Un misuratore di portata a sezione variabile (Figura 1) è un tipo di misuratore di portata a pressione differenziale (d/p). I flussimetri a sezione variabile sono dispositivi semplici e versatili che funzionano con una caduta di pressione relativamente costante e forniscono la misura della portata di liquidi, gas e vapore.p>
Figura 1: Diversi tipi di misuratori di portata a sezione variabile Il misuratore di portata a sezione variabile è molto diffuso nell'industria per l'indicazione della portata perché ha una scala lineare, un campo di misura relativamente ampio e una bassa caduta di pressione, oltre ad essere piuttosto semplice da installare e mantenere.
I flussimetri ad area variabile, come tutti gli altri tipi di flussimetri a pressione differenziale, funzionano secondo i principi dell'equazione di Bernoulli, secondo la quale all'aumentare della portata di un fluido si verifica una perdita di pressione.
Come funzionano i flussimetri ad area variabile
La posizione del galleggiante, del pistone o della paletta in linea del flussimetro ad area variabile viene modificata man mano che l'aumento della portata apre un'area di flusso più ampia per il passaggio del liquido. La posizione del galleggiante, pistone o della paletta fornisce un'indicazione visiva diretta della portata. Le varianti di progettazione includono il rotametro (un galleggiante in un tubo rastremato), la combinazione orifizio/rotametro (rotametro bypass), la saracinesca variabile a Canale aperto, il tappo rastremato e i modelli a paletta o pistone.
Quando il flusso diminuisce, la forza di gravità o una molla riportano l'elemento di flusso nella sua posizione di riposo. I misuratori a gravità (rotametri) devono essere installati in posizione verticale, mentre quelli a molla possono essere montati in qualsiasi posizione. Tutti i flussimetri a sezione variabile sono disponibili con indicatori locali. La maggior parte può anche essere fornita con sensori di posizione e trasmettitori (pneumatici, elettronici, digitali o in fibra ottica) per il collegamento a display o controlli remoti.
Principio di funzionamento del misuratore di portata a sezione variabile
Il funzionamento del misuratore di portata a sezione variabile si basa sul principio dell'area variabile: il flusso del fluido solleva un galleggiante in un tubo conico, aumentando l'area di passaggio del fluido. Maggiore è il flusso, più in alto viene sollevato il galleggiante. L'altezza del galleggiante è direttamente proporzionale alla portata. Con i liquidi, il galleggiante viene sollevato da una combinazione della spinta idrostatica del liquido e della prevalenza dinamica del fluido. Con il flusso di gas, la spinta idrostatica è trascurabile e il galleggiante risponde solo alla prevalenza dinamica. Il galleggiante si muove verso l'alto o verso il basso nel tubo in proporzione alla portata del fluido e all'area anulare tra il galleggiante e la parete del tubo. Il galleggiante raggiunge una posizione stabile nel tubo quando la forza ascensionale esercitata dal fluido in movimento è uguale alla forza gravitazionale discendente esercitata dal peso del galleggiante. Una variazione della portata altera questo equilibrio di forze. Il galleggiante si sposta quindi verso l'alto o verso il basso, modificando l'area anulare fino a raggiungere nuovamente una posizione in cui le forze sono in equilibrio. Per soddisfare l'equazione delle forze, il galleggiante del flussimetro ad area variabile assume una posizione distinta per ogni portata costante. Tuttavia, è importante notare che, poiché la posizione del galleggiante dipende dalla gravità, i flussimetri ad area variabile devono essere orientati e montati verticalmente.
Regolatori di flusso di spurgo
Se una valvola a spillo è posizionata all'ingresso o all'uscita di un rotametro e un regolatore d/p controlla la differenza di pressione attraverso questa combinazione, il risultato è un regolatore di flusso di spurgo. Tali pacchetti di strumentazione sono utilizzati come misuratori di flusso di spurgo autonomi (Figura 2). Questi sono tra i flussimetri più utilizzati e hanno un costo basso. La loro applicazione principale è il controllo di piccoli flussi di spurgo di gas o liquidi. Sono utilizzati per proteggere gli strumenti dal contatto con fluidi caldi e corrosivi, per proteggere i rubinetti di pressione dall'intasamento, per proteggere la pulizia dei dispositivi ottici e per proteggere i dispositivi elettrici dall'accensione al contatto con combustibili.
Figura 2: Tipo di sonda del misuratore di flusso di spurgo I misuratori di spurgo sono molto utili per aggiungere azoto gassoso agli spazi di vapore dei serbatoi e di altre apparecchiature. Lo spurgo con azoto gassoso riduce la possibilità di sviluppare una miscela infiammabile perché sostituisce i gas infiammabili. Il regolatore di flusso di spurgo è affidabile, intrinsecamente sicuro ed economico.
Come mostrato nella Figura 2, i misuratori di spurgo possono funzionare in modalità a flusso costante, dove P 2 – P 0 è mantenuto costante a circa 60-80 in H 2 0 differenziale. Nelle applicazioni con gorgogliatore e spurgo, la pressione di ingresso (P1) è mantenuta costante e la pressione di uscita (P 0) è variabile. La Figura 2 descrive una configurazione in cui la pressione di uscita (P 0) è mantenuta costante e la pressione di ingresso (P 1) è variabile.
Sono in grado di gestire portate estremamente ridotte, da 0,01 cc/min per i liquidi e da 0,5 cc/min per i gas. La dimensione più comune è un rotametro a tubo di vetro con collegamenti da 1/4 di pollice (6 mm), un intervallo di 0,05-0,5 gpm (0,2-2,0 lpm) per l'acqua o 0,2-2,0 scfm (0,3-3,0 cmph) per l'aria. La precisione tipica è di ±5% FS su un intervallo di 10:1 e la pressione nominale più comune è di 150 psig (1 MPa).
Rotametri
Il rotametro è il misuratore di portata variabile più utilizzato grazie al suo basso costo, alla sua semplicità, alla bassa caduta di pressione, alla gamma relativamente ampia e all'uscita lineare. Il suo funzionamento è semplice: per passare attraverso il tubo conico, il flusso del fluido solleva il mobile. Maggiore è il flusso, più in alto viene sollevato il mobile. Nel servizio con liquidi, il galleggiante si solleva grazie alla combinazione della spinta idrostatica del liquido e della prevalenza dinamica del fluido. Con i gas, la spinta idrostatica è trascurabile e il galleggiante risponde principalmente alla prevalenza dinamica.
In un rotametro (Figura 1), il tubo di misurazione è montato verticalmente, con l'estremità più piccola nella parte inferiore. Il fluido da misurare entra nella parte inferiore del tubo, passa verso l'alto attorno al galleggiante ed esce dalla parte superiore. Quando non c'è flusso, il galleggiante rimane sul fondo. Quando il fluido entra, il galleggiante di misurazione inizia a sollevarsi.
Il galleggiante si muove verso l'alto e verso il basso in proporzione alla portata del fluido e all'area anulare tra il galleggiante e la parete del tubo. Man mano che il galleggiante sale, la dimensione dell'apertura anulare aumenta. Con l'aumentare di questa area, la pressione differenziale attraverso il galleggiante diminuisce. Il galleggiante raggiunge una posizione stabile quando la forza ascensionale esercitata dal fluido in movimento è uguale al peso del galleggiante. Ogni posizione del galleggiante corrisponde a una portata specifica per una determinata densità e viscosità del fluido. Per questo motivo, è necessario dimensionare il rotametro per ogni applicazione. Se dimensionato correttamente, la portata può essere determinata facendo corrispondere la posizione del galleggiante a una scala calibrata all'esterno del rotametro. Molti rotametri sono dotati di una valvola integrata per la regolazione manuale del flusso.
Sono disponibili diverse forme di galleggiante per varie applicazioni. Uno dei primi modelli era dotato di fessure che facevano ruotare il galleggiante per stabilizzarlo e centrarlo. Poiché questo galleggiante ruotava, è stato coniato il termine rotametro.
I rotametri sono in genere forniti con dati di calibrazione e una scala di lettura diretta per aria o acqua (o entrambe). Per dimensionare un rotametro per altri servizi, è necessario prima convertire la portata effettiva in una portata standard. Per i liquidi, questa portata standard è l'equivalente in acqua in gpm; per i gas, la portata standard è l'equivalente in aria in piedi cubi standard al minuto (scfm). Le tabelle che elencano i valori standard equivalenti in gpm per l'acqua e/o in scfm per l'aria sono fornite dai produttori di rotametri. I produttori spesso forniscono anche righelli laterali, nomogrammi o software per il dimensionamento dei rotametri.
How to Select a Variable Area Flow Meter: Design Variations
È disponibile un'ampia scelta di materiali per galleggianti, guarnizioni, O-ring e raccordi terminali. I tubi dei rotametri per applicazioni sicure come aria o acqua possono essere realizzati in vetro, mentre, se la rottura potrebbe creare una condizione di pericolo, vengono forniti con tubi metallici. I tubi in vetro sono i più comuni, essendo realizzati con precisione in vetro borosilicato con schermatura di sicurezza. I galleggianti sono tipicamente lavorati a macchina in vetro, plastica, metallo o Acciaio inox per resistere alla corrosione. Altri materiali utilizzati per i galleggianti includono carboloy, zaffiro e tantalio. I raccordi terminali sono disponibili in metallo o plastica. Alcuni liquidi attaccano il tubo di misurazione in vetro, come il flusso umido o l'acqua con pH elevato superiore a 194 °F (che può ammorbidire il vetro); la soda caustica (che dissolve il vetro); e l'acido fluoridrico (che corrode il vetro).
I galleggianti hanno un bordo affilato nel punto in cui deve essere osservata la lettura sulla scala montata sul tubo. Per una maggiore accuratezza di lettura, un rotametro a tubo di vetro dovrebbe essere installato all'altezza degli occhi. La scala può essere calibrata per la lettura diretta dell'aria o dell'acqua oppure può leggere la percentuale dell'intervallo. In generale, i rotametri a tubo di vetro possono misurare portate fino a circa 60 gpm di acqua e 200 scfh di aria.
Un rotametro a correlazione ha una scala da cui viene presa una lettura (Figura 1). Questa lettura viene poi confrontata con una tabella di correlazione per un dato gas o liquido per ottenere la portata effettiva in unità ingegneristiche. Le tabelle di correlazione sono facilmente disponibili per azoto, ossigeno, idrogeno, elio, argon e anidride carbonica. Sebbene non sia così comodo come un dispositivo a lettura diretta, un misuratore a correlazione è più preciso. Questo perché un dispositivo a lettura diretta è preciso solo per un gas o un liquido specifico a una determinata temperatura e pressione. Un misuratore di portata a correlazione può essere utilizzato con un'ampia varietà di liquidi e gas in varie condizioni. Nello stesso tubo, è possibile gestire diverse portate utilizzando diversi galleggianti.
I rotametri a tubo di vetro di piccole dimensioni sono adatti per lavorare con pressioni fino a 500 psig, ma la pressione operativa massima di un tubo di grandi dimensioni (2 pollici di diametro) può essere anche di soli 100 psig. Il limite pratico di temperatura è di circa 400 °F, ma un funzionamento a temperature così elevate riduce notevolmente la pressione operativa del tubo. In generale, esiste una relazione lineare tra la temperatura di esercizio e la pressione. I rotametri a tubo di vetro sono spesso utilizzati in applicazioni in cui più flussi di gas o liquidi vengono misurati contemporaneamente o miscelati in un collettore, oppure in cui un singolo fluido viene scaricato attraverso più canali (Figura 3). I flussimetri a tubi multipli consentono di montare fino a sei rotametri nello stesso telaio.
Figura 3: Stazione rotametrica multitubo È anche possibile utilizzare un rotametro sottovuoto. Se il rotametro è dotato di valvola, questa deve essere posizionata all'uscita nella parte superiore dello strumento. Per applicazioni che richiedono un ampio campo di misura, è possibile utilizzare un rotametro a doppia sfera. Questo strumento ha due galleggianti a sfera: una sfera leggera (tipicamente nera) per indicare i flussi bassi e una sfera pesante (di solito bianca) per indicare i flussi elevati. La sfera nera viene letta fino a quando non supera la scala, quindi viene letta la sfera bianca. Uno di questi strumenti ha un campo di misurazione nero da 235 a 2.350 ml/min e uno bianco fino a 5.000 ml/min.
Per pressioni e temperature più elevate, al di là della gamma pratica del vetro, è possibile utilizzare rotametri a tubo metallico. Questi tubi sono solitamente realizzati in Acciaio inossidabile e la posizione del galleggiante viene rilevata da seguitori magnetici con letture all'esterno del tubo di misurazione.
I rotametri a tubo metallico possono essere utilizzati per alcali caldi e forti, fluoro, acido fluoridrico, acqua calda, vapore, fanghi, gas acidi, additivi e metalli fusi. Possono anche essere utilizzati in applicazioni dove le pressioni operative sono elevate, ci sono colpi d'ariete o altre forze che potrebbero danneggiare i tubi di vetro. I rotametri a tubo metallico sono disponibili in diametri da 3/8" a 4", possono funzionare a pressioni fino a 750 psig, Temperatura fino a 540 °C (1.000 °F) e possono misurare portate fino a 4.000 gpm di acqua o 1.300 scfm di aria. I rotametri a tubo metallico sono facilmente disponibili come trasmettitori di portata per l'integrazione con controlli analogici o digitali remoti. I trasmettitori di solito rilevano la posizione del galleggiante tramite accoppiamento magnetico e sono spesso dotati di indicazione esterna tramite un'elica magnetica rotante che muove l'indicatore. Il trasmettitore può essere a sicurezza intrinseca, basato su microprocessore e può essere dotato di allarmi e di un'uscita a impulsi per la totalizzazione.
I rotametri a tubo di plastica sono rotametri a basso costo ideali per applicazioni che coinvolgono liquidi corrosivi o acqua deionizzata.
Accuratezza
I rotametri da laboratorio possono essere calibrati con una precisione dello 0,50% AR su un intervallo di 4:1, mentre l'imprecisione dei rotametri industriali è tipicamente dell'1-2% FS su un intervallo di 10:1. Gli errori dei rotametri di spurgo e bypass sono dell'ordine del 5%.
I rotametri possono essere utilizzati per impostare manualmente le portate regolando l'apertura della valvola mentre si osserva la Scala per stabilire la portata di processo necessaria. Se le condizioni operative rimangono invariate, i rotametri possono essere ripetibili con una precisione dello 0,25% della portata effettiva.
La maggior parte dei rotametri è relativamente insensibile alle variazioni di viscosità. I più sensibili sono i rotametri molto piccoli con galleggianti a sfera, mentre quelli più grandi sono meno sensibili agli effetti della viscosità. Le limitazioni di ciascun tipo di sonda sono pubblicate dal produttore (Figura 4). La forma del mobile influisce sul limite di viscosità. Se il limite di viscosità viene superato, la portata indicata deve essere corretta in base alla viscosità.
Figura 4: Velocità massima del rotametro Poiché il galleggiante è sensibile alle variazioni di densità del fluido, un rotametro può essere dotato di due galleggianti (uno sensibile alla densità, l'altro alla velocità) e utilizzato per approssimare la portata massica. Più la densità del galleggiante si avvicina alla densità del fluido, maggiore sarà l'effetto di una variazione di densità del fluido sulla posizione del galleggiante. I rotametri di portata massica funzionano al meglio con liquidi a bassa viscosità come succo di zucchero grezzo, benzina, carburante per aerei e idrocarburi leggeri.
L'accuratezza del rotametro non è influenzata dalla configurazione delle tubazioni a monte. Il misuratore può anche essere installato direttamente dopo un gomito del tubo senza effetti negativi sulla precisione di misurazione. I rotametri sono intrinsecamente autopulenti perché, quando il fluido scorre tra la parete del tubo e il galleggiante, produce un'azione di lavaggio che tende a impedire l'accumulo di corpi estranei. Tuttavia, i rotametri devono essere utilizzati solo su fluidi puliti che non ricoprono il galleggiante o il tubo. È inoltre necessario evitare liquidi contenenti materiali fibrosi, abrasivi e particelle di grandi dimensioni.
Flussimetri ad area variabile Omega
Flussimetri di portata variabile a tubo di vetro
Il flussimetro variabile di base è il tipo a indicatore a tubo di vetro. Il tubo è realizzato con precisione in vetro borosilicato e il galleggiante è lavorato con precisione in metallo, vetro o plastica. La scala del misuratore può essere calibrata per la lettura diretta dell'aria o dell'acqua, oppure può avere una scala per leggere una percentuale dell'intervallo o una scala arbitraria da utilizzare con equazioni o grafici di conversione. I misuratori di portata a sezione variabile con tubo di vetro schermato di sicurezza sono di uso comune in tutta l'industria per la misurazione di liquidi e gas.
Flussimetri a tubo metallico
I flussimetri a tubo metallico sono utilizzati in servizi in cui pressioni operative elevate, intervalli di temperatura elevati, colpi d'ariete o altre forze potrebbero danneggiare i tubi di misurazione in vetro. I flussimetri a tubo metallico possono essere utilizzati per la maggior parte dei liquidi, compresi i liquidi e i gas corrosivi. Sono particolarmente adatti per applicazioni con vapore, dove i tubi di vetro non sono utilizzabili.
Flussimetri di portata variabile con tubo in plastica
I tubi in plastica sono utilizzati in alcuni modelli di flussimetri ad area variabile grazie al loro costo basso e all'elevata resistenza agli urti. Sono generalmente realizzati in policarbonato, con raccordi terminali in metallo o plastica. Con i raccordi terminali in plastica, è necessario prestare attenzione durante l'installazione per non deformare le filettature. Sono disponibili misuratori con struttura interamente in plastica per applicazioni in cui non sono tollerate parti metalliche a contatto con il fluido, come nel caso dell'acqua deionizzata o dei corrosivi.
Altri tipi di flussimetri ad area variabile
Gli svantaggi principali del rotametro sono il costo relativamente elevato nelle dimensioni più grandi e la necessità che l'installazione avvenga in verticale (potrebbe non esserci spazio sufficiente). Il costo di installazione di un rotametro di grandi dimensioni può essere ridotto utilizzando un bypass a orifizio o un tubo di Pitot in combinazione con un rotametro più piccolo. Il rotametro bypass della stessa dimensione può essere utilizzato per misurare una varietà di flussi, con l'unica differenza tra le applicazioni rappresentata dalla piastra dell'orifizio e dal differenziale che produce.
I vantaggi di un rotametro di bypass includono il basso costo; il suo principale svantaggio è l'imprecisione e la sensibilità all'accumulo di materiale. I rotametri di bypass sono spesso dotati di valvole di isolamento in modo da poter essere rimossi per la manutenzione senza arrestare la linea di processo.
I flussimetri a tappo conico sono flussimetri ad area variabile con un nucleo fisso e un pistone che si muove al variare della portata. In un tipo di sonda, il movimento del pistone sposta meccanicamente un indicatore, mentre in un altro sposta magneticamente un indicatore di portata esterno. Il secondo modello ha un corpo metallico per applicazioni fino a 1.000 psig.
Un misuratore di portata ad area variabile di tipo a saracinesca assomiglia a una valvola a farfalla. Il flusso attraverso il misuratore forza la rotazione di una paletta caricata a molla e un collegamento meccanico fornisce l'indicazione della portata locale. L'imprecisione di tali misuratori è del 2-5% FS. Il misuratore può essere utilizzato su olio, acqua e aria ed è disponibile in dimensioni fino a 4 pollici. Viene anche utilizzato come Flussostato nei sistemi di interblocco di sicurezza.
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