I flussimetri a turbina sono un tipo di flussimetro volumetrico ampiamente utilizzato in una vasta gamma di applicazioni industriali, tra cui l'industria aerospaziale, criogenica e di trasferimento di custodia, per misurazioni di alta accuratezza. Inventato da Reinhard Woltman nel XVIII secolo, il misuratore di portata a turbina è affidabile sia per i liquidi che per i gas. È costituito da un rotore a pale multiple montato ad angolo retto rispetto al flusso del fluido e sospeso nel flusso del fluido su un cuscinetto a rotazione libera. Il diametro del rotore è leggermente inferiore al diametro interno della camera di misurazione e la sua velocità di rotazione è proporzionale alla portata volumetrica. La rotazione della turbina può essere rilevata da dispositivi a stato solido (sensori a riluttanza, induttanza, capacitivi e ad effetto Hall) o da sensori meccanici (trasmissioni a ingranaggi o magnetiche).
Nel sensore a riluttanza, la bobina è un magnete permanente e le pale della turbina sono realizzate in un materiale attratto dai magneti. Quando ogni pala passa davanti alla bobina, viene generata una tensione nella bobina (Figura 1-A). Ogni impulso rappresenta un volume discreto di liquido. Il numero di impulsi per unità di volume è chiamato fattore K del misuratore.
Figura 1: Generazione del segnale di flusso della turbina Nel sensore di induttanza, il magnete permanente è incorporato nel rotore, oppure le pale del rotore sono realizzate in materiale magnetizzato in modo permanente (Figura 1-B). Quando ciascuna pala passa davanti alla bobina, genera un impulso di tensione. In alcuni modelli, solo una pala è magnetica e l'impulso rappresenta un giro completo del rotore.
Le uscite delle bobine di rilevamento a riluttanza e induttive sono onde sinusoidali continue con la frequenza del treno di impulsi proporzionale alla portata. A basse portate, l'uscita (l'altezza dell'impulso di tensione) può essere dell'ordine di 20 mV picco-picco. Non è consigliabile trasportare un segnale così debole su lunghe distanze. Pertanto, la distanza tra il pickup e l'elettronica di visualizzazione o il preamplificatore associato deve essere breve.
I sensori capacitivi producono un'onda sinusoidale generando un segnale RF che viene modulato in ampiezza dal movimento delle pale del rotore. Al posto delle bobine di rilevamento, è possibile utilizzare anche transistor ad effetto Hall. Questi transistor cambiano il loro stato quando sono in presenza di un campo magnetico di intensità molto bassa (dell'ordine di 25 gauss).
In questi flussimetri a turbina, magneti molto piccoli sono incorporati nelle punte delle pale del rotore. I rotori sono tipicamente realizzati in un materiale non magnetico, come polipropilene, Ryton o PVDF (Kynar). Il segnale emesso da un sensore ad effetto Hall è un treno di impulsi a onda quadra, con una frequenza proporzionale alla portata volumetrica.
Poiché i sensori ad effetto Hall non hanno resistenza magnetica, possono funzionare a velocità di flusso inferiori (0,2 ft/sec) rispetto ai modelli con pickup magnetico (0,5-1,0 ft/sec). Inoltre, il sensore ad effetto Hall fornisce un segnale di alta ampiezza (tipicamente un'onda quadra da 10,8 V), consentendo distanze fino a 3.000 ft tra il sensore e l'elettronica senza amplificazione.
Nel settore della distribuzione idrica, i misuratori di portata a turbina di tipo Woltman ad azionamento meccanico continuano ad essere lo standard. Questi misuratori a turbina utilizzano un treno di ingranaggi per convertire la rotazione del rotore nella rotazione di un albero verticale. L'albero passa tra il tubo di misurazione e la sezione del registro attraverso un premistoppa meccanico, facendo girare un gruppo di registro meccanico a ingranaggi per indicare la portata e azionare un contatore totalizzatore meccanico.
Più recentemente, il settore della distribuzione idrica ha adottato un azionamento magnetico come miglioramento rispetto ai misuratori a turbina ad azionamento meccanico che richiedono una manutenzione elevata. Questo tipo di misuratore ha un disco di tenuta tra la camera di misura e il registro. Sul lato della camera di misura, l'albero verticale fa girare un magnete invece di un ingranaggio. Sul lato del registro, è montato un magnete opposto per far girare l'ingranaggio. Ciò consente di utilizzare un registro completamente sigillato con un meccanismo di trasmissione meccanico.
Negli Stati Uniti, l'AWWA stabilisce gli standard per i flussimetri a turbina utilizzati nei sistemi di distribuzione dell'acqua. Lo standard C701 prevede due classi (Classe I e Classe II) di flussimetri a turbina. I flussimetri a turbina di Classe I devono registrare tra il 98 e il 102% della portata effettiva al flusso massimo durante il test. I flussimetri a turbina di Classe II devono registrare tra il 98,5 e il 101,5% della portata effettiva. Sia i flussimetri di Classe I che quelli di Classe II devono avere registri meccanici.
I modelli con sensori a stato solido sono meno soggetti all'usura meccanica rispetto ai misuratori AWWA di Classe I e Classe II.
Variazioni di progettazione e costruzione
La maggior parte dei flussimetri industriali sono realizzati in acciaio inossidabile austenitico (301, 303, 304SS), mentre i flussimetri a turbina destinati al servizio idrico municipale sono in bronzo o ghisa. I materiali del rotore e dei cuscinetti sono selezionati in base al fluido di processo e all'applicazione. I rotori sono spesso realizzati in Acciaio inox, mentre i cuscinetti sono in grafite, carburo di tungsteno, ceramica o, in casi speciali, in rubino sintetico o zaffiro combinato con carburo di tungsteno. In tutti i casi, i cuscinetti e gli alberi sono progettati per garantire un attrito minimo e la massima resistenza all'usura. Alcuni modelli resistenti alla corrosione sono realizzati con materiali plastici come il PVC.
I piccoli misuratori a turbina sono spesso chiamati turbine barstock perché nelle dimensioni da 3/4 di pollice a 3 pollici sono lavorati da barre esagonali in acciaio inox. La turbina è sospesa da un cuscinetto tra due gruppi di sospensione che servono anche a condizionare il flusso. Questo tipo di sonda è adatto per pressioni elevate (fino a 5.000 psig).
Simile a un misuratore di portata a pressione differenziale con tubo di Pitot, il misuratore a turbina a inserimento è un dispositivo a velocità puntuale. È progettato per essere inserito in una linea di liquido o di gas a una profondità tale che il rotore di piccolo diametro possa leggere la velocità media nella linea. Poiché sono molto sensibili al profilo di velocità del flusso, devono essere profilati in diversi punti lungo il percorso del flusso.
I misuratori a turbina a inserimento possono essere progettati per applicazioni con gas (rotore piccolo e leggero) o con liquidi (rotore più grande, cuscinetti lubrificati ad acqua). Sono spesso utilizzati in condotte di grande diametro dove l'installazione di un misuratore di dimensioni standard sarebbe troppo costosa. Possono essere inseriti a caldo in condotte esistenti (6" o più grandi) attraverso un sistema di valvole senza interrompere il processo. Figura 1. La precisione dei misuratori a turbina è tipicamente espressa in percentuale della portata effettiva (% AR). Questo particolare misuratore ha una tolleranza di Linearit di ±0,25% su un intervallo di portata di 10:1 e una Linearit di ±0,15% su un intervallo di 6:1. La ripetibilità va da ±0,2% a ±0,02% sull'intervallo lineare.
Turbine Meter Accuracy
Figure 2 shows a typical turbine-meter calibration curve describing the relationship between flow and K-factor (pulses/gallon). The accuracy of turbine meters is typically given in percentage of actual rate (% AR). This particular meter has a linearity tolerance band of ±0.25% over a 10:1 flow range and a ±0.15% linearity in a 6:1 range. The repeatability is from ±0.2% to ±0.02% over the linear range.
Figura 2: Curva di calibrazione tipica di un flussimetro a turbina A causa di piccole incongruenze nel processo di produzione, tutti i flussimetri a turbina vengono calibrati prima della spedizione. Il fattore K risultante in impulsi per unità di volume varierà entro le specifiche di linearità indicate. È tuttavia possibile registrare diversi fattori K per diverse porzioni dell'intervallo di flusso e passare elettronicamente da uno all'altro al variare del flusso misurato. Naturalmente, il fattore K è applicabile solo al fluido per il quale il misuratore è stato calibrato.
I misuratori a turbina Barstock sono tipicamente lineari con una tolleranza del ±0,25% AR su un intervallo di flusso 10:1. La linearità dei misuratori più grandi è ±0,5% AR su un intervallo di flusso 10:1. I misuratori a turbina presentano una tipica non linearità (il picco del misuratore a turbina, mostrato nella Figura 2) nella parte inferiore del 25-30% del loro intervallo. Mantenendo la lettura del flusso minimo al di sopra di questa regione, si otterrà una linearità entro lo 0,15% sui misuratori a turbina di piccole dimensioni e dello 0,25% su quelli di dimensioni maggiori. Se l'intervallo di 10:1 è insufficiente, alcuni flussimetri a turbina possono fornire turndown fino a 100:1 se l'accuratezza viene ridotta all'1% del fondo scala (FS).
Dimensionamento e selezione
I misuratori a turbina devono essere dimensionati in modo che la portata media prevista sia compresa tra il 60% e il 75% della capacità massima del misuratore. Se il tubo è sovradimensionato (con una velocità di flusso inferiore a 1 ft/sec), è necessario selezionare un sensore a effetto Hall e utilizzare un misuratore più piccolo della dimensione della linea. Velocità di flusso inferiori a 1 ft/sec possono essere insufficienti, mentre velocità superiori a 10 ft/sec possono causare un'usura eccessiva. La maggior parte dei flussimetri a turbina è progettata per velocità massime di 30 ft/sec.
I flussimetri a turbina devono essere dimensionati per una caduta di pressione compresa tra 3 e 5 psid alla portata massima. Poiché la caduta di pressione aumenta con il quadrato della portata, ridurre il misuratore alla dimensione immediatamente inferiore aumenterà notevolmente la caduta di pressione.
La viscosità influisce sull'accuratezza e sulla linearità dei misuratori a turbina. È quindi importante effettuare la calibrazione del misuratore per il fluido specifico che si intende misurare. La ripetibilità non è generalmente influenzata in modo significativo dalle variazioni di viscosità e i misuratori a turbina sono spesso utilizzati per controllare il flusso di liquidi viscosi. In generale, i misuratori a turbina funzionano bene se il numero di Reynolds è superiore a 4.000 e inferiore o uguale a 20.000.
Poiché influisce sulla viscosità, anche la variazione di temperatura può influire negativamente sulla precisione e deve essere compensata o controllata. Intervallo temperatura: -200 a 450 °C (-328 a 840 °F).
Le variazioni di densità non influiscono in modo significativo sui misuratori a turbina. Sui liquidi a bassa densità (SG < 0,7), la portata minima aumenta a causa della coppia ridotta, ma l'accuratezza del misuratore di solito non ne risente.
Installazione e accessori
I misuratori a turbina sono sensibili alla geometria delle tubazioni a monte che può causare vortici e flussi turbolenti. Le specifiche richiedono 10-15 diametri di tratto rettilineo a monte e cinque diametri di tratto rettilineo a valle del misuratore. Tuttavia, la presenza di uno qualsiasi dei seguenti ostacoli a monte richiederebbe la presenza di più di 15 diametri di tratti rettilinei a monte.
- 20 diametri per gomiti a 90°, raccordi a T, filtri, filtri a rete o pozzetti termometrici
- 25 diametri per valvole parzialmente aperte; e
- 50 o più diametri se sono presenti due gomiti su piani diversi o se il flusso è a spirale o a cavatappi.
Per ridurre questo requisito di tratto rettilineo, vengono installate delle pale raddrizzatrici. I fasci tubieri o gli elementi a pale radiali vengono utilizzati come raddrizzatori di flusso esterni situati ad almeno 5 diametri a monte del misuratore (Figura 3).
Figura 3: I raddrizzatori di flusso riducono i tratti di tubazione rettilinei In determinate condizioni, la caduta di pressione attraverso la turbina può causare flashing o cavitazione. Il primo provoca una lettura alta del misuratore, il secondo danneggia il rotore. Per proteggersi da questo fenomeno, la pressione a valle deve essere mantenuta a un valore pari a 1,25 volte la pressione di vapore più il doppio della caduta di pressione. Piccole quantità di aria intrappolata (100 mg/l o meno) causano solo una leggera sovrastima della lettura del misuratore, mentre quantità maggiori possono distruggere il rotore.
I misuratori a turbina possono anche essere danneggiati dai solidi intrappolati nel fluido. Se la quantità di solidi sospesi supera i 100 mg/l di dimensioni +75 micron, è necessario installare un filtro a Y di lavaggio o un filtro a cartuccia motorizzato ad almeno 20 diametri di linea retta a monte del flussimetro.
New Developments
Le turbine a doppio rotore aumentano il campo di funzionamento in applicazioni con tubazioni di piccole dimensioni (meno di 2 pollici). I due rotori ruotano in direzioni opposte. Quello anteriore funge da condizionatore, dirigendo il flusso verso il rotore posteriore. I rotori si bloccano idraulicamente e continuano a ruotare anche quando il flusso diminuisce fino a raggiungere valori molto bassi.
La linearità di un misuratore a turbina è influenzata dal profilo di velocità (spesso determinato dall'Installazione), dalla viscosità e dalla temperatura. Ora è possibile includere complesse funzioni di linearizzazione nel preamplificatore di un misuratore di portata a turbina per ridurre queste non linearità. Inoltre, i progressi nella tecnologia dei bus di campo consentono di ricalibrare in continuo i misuratori di portata a turbina, correggendo così le variazioni di temperatura e viscosità.
I computer di flusso sono in grado di eseguire la linearizzazione, la compensazione automatica della temperatura, il dosaggio, il calcolo del contenuto di BTU, l'acquisizione dati e la memorizzazione di più fattori K. Il controller di dosaggio viene impostato con il volume target desiderato e, quando il suo totalizzatore ha raggiunto lo zero, termina il dosaggio. Tali pacchetti sono dotati di circuiti di flusso gocciolante, pre-avviso o interruzione del flusso. Che funzionino tramite un contatto a relè o una funzione di rampa, queste caratteristiche servono a ridurre al minimo gli schizzi o il riempimento eccessivo e a terminare accuratamente il dosaggio.
Turbine a gas e misuratori shunt
I misuratori di gas compensano la coppia motrice inferiore prodotta dalla densità relativamente bassa dei gas. Questa compensazione si ottiene grazie a mozzi del rotore molto grandi, gruppi rotore molto leggeri e un numero maggiore di pale del rotore. I misuratori a turbina per il flusso di gas sono disponibili da 2" a 12" e con portate fino a 150.000 ft3/hr. In caso di funzionamento a pressioni di gas elevate (1.400 psig), nei misuratori di dimensioni maggiori è possibile ottenere una rangeability di 100:1. In condizioni di pressione inferiore, la rangeability tipica è di 20:1 con una linearità del ±1%. Il requisito minimo di tubazione diritta a monte è di 20 diametri del tubo.
I flussimetri a shunt sono utilizzati nei servizi di gas e vapore. Sono costituiti da un orifizio nella linea principale e da un gruppo rotore nel bypass. Questi flussimetri sono disponibili in dimensioni da 2 pollici e superiori e hanno una precisione del ±2% su un intervallo di 10:1.
Altri flussimetri rotativi
Altri tipi di flussimetri rotativi includono modelli a elica (girante), shunt e a ruota a pale.
I misuratori a elica sono comunemente utilizzati nei sistemi di irrigazione e distribuzione dell'acqua di grande diametro (oltre 4"). Il loro principale compromesso è il basso costo e la scarsa accuratezza (Figura 4-A). Lo standard AWWA C-704 fissa il criterio di accuratezza per i misuratori a elica al 2% della lettura. I misuratori a elica hanno una rangeability di circa 4:1 e mostrano prestazioni molto scarse se la velocità scende al di sotto di 1,5 ft/sec. La maggior parte dei misuratori a elica è dotata di registri meccanici. I requisiti di usura meccanica, raddrizzatura e condizionamento sono gli stessi dei misuratori a turbina.
Figura 4: Tipo di sonda per flussimetri rotativi I flussimetri a ruota a pale utilizzano un rotore il cui asse di rotazione è parallelo alla direzione del flusso (Figura 4-B). La maggior parte dei misuratori a ruota a pale ha rotori a pale piatte ed è intrinsecamente bidirezionale. Diversi produttori, tuttavia, utilizzano rotori curvi che ruotano solo in avanti. Per tubi più piccoli (da 1/2" a 3"), questi misuratori sono disponibili solo con una profondità di inserimento fissa, mentre per tubi di dimensioni maggiori (da 4" a 48") sono disponibili profondità di inserimento regolabili. L'uso di sensori accoppiati capacitivamente o sensori ad effetto Hall estende la gamma dei misuratori a ruota a pale alla regione di bassa velocità di flusso di 0,3 ft/sec.
I misuratori di flusso basso (di solito inferiori a 1 pollice) hanno un piccolo orifizio a getto che proietta il fluido su una ruota Pelton. Variando il diametro e la forma dell'orifizio a getto è possibile adattarsi alla portata necessaria e ottenere un flussimetro con una accuratezza dell'1% FS e un range di 100:1. È possibile ottenere una accuratezza maggiore in base alla situazione calibrando il flussimetro e riducendone il range. A causa delle dimensioni ridotte dell'orifizio a getto, questi flussimetri possono essere utilizzati solo con liquidi puliti e comportano una caduta di pressione di circa 20 psid. I materiali di costruzione includono polipropilene, PVDF, TFE e PFA, ottone, alluminio e Acciaio inox.
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