Un team di ingegneri Omega, guidato dal direttore tecnico Ken Leibig, ha cercato di capire se fosse possibile trovare un'alternativa migliore, più efficiente e più conveniente rispetto al metodo attuale per misurare con precisione la temperatura dei liquidi all'interno di un tubo, che prevede l'uso di una sonda a immersione invasiva.
Il frutto del loro lavoro: l'innovativo Sensore di temperatura a morsetto HANI™ (High Accuracy, Non-Invasive) di Omega.
Il sensore HANI si installa con la facilità di un sensore di superficie, ma offre l'elevata accuratezza e le elevate prestazioni di un sensore a immersione. È il meglio di entrambi i mondi e rappresenta una svolta rivoluzionaria per i professionisti di un'ampia gamma di settori, dall'industria alimentare e delle bevande a quella farmaceutica e aerospaziale.
Ma come funziona?
Legge di Fourier sulla conduzione del calore
La tecnologia che rende possibile il sensore HANI si basa sulla legge della conduzione del calore, nota anche come legge di Fourier. La legge di Fourier afferma che la velocità di trasferimento del calore attraverso un materiale è proporzionale al gradiente negativo della temperatura e all'area, ad angolo retto rispetto a tale gradiente, attraverso la quale fluisce il calore.
La tecnologia HANI parte dalla forma differenziale della legge di Fourier sulla conduzione termica, che mostra che la densità del flusso di calore locale q è uguale al prodotto della conducibilità termica k e del gradiente di temperatura locale negativo.
La densità del flusso termico è la quantità di energia che fluisce attraverso un'area unitaria per unità di tempo. Per molte applicazioni semplici, la legge di Fourier viene utilizzata nella sua forma unidimensionale:
Se rivolgessimo la nostra attenzione a una piastra con spessore della parete "∆X", la stessa densità di flusso termico potrebbe essere semplificata in base al gradiente di temperatura rispetto alla temperatura all'esterno della piastra meno la temperatura all'interno della piastra divisa per lo spessore di tale piastra.
Se poi riorganizzassimo quell'equazione, potremmo risolvere la temperatura all'interno della piastra.
- ‘q”’ = densità del flusso di calore
- ‘k’ = conducibilità termica
- ▽ = gradiente di temperatura
- T out = Temp (tubo esterno)
- T in = Temp (all'interno del tubo)
- ∆X = spessore della parete
Quindi, purché si conoscano la conducibilità termica e lo spessore della piastra misurata, è possibile calcolare la temperatura sull'altro lato. Naturalmente, questa equazione è valida per il trasferimento di calore unidimensionale; quindi, per un tubo con spessore t e raggio esterno r, è necessario applicare un fattore di forma:
Che può essere sostituito nella nostra precedente equazione per il trasferimento di calore unidimensionale:
Analizziamo il tutto:
Supponiamo di avere un tubo attraverso il quale scorre un fluido: tale fluido ha una temperatura T in, che è ciò che vogliamo determinare. Vogliamo conoscere la temperatura di quel fluido. Forse anche in un punto specifico all'interno del sistema.
Potreste utilizzare un sensore di superficie tradizionale, ma sacrifichereste l'accuratezza, cosa che i professionisti di un'ampia gamma di settori semplicemente non possono fare.
Oppure potreste utilizzare un sensore a immersione, che è la soluzione preferita dalla maggior parte dei professionisti grazie alla sua elevata accuratezza. Tuttavia, i sensori a immersione sono invasivi per il sistema e questo spesso può causare problemi, come difficoltà di installazione, costi di manutenzione aggiuntivi, rischi di contaminazione e tempi di inattività indesiderati.
Ora, però, esiste una terza opzione: HANI.
Con il suo innovativo design a morsetto, il sensore HANI si monta come un sensore di superficie e può essere installato letteralmente in pochi secondi: basta agganciarlo e fissarlo all'esterno di un tubo e inizierà immediatamente a calcolare la temperatura all'interno del tubo. Non è presente alcuna sonda invasiva di alcun tipo, quindi non è necessario eseguire alcuna foratura o saldatura come invece avviene per l'installazione dei sensori a immersione. Inoltre, poiché HANI è non invasivo, funziona senza entrare in contatto con il fluido all'interno del tubo, eliminando il rischio di rottura o deriva del sensore.
Quindi, l'HANI si installa come un sensore di superficie. Ottimo, ma che dire dell'accuratezza? Ebbene, per superare le imprecisioni di questi sensori di superficie, l'HANI utilizza un sensore di flusso termico oltre a un sensore di superficie accuratamente accoppiato.
Ciò significa che HANI è dotato di un RTD, posizionato all'esterno del tubo, proprio come un sensore di temperatura superficiale, che misura la temperatura esterna del tubo, che possiamo chiamare: T out.
HANI è dotato anche di un sensore di flusso termico, anch'esso posizionato all'esterno del tubo. Un sensore di flusso termico è, fondamentalmente, una Termopila a film sottile che fornisce informazioni sulla quantità di calore perso o immesso nel tubo. Si tratta della variabile "q" nell'equazione di Fourier.
HANI utilizza questi due elementi, T out e il Gradiente di temperatura, e li inserisce nel proprio algoritmo proprietario.
Inoltre, tiene conto di alcuni ingressi dell'utente: diametro del tubo, spessore del tubo e materiale del tubo.
THANI è il risultato del nostro algoritmo proprietario ed è essenzialmente uguale alla temperatura all'interno del tubo (con una precisione di più o meno mezzo grado).
Troppo bello per essere vero?
Per illustrare l'efficacia della tecnologia HANI, Ken e il suo team hanno condotto alcuni esperimenti. Per cominciare, hanno fatto scorrere un liquido a bassa temperatura attraverso un tubo. Su questo tubo, il team di ingegneri aveva installato un sensore a immersione (in modo che la sonda fosse all'interno del tubo), aveva montato un sensore di superficie all'esterno del tubo e aveva fissato un sensore HANI anch'esso all'esterno del tubo. Dopo otto secondi, è stata aperta una valvola che ha immesso un fluido caldo.
Ken e il suo team volevano confrontare l'accuratezza e i tempi di risposta di questi tre tipi di sensori.
Questo grafico illustra ciò che è accaduto.
Si può notare che il sensore di superficie, indicato in rosso, presenta un'imprecisione negli stati stazionari: sia alle temperature più basse che a quelle più elevate tende verso la temperatura ambiente, con uno scarto di almeno il 10%. Questi sensori di superficie sono molto imprecisi e molto lenti nella risposta.
Il sensore a immersione, invece, è in giallo ed è estremamente preciso e veloce.
E l'HANI, che è in blu, è allineato proprio sopra il tempo di risposta del sensore a immersione, a dimostrazione del fatto che è preciso e veloce quanto il sensore a immersione.
Il sensore di temperatura a morsetto HANI™ di Omega è, in poche parole, il meglio dei due mondi ed è IDEALE per numerose applicazioni diverse in cui la precisione è fondamentale ma le sonde invasive causano problemi. Scopri di più sul sensore HANI™ di Omega qui.
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