0 VL per portate pari rispettivamente al 4 FS ed all 1 FS Ci implica che per una data applicazione portata di progetto va sempre opportunamente vagliata la possibilit di scegliere misuratori di taglia pi grande e dunque con pi piccole perdite di carico ma che operano a percentuali minori del proprio fondo scala Per ovviare a tali problemi opp
66. ignificativa per quanto attiene non solo le dimensioni geometriche ma anche i relativi coefficienti di efflusso Con ragionamenti del tutto simili possibile dedurre che esigenze di misura di fluidi particolarmente aggressivi possono essere soddisfatte solo tramite l impiego di misuratori non intrusivi quali ad esempio gli energy additive E A Cos evidente che solo per questi ultimi possibile realizzare tipologie costruttive con sensori esterni alla tubazione configurazione esterna o clamp on ottimali per quelle esigenze di misura nelle quali preferibile non interrompere il flusso di misura quali ad esempio alcune applicazioni acquedottistiche Analogamente l impiego di strumenti basati su principi di misura massicci certamente comporta l adozione di sensori le cui prestazioni risultano completamente indipendenti dallo stato del fluido di misura dal campo fluidodinamico e di conseguenza dalle propriet reologiche del fluido stesso Le prestazioni dei sensori massicci risultano di conseguenza sempre migliori delle complesse catene di misura flow computers necessarie alla misura della portata in massa tramite l impiego di sensori di portata in volume e di densimetri in linea e o di sensori di pressione e temperatura del fluido questi ultimi necessari a determinare lo stato e cio la densit del fluido Nel seguito verranno analizzate le differenti categorie di misuratori di portata definite in base
67. ilo Al fine di poter comunque utilizzare un valore di tensione cos basso il misuratore elettromagnetico necessita sempre di un amplificatore convertitore di segnale in grado di fornire in uscita un segnale in corrente 4 20 mA o in alcuni casi in frequenza 0 1000 Hz Altro aspetto da non trascurare soprattutto nel caso in cui la condotta sia di acciaio inossidabile la necessit di una opportuna coibentazione con materiale non conduttivo 12 Capitolo II Gli strumenti di misura teflon PVC ceramica ecc interna al misuratore in prossimit degli elettrodi al fine di evitare dispersioni della tensione generata lungo la condotta Relativamente al campo magnetico utilizzato per la generazione del segnale di portata i primi costruttori di misuratori di portata elettromagnetici ritenevano dovesse essere uniforme almeno per tutta la lunghezza del profilo di flusso Questa considerazione port al fatto che i primi magnetici fossero molto lunghi e pesanti l uniformit del campo magnetico doveva essere garantita anche fino a 5 D a monte e valle del misuratore e soprattutto di costruzione complessa e assai costosa L equazione 2 39 dimostra che in presenza di campo magnetico uniforme e costante ed a parit di velocit media del fluido l integrale sulla sezione dei fattori di peso W valori medi di W dovrebbe essere sempre costante la f e m dipende solo dalle variazioni di velocit Come si pu osservare in
68. immetria del profilo di velocit consiste in uno spostamento verso la parete del condotto del punto di massima velocit pu essere causata ad esempio da una curva che altera il profilo di velocit in un piano contenete la curva stessa v alterazioni simmetriche del profilo di velocit consistono in un appiattimento allungamento del profilo di velocit per esempio in un allargamento o restringimento della sezione di efflusso Gli effetti citati provocano la presenza di componenti secondarie di velocit radiali tangenziali e o assiali che sommandosi al flusso principale influenzano in modo diverso le prestazioni metrologiche dei misuratori in maniera tanto pi rilevante quanto maggiore il rapporto p In ogni caso possibile tenere in considerazione la distorsione del profilo di velocit interponendo tra la sezione di sbocco dell elemento di disturbo e la sezione di misura 47 Capitolo II Gli strumenti di misura un tratto rettilineo di condotto di lunghezza adeguata oppure ricorrendo all utilizzo di opportuni raddrizzatori di flusso In particolare la UNI EN ISO 5167 riporta i tratti rettilinei minimi di condotto a monte e a valle da installare tra diversi accessori e l elemento primario in funzione del tipo di disturbo e del rapporto 2 Qualora le indicazioni suddette non possano essere rispettate la stessa norma indica sia le incertezze aggiuntive da considerare sul coefficiente di efflusso sia 1
69. ione del profilo di velocit v la variazione della densit del coefficiente di efflusso C e di comprimibilit lt v la non linearit del misuratore che implica una media quadratica della componente fluttuante e quindi una distorsione nel valore di uscita v la velocit di propagazione del segnale di pressione tra le prese di pressione ed il dispositivo secondario v l inerzia del dispositivo secondario L errore sulla portata pu comunque essere trascurato secondo la ISO TR 3313 21 se la componente fluttuante della pressione differenziale inferiore al 10 del valore medio c Tolleranze dimensionali Le incertezze derivanti dalle tolleranze dimensionali sono solo in parte analizzabili a priori e derivano da tolleranze di lavorazione del diaframma tolleranze di lavorazione del portadiaframma e delle relative prese di pressione tolleranze derivanti dal montaggio del diaframma e del portadiaframma d Temperatura e pressione di rete La temperatura e la pressione di rete incidono sia direttamente sia indirettamente nella relazione di misura Mentre gli effetti diretti sono sempre tenuti in debito conto nelle stazioni di misura in oggetto mediante la misura e la corrispondente correzione della densit gli effetti indiretti sono difficilmente valutabili a priori e possono dar luogo a piccole derive stagionali in funzione delle condizioni climatiche e di esercizio della rete A fronte di tali limitazioni applicat
70. istiche metrologiche La causa di errore tipica per questi misuratori legata all inevitabile gioco esistente tra le parti mobili e le fisse e quindi alle tolleranze delle lavorazioni meccaniche Ad ogni predefinita tolleranza meccanica corrisponde un determinato intervallo di viscosit Come detto in precedenza infatti lo stesso fluido che occupando il meato capillare esistente tra rotore e camera di misura garantisce la tenuta idraulica tra le due parti in moto relativo Un incremento della viscosit teoricamente migliora le prestazioni del misuratore e spesso estende il limite metrologico dello stesso Sfortunatamente un incremento della viscosit accompagnato anche da un incremento delle perdite di carico le parti mobili spendono pi energia nel muovere un fluido pi pesante dei consumi e del logorio meccanico Questo il motivo per cui i costruttori forniscono come dati di targa del misuratore la massima caduta di pressione a cavallo del misuratore ed un coefficiente correttivo della portata massima decrescente con la viscosit figura 2 3 Allo scopo di estendere le capacit metrologiche del misuratore possibile aumentare il meato capillare suddetto tramite l utilizzo di rotori aventi tolleranze maggiori Ci effettivamente comporter una diminuzione degli sforzi di taglio fluido rotore e quindi delle perdite di carico permettendo l utilizzo con prestazioni analoghe dello stesso misuratore con la semplic
71. it della misura Figura 2 15 Schemi di installazione di un misuratore a turbina 57 Capitolo II Gli strumenti di misura Tale raccomandazione pur riducendoli significativamente non riesce comunque ad annullare completamente gli eventuali effetti indotti sulla girante dai disturbi fluidodinamici essi diventano significativi alle pi basse portate e per applicazioni gassose mentre possono essere considerati trascurabili per misuratori di grande taglia per i quali gli effetti indesiderati pesano di meno proporzionalmente alla maggiore spinta indotta sulle pale di area pi grande I misuratori a turbina possono lavorare solo in fluidi puliti a riguardo la norma API 2534 consiglia pertanto prima di installare in linea un misuratore a turbina di inserire al suo posto un tronchetto di tubo ed effettuare un adeguato flussaggio della tubazione cos da rimuovere eventuali materiali estranei In ogni caso buona pratica installare sempre a monte della turbina un filtro di protezione che assicuri un grado di filtraggio tale da evitare che particelle solide materiali fibrosi ed altro possano danneggiare il rotore o ridurre l area di passaggio aumentando quindi la velocit del fluido Il tipo di filtro e la sua capacit di filtraggio vanno scelti principalmente in funzione delle caratteristiche del fluido da misurare 58 Capitolo II Gli strumenti di misura 2 5 Misuratori ad ultrasuoni Il principio di funzionamento
72. ive non sono da trascurare grossi vantaggi quali la grande semplicit d uso e manutenzione soprattutto per i diaframmi il basso costo iniziale 48 Capitolo II Gli strumenti di misura l assenza di parti in movimento e la capacit di lavorare in fluidi puliti non corrosivi n erosivi per lungo tempo senza richiedere particolari interventi manutentivi e di calibrazione Specifiche metrico legali e norme collegate Il maggiore vantaggio dei sensori a pressione differenziale risiede nella loro elevata standardizzazione internazionale La norma italiana UNI EN ISO 5167 1 in particolare specifica la forma le dimensioni ed il metodo di utilizzo condizioni di installazione e di impiego di diaframmi boccagli e venturimetri inseriti in un condotto chiuso al fine di determinare la portata del fluido e l incertezza associata La norma applicabile esclusivamente in condizioni di regime subsonico e stazionario o comunque di portata variabile lentamente nel tempo per tutta la sezione di misura per fluidi monofasici e per condotti con diametro non inferiore a 50 mm e non superiore a 1200 mm oppure per condotti con numero di Reynolds non inferiore a 3150 Relativamente al principio di misura utilizzato ed ai requisiti di installazione e misura per tali dispositivi stato gi abbondantemente detto nei paragrafi precedenti Meritano ancora attenzione le modalit di calcolo dei coefficienti di efflusso C e di comprimibilit
73. lla possibile variazione di densit del fluido assenza dell ipotesi di incomprimibilit viene introdotto l ulteriore coefficiente di comprimibilit 2 Parea 2AP 4 Pi 2 16 44 Capitolo II Gli strumenti di misura a sua volta funzione del tipo di dispositivo del rapporto dei diametri del rapporto delle pressioni p p e delle propriet del fluido k esponente isoentropico del fluido Il valore dei coefficienti ed stato determinato sperimentalmente e formulato in espressioni e o riportato in apposite tabelle della UNI EN ISO 5167 1 in funzione del tipo di dispositivo 7 La scelta di prese di pressione adiacenti alle facce del dispositivo presenta dei vantaggi costruttivi notevoli dal punto di vista della compattezza dell insieme e della semplicit di realizzazione accentuando quindi quelle che sono caratteristiche proprie delle misure di portata con diaframma Per contro tale scelta presenta l inconveniente che la differenza di pressione misurata 4p py py inferiore a quella 4p p p posta alla base dell analisi teorica e risulta ad essa legata da relazioni determinabili solo empiricamente Tecnologie costruttive I misuratori di portata a pressione differenziale sono disponibili sul mercato in differenti tipologie costruttive diaframmi boccagli tubi Dall gomiti venturimetri ecc il cui elemento primario pur se con differenti soluzioni progettuali effettua un restringiment
74. massima utile per le misure 8 Il distacco della vena fluida inevitabile in dispositivi quali diaframmi e boccagli semplici pu invece non verificarsi o interessare una zona trascurabile della condotta con Venturi ben profilati 46 Capitolo II Gli strumenti di misura Da ci intuibile come ci si orienti verso i diaframmi quando interessa la semplicit costruttiva verso i Venturimetri quando indispensabile ridurre le perdite di carico I boccagli rappresentano una soluzione di compromesso ma pi vicina funzionalmente e costruttivamente ai diaframmi Caratteristiche metrologiche La principale limitazione applicativa per i misuratori a pressione differenziale deriva dalla non linearit della relazione 2 13 o 2 16 per fluidi comprimibili il che specie in passato con l utilizzo di estrattori di radice di tipo analogico ha ristretto il loro campo di misura a valori caratteristici di 3 1 Tale campo con l avvento dell elettronica stato ampliato fino a valori di circa 6 1 sempre che in tali estremi vengano rispettate le ipotesi limitative sui numeri di Reynolds minimi imposti dalle norme di cui al paragrafo seguente Gli altri fattori che influiscono sull affidabilit delle misure di portata con tali dispositivi sono effetti di installazione presenza di pulsazioni tolleranze dimensionali temperatura e pressione di rete a Effetti di installazione Il fattore che nella maggior
75. mente sull applicazione del Principio di Bernoulli ad un tratto di tubazione chiusa Questo principio nelle ipotesi di moto unidimensionale e stazionario di un fluido omogeneo in un condotto permette di uguagliare il contenuto energetico totale in corrispondenza di due generiche sezioni 1 e 2 in figura 2 7 aventi diametro d e d e quote z e zz differenti AE E u 2 8 Pif 28 8g P8 2g 8g avendo indicato con g p p ed u rispettivamente l accelerazione di gravit la densit la pressione e l energia interna specifica del fluido Densit del fluido p P3 Figura 2 7 Flusso monodimensionale e stazionario in un condotto chiuso Nelle ulteriori ipotesi di tubazione orizzontale z z2 assenza di scambi termici con l esterno u u2 e fluido incomprimibile p p2 p la 2 8 diviene a A 2 Pr PI 2 9 p 2 p 2 da cui Wil E a 5 2 10 P P 42 Capitolo II Gli strumenti di misura Sfruttando l equazione di continuit della massa che nelle ipotesi suddette esprimibile come A4 w A w 2 11 e sostituendo il valore di w nella 2 9 si ha EAM da cui la portata volumetrica sar pari a gpa 2 13 TAR 1 2 Z In sostanza il restringimento delle linee di corrente provocato da un generico dispositivo di strozzamento ad es il diaframma di figura 2 8 provoca una corrispondente diminuzione della pressione statica eq 2 8 tanto pi grande quanto maggiore la portata
76. mo tollerato Esso costituito normalmente da una coppia di ingranaggi il cui rapporto di trasmissione calcolato in modo da compensare le piccole differenze del volume ciclico effettivo rispetto a quello di progetto Questo dispositivo consente inoltre di compensare anche il fenomeno di trafilamento che si verifica durante la misura Il calibratore pu essere di tipo a frizione o del tipo a sostituzione di ingranaggi Il tipo a sostituzione di ingranaggi tipico di misuratori volumetrici a rotore ed ha il vantaggio che un suo eventuale fuori servizio e o mal funzionamento viene immediatamente segnalato dalla fermata della testina contatrice Nel calibratore a frizione un eventuale mal funzionamento viene invece evidenziato soltanto sottoponendo il misuratore ad una prova di taratura 33 Capitolo II Gli strumenti di misura Oltre ai dispositivi accessori generalmente presenti in un misuratore di portata volumetrico evidenti dallo schema generale di figura 1 5 e dettagliatamente descritti al 1 4 vanno ricordati anche vil convertitore volume peso utilizzato in abbinamento al compensatore di temperatura al fine di leggere sulla testata del misuratore l unit di misura espressa in kg v l additivatore utilizzato per iniettare nel liquido primario un altro liquido di natura diversa ed in percentuale definita Esso pu essere di tipo meccanico elettrico o pneumatico con pompe dosatrici Caratter
77. nge di portata Il parametro di progetto pi importante per una turbina di potenza l efficienza di conversione per un misuratore a turbina la stabilit un buon misuratore a turbina deve trasformare una velocit assiale in velocit di rotazione nella maniera pi accurata e ripetibile senza per questo produrre la pi alta velocit di rotazione ma fornendo la pi stabile rappresentazione della velocit assiale del fluido il meno affetta da effetti secondari Per quanto detto la palettatura si un misuratore a turbina progettata in modo che detta R la distanza radiale di un generico punto della pala dall asse di rotazione e l angolo tra la tangente alla pala nel punto considerato e l asse di rotazione il rapporto tra tgg ed R rimane costante lungo tutta la pala e per ciascuna di esse Il rispetto di questa condizione spinta di ciascun filetto fluido uniforme su tutte le pale f s che la velocit angolare di rotazione rad s della girante risulti proporzionale alla velocit media del fluido e quindi alla portata volumetrica V m s secondo la 2 18 Il rotore calettato su di un apposito albero mediante cuscinetti a sfera o cilindrici riceve il moto direttamente dal fluido e lo trasmette attraverso la cassa del misuratore mediante accoppiamenti meccanici attraverso lo stesso albero ed ingranaggi con opportuni rapporti di riduzione fino ad un indice che s muove su di una scala graduata o mediante accoppiament
78. non perfetto allineamento in fase di installazione della tubazione a monte del foro di passaggio del corpo del misuratore Non solo tale distorsione provocherebbe un aumento dell effetto di dissolvenza creando cos problemi al sistema di rilevazione del segnale ma potrebbe anche modificare l ampiezza effettiva della coda e quindi la frequenza dei vortici e la calibrazione del misuratore Nelle ultime versioni tale problema viene risolto per mezzo di un anello adattatore che garantisca il perfetto centraggio del misuratore alle flange di connessione Per quanto riguarda i sistemi di rilevamento della frequenza di vortici distinguiamo i sistemi a variazione di velocit del fluido e a variazione di pressione In tabella 2 7 sono riassunti i principali sistemi di rilevamento del segnale e le diverse tipologie di sensori associate oggi disponibili in commercio Tabella 2 7 Principali sistemi di rilevamento della frequenza di vortici e tipologie di sensori associate Grandezza rilevata Sistema di rilevamento Sensore Variazione di velocit del Raffreddamento dell elemento DO caldo fluido Termistore Variazione della velocit del suono Onde ultrasoniche Membrana elemento piezolettrico Pressione differenziale Membrana elemento capacitivo Membrana elemento induttivo Variazione di pressione Bandiera estensimetro Rilevamento di movimento 3 gt Sfera elemento induttivo Deformazione del generatore di vortic
79. nuo o ciclico consente come detto di dividere il flusso in volumi noti e costanti L accoppiamento tra l elemento mobile e la camera di misura che lo contiene deve naturalmente essere molto preciso per evitare trafilamenti di fluido e richiede tolleranze di lavorazione molto spinte Figura 2 1 Elementi di misura pi diffusi per contatori di liquidi diversi dall acqua a ad anello rotante b a lamelle striscianti c a lobi ruote ovali d a tri rotore e a bi rotore f a disco nutante 30 Capitolo II Gli strumenti di misura I principali tipi di elementi primari oggi presenti in commercio sono a misuratore ad anello rotante oscillating piston SIEMENS b Cc d e n n x Se Il misuratore figura 2 1a composto da una camera di misura cilindrica e da un anello cilindro che suddivide la camera in due settori uno interno all anello l altro esterno ed il cui asse penetra all interno di un terzo cilindro coassiale al primo Per effetto della pressione del liquido l anello costretto a ruotare tenendosi sempre aderente alla parete del terzo cilindro assumendo quindi un moto rotatorio eccentrico rispetto all asse principale che determina il riempimento e lo svuotamento alternato delle due camere variabili Il volume ciclico determinato dalla somma del volume base esterno compreso tra anello e cassa esterna e del volume base interno compreso tra anello e cassa interna
80. o della sezione retta del condotto incrementando l energia cinetica del fluido a spese della sua energia di pressione formula 2 4 I pi diffusi dispositivi di strozzamento normalizzati sono v Diaframma costituito da un tratto di tubazione diritta di diametro D in cui inserita ortogonalmente preferibilmente entro un portadiaframma una piastra sottile diaframma propriamente detto che reca al centro un foro circolare luce od orifizio di diametro d rispondente a precisi requisiti di forma e dimensione figura 2 9 yY Boccaglio costituito da una parte di imbocco convergente raccordata con una parte cilindrica comunemente detta gola o strozzatura figura 2 10 a y Venturimetro classico costituito da una parte di imbocco convergente raccordata con una parte cilindrica comunemente detta gola o strozzatura e da una parte a tronco di cono a sezione crescente detta divergente figura 2 10 b 5 La struttura della formula di calcolo del coefficiente tale da contemplare tutti gli effetti della comprimibilit Ci ha come conseguenza importante il fatto che per fluidi comprimibili si possano usare gli stessi valori del coefficiente di efflusso a determinati sperimentalmente per fluidi incomprimibili Le espressioni per i coefficienti di efflusso e di comprimibilit sono analoghe per tutti e tre i dispositivi i valori sono ovviamente diversi perch diversi sono la geometria e le condizioni fluid
81. o di misura iii la geometria del misuratore La temperatura ovviamente un altro fattore determinante in quanto sia la viscosit del fluido che le dimensioni geometriche del misuratore possono variare sensibilmente in funzione di quest ultima Al fine di correggere la dilatazione del volume di liquido misurato al variare della temperatura consuetudine usare le norme ASTM 53B e ASTM 54B le quali raggruppano gli idrocarburi in differenti classi usando la stessa densit nelle condizioni di riferimento vedi tabella 2 2 Se il fluido da misurare non tra quelli noti e normati nel caso di misura legale saranno necessari opportuni accordi tra compratore e venditore L utilizzo delle tabelle riportate nelle norme suddette consente di convertire il volume effluito e misurato per mezzo di normali contatori volumetrici dalle condizioni di esercizio a quelle di riferimento 15 C per gli idrocarburi Tale conversione effettuata moltiplicando il volume effluito per uno specifico fattore di correzione per la temperatura Fr sia a Vr 2 2 M trir dove Vmrrirvolume effluito corretto alle condizioni di riferimento Vim volume effluito misurato nelle condizioni di esercizio P trir densit del liquido nelle condizioni di riferimento P tm densit del liquido nelle condizioni di esercizio Fr fattore di correzione Generalmente questa correzione viene effettuata in maniera automatica mediante un sensore di temperatura del liqui
82. odinamiche 45 Capitolo II Gli strumenti di misura PRESSIONE PERDITE DI CARICO ELLA n 5 ISS SIG a BOCCAGLIO b VENTURI Figura 2 10 Misuratori di portata a boccaglio e venturi In tutti i su citati dispositivi in presenza di passaggio di fluidi si verifica una differenza di pressione pressione differenziale fra monte e valle della sezione ristretta rilevata per mezzo di opportune prese di pressione in figura 2 8 sono riportate a titolo di esempio sia prese di pressione sulle flange che agli angoli per un misuratore a diaframma La pressione differenziale 4p suddetta costituisce il segnale di misura che note le caratteristiche del misuratore e le propriet del fluido k sostituito nella 2 13 per fluidi a comportamento ideale o nella 2 14 per fluidi a comportamento reale consente di calcolare la portata volumetrica L accuratezza tipica degli elementi sensibili suddetti dell ordine del 1 2 costante per tutti per cui l impiego dell uno o dell altro suggerito di volta in volta da considerazioni di carattere pratico difficolt costruttive ed ingombro longitudinale aumentano passando dai diaframmi ai boccagli e da questi ai venturimetri d altra parte migliorando la profilatura del convergente e soprattutto del divergente aumenta il recupero di pressione a valle del restringimento e quindi diminuiscono le perdite di carico totali a parit di depressione
83. ore Durante una rotazione completa dei lobi sono trasferiti all esterno quattro volumi base due per ciascun lobo equivalenti al volume ciclico La rotazione degli ingranaggi trasferita all albero esterno mediante sistemi meccanici o magnetici Questo misuratore in grado di misurare liquidi con un ampia gamma di viscosit misuratore a tri Rotore tri rotor LIQUID CONTROLS SAMPI E caratterizzato figura 2 1d dall avere tre parti mobili interne che intrappolano il fluido tra i rotori di cui uno a doppia cavit e gli altri due a paletta e la cassa esterna Il ciclo di lavoro di questo tipo di misuratore tale che ad ogni rotazione del rotore cavo corrispondono due rotazioni degli altri due rotori in fase tra loro e in controfasce rispetto al rotore cavo Il sincronismo nella rotazione relativa di ciascun rotore garantito da un meccanismo guida ad ingranaggi Il volume ciclico dato dal volume spazzato in una rotazione completa del rotore cavo ed costituito dalla somma dei volumi elementari spazzati dalle palette durante la loro doppia rotazione e di quelli spazzati dal rotore cavo Questo modello particolarmente indicato per la misura dei liquidi a media viscosit misuratore a birotore bi rotor costituito figura 2 1e da due rotori di forma complementare mantenuti nella rotazione in controfase ed in perfetto sincronismo tra loro grazie ad un set di ingranaggi di precisione Il flusso pu entrar
84. ortuno ad installazione avvenuta e una volta riempita completamente la tubazione di misura eseguire sempre una taratura di zero a portata nulla L uso di tubi risonanti soggetti a deformazione elastica come sensori della portata massica comporta che la misura sia inevitabilmente influenzata dai cambiamenti della temperatura del fluido della pressione e della densit In particolare la variazione della temperatura del fluido comporta dei cambiamenti delle caratteristiche elastiche e meccaniche dei tubi risonanti mentre la variazione della densit fa cambiare la massa totale del fluido evolvente nel circuito si alterano di conseguenza la frequenza di risonanza ed il coefficiente di smorzamento La non simmetria dei tubi risonanti nonch la possibilit che il fluido evolvente non sia omogeneo sono le ragioni pi probabili della sensibilit allo spostamento dallo zero Al fine di limitare la dipendenza dalla temperatura della stabilit di zero molti costruttori suggeriscono l effettuazione dell operazione di taratura di zero entro 5 C dalle condizioni operative ricorrendo poi a sistemi di compensazione elettronica con un opportuno sensore di temperatura e con un sistema di bilanciamento dinamico in grado di riportare il sistema allo zero nelle diverse condizioni operative di utilizzo Le incertezze di misura dei misuratori ad effetto Coriolis su menzionate sono particolarmente rilevanti se confrontate con quelle di altri misurator
85. ossolana della perdita di carico indotta dal misuratore nel caso di fluidi diversi le curve andranno corrette in funzione della differente viscosit Da non trascurare infine il limite fisiologico connesso all utilizzo e quindi all usura di organi in movimento nonch della camera di misura per cui questi stumenti non sono indicati per la misura di fluidi con apprezzabile quantit di particelle in sospensione o per fluidi poco viscosi In ogni caso la normativa impone l installazione di un apposito filtro a monte del misuratore con rete filtrante funzione del fluido di misura Le caratteristiche metrologiche dei contatori volumetrici tradizionali sono sinteticamente riassunte in tabella 2 3 Tabella 2 3 Caratteristiche metrologiche inerenti i contatori di liquidi diversi dall acqua Vantaggi Limiti v ampio campo di misura v trafilamento differente per diverse viscosit del fluido v elevata affidabilit e precisione differenti curve di taratura per diversi fluidi v effetti di installazione trascurabili v principio di misura volumetrico necessit di v garanzia contro frodi correzione della densit del fluido v resistenza alla corrosione v sensibilit ad impurit del fluido e a bolle di gas v bassa sensibilit alla temperatura ed alla necessit di un filtro e di un degasatore pressione di esercizio perdite di carico elevate stabilit tipica di ciascun sistema di misura a seconda degli organi in movimento
86. ovare in commercio trasduttori relativamente economici ma con modeste prestazioni metrologiche ripetibilit 0 1 accuratezza non migliore dello 0 5 VL quali quelli di solito adottati per il rilievo dei consumi domestici di acqua potabile 56 Capitolo II Gli strumenti di misura che per l estrema leggerezza del rotore per i particolari materiali impiegati e per i sofisticati sistemi di sospensione della girante cuscinetti o sistemi a levitazione magnetica unitamente ai costosi sistemi di rilevazione del moto rotatorio presentano elevati costi di acquisto seppur bilanciati da ottime prestazioni metrologiche con ripetibilit fino allo 0 02 ed accuratezza non minore dello 0 2 VL In ogni caso si ribadisce che una taratura eseguita a non appropriati valori del numero di Re pu comportare un decadimento dell accuratezza su dichiarata anche di diversi punti percentuali I misuratori a turbina mostrano un elevata sensibilit alla presenza di vortici assiali swirl nelle tubazioni per tale motivo i trasduttori pi sofisticati presentano al loro ingresso dei raddrizzatori di flusso ad eventuali dissimmetrie del profilo di velocit alla presenza di particelle in sospensione che possano provocare da un lato usura ed erosione delle parti mobili del misuratore dall altro formazione specie nel caso di flussi liquidi di depositi e o sedimenti sulle pale del rotore che squilibrandolo determinano
87. per l effetto indotto sulle dimensioni della camera di misura e del gioco In genere se necessario possibile correggere l effetto indotto sulla camera di misura semplicemente variando il rapporto di trasmissione alla testata totalizzatrice Per quanto riguarda le tolleranze delle superfici meccaniche a contatto spesso costituite da materiali con diversi coefficienti di espansione termica devono essere ben contenute e rispettate al fine di evitare possibili errori di misura ad esempio con misuratori costruiti per operare a temperature inferiori a quelle effettive di esercizio quindi con tolleranze pi larghe o anche il possibile bloccaggio grippatura del rotore ad esempio con misuratori costruiti per operare a temperature superiori a quelle effettive di esercizio quindi con tolleranze pi strette In genere buona norma nella progettazione di un contatore volumetrico ridurre al minimo gli effetti di attrito tra le parti mobili del misuratore e dunque il dispendio di energia richiesto dalle stesse durante il funzionamento Esso avviene come detto a spese dell energia di pressione posseduta dal liquido ed un brusco abbassamento di pressione potrebbe provocare una parziale separazione dei gas in esso disciolti con conseguente diminuzione della capacit della di misura Relativamente all influenza della pressione oltre alle problematiche su esposte molto importante da tenere in considerazione il valore massimo di pressione di
88. presenti nelle relazioni di misura 2 13 e 2 16 riportate nei paragrafi precedenti Il coefficiente di efflusso C mette in relazione la portata reale e quella ideale che fluiscono attraverso un dato dispositivo per mezzo della Vial c tt 2 17 nd Ap 4 Pi Come stato gi evidenziato in precedenza la taratura degli elementi primari normalizzati dimostra che la quantit a secondo membro della 2 17 per fluidi incomprimibili liquidi dipende soltanto dal numero di Reynolds per un dato elemento primario in un dato impianto o in impianti diversi ma geometricamente simili e con flussi aventi lo stesso numero di Reynolds per fluidi comprimibili gas dipende sia dal numero di Reynolds che dai valori del rapporto delle pressioni 7 p7 p e dalle propriet del fluido k esponente isoentropico del gas Essendo praticamente indipendente dal numero di Reynolds e per un dato rapporto dei diametri funzione solo del rapporto 7 e dell esponente isoentropico k possibile tener conto delle variazioni suddette per fluidi comprimibili moltiplicando il coefficiente di efflusso C dell elemento primario considerato determinato per taratura diretta con liquidi ma a parit del numero di Reynolds per lo stesso coefficiente di comprimibilit Se in prima approssimazione si trascurano gli effetti della finitura superficiale si pu dire che andamento del coefficiente di efflusso C sia per i diaframma vedi figura 2 11 cresc
89. questi migliora l affidabilit della misura la cui precisione viene a dipendere sempre meno dal profilo di velocit cio dal numero di Reynolds Singola riflessione A percorso singolo Doppio percorso Doppio percorso Quattro percorsi 1 piano incrociato singolo incrociati 1 piano 2 piani 2 piani Figura 2 18 Schema di funzionamento di un misuratore ad ultrasuoni 62 Capitolo II Gli strumenti di misura AI fine di ottenere le migliori caratteristiche metrologiche rendendo il pi possibile la misura indipendente dal regime di moto alcuni costruttori ricorrono infatti alle tecnonolgie multi path a pi percorsi ultrasonori di cui alcuni esempi sono riportati in figura 2 18 Nel caso della doppia riflessione i percorsi sono orientati in senso orario ed antiorario rendendo possibile non solo la misura della velocit media e dunque della portata del flusso ma anche la stima degli eventuali effetti di swirl presenti nella corrente e la valutazione dell effettivo profilo di velocit Le versioni clamp on dei misuratori a tempo di transito richiedono nell impiego particolare attenzione all esatto posizionamento dei trasduttori nonch un attenta valutazione misura degli spessori effettivi delle tubazioni di misura Tali spessori sono spesso incogniti a causa delle inevitabili incrostazioni interne variabili da punto a punto e nel tempo Come trasmettitori e ricevitor
90. r e p2 pun verificata di solito con ottima approssimazione In tabella 2 6 sono riassunti le formule empiriche utilizzabili per il calcolo dei coefficienti di efflusso C e di comprimibilit lt i rispettivi campi di applicabilit e le incertezze associate 51 Capitolo II Gli strumenti di misura Tabella 2 6 Formule empiriche di calcolo dei coefficienti C e ed incertezze associate Dispositivi Coefficienti di efflusso e di comprimibilit nu Incertezze C 0 5959 0 0312B 0 1840B 821 2 106 075 Vee n 8 2 2 0 6 0 75 FORA a OERE E 21 D Diaframmi A e 1 0 41 0 359 Pi A 8 3 1 2 E E Pi P2 boccagli ISA 1932 C 0 990 0 2262 8 1 15 wT 9 1 6 1 0 8 1 2 0 001758 00033 1 dui Rep boccagli a grande raggio i 6 05 Boccagli C 0 9965 0006s3p 10 9 2 6 2 2 Re 1 A 1 VAT St aX 1 1 A Ip 9 1 6 1 280 Pi A E E 142 P2 C 0 984 0 995 funzione del tipo di lavorazione 10 1 5 0 7 1 5 1 l a era 2 Venturimetri k 1 1 41 l r 10 1 5 100 li P A E jp P2 Nelle relazioni su riportate L e L rappresentano rispettivamente il rapporto tra distanza della presa di pressione a monte ed il diametro D del condotto ed il rapporto tra la distanza della presa di pressione a valle ed il diametro D del condotto Essi saranno pari a y L L 0 per prese di pressione agli angoli v L 0 4333 L 0 47 per pre
91. r quanto riguarda le problematiche di carattere fluidodinamico va evidenziato che in presenza di aria o bolle di gas ben miscelate nel fluido di misura i misuratori ad effetto Coriolis richiedono un leggero aumento di potenza maggiori consumi per il mantenimento della tubazione in vibrazione L eventuale rottura di bolle di gas in sospensione con conseguente formazione di sacche di vuoto nel liquido e sbattimento di questo sulle pareti della tubazione di misura comporta sia un decadimento delle prestazioni del misuratore causato dallo smorzamento viscoso della tubazione vibrante sia un rumore di disturbo sul segnale di misura per frazioni di vuoto fino al 5 in volume fino ad arrivare per frazioni di vuoto superiori al 5 in volume al completo arresto del moto di misura l energia dissipata negli urti dal liquido sulle pareti supera quella fornita dal sistema di alimentazione La presenza di vuoti nel fluido di misura individuabile in un eccessivo consumo del dispositivo di alimentazione o in una sensibile diminuzione nella densit misurata e o dell ampiezza del 82 Capitolo II Gli strumenti di misura segnale proveniente dai sensori di spostamento pur se non comporta danni per il misuratore sempre auspicabile possa essere ridotta mediante l utilizzo di opportuni degasatori a monte dello stesso misuratore Al fine di limitare i fenomeni di fatica e di frattura cui sono soggetti i tubi in vibrazione particolare
92. ra a sezione trapezoidale L azione di formazione dei vortici pu essere poi aumentata ponendo un secondo corpo immediatamente a valle del corpo generatore nella regione in cui cio si vengono a formare i vortici creati dal primo corpo Se correttamente posizionato questo secondo corpo deflette una porzione dell energia dell vortici nello spazio posto tra i due corpi rinforzando e stabilizzando cos il fenomeno In figura 2 23 mostrato un esempio di doppio corpo 66 Capitolo II Gli strumenti di misura generatore con minima tendenza alla dissolvenza R prossimo all unit praticamente a tutte le frequenze di utilizzo Figura 2 23 Elemento generatore di vortici a doppio corpo Sfortunatamente la forma del corpo generatore di vortici non pu di per s stessa garantire una risposta completa al problema della dissolvenza il fenomeno della generazione sfasata di due treni di vortici basicamente bidimensionale e non si verifica nel modo ideale se il profilo del fluido in ingresso sensibilmente distorto Ci significa che le caratteristiche del corpo generatore e del corpo del misuratore devono essere analizzate e provate in un ampia gamma di condizioni operative e non solo nelle condizioni ideali di calibrazione con lunghi tratti di tubazione rettilinea a monte e a valle perfettamente allineata Una distorsione apprezzabile del profilo del fluido potrebbe infatti essere causata anche dal
93. restituito al flusso in uscita La tenuta del fluido nei volumi racchiusi tra l elemento primario mobile e quello fisso cassa pu essere realizzata in diversi modi ad esempio essa garantita dallo stesso fluido di misura che occupa il meato capillare esistente tra rotore e camera di misura Attraverso un sistema di trasmissione il movimento traslatorio o rotatorio degli elementi meccanici mobili viene trasmesso alla testata totalizzatrice elemento secondario per il conteggio del numero totale dei volumi elementari effluiti attraverso le camere del misuratore La quantit totale di fluido V7g che passa attraverso il misuratore in un dato tempo data quindi dal prodotto di questi volumi per il numero di passaggi totalizzati V n Ve 2 1 avendo indicato con n il numero di giri compiuto dal rotore e con Vc il volume ciclico ovvero il volume di liquido che passa attraverso il contatore durante una rotazione completa del rotore Il volume ciclico costituito da un numero intero di volumi base ovvero di volumi elementari in cui viene continuamente suddiviso il flusso Attraverso un dispositivo di regolazione definito calibratore possibile tarare il misuratore in modo tale che la differenza tra la quantit di fluido indicata dalla testata totalizzatrice e la quantit realmente passata rientri nella precisione di misura dello strumento Il volume totalizzato Vrg pu essere direttamente visualizzato o eventu
94. ri etc alla contabilizzazione dei consumi o ai dosaggi Tali applicazioni certamente rappresentano la maggioranza delle possibili utilizzazioni di misuratori di portata ma una tale affermazione non trova pratico riscontro nell attuale panorama di mercato La maggiore diffusione dei misuratori di portata in volume dovuta fondamentalmente alla consolidata esperienza e tradizione d uso nonch alla vigente standardizzazione nazionale od internazionale che molti misuratori volumetrici possiedono a differenza di quelli massicci da poco apparsi sul mercato Un ulteriore utile suddivisione dei misuratori di portata tipicamente utile per classificare i misuratori di portata in volume quella basata sulle modalit di scambio energetico tra il sensore ed il fluido di misura che d luogo alle due seguenti categorie quella dei cosiddetti sensori Energy Extractive E E nei quali la misura della portata volumetrica avviene a spese dell energia del fluido che nel suo moto nella condotta di misura interagisce con un organo primario fisso o mobile ed immerso nella corrente fluida generando il segnale di misura quella dei sensori definiti Energy Additive E A nei quali il sensore a cedere energia talvolta in forme particolari onde elettromagnetiche ultrasonore etc al fluido di misura determinando poi il segnale di misura E opportuno sottolineare che strettamente correlata a quest ultima classificazione
95. se di pressione a D e D 2 Y L L 25 A D per prese di pressione sulle flange Per i boccagli a grande raggio la formula riportata riferita al numero di Reynolds Rep del condotto a monte qualora ci si riferisca al Rey di gola il coefficiente C indipendente dal rapporto dei diametri 2 nella formula si porr L 1 52 Capitolo II Gli strumenti di misura 2 4 Misuratori a turbina Il principio di funzionamento Un misuratore a turbina essenzialmente composto fig 2 12 da una girante a pale sottili opportunamente sospesa nella corrente fluida con il suo asse di rotazione coassiale o perpendicolare alla direzione del flusso rispettivamente per portate elevate o medio piccole Portate vr elevate O O Convertitore freq volt o o i Acquisitore volt Pickup Au gt magnetico Portate basse 4 ___Raddrizzatore Girante per di flusso liquidi Girante per gas Figura 2 12 Elementi costruttivi di un misuratore a turbina Il vettore velocit media v del fluido che passa attraverso la cassa del misuratore ha solo componenti lungo l asse figura 2 13 e forma un angolo a con la tangente alla pala nel punto di contatto detto angolo di incidenza Angolo di incidenza Paletta rotorica V V rel V Direzione di rotazione Figura 2 13 Vettori velocit sulla pala del rotore L impatto del fluido sulla pala provoca la deviazione degli stessi filetti fluidi che
96. so l alto a Montaggio accettabile con limitazioni Convertitore Amplificatore di segnale Direzione del flusso Elettrodo per controllo presenza prodotto Elettrodi di misura c Tratti rettilinei a valle Tratti rettilinei a monte Figura 2 29 Possibili installazioni per un misuratore elettromagnetico T11 Capitolo II Gli strumenti di misura 2 8 Misuratori Coriolis Il principio di funzionamento Il principio fisico dei misuratori di portata massica ad effetto Coriolis si basa sulla determinazione in un generico tratto L di tubazione figura 2 30 entro cui scorre il fluido di misura di un moto rotatorio di trascinamento della terna mobile x y z solidale al tubo stesso rispetto alla terna fissa y 6 in modo che sul concio elementare di massa di fluido dm agisca un accelerazione complementare detta di Coriolis pari a ac 2 g Vi 2 41 dove la velocit angolare uniforme o pulsante di detto moto di trascinamento e vr la velocit relativa del fluido y Figura 2 30 Principio di funzionamento dei misuratori ad effetto Coriolis Sul concio elementare di fluido verr quindi ad agire una forza di inerzia elementare dFc detta forza di Coriolis dFc 2 dm v 2 42 avente modulo uguale a 2 dm o v sen9 con pari all angolo formato dai due vettori e Vr direzione ortogonale al piano individuato dai due vettori e vr
97. so a R Flusso D Fei Figura 2 31 Momento delle forze di Coriolis Tale momento induce una torsione sul condotto che all equilibrio sar contrastata dal momento elastico del condotto Mr KO con K pari al modulo elastico dello stesso KO m 2 45 4L Le deformazioni indotte nel tratto di misura sono mostrate in figura 2 31 79 Capitolo II Gli strumenti di misura ASSENZA DI FLUSSO Uscita Asse di supporto Lato di uscita Moto di alimentazione Ingresso Lato di ingresso PRESENZA DI FLUSSO Uscita Lato di Asse di uscita supporto J Moto di alimentazione Ingresso Lato di Lato di ingresso uscita o Forza di Coriolis lato di uscita Forza di Coriolis lato di ingresso Figura 2 32 Deformazioni indotte nella tubazione di misura E possibile dimostrare che per piccole velocit angolari relative al moto di alimentazione e per piccole deformazioni indotte dal moto di misura lo spostamento proporzionale a oL At 2r sen z O 2 46 dove vi L la velocit tangenziale del tubo nel suo punto medio e At lo sfasamento temporale con cui i due rami del tubo attraversano il punto medio del proprio percorso Combinando le 2 42 e 2 43 segue che la portata in massa m proporzionale al solo At ed a parametri noti da progetto K ed r 3 K oL At K At mes 4rL 2r 8r cc At 2 47
98. so la relazione tra i due parametri adimensionali il numero di Strouhal ed il numero di Reynolds definiti dalle gada Re EP ue 2 21 w u v dove f frequenza del segnale in uscita dal misuratore D diametro taglia del misuratore w velocit media del fluido nella sezione di misura p densit del fluido 4 viscosit dinamica assoluta del fluido v viscosit cinematica del fluido Dalle 2 21 e 1 9 e tenendo presente l influenza della temperatura sul diametro D del misuratore possibile ricavare 3 3 spe e FED K D K Dj 1 30 T T 2 22 w D V o ancora dalla 2 21 55 Capitolo II Gli strumenti di misura f D yS Di L0 St Re 11 20 7 T 2 23 avendo indicato con q il coefficiente di espansione lineare del misuratore e con il pedice 0 le propriet nelle condizioni di riferimento Poich non possibile calcolare le prestazioni di una turbina in termini di linearit e ripetibilit con metodo idrodinamico ciascuna turbina viene fornita dal costruttore completa di curva di calibrazione alla viscosit prevista di esercizio temperatura To e diametro Do con fattore K esattamente definito Le relazioni 2 22 e 2 23 permetteranno quindi di stimare il corretto valore del fattore K per un misuratore a turbine nelle effettive condizioni di esercizio La costanza del fattore K e quindi implicitamente la linearit delle equazioni 2 18 e 2 19 garantit
99. sulla targa delle iscrizioni e a della temperatura del bagno nel caso di verifica prima b della temperatura media rilevata nel pozzetto termometrico di controllo e del coefficiente di dilatazione cubica del prodotto misurato nel caso di collaudo di posa in opera e di verifica periodica sul luogo di funzionamento l errore espresso in percentuale definito dalla B ME Ve 1000 DI Cc Gli errori tollerati in pi o in meno sono riportati in tabella seguente Tabella 2 5 Errori massimi tollerati nella verificazione degli apparecchi compensatori di temperatura Tipo Verifica Temperatura di prova Liquidi in generale in i a Phop 15 C 0 5 o 1 0 o T 15 C 1 0 o 2 0 o Collaudo in opera e o 15 5 C 1 0 o 2 0 o verifica periodica T 15 5 C 2 0 o 4 0 o Qualora i compensatori vengano considerati parte integrante del sistema di misura comprensivo del misuratore e del degasatore gli errori massi tollerati sono ovviamente gli stessi ad es 5 oV L per sistemi di misura di carburanti previsti dalla Direttiva 2004 22 CE e riportati in tabella 2 4 A titolo di esempio si riporta la verifica del volume contabilizzato e corretto mediante un apparecchio compensatore di temperatura 40 Capitolo II Gli strumenti di misura Fluido di prova Carburante p 750 kg m Capacit campione 1000 L 15 C B 0 000036 C Condizioni di prova Lettura sulla capacit campione del volume
100. superiore ai dati di specifica la vita dello strumento pu essere allungata se opportunamente protetto dai raggi diretti del sole 76 Capitolo II Gli strumenti di misura quando non possibile utilizzare tubi di diametro equivalente al misuratore di portata consigliato il montaggio di appositi coni di riduzione con perdite di carico indotte ricavabili da appositi monogrammi Trattandosi della misura di una portata volumetrica questa pu essere garantita solo se la condotta sempre piena A riguardo la norma raccomanda sempre una posizione verticale figura 2 29a o comunque inclinata figura 2 29b con il fluido diretto verso l alto Quando ci non sia possibile obbligatoria la disposizione degli elettrodi di misura sul diametro orizzontale mentre auspicabile il montaggio di un terzo elettrodo sull asse verticale figura 2 29c in grado di verificare la condizione di vuoto forzare il segnale di misura e generare un allarme Per minimizzare gli effetti di installazione indotti nella sezione di misura da elementi perturbatori di flusso la presenza di tratti di condotto rettilinei pari a 3D per curve singole nel piano 10 D per la presenza di elementi di pompaggio o di valvole di controllo a monte e 2 D a valle riescono in genere a garantire una accuratezza dell 1 per elettromagnetici ben costruiti Accuratezze maggiori possono essere ottenute raddoppiando le distanze suddette Flusso diretto sempre ver
101. tivamente E c4 R e Eer ler Rr evidente che eventuali variazioni nel tempo della conducibilit del fluido o della resistenza del cavo si traducano in una conseguente deviazione dallo zero in tutte le parti metalliche la penetrazione del flusso magnetico primario B genera una corrente parassita Jz la quale induce un campo magnetico secondario Bg di segno opposto il campo magnetico risultante dunque Bx B B7 essendo la corrente Jg proporzionale alla conducibilit del metallo una variazione di temperatura di quest ultimo pu provocare una deviazione dello zero la mancanza di un apposita schermatura nel cavo di trasmissione del segnale pu causare l influenza da correnti di terra alla stessa frequenza di rete Nei nuovi sistemi di alimentazione delle bobine con tensione continua l eccitazione realizzata in modo tale da annullare le derivate dB dt e dE dt per cui tutti i disturbi provocati da rumore in quadratura Eq rumori capacitivi Ec e correnti parassite Jz risultano uguali a zero In particolare in questi sistemi la corrente di alimentazione delle bobine di tipo continuo impulsivo e bipolare figura 2 28 inizialmente fase 1 il circuito di alimentazione aperto ed il segnale dovuto unicamente alla presenza di disturbi galvanici E che determinano una deriva di zero successivamente fase 2 il circuito viene chiuso e la forma d onda sale rapidamente con una rampa fino al raggiungimento del m
102. ttato che la generazione dei vortici avvenga a causa delle forze di attrito superficiali agenti sullo strato limite del fluido in prossimit del corpo immerso una particella di fluido dello strato limite perde energia a causa dell attrito sulla superficie del corpo fino ad essere impossibilitata a penetrare in profondit nella zona a pi alta pressione appena a valle del corpo generatore La particella viene quindi decelerata fino ad arrestarsi e successivamente inverte il proprio senso di marcia generando cos un vortice che aumenta di dimensione si stacca dalla superficie del corpo generatore e si muove nel senso del fluido Il fenomeno regolare e alla formazione di un vortice su un lato dell ostacolo segue la formazione di un nuovo vortice sull altro lato con movimento rotatorio contrario al precedente e cos via creando cos rapidamente una condizione stabile ed alternata di generazione di vortici due file sfasate di vortici comunemente detta configurazione di vortici di Karman figura 2 21 Ciascun vortice un area a relativamente bassa pressione provocata dall aumento in velocit del liquido turbinante nel vortice Le variazioni di velocit del fluido in prossimit del generatore di vortici danno ovviamente origine sulle superfici opposte del corpo stesso a forze positive e negative con direzione ortogonale a quella del fluido il senso di queste forze si inverte ad intervalli regolari Figura 2 2
103. un coefficiente di peso W una sorta di coefficiente generativo del segnale variabile radialmente ed assialmente rispetto agli elettrodi di misura figura 2 27 1 1 E a dy alare dy 2 39 dove si tenuto conto che il generico punto P di coordinate x y fornisce un contributo pari a ep Wp wp B Wp Tecnologie costruttive Come intuibile dal principio di funzionamento premessa indispensabile per un corretto utilizzo dei misuratori elettromagnetici l utilizzo degli stessi con fluidi conduttivi Valori comunemente accettati sono dell ordine di 5 uS cm al di sotto di tali valori e fino a circa 0 05 uS cm sono necessari particolari accorgimenti nella progettazione del misuratore tra cui l utilizzo di appositi cavi schermati intorno gli elettrodi di misura al fine di proteggere il segnale di misura dal rumore elettrico Quest ultimo direttamente proporzionale alla velocit del flusso ed inversamente alla conducibilit ed alla viscosit del fluido Per questo motivo i costruttori sconsigliano l utilizzo di misuratori magnetici con fluidi a bassa conducibilit lt 5 uS cm e velocit superiori ai 0 9 m s Il voltaggio generato ai capi degli elettrodi anche in corrispondenza del massimo valore di velocit media misurabile con un elettromagnetico indicato dalla maggior parte dei costruttori pari a circa 10 m s inferiore ad una decina di millivolt 150 volte inferiore alla tensione di una comune minist
104. vibrazioni della tubazione utilizzare versioni con circuito elettronico separato quando la temperatura del fluido inferiore a 40 C o superiore a 300 C 70 Capitolo II Gli strumenti di misura 2 7 Misuratori elettromagnetici Il principio di funzionamento Il principio di misura sul quale si basa il funzionamento dei misuratori di portata elettromagnetici sostanzialmente quello di Faraday e cio un conduttore che si muove in un campo magnetico figura 2 26 a genera una forza elettromotrice e direttamente proporzionale all intensit B del campo magnetico alla lunghezza del conduttore L ed alla velocit d spostamento v e BxLxv 2 37 Figura 2 26 Principio di Faraday applicato ad un generico conduttore a e ad un fluido in movimento b Nei misuratori magnetici induttivi figura 2 26 b il conduttore in movimento immerso nel campo magnetico rappresentato dal liquido che scorre attraverso il misuratore Esso induce pertanto verticalmente rispetto al campo magnetico B ed alla direzione del flusso una tensione forza elettromotrice indotta proporzionale alla velocit media w del flusso Questa tensione viene misurata da due elettrodi posti diametralmente opposti a distanza L isolati dalla carcassa ma a contatto con il liquido Se il campo magnetico B resta costante la tensione indotta e varia proporzionalmente alla sola velocit media w del flusso 71 Capitolo II Gli strumenti di
105. zza riportata in termini di scostamento dalla regolazione iniziale effettuata sul calibratore essa fitta bene per portate prossime al 25 ma al crescere diminuire della stessa cresce diminuisce il salto di pressione a cavallo del misuratore il che fa aumentare l effetto di trafilamento attraverso il gioco rotore camera di misura diminuire l energia disponibile per il moto del rotore e di tutti i dispositivi connessi il che fa aumentare percentualmente l importanza della quota parte di fluido che trafila A riguardo si definiscono portata limite inferiore o minima e portata limite superiore o massima i valori di portata del fluido oltre i quali l errore di registrazione risulta contenuto entro i limiti di tolleranza predefiniti 35 Capitolo II Gli strumenti di misura 103 Effetto dovuto alla i Lettura iniziale del calibrazione del rotore 102 misuratore 101 Effetto della viscosit per fluidi diversi 100 099 Regolazione 098 Propano 0 20 40 60 80 100 Portata Figura 2 5 Effetti sulla regolazione iniziale di un misuratore volumetrico utilizzato a viscosit differenti I parametri termodinamici quali temperatura e pressione giocano ovviamente un ruolo chiave per l accuratezza dello strumento e non solo per le variazioni indotte nelle propriet del fluido densit si pu compensare e viscosit pu essere corretta intervenendo sulle tolleranze ma anche
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