Un tubo di Pitot è un dispositivo utilizzato per misurare la velocità di flusso di un fluido convertendo l'energia cinetica del flusso in energia potenziale. Inventato dall'ingegnere francese Henri Pitot nel 1732 per misurare la velocità di flusso dei fiumi, questi dispositivi rilevano la pressione dinamica del flusso del fluido in un punto particolare catturando la differenza tra la pressione di ristagno (pressione totale) e la pressione statica all'interno del fluido.
Successivamente, nel 1858, Henry Darcy lo modificò nella sua forma moderna, migliorandone l'accuratezza e l'applicabilità.
Che cos'è un tubo di Pitot?
Il tubo di Pitot è un'alternativa economica alla piastra con orifizio, e la sua accuratezza varia dallo 0,5% al 5% FS, che è paragonabile a quella di un orifizio. Anche la sua rangeabilità di flusso di 3:1 (alcuni funzionano a 4:1) è simile alla capacità della piastra con orifizio. I tubi di Pitot, come le piastre con orifizio e altri Flussimetri a pressione differenziale, funzionano secondo i principi dell'equazione di Bernoulli, secondo la quale all'aumentare della portata di un liquido si verifica una perdita di pressione.
La differenza principale tra i tubi di Pitot e le piastre con orifizio è che, mentre un orifizio misura l'intero flusso, il tubo di Pitot rileva la velocità del flusso solo in una misurazione del flusso stesso. Un vantaggio del tubo di Pitot sottile è che È possibile inserirlo in tubazioni esistenti e pressurizzate (operazione chiamata hot tapping) senza che sia necessaria una sospensione dell'impianto e senza causare tempi di inattività indesiderati.
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Principio di funzionamento dei tubi di Pitot
Un tubo di Pitot è costituito da un design a doppio tubo all'interno di una singola sonda, utilizzato per misurare sia la pressione totale che quella statica in un flusso di fluido. Il tubo interno ha un'estremità aperta rivolta direttamente verso il flusso, che cattura la pressione totale (di ristagno), che include sia la componente di pressione statica che quella dinamica. Il tubo esterno che lo circonda presenta piccoli fori radiali perpendicolari al flusso, che consentono di rilevare la pressione statica del fluido. Lo spazio anulare tra il tubo interno e quello esterno consente la trasmissione di queste pressioni a collegamenti di pressione separati all'estremità opposta della sonda.
Figura 1: I tubi di Pitot misurano due pressioni La pressione d'urto totale (P T) è la somma delle pressioni statica e cinetica e viene rilevata quando il flusso d'aria colpisce l'apertura del tubo di Pitot. Per misurare la pressione d'impatto, la maggior parte dei tubi di Pitot utilizza un piccolo tubo, talvolta a forma di L, con l'apertura rivolta direttamente verso il flusso in arrivo. La velocità puntuale di avvicinamento (V P) può essere calcolata prendendo la radice quadrata della pressione dinamica, che è la differenza tra la pressione totale (PT) e la pressione statica (P) – e moltiplicandola per il rapporto C/D, dove C è una costante dimensionale e D è la densità:
V P = C(P T – P) 1/2 / D
In caso la portata venga ottenuta moltiplicando la velocità puntuale (V P) per l'area della sezione trasversale del tubo o del condotto, è fondamentale che la misurazione della velocità venga effettuata a una profondità di inserimento corrispondente alla velocità media. All'aumentare della velocità del flusso, il profilo di velocità nel tubo cambia da allungato (laminare) a più piatto (turbolento). Ciò modifica il punto di velocità media e richiede una regolazione della profondità di inserimento. I tubi di Pitot sono consigliati solo per flussi altamente turbolenti (numeri di Reynolds > 20.000) e, in queste condizioni, il profilo di velocità tende ad essere abbastanza piatto da rendere la profondità di inserimento non critica.
Misurazione della pressione statica
Nei tipi di sonda di Pitot con camicia (a doppia parete), la porta della pressione d'urto è rivolta in avanti verso il flusso, mentre le porte statiche sono invece distribuite lungo il tubo esterno. Entrambi i segnali di pressione (P T e P) vengono convogliati tramite tubi a un indicatore o trasmettitore d/p. Nelle applicazioni industriali, la pressione statica (P) può essere misurata in tre modi:
- Attraverso prese nella parete del tubo: le prese di pressione collegano il tubo a un manometro dove viene effettuata l'indicazione della differenza di pressione.
- Tramite sonde statiche inserite nel flusso di processo.
- Tramite piccole aperture situate sul tubo di Pitot stesso o su un elemento aerodinamico separato.
Gli errori nel rilevamento della pressione statica derivano dalla viscosità, dalla velocità e dalla compressibilità dei liquidi. La chiave per un rilevamento accurato della pressione statica è ridurre al minimo la componente cinetica nella misurazione della pressione.
Tubi di Pitot a porta singola
Un tubo di Pitot a porta singola può misurare la velocità del flusso solo in un singolo punto della sezione trasversale di un flusso (Figura 2). La sonda deve essere inserita in un punto del flusso in cui la velocità è la media delle velocità nella sezione trasversale e la sua porta di impatto deve essere rivolta direttamente verso il flusso del fluido. Il tubo di Pitot può essere reso meno sensibile alla direzione del flusso se la porta di impatto ha una smussatura interna di circa 15°, che si estende per circa 1,5 diametri all'interno del tubo.
Figura 2: Installazione del tubo di Pitot nella tubazione Se la differenza di pressione generata dal venturi è troppo bassa per un rilevamento accurato, il tubo di Pitot convenzionale può essere sostituito da un sensore Pitot-Venturi o da un sensore a doppio venturi. Ciò produrrà una differenza di pressione più elevata.
Un tubo di Pitot a porta singola calibrato, pulito e inserito correttamente può fornire una precisione di flusso pari al ±1% del Fondo scala su un intervallo di flusso di 3:1; inoltre, con una certa perdita di precisione, è possibile misurare anche su un intervallo di 4:1. I suoi vantaggi sono il basso costo, l'assenza di parti mobili, la semplicità e il fatto che provoca una perdita di pressione minima nel flusso. I suoi principali limiti includono gli errori derivanti dalle variazioni del profilo di velocità o dall'ostruzione delle porte di pressione. I tubi di Pitot sono generalmente utilizzati per la misura della portata di secondaria importanza, dove il costo è una preoccupazione importante e/o quando il diametro del tubo o del condotto è grande (fino a 72 pollici o più).
Sono state sviluppate sonde Pitot appositamente progettate per l'uso con flussi pulsanti. Un tipo di sonda utilizza una sonda Pitot riempita con Olio di silicone per trasmettere le pressioni di processo alla cella d/p. Nelle applicazioni a pulsazioni ad alta frequenza, l'olio funge da mezzo di smorzamento delle pulsazioni e di livellamento della pressione.
I tubi di Pitot possono essere utilizzati anche in condotti dell'aria quadrati, rettangolari o circolari. In genere, il tubo di Pitot si inserisce in un foro di 5/16 pollici di diametro nel condotto. Il montaggio può essere effettuato tramite una flangia o un premistoppa. Il tubo è solitamente dotato di un indicatore esterno, in modo che la sua porta di impatto possa essere ruotata con precisione per essere rivolta direttamente verso il flusso. Inoltre, il tubo può essere progettato per rilevare il profilo di velocità completo effettuando traversate rapide e costanti attraverso il condotto.
In alcune applicazioni, come il campionamento di particolato dai camini richiesto dall'EPA, è necessario far attraversare un campionatore Pitot attraverso un camino o un condotto. In queste applicazioni, in ogni punto indicato nella Figura 3, oltre al prelievo di un campione di gas, viene effettuata una misurazione della temperatura e della portata, i cui dati vengono poi combinati e portati in laboratorio per l'analisi. In tali applicazioni, una singola sonda contiene un tubo di Pitot, una termocoppia e un ugello di campionamento.
Figura 3: Posizioni dei punti di traversata Un tubo di Pitot può anche essere utilizzato per misurare la velocità dell'acqua in canali aperti, in corrispondenza di cadute, scivoli o creste di caduta. Alle basse velocità di flusso tipiche delle condizioni laminari, i tubi di Pitot non sono raccomandati perché è difficile trovare la profondità di inserimento corrispondente alla velocità media e perché l'elemento Pitot produce una differenza di pressione molto piccola. L'uso di un venturi Pitot migliora questa situazione aumentando la differenza di pressione, ma non risolve il problema causato dal profilo di velocità allungato.
Un tubo di Pitot medio è dotato di più porte di pressione dinamica e statica ed è progettato per estendersi su tutto il diametro del tubo. Le pressioni rilevate da tutte le porte di pressione dinamica (e separatamente da tutte quelle statiche) vengono combinate e la radice quadrata della loro differenza viene misurata come indicazione del flusso medio nel tubo (Figura 4). La porta più vicina all'uscita del segnale combinato ha un'influenza leggermente maggiore rispetto alla porta più lontana, ma, per le applicazioni secondarie in cui i tubi di Pitot sono comunemente utilizzati, questo errore è accettabile.Averaging Pitot Tubes
Averaging pitot tubes have been introduced to overcome the problem of finding the average velocity point. An average pitot tube is provided with multiple impact and static pressure ports and is designed to extend across the entire diameter of the pipe. The pressures detected by all the impact (and separately by all the static) pressure ports are combined and the square root of their difference is measured as an indication of the average flow in the pipe (Figure 4). The port closer to the outlet of the combined signal has a slightly greater influence than the port that is farthest away, but, for secondary applications where pitot tubes are commonly used, this error is acceptable.
Figura 4: Tubo di Pitot con media a aperture multiple Il numero di porte di impatto, la distanza tra le porte e il diametro del tubo di Pitot con media possono essere modificati per adattarsi alle esigenze di una particolare applicazione. Le porte di rilevamento nei tubi di Pitot con media sono spesso troppo grandi per consentire al tubo di comportarsi come una vera camera di media. Questo perché le aperture sovradimensionate non sono ottimizzate per la media, ma per evitare l'intasamento. In alcune installazioni, per mantenere le porte pulite si ricorre allo spurgo con gas inerte, consentendo al sensore di utilizzare porte più piccole.
I tubi di Pitot con media offrono gli stessi vantaggi e svantaggi dei tubi a porta singola. Sono leggermente più costosi e un po' più precisi, soprattutto se il flusso non è completamente formato. Alcuni sensori pitot di media possono essere inseriti attraverso la stessa apertura (o hot tap) che ospita un tubo a porta singola.
Media dell'area
Le stazioni pitot di media dell'area sono utilizzate per misurare i grandi flussi di aria a bassa pressione in caldaie, essiccatori o sistemi HVAC. Queste unità sono disponibili per le varie dimensioni standard di condotti circolari o rettangolari (Figura 5) e per tubi. Sono progettate in modo tale che ogni segmento della sezione trasversale sia dotato di una porta di pressione statica e di una porta di pressione d'urto. Ogni serie di porte è collegata al proprio collettore, che combina i segnali di pressione statica media e di pressione d'urto media. Se c'è il rischio di intasamento, i collettori possono essere spurgati per mantenere pulite le porte.
Figura 5: Stazione Pitot con media dell'area Poiché le stazioni Pitot con media dell'area generano differenziali di pressione molto piccoli, potrebbe essere necessario utilizzare celle d/p a basso differenziale con intervalli fino a 0-0,01 nella colonna d'acqua. Per migliorare l'accuratezza, è possibile installare un raddrizzatore di flusso di tipo esagonale e un ugello di flusso a monte del sensore di flusso Pitot con media dell'area. Il raddrizzatore di flusso rimuove la turbolenza locale, mentre l'ugello amplifica la pressione differenziale prodotta dal sensore.
Installazione
I tubi di Pitot possono essere utilizzati come sensori di flusso installati in modo permanente o come dispositivi di monitoraggio portatili che forniscono dati periodici. Le unità in acciaio al carbonio o acciaio inossidabile installate in modo permanente possono funzionare a pressioni fino a 1400 PSIG e vengono inserite nel tubo tramite raccordi flangiati o a vite. La loro installazione avviene solitamente prima dell'avvio dell'impianto, ma possono essere inseriti a caldo in un processo operativo.
In un'installazione hot-tap (Figura 6), si salda prima un raccordo al tubo. Quindi si fissa una valvola di perforazione al raccordo e si pratica un foro attraverso il tubo. Quindi, dopo aver ritirato parzialmente la punta, si chiude la valvola, si rimuove la punta e si inserisce il tubo di Pitot. Infine, si apre la valvola e si inserisce completamente il tubo di Pitot.
Figura 6: Installazione a caldo di un tubo di Pitot Il profilo di velocità del flusso all'interno del tubo è influenzato dal numero di Reynolds del liquido in movimento, dalla rugosità della superficie del tubo e da disturbi a monte, quali valvole, gomiti e altri raccordi. I tubi di Pitot devono essere utilizzati solo se il numero di Reynolds minimo supera 20.000 e se è possibile fornire un tratto rettilineo di circa 25 diametri a monte del tubo di Pitot o se è possibile installare delle pale di raddrizzamento.
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