I misuratori di portata massica termici sono utilizzati nel monitoraggio e/o nel controllo di processi legati alla massa, come le reazioni chimiche, che dipendono dalle masse relative degli ingredienti che non hanno reagito. 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 massici termici sono disponibili in tipi di sonda per alta pressione e alta temperatura e in materiali speciali quali vetro, Monel® e PRA. I modelli a flusso continuo vengono utilizzati per misurare piccoli flussi di sostanze pure (la capacità termica è costante se un gas è puro), mentre i modelli a bypass e a sonda possono rilevare grandi flussi in condotti, torri di combustione e essiccatori.
Teoria di funzionamento
I sensori di flusso massico termico 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 misuratore di flusso massico termico di base includono due sensori di temperatura e un riscaldatore elettrico tra di essi. Il riscaldatore può sporgere nel flusso del fluido (Figura 1) o può essere esterno al tubo (Figura 2).
Nella versione a calore diretto, una quantità fissa di calore (q) viene aggiunta da un riscaldatore elettrico. Quando il fluido di processo scorre attraverso il tubo, il calore viene assorbito e i rilevatori di temperatura a resistenza (RTD) misurano l'aumento di temperatura mentre la quantità di calore elettrico introdotta viene mantenuta costante. Di solito, per questa misurazione della temperatura vengono utilizzati RTD di tipo Pt100. Una volta che il fluido inizia a circolare nel tubo di misurazione, il sensore di temperatura riscaldato viene raffreddato dal movimento del fluido, con la velocità del flusso che determina il grado di raffreddamento. Di conseguenza, la corrente elettrica necessaria per mantenere costante la differenza di temperatura è un'indicazione diretta della portata massica.
La portata massica (m) viene calcolata sulla base della differenza di temperatura misurata (T2-T1), del coefficiente del misuratore (K), della potenza elettrica (q) e del calore specifico del fluido (Cp), come segue: m = Kq/(Cp(T2-T1))
FIGURA 1: RISCALDATORE A IMMERSIONE 
FIGURA 2: TUBO RISCALDATO ESTERNAMENTE Tipi di flussimetri termici Design del tubo riscaldato
I flussimetri a tubo riscaldato sono stati sviluppati per proteggere il riscaldatore e gli elementi sensibili dalla corrosione e da eventuali effetti di rivestimento del processo. Montando i sensori esternamente alla tubazione (Figura 2), gli elementi sensibili rispondono più lentamente e la relazione tra flusso di massa e differenze di temperatura diventa non lineare. Questa non linearità deriva dal fatto che il calore introdotto viene distribuito su una parte della superficie del tubo e trasferito al fluido di processo a velocità diverse lungo la lunghezza del tubo.
La temperatura della parete del tubo è più alta vicino al riscaldatore (rilevata come Tw nella Figura 2), mentre, a una certa distanza, non c'è differenza tra la temperatura della parete e quella del fluido. Pertanto, la temperatura del fluido non riscaldato (Tf) può essere rilevata misurando la temperatura della parete in questo punto più lontano dal riscaldatore. Questo processo di trasferimento di calore è non lineare e l'equazione corrispondente differisce da quella sopra riportata come segue: m0,8 = Kq/(Cp(Tw – Tf)).
Questo misuratore di portata ha due modalità di funzionamento: una misura la portata massica mantenendo costante l'alimentazione elettrica e rilevando l'aumento di temperatura. L'altra modalità mantiene costante la differenza di temperatura e misura la quantità di elettricità necessaria per mantenerla. Questa seconda modalità di funzionamento offre una rangeability del misuratore molto più elevata. Design di tipo bypass
La versione bypass del misuratore di portata massica termico è stata sviluppata per misurare portate maggiori. È costituito da un tubo capillare a parete sottile (di diametro pari a circa 0,125 pollici) e da due rilevatori di temperatura a resistenza autoriscaldanti (RTD) avvolti esternamente che riscaldano il tubo e misurano l'aumento di temperatura risultante (Figura 3). Il sensore è posizionato in un bypass attorno a una restrizione nel tubo principale ed è dimensionato per funzionare nella zona di flusso laminare su tutto il suo campo di funzionamento. In assenza di flusso, i riscaldatori aumentano la temperatura del tubo di bypass a circa 160 °F sopra la temperatura ambiente. In questa condizione, lungo la lunghezza del tubo si ha una distribuzione simmetrica della temperatura (Figura 4). Quando il flusso è in atto, le molecole di gas trasportano il calore a valle e il profilo di temperatura si sposta nella direzione del flusso. Un ponte di Wheatstone collegato ai terminali del sensore converte il segnale elettrico in una portata massica proporzionale alla variazione di temperatura.
Le dimensioni ridotte del tubo di bypass consentono di ridurre al minimo il consumo energetico e di aumentare la velocità di risposta della misurazione. D'altra parte, a causa delle dimensioni ridotte, sono necessari dei filtri per evitare l'intasamento. Una grave limitazione è l'elevata caduta di pressione (fino a 45 psi) necessaria per sviluppare un flusso laminare. Questo è tipicamente accettabile solo per applicazioni con gas ad alta pressione in cui la pressione deve essere comunque ridotta.
Si tratta di un misuratore di portata a bassa accuratezza (2% del Fondo scala), bassa manutenzione e basso costo. I pacchetti di elettronica all'interno delle unità consentono l'acquisizione dei dati, la registrazione dei grafici e l'interfacciamento con il computer. Questi dispositivi sono molto diffusi nell'industria di lavorazione dei semiconduttori. Le unità moderne sono disponibili anche come circuiti di controllo completi, comprensivi di controller e valvola di controllo automatico.
FIGURA 3: IL BYPASS UTILIZZA UNA PICCOLA PERCENTUALE DEL FLUSSO 
FIGURA 4: PROFILO DI TEMPERATURA Sonde di velocità dell'aria
I sensori di flusso massico a sonda vengono utilizzati per misurare i flussi d'aria e sono insensibili alla presenza di moderate quantità di polvere. Mantengono un differenziale di temperatura tra due RTD montati sul tubo del sensore. Il sensore superiore misura la temperatura ambiente del gas (Figura 5) e mantiene costantemente il secondo RTD (vicino alla punta della sonda) a 60 °F sopra la temperatura ambiente. Maggiore è la velocità del gas, maggiore è la corrente necessaria per mantenere il differenziale di temperatura.
Un'altra versione della sonda di velocità è il misuratore di portata massica termico di tipo Venturi, che posiziona un sensore di portata massica riscaldato al diametro minimo di un elemento di flusso Venturi e una sonda di compensazione della temperatura a valle (Figura 6). Uno schermo di ingresso miscela il flusso per uniformare la temperatura. Questo tipo di sonda è utilizzato sia per la misurazione di gas che di liquidi (compresi i fanghi), con un intervallo di flusso che dipende dalle dimensioni del venturi. La caduta di pressione è relativamente bassa e la precisione dipende dalla profondità di inserimento della sonda. È disponibile anche una versione con flussostato che contiene due sensori di temperatura nella punta. Uno dei sensori è riscaldato e la differenza di temperatura è una misura della velocità. L'interruttore può essere utilizzato per rilevare un flusso elevato o basso entro il 5%.
A flow switch version is also available that contains two temperature sensors in the tip. One of the sensors is heated and the temperature difference is a measure of velocity. The switch can be used to detect high or low flow within 5%.
FIGURA 5: CONFIGURAZIONE DELLA SONDA 
FIGURA 6: INSERIMENTO DEL VENTURI Come funzionano gli anemometri a filo
Il termine anemometro deriva dalle parole greche anemos, "vento", e metron, "misura". Gli anemometri meccanici furono sviluppati per la prima volta nel XV secolo per misurare la velocità del vento.
Un anemometro a filo caldo è costituito da un elemento in filo sottile riscaldato elettricamente (0,00016 pollici di diametro e 0,05 pollici di lunghezza) sostenuto da aghi alle estremità (Figura 7). Il tungsteno è utilizzato come materiale del filo per la sua resistenza e l'elevato coefficiente di resistenza alle alte temperature. Quando viene posto in un flusso di gas in movimento, il filo si raffredda; la velocità di raffreddamento corrisponde alla portata massica.
Il circuito dell'elemento sensibile riscaldato è controllato da uno dei due tipi di circuiti elettronici a stato solido: a temperatura costante o a potenza costante. Il sensore a temperatura costante mantiene un differenziale di temperatura costante tra un sensore riscaldato e un sensore di riferimento; la quantità di potenza necessaria per mantenere il differenziale viene misurata come indicazione della portata massica.
Gli anemometri a temperatura costante sono molto diffusi grazie alla loro risposta ad alta frequenza, al basso livello di rumore elettronico, all'immunità dal burnout del sensore in caso di calo improvviso del flusso d'aria, alla compatibilità con i sensori a film caldo e alla loro applicabilità ai flussi di liquidi o gas.
Gli anemometri a potenza costante non dispongono di un sistema di retroazione. La temperatura è semplicemente proporzionale alla portata. Sono meno diffusi perché la loro lettura a flusso zero non è stabile, la risposta alla temperatura e alla velocità è lenta e la compensazione della temperatura è limitata.
FIGURA 7: ANEMOMETRO A FILO CALDO
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Che cos'è un anemometro e cosa misura? Introduzione alla misurazione della velocità dell'aria