Un flussimetro è un tipo di flussimetro ed è un dispositivo che misura con precisione la portata massica di un fluido che scorre attraverso un tubo. La portata massica misura la massa per unità di tempo, a differenza della portata volumetrica, che misura il volume per unità di tempo.
La misurazione della portata massica è alla base della maggior parte delle formulazioni di ricette, delle determinazioni del bilancio dei materiali, della fatturazione e delle operazioni di trasferimento di custodia in tutto il settore industriale. Trattandosi delle misurazioni di portata più critiche in un impianto di lavorazione, l'affidabilità e l'accuratezza del rilevamento della portata massica sono di fondamentale importanza.
Mass flow measurement is the basis of most recipe formulations, material balance determinations, billing, and custody transfer operations throughout industry. With these being the most critical flow measurements in a processing plant, the reliability and accuracy of mass flow detection is of the upmost importance.
Come funziona un misuratore di portata massica?
Le due tecnologie di flusso utilizzate per misurare la portata massica sono quella inerziale e quella termica. I misuratori inerziali, noti come misuratori di portata Coriolis, utilizzano l'effetto Coriolis per misurare la portata massica. Quando un liquido scorre in un tubo ed è soggetto all'accelerazione Coriolis attraverso l'introduzione meccanica di una rotazione apparente nel tubo, la quantità di forza di deflessione generata dall'effetto inerziale Coriolis sarà una funzione della portata massica del liquido.
Anche i misuratori di portata massica termici misurano direttamente la portata massica di liquidi e gas e funzionano secondo i principi del trasferimento di calore utilizzando un elemento riscaldante e sensori di temperatura.
Tipi di misuratori di portata massica
Misuratori di portata massica Coriolis
I misuratori di portata massica Coriolis introducono un'accelerazione Coriolis artificiale, una forza apparente che agisce rispetto a un sistema rotante, nel flusso e misurano la portata massica rilevando il momento angolare risultante.
In caso un fluido scorre in un tubo ed è soggetto all'accelerazione di Coriolis attraverso l'introduzione meccanica di una rotazione apparente nel tubo, la quantità di forza di deflessione generata dall'effetto inerziale di Coriolis sarà una funzione della portata massica del fluido.
Flussimetri termici
Anche i flussimetri termici misurano direttamente la portata massica di gas e liquidi. Questi flussimetri funzionano introducendo una quantità nota di calore nel flusso e misurando la variazione di temperatura associata oppure mantenendo una sonda a temperatura costante e misurando l'energia necessaria per farlo. I componenti di un flussimetro termico di base includono due sensori di temperatura e un riscaldatore elettrico tra di essi. Il riscaldatore può sporgere nel flusso del fluido o può essere esterno al tubo.
Applicazioni comuni dei misuratori di portata massica
I misuratori di portata massica sono utilizzati frequentemente nel monitoraggio o nel controllo di processi legati alla massa (come le reazioni chimiche) che dipendono dalle masse relative degli ingredienti non reagiti, come le formulazioni di ricette, le determinazioni del bilancio dei materiali e le operazioni di fatturazione e trasferimento di custodia. Poiché si tratta delle misurazioni di flusso più critiche in un impianto di lavorazione, l'affidabilità e l'accuratezza della misurazione della portata massica sono molto importanti.
I misuratori di portata massica Coriolis sono utilizzati in molte applicazioni diverse in un'ampia varietà di settori industriali, nonché in applicazioni scientifiche, per misurare sia gas e liquidi corrosivi che puliti. Forniscono un'elevata precisione nella misurazione della portata massica, della densità, della temperatura e della viscosità. I misuratori di portata massica termici sono spesso utilizzati nel monitoraggio o nel controllo di processi legati alla massa, come le reazioni chimiche che dipendono dalle masse relative degli ingredienti non reagiti.
Alcune applicazioni comuni dei misuratori di portata massica termici includono la misurazione dell'aria di combustione in grandi caldaie, la misurazione dei gas di processo dei semiconduttori nell'industria chimica e petrolchimica, applicazioni di ricerca e sviluppo, gascromatografia e test di filtraggio e tenuta. Nel rilevare la portata massica di vapori e gas comprimibili, la misurazione non è influenzata dalle variazioni di pressione e/o temperatura. Una delle capacità dei misuratori di portata massica termici è quella di misurare con precisione basse portate di gas o basse velocità di gas (inferiori a 25 piedi al minuto), molto inferiori a quelle rilevabili con qualsiasi altro dispositivo. I flussimetri termici offrono un'elevata rangeabilità (da 10:1 a 100:1) se funzionano in modalità a differenza di temperatura costante.
D'altra parte, se l'apporto di calore è costante, la capacità di rilevare differenze di temperatura molto piccole è limitata e sia la precisione che la rangeabilità diminuiscono. A portate normali, gli errori di misurazione sono solitamente compresi nell'intervallo dell'1-2% del fondo scala.
Quali sono le limitazioni di un misuratore di portata massica?
I misuratori di portata massica possono avere una rangeability molto elevata e un'alta precisione, ma presentano anche gravi limitazioni. Le variabili ambientali e gli errori di lettura, calcolo e regolazione possono causare una diminuzione dell'efficienza, potenziali danni alle apparecchiature e, in ultima analisi, una riduzione dell'accuratezza.
I potenziali problemi dei flussimetri Coriolis includono:
- Per il rilevamento, è necessaria una velocità di flusso elevata, con conseguenti cadute di pressione elevate.
- I flussimetri Coriolis sono costosi rispetto ad altri flussimetri. Inoltre, non sono disponibili per tubi di grandi dimensioni.
- I misuratori di portata massica termici sono influenzati dalla condensa di umidità (nei gas saturi) sul rilevatore di temperatura, che causa una lettura bassa del termometro e può portare alla corrosione.
- I misuratori di portata massica termici sono influenzati dal rivestimento o dall'accumulo di materiale sul sensore, che inibisce il trasferimento di calore e causa una lettura bassa del misuratore.
- I misuratori di portata massica termici sono influenzati dalle variazioni del calore specifico causate dai cambiamenti nella composizione del gas.
Misurazione della portata massica: una storia
In passato, la portata massica veniva spesso calcolata dai valori forniti da un misuratore di portata volumetrica e da un densitometro. La densità veniva misurata direttamente (Figura 1-A) o calcolata utilizzando le uscite dei trasmettitori di temperatura e pressione di processo. Queste misurazioni non erano molto accurate perché la relazione tra la pressione o la temperatura di processo e la densità non è sempre nota con precisione: ogni sensore aggiunge il proprio errore separato all'errore di misurazione complessivo e la velocità di risposta di tali calcoli di solito non è sufficiente per rilevare variazioni brusche nella portata.
Figura 1: Flussimetri massici tradizionali Uno dei primi modelli di flussimetri massici autonomi funzionava utilizzando il momento angolare (Figura 1-B). Era dotato di una girante motorizzata che impartiva il momento angolare (movimento rotatorio) accelerando il fluido fino a una velocità angolare costante. Maggiore era la densità, maggiore era il momento angolare necessario per ottenere tale velocità angolare. A valle della girante motorizzata, una turbina fissa sostenuta da una molla era esposta a questo momento angolare.
La coppia risultante (torsione della molla) era un'indicazione della portata massica. Questi misuratori avevano tutti parti mobili e design meccanici complessi. Progettati inizialmente per la misura del carburante degli aerei, alcuni sono ancora in uso. Tuttavia, a causa della loro natura complessa e degli elevati costi di manutenzione, vengono gradualmente sostituiti da modelli più robusti e che richiedono meno manutenzione.
La portata massica può essere misurata anche mediante pesatura in batch o combinando un sensore di livello accurato con un densitometro. Un altro metodo consiste nel montare due trasmettitori d/p sulla parte inferiore di un serbatoio atmosferico a diverse altezze. In questo caso, l'uscita della cella d/p superiore varierà con il livello nel serbatoio, mentre quella inferiore misurerà la testa idrostatica su una distanza elevazionale fissa. Questa differenza di pressione produce la densità del materiale nel serbatoio. Tali sistemi sono stati utilizzati per misurare la portata massica totale dei fanghi.
Misurazione della portata massica rispetto alla portata volumetrica
La misurazione della portata massica e la misurazione della portata volumetrica sono entrambe tecniche importanti utilizzate per misurare la quantità di flusso in un sistema. Sebbene i due concetti siano correlati, differiscono in alcuni aspetti fondamentali. La misurazione della portata massica riguarda la quantità di massa che si muove attraverso un sistema in un dato periodo di tempo, tipicamente misurata in grammi al secondo.La misura della portata volumetrica riguarda la quantità di spazio occupato dalla massa in un determinato periodo di tempo, solitamente misurata in litri al secondo. Una somiglianza tra le due è che entrambe misurano la velocità con cui qualcosa scorre attraverso un sistema. Inoltre, entrambe le misurazioni sono tipicamente utilizzate in combinazione con altre misurazioni per ottenere una migliore comprensione del sistema nel suo complesso.
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