La misurazione della portata dei liquidi è una necessità fondamentale in molte applicazioni industriali. In alcune operazioni, la capacità di effettuare misurazioni accurate della portata è così importante che può fare la differenza tra realizzare un profitto o subire una perdita. In altri casi, misurazioni inaccurate della portata, o la mancata esecuzione delle misurazioni, possono causare risultati gravi (o addirittura disastrosi).
Con la maggior parte degli strumenti di misura della portata dei liquidi, la portata viene determinata in modo deduttivo misurando la velocità del liquido o la variazione dell'energia cinetica. La velocità dipende dalla differenza di pressione che spinge il liquido attraverso un tubo o un condotto. Poiché l'area della sezione trasversale del tubo è nota e rimane costante, la velocità media è un'indicazione della portata. La relazione di base per determinare la portata del liquido in questi casi è:
Q = V x A
Dove
Q = Flusso di liquido attraverso il tubo
V = Velocità media del flusso
A = Areadel tubo
Altri fattori che influenzano la portata del liquido includono la viscosità e la densità del liquido, nonché l'attrito del liquido a contatto con il tubo.
Che cos'è un Flussimetro?
Un flussimetro (o un sensore di flusso) è un tipo di strumento di flusso utilizzato per l'indicazione della quantità di liquido, gas o vapore che si muove attraverso un tubo o un condotto misurando le portate lineari, non lineari, di massa o volumetriche. Poiché il controllo del flusso è spesso essenziale, la misurazione del flusso di liquidi e gas è una necessità fondamentale per molte applicazioni industriali e esistono molti tipi diversi di flussimetri che possono essere utilizzati a seconda della natura dell'applicazione.
In caso di scelta di un flussimetro, è necessario considerare fattori intangibili quali la familiarità del personale dell'impianto, la sua esperienza con la calibrazione e la Manutenzione, la disponibilità di Parti di ricambio e il tempo medio tra i guasti storici, ecc. nel sito dell'impianto specifico. Si raccomanda inoltre di calcolare il costo dell'installazione solo dopo aver completato questi passaggi. Uno degli errori più comuni nella misurazione della portata è l'inversione di questa sequenza: invece di selezionare un sensore che funzioni correttamente, si cerca di giustificare l'uso di un dispositivo perché è meno costoso. Questi acquisti "economici" possono rivelarsi le installazioni più costose.
Come scegliere un flussimetro
La base per una buona scelta del flussimetro è una chiara comprensione dei requisiti della specifica applicazione. Pertanto, è necessario dedicare tempo alla valutazione completa della natura del fluido di processo e dell'installazione complessiva. Lo sviluppo delle specifiche che definiscono i requisiti dell'applicazione dovrebbe essere un processo sistematico e graduale.
Fasi iniziali
Il primo passo nel processo di selezione del sensore di flusso è determinare se le informazioni sulla portata devono essere in continuo o totalizzate e se queste informazioni sono necessarie a livello locale o remoto. Se a distanza, la trasmissione deve essere analogica, digitale o condivisa? E, se condivisa, qual è la frequenza (minima) necessaria per l'aggiornamento dei dati? Una volta date le risposte a queste domande, è necessario valutare le proprietà e le caratteristiche di flusso del fluido di processo e delle tubazioni che ospiteranno il flussimetro (Tabella 1).
Tabella 1: Tabella di valutazione dei flussimetri Caratteristiche del fluido e del flusso
Sono elencati il fluido e la sua pressione, temperatura, caduta di pressione ammissibile, densità (o peso specifico), conduttività, viscosità (newtoniana o meno?) e pressione di vapore alla temperatura di esercizio massima, insieme a un'indicazione di come queste proprietà potrebbero variare o interagire. Inoltre, devono essere fornite tutte le informazioni relative alla sicurezza o alla tossicità, insieme a dati dettagliati sulla composizione del fluido, la presenza di bolle, solidi (abrasivi o morbidi, dimensione delle particelle, fibre), la tendenza a rivestire e le qualità di trasmissione della luce (opaco, traslucido o trasparente?). È necessario indicare anche se il flusso può invertirsi, se non riempie sempre il tubo, se può svilupparsi un flusso a slug (aria-solidi-liquido), se è probabile che si verifichino aerazione o pulsazioni, se possono verificarsi improvvisi cambiamenti di temperatura o se sono necessarie precauzioni speciali durante la pulizia e la manutenzione.
Tubazioni e area di installazione
Per quanto riguarda le tubazioni e l'area in cui deve essere collocato il flussimetro, è necessario specificare le seguenti informazioni: per le tubazioni, la direzione (evitare il flusso discendente nelle applicazioni con liquidi), le dimensioni, il materiale, lo schema, la pressione nominale delle flange, l'accessibilità, le curve a monte o a valle, le valvole, i regolatori e le lunghezze disponibili dei tratti di tubazione rettilinei.
Piping and Installation Area
Concerning the piping and the area where the flow meter is to be located, the following information should be specified: For the piping, its direction (avoid downward flow in liquid applications), size, material, schedule, flange-pressure rating, accessibility, up or downstream turns, valves, regulators, and available straight-pipe run lengths.
Per quanto riguarda l'area, il tecnico incaricato della specifica deve sapere se sono presenti o possibili vibrazioni o campi magnetici, se è disponibile alimentazione elettrica o pneumatica, se l'area è classificata a rischio di esplosione o se esistono altri requisiti speciali, come la conformità alle normative sanitarie o CIP (clean-in-place).
Flow Rates and Accuracy
Il passo successivo consiste nel determinare la misura necessaria identificando le portate minime e massime (di massa o volumetriche) che saranno misurate. Successivamente, viene determinata la precisione di misura della portata richiesta. In genere, la precisione è specificata in percentuale della lettura effettiva (AR), in percentuale dell'intervallo calibrato (CS) o in percentuale delle unità di fondo scala (FS). I requisiti di accuratezza devono essere indicati separatamente per le portate minima, normale e massima. Se non si conoscono questi requisiti, le prestazioni del misuratore potrebbero non essere accettabili su tutto il suo intervallo.
Accuratezza vs ripetibilità
Nelle applicazioni in cui i prodotti vengono venduti o acquistati sulla base della lettura di un misuratore, l'accuratezza assoluta è fondamentale. In altre applicazioni, la ripetibilità può essere più importante dell'accuratezza assoluta. Pertanto, è consigliabile stabilire separatamente i requisiti di precisione e ripetibilità di ciascuna applicazione e indicarli entrambi nelle specifiche.
When a flow meter’s accuracy is state in % CS or % FS units, its absolute error will rise as the measured flow rate drops. If meter error is stated in % AR, the error in absolute terms stays the same at high or low flows. Because full scale (FS) is always a larger quantity than the calibrated span (CS), a sensor with a % FS performance will always have a larger error than one with the same % CS specification. Therefore, in order to compare all bids fairly, it is advisable to convert all quoted error statements into the same % AR units.
Quando l'accuratezza di un flussimetro è espressa in unità % CS o % FS, il suo errore assoluto aumenta al diminuire della portata misurata. Se l'errore del contatore è indicato in % AR, l'errore in termini assoluti rimane lo stesso con portate elevate o basse. Poiché il fondo scala (FS) è sempre una quantità maggiore dell'intervallo calibrato (CS), un sensore con prestazioni % FS avrà sempre un errore maggiore rispetto a uno con le stesse specifiche % CS. Pertanto, al fine di confrontare tutte le offerte in modo equo, è consigliabile convertire tutte le dichiarazioni di errore quotate nelle stesse unità % AR. Si raccomanda inoltre all'utente di confrontare le installazioni sulla base dell'errore totale del circuito. Ad esempio, l'imprecisione di una piastra a orifizio è espressa in % AR, mentre l'errore della cella d/p associata è espresso in % CS o % FS. Allo stesso modo, l'imprecisione di un misuratore Coriolis è la somma di due errori, uno espresso in % AR e l'altro in % FS. L'accuratezza totale viene calcolata prendendo la radice della somma dei quadrati delle imprecisioni dei componenti alle portate desiderate.
Nelle specifiche ben preparate dei flussimetri, tutte le dichiarazioni di accuratezza sono convertite in unità % AR uniformi e questi requisiti % AR sono specificati separatamente per le portate minime, normali e massime. Tutte le specifiche e le offerte relative ai flussimetri devono indicare chiaramente sia l'accuratezza che la ripetibilità del flussimetro alle portate minima, normale e massima.
La tabella 1 fornisce i dati relativi all'intervallo dei numeri di Reynolds (Re o RD) entro il quale possono funzionare i vari tipi di sonda per flussimetri. Nella scelta del flussimetro giusto, uno dei primi passi è determinare sia il numero di Reynolds minimo che quello massimo per l'applicazione. Il valore massimo di RD si ottiene effettuando il calcolo in presenza di una portata e di una densità al massimo e di una viscosità al minimo. Al contrario, il valore minimo di RD si ottiene utilizzando una portata e una densità minime e una viscosità massima.
Se è possibile ottenere prestazioni accettabili da due diverse categorie di flussimetri e una di esse non presenta parti mobili, selezionare quella senza parti mobili. Le parti mobili sono una potenziale fonte di problemi, non solo per le ovvie ragioni di usura, lubrificazione e sensibilità al rivestimento, ma anche perché richiedono spazi liberi che a volte introducono uno "slittamento" nel flusso misurato. Anche con misuratori ben mantenuti e calibrati, questo flusso non misurato varia al variare della viscosità e della temperatura del fluido. Le variazioni di temperatura modificano anche le dimensioni interne del misuratore e richiedono una compensazione.
Inoltre, se è possibile ottenere le stesse prestazioni sia da un flussimetro che da un sensore puntiforme, è generalmente consigliabile utilizzare il flussimetro. Poiché i sensori puntiformi non rilevano la portata totale, forniscono letture accurate solo se inseriti a una profondità tale che la velocità del flusso sia la media del profilo di velocità lungo il tubo. Anche se questa misurazione viene determinata con cura al momento della calibrazione, è improbabile che rimanga invariata, poiché i profili di velocità cambiano con la portata, la viscosità, la temperatura e altri fattori.
Se tutte le altre considerazioni sono uguali, ma un progetto offre una minore perdita di pressione, è consigliabile selezionare quel progetto. Ciò è in parte dovuto al fatto che la perdita di pressione comporterà costi di esercizio più elevati per la pompa o il compressore per tutta la durata dell'impianto. Un altro motivo è che qualsiasi restrizione nel percorso del flusso causa una caduta di pressione e qualsiasi punto in cui il tubo è ristretto diventa un potenziale sito di accumulo di materiale, intasamento o cavitazione.
Unità di massa o volumetriche
Prima di specificare un flussimetro, è anche consigliabile determinare se le informazioni sulla portata saranno più utili se presentate in unità di massa o volumetriche. Quando si misura la portata di materiali comprimibili, la portata volumetrica non è molto significativa a meno che la densità (e talvolta anche la viscosità) sia costante. Quando si misura la velocità (portata volumetrica) di liquidi incomprimibili, la presenza di bolle sospese causerà errori, pertanto l'aria e il gas devono essere rimossi prima che il fluido raggiunga il misuratore. In altri sensori di velocità, i rivestimenti dei tubi possono causare problemi (a ultrasuoni) oppure il misuratore potrebbe smettere di funzionare se il numero di Reynolds è troppo basso (nei misuratori a vortici è richiesto un RD > 20.000).
Alla luce di queste considerazioni, è opportuno tenere presente i flussimetri massici, che sono insensibili alle variazioni di densità, pressione e viscosità e non sono influenzati dalle variazioni del numero di Reynolds. Anche i vari canali di misura che possono misurare la portata in tubi parzialmente pieni e possono far passare grandi solidi galleggianti o sedimentabili sono sottoutilizzati nell'industria chimica.
Manutenzione di un flussimetro
Numerosi fattori influenzano i requisiti di manutenzione e la durata prevista dei flussimetri. Il fattore principale, ovviamente, è l'abbinamento dello strumento giusto alla particolare applicazione. Dispositivi scelti in modo errato causeranno inevitabilmente problemi in tempi brevi. I flussimetri senza parti mobili richiedono solitamente meno attenzione rispetto alle unità con parti mobili. Tuttavia, tutti i flussimetri richiedono alla fine una certa manutenzione.
Gli elementi primari dei flussimetri a pressione differenziale richiedono tubazioni, valvole e raccordi estesi quando sono collegati ai loro elementi secondari, quindi la manutenzione può essere un'operazione ricorrente in tali installazioni. Le linee di impulso possono ostruirsi o corrodersi e devono essere pulite o sostituite. Inoltre, una posizione errata dell'elemento secondario può causare errori di misurazione. Il riposizionamento dell'elemento può essere costoso.
I misuratori di portata con parti mobili richiedono ispezioni interne periodiche, soprattutto se il liquido misurato è sporco o viscoso. L'installazione di filtri a monte di tali unità contribuirà a ridurre al minimo le incrostazioni e l'usura. Gli strumenti senza ostruzioni, come i misuratori a ultrasuoni o elettromagnetici, possono sviluppare problemi con i componenti elettronici del loro elemento secondario. I sensori di pressione associati agli elementi secondari devono essere periodicamente rimossi e ispezionati.
Le applicazioni in cui possono verificarsi rivestimenti rappresentano un potenziale problema anche per gli strumenti senza ostruzioni, come le unità magnetiche o a ultrasuoni. Se il rivestimento è isolante, il funzionamento dei flussometri magnetici sarà compromesso se gli elettrodi sono isolati dal liquido. Questa condizione può essere prevenuta con una pulizia periodica. Con i flussometri a ultrasuoni, gli angoli di rifrazione possono cambiare e l'energia sonora assorbita dal rivestimento può causare il malfunzionamento del misuratore.
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