Premessa - Testoitalia.it

Premessa
La misura fisica di pressione è, insieme con quella di temperatura,
uno dei parametri più utilizzati nelle procedure sperimentali ed
applicative.
Le esigenze e le richieste maggiori vengono dal settore alimentare,
del riscaldamento, sanitario, del condizionamento dell’aria, della
produzione d’energia, della tecnologia di processo e dei servizi.
Ogni qualvolta si deve rilevare la pressione è necessario rispettare
alcune importanti condizioni, se si vogliono ottenere dei risultati
affidabili.
Fondamentale per la misura è la conoscenza delle diverse unità
ingegneristiche, dei vari tipi di pressione e la relativa definizione.
Questo manuale affronta, innanzitutto, le procedure elettroniche per
la misura di pressione e le relative correlazioni.
Scopo di questa guida pratica è sia di dare una panoramica dei
principali parametri, sia di diventare una documentazione di
consultazione professionale.
Sarà particolarmente apprezzata qualsiasi indicazione utile
all’aggiornamento del manuale.
Il Management:
Walter Paleari
Giorgio Belloni
Tullio Ravelli
Parametro
Pressione
Pagina
6
Argomento
I.
Pagina
Argomento
– Manometro a galleggiante
Definizione di pressione
2. Manometri meccanici
6
II.
3. Sistemi elettrici per la misura di pressione
Unità di misura
1. Unità SI
7
III.
2. Altre unità
13
VI.
Vantaggi dei manometri elettrici
Tabella di conversione
13
VII.
Descrizione del principio di misura Testo
1. Misura di pressione piezoresistiva
8
IV.
2. Misura di pressione induttiva
Tipi di pressione
1. Pressione assoluta = p ass
2. Pressione positiva
15
VIII. Pressione e temperatura
17
IX.
3. Pressione negativa
4. Pressione differenziale = ³ p
5. Pressione atmosferica = p atm
6. Misuratori di pressione e campi applicativi
10
V.
Metodologie per la misura di pressione
1. Manometri a colonna di liquido
4
Precisione
1. Scelta dell’appropriato misuratore
– Manometro a U
2. Linearità
– Manometro a tubo inclinato
3. Coefficiente di temperatura
5
Parametro
Pressione
Pressione p =
Forza F
Superficie A
I. Definizione di pressione
La pressione è definita come una forza (F) esercitata su di una
superficie (A).
L’unità di misura hPa (= mbar) è impiegata soprattutto in
meteorologia, ma anche nell’industria e nel commercio.
750 micron = 1 hPa
bar, KPa, MPa sono le unità standard delle tecnologie industriali per
la misura di pressione. L’unità mmH2O è oramai quasi scomparsa.
II. Unità di misura
SI è la definizione data alle unità di misura base del sistema metrico
internazionale. Il nome deriva dal francese ”Système International
d'Unités“ ed è stato istituito dalla Conferenza Generale Pesi e Misure
(fondata con il Trattato di Metrologia del 20 Maggio 1875). Il sistema
è oggi gestito ed aggiornato dal Bureau International des Poids et
Mesures di Sèvres (Francia). L’organizzazione internazionale per gli
standard (ISO) e l’unione internazionale di fisica pura ed applicata
(IUPAP) definiscono le direttive internazionali per l’applicazione del
sistema metrico SI, che sono poi recepite ed applicate a livello
nazionale.
Le direttive metriche sono utilizzate in Germania come base
legislativa, per definire le grandezze fisiche riconosciute
legalmente ed utilizzate nelle attività commerciali e statali.
"Depositario" delle unità è in Germania l’ente PTB. Il regolamento
esecutivo della legge sulle unità di misura (direttiva dei sistemi di
misura) fa riferimento alla norma DIN 1301 e nell’allegato sono
riportate, in ordine alfabetico, tutte le unità riconosciute legalmente.
Unità Pascal.
Può essere derivata dalle unità di misura SI dal metro e dal Newton.
1 Pa = 1 N/m2. In metrologia, la pressione è indicata generalmente
in hPa. L’unità Pascal ha sostituito quella precedente, definita mbar.
Questo sistema metrico prende il nome da Blaise Pascal (1623 1662), matematico e biologo francese.
Nelle applicazioni industriali è usata spesso l’unità bar, Kpa o MPa.
Le tecnologie mediche impiegano l’unità mmHg, ad es. per
misurare la pressione del sangue.
Un micron è l’unità più piccola (750 micron = 1 hPa), usata
essenzialmente per le misure nel vuoto, ad es. negli impianti di
raffreddamento.
Unità anglosassoni:
- psi (pound per inch al quadrato)
- in H2O (inch d’acqua)
- in Hg (inch di mercurio)
Le vecchie unità Torr, atü, ata, atu, atm e kp/cm2 non sono più
utilizzate e non sono legalmente riconosciute.
III. Tabella di conversione
1Pa =
6
1N
m2
con
1N = 1kg
m
s2
hPa/mbar
kPa
MPa
bar
psi
mmH2O
inH2O
mmHg
inHg
1
100
1.000
1.000.000
100.000
6.895
9,807
249,1
133,3
3.386
0,01
1
10
10.000
1.000
68,948
0,09807
2,491
1,333
33,864
kPa
0,001
0,1
1
1.000
100
6,895
0,009807
0,2491
0,1333
3,386
MPa
0,000001
0,0001
0,001
1
0,1
0,006895
0,000009807
0,0002491
0,0001333
0,003386
bar
0,00001
0,001
0,01
10
1
0,0689
0,00009807
0,002491
0,001333
0,0339
psi
0,0001451
0,0145
0,14505
145,05
14,505
1
0,001422
0,0361
0,0193
0,4912
Pa
hPa/mbar
0,102
10,2
102
102.000
10.200
704,3
1
25,4
13,62
345,9
inH O
0,004016
0,4016
4,016
4.016
401,6
27,73
0,0394
1
0,5362
13,62
mmHg
0,007501
0,7501
7,501
7.501
750,1
51,71
0,0734
1,865
1
25,4
0,0002953
0,0295
2953
295,3
29,35
2,036
0,002891
0,0734
0,0394
1
mmH2O
Il sistema Pascal definisce delle unità di pressione molto piccole ed
è, quindi, impiegato principalmente per misurare la pressione in
camere senza polvere.
In ogni caso, si utilizza l’unità Pa anche per la misura di portata, in
abbinamento ad un tubo di Pitot (v. anche cap. 14).
Pa
2
inHg
Scorrere la tabella dall’alto verso il basso, ad es. 1 Pa = 0,01 hPa/mbar
7
Parametro
Pressione
IV. Tipi di pressione
Le misure di pressione si basano sul confronto tra la pressione
attuale ed un valore di riferimento. La tecnologia di misura della
pressione distingue diversi tipi di pressione, che consentono di
valutare la relazione tra pressione e pressione di riferimento.
La pressione assoluta è riferita al vuoto assoluto (pressione zero).
Pressione assoluta:
– Pressione misurata in rapporto allo zero assoluto
– Vuoto teorico di riferimento
– Misura di pressione sempre superiore a quella di riferimento
Pressione positiva:
– Pressione misurata superiore alla pressione atmosferica
barometrica giornaliera
– Pressione ambientale di riferimento
– Misura di pressione sempre superiore a quella di riferimento
Pressione negativa:
– Pressione misurata inferiore alla pressione atmosferica
barometrica giornaliera
– Pressione ambientale di riferimento
– Misura di pressione sempre inferiore a quella di riferimento
Pressione differenziale:
– Differenza di pressione esistente tra due pressioni variabili
– Differenza di pressione esistente tra una pressione variabile e una
fissa di riferimento
Pressione differenziale
Press. positiva
Press. negativa
Pressione assoluta
Pressione
Vuoto
Tipi di pressione
8
Patm
E’ la pressione più importante per la vita sulla terra. La pressione
atmosferica è generata dal peso dell’atmosfera, che circonda la
terra. L’atmosfera si estende sino ad un’altezza di 500 km ca. La
pressione atmosferica decresce costantemente lungo questa
distanza (pressione assoluta P ass = zero). La pressione
atmosferica è influenzata inoltre dalle variazioni meteorologiche.
In media, la pressione P atm risulta 1013,25 hPa a livello del mare.
Le condizioni meteorologiche di bassa ed alta pressione possono
provocare variazioni sino a ± 5 %.
Misuratori di pressione e campi applicativi
I misuratori di pressione differenziale servono per rilevare sia la
pressione negativa e positiva, sia quella differenziale. In tutti i casi,
è importante assegnare la corretta pressione all’appropriato
collegamento; quindi, le pressioni positive sull’attacco + e le
pressioni negative sul –. Il corretto collegamento consente al
misuratore di pressione differenziale di coprire l’intero campo di
misura, positivo e negativo. A titolo d’esempio, un dispositivo con
campo di misura 0...200 hPa consente di rilevare la pressione
positiva, quella negativa, e la pressione differenziale nel campo di
200 hPa.
Perché è necessario assegnare la corretta pressione all’appropriato
attacco?
Generalmente, se si trasmette al misuratore una pressione negativa
utilizzando l’attacco +, il misuratore indica una parte del campo di
misura preceduto da segno negativo e, comunque, si arresta ad un
certo valore (sia per proteggere il sensore, sia perché i sensori di
pressione sono tutti tarati nel campo positivo). Se non si
considerano questi fattori, si ottengono dei valori di misura errati.
Alcuni misuratori, raggiunto un determinato valore di misura,
visualizzano “fuori range”.
I misuratori di pressione assoluta servono per rilevare la pressione
barometrica. Si distinguono due tipi di pressione assoluta
barometrica: una è la pressione relativa all’altitudine, l’altra è la
pressione assoluta convertita al livello del mare. La pressione
9
Parametro
Pressione
assoluta calcolata è utilizzata soprattutto in meteorologia a scopo
comparativo. E’ noto che il valore medio relativo al livello del mare è
di 1013,25 hPa. Tutti i valori superiori a questo riferimento indicano
una alta pressione, quelli inferiori una bassa pressione. Il misuratore
di pressione assoluta può anche misurare nel vuoto (pressione = 0).
Questi misuratori sono sempre dotati di un solo attacco per tubo
flessibile e non possono essere azzerati.
Errore di parallasse
direzione dello
sguardo
errore di
parallasse
corretta
V. Metodologie per la misura di pressione
I primi sistemi impiegati sono stati i manometri a liquido. In questo
caso, la pressione da misurare è confrontata con l’altezza di una
colonna di liquido.
A secondo della pressione, sono utilizzati diversi tipi di liquidi.
Ad 1 m d’altezza si ottengono i seguenti valori:
- Alcool
78,5 hPa
- Acqua
98,1 hPa
- Mercurio
1334,2 hPa
errata
Esempi di misuratori di pressione a colonna di liquido.
Manometro a U
P1
Manometro a galleggiante
P2
P1
P2
A1
Questo tipo di misuratore è idoneo soprattutto per la misura di
piccole pressioni positive e per pressioni differenziali.
∆h
A1
Le misure eseguite con i manometri a colonna di liquido sono
sicuramente abbastanza affidabili, ma devono comunque essere
rispettate alcune condizioni.
∆h
– I misuratori devono essere usati perfettamente in orizzontale,
poiché anche piccole deviazioni causano falsi valori di misura.
– La gestione, in caso di dispositivi portatili, non è ottimale. Ad ogni
punto di misura è necessario inserire il liquido e regolare il
manometro. Alcuni liquidi di riempimento devono essere trattati
con estrema cautela (ad es. il mercurio è estremamente tossico,
anche in piccole concentrazioni e, per questo, è sempre meno
utilizzato).
– I liquidi non devono essere mai mischiati a causa della differenza
di densità!!!
– La lettura del valore di pressione deve essere sempre eseguita in
orizzontale per evitare errori di parallasse.
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Manometro a tubo inclinato
P1
A1
P2
A2
S
Pm
11
Parametro
Pressione
Il manometro meccanico
In seguito alla rivoluzione industriale (primi del 19. secolo), fu necessario
misurare campi di pressione sempre più ampi (ad es., con l’introduzione
della macchina a vapore). I misuratori a liquido, sia per le nuove
esigenze di misura, sia a causa del carico meccanico (vibrazioni), non
erano più idonei e dovevano essere sviluppate delle nuove soluzioni. Fu
introdotto il manometro meccanico, nel quale una molla è deformata
dalla pressione applicata. Questa
deformazione muove un indicatore
lungo una scala di misura e consente
di leggere il relativo valore di
pressione. Nella pratica, sono
utilizzati diversi tipi di molla (ad es.
molle tubolari, ondulate, a
membrana, ecc.) con una corsa, che
può essere di pochi decimi di
millimetro sino a 10 mm massimo.
I manometri meccanici si distinguono
per la facilità d’impiego e la robustezza. La produzione è
relativamente economica. Tuttavia presentano alcuni aspetti
negativi: le deformazioni meccaniche possono causare la perdita
d’elasticità della molla, che non ritorna più alla posizione originaria.
La funzione di ritorno alla posizione di partenza della molla è anche
definita isteresi (v. cap. 9.4).
I manometri meccanici possono misurare solo la pressione relativa,
la pressione positiva o la pressione assoluta (a secondo del
modello). Inoltre, la classe di precisione è solitamente nel campo
del 1 % f.s. (v. anche cap. 9), cioè le misure non sono
particolarmente precise.
Indicazioni riportate sul quadrante.
12
Ulteriori sistemi per la misura di pressione sono:
– le bilance a pressione
– i misuratori di pressione a pistone
– le bilance a pistone
Le tecnologie elettriche per la misura di pressione si basano
essenzialmente sui seguenti principi e metodi:
– piezoresistivo
– estensimetro a lamella
– estensimetro a film spesso
– estensimetro a film sottile
– capacitivo
– induttivo
– piezoelettrico
VI. Vantaggi dei manometri elettrici
– Grande precisione (sino alla Classe 0,05)
– Ottimo comportamento d’isteresi (ridotta deformazione del
sensore)
– Buona riproducibilità
– Molte unità di misura integrate nel misuratore (impiego universale)
– Registrazione dati = > documentazione
– Smorzamento
– Facilità d’impiego
VII. Descrizione del principio di misura Testo
Nella pratica e soprattutto alla Testo, si sono affermati il “principio
piezoresistivo” e la “misura di pressione induttiva”.
Misura di pressione piezoresistiva
Il sensore per la misura basata sul principio piezoresistivo, è un
chip di silicio, sul quale sono fissate chimicamente diverse
resistenze (generalmente da 4 a 6). La pressione esercitata sul chip
di silicio ne causa la deformazione (pochi mm => conseguente
buon comportamento d’isteresi). Questa alterazione provoca una
variazione dei valori delle resistenze, che consente di risalire alla
pressione applicata.
13
Parametro
Pressione
Vantaggi:
– buona precisione
– buona elasticità (buona isteresi) della cella di pressione
– le variazioni di temperatura hanno scarso effetto sulla misura
Svantaggi:
– sensore di dimensioni relativamente grandi
Vantaggi:
– piccole dimensioni del sensore
– ottimo comportamento d’isteresi
– elevata precisione
Svantaggi:
– le piccole dimensioni aumentano la sensibilità del sensore alle
variazioni di temperatura (il sensore deve essere compensato in
temperatura)
Misura di pressione induttiva
Il principio di rilevamento induttivo utilizza due celle di pressione in
rame-berillo. Questo materiale si contraddistingue per l’ottimo
comportamento dinamico e l’elevata elasticità. Le due celle di misura
sono montate sovrapposte (una per pressioni positive, l’altra per
pressioni negative). Non appena si applica una pressione, la cella si
dilata e questa variazione è rilevata con un odometro induttivo, cioè
è misurata la dilatazione della cella di pressione.
14
VIII. Pressione e temperatura
I parametri di pressione e temperatura sono direttamente correlati.
Breve descrizione della pressione dei gas
In un sistema in pressione chiuso, le molecole dei gas si muovono
liberamente nello spazio. Quando urtano le pareti del sistema,
generano una pressione. Finché la temperatura rimane costante,
anche la pressione rimane invariata.
Se il gas si scalda, aumenta la velocità delle molecole e la
pressione del sistema (le molecole urtano con grande velocità
contro le pareti => espansione). Se il gas si raffredda, si ha un
comportamento opposto e la pressione diminuisce.
I gas, rispetto ai liquidi o ai solidi, sono altamente comprimibili.
Nel campo della strumentazione di misura elettronica, la
temperatura ha un ulteriore importante effetto. I segnali dei
componenti elettronici si comportano diversamente a secondo
della temperatura. Nella pratica, i misuratori di pressione sono
termocompensati.
La compensazione di temperatura è molto importante, in caso sia
eseguita la registrazione dei dati (funzione logger).
15
Parametro
Pressione
Esempio
Presupposto: in un impianto produttivo senza turni notturni, cioè
l’impianto è fermo durante la notte, si verifica un guasto nella
sezione collegata al sistema di misura della pressione. Per motivi
economici, il riscaldamento dell’impianto viene abbassato durante
nelle ore notturne. Una sonda di pressione, collegata al sistema,
esegue una registrazione a lungo termine. La pressione del sistema
è mantenuta costante mediante un compressore.
Cosa rileva e cosa registra il misuratore di pressione?
Strumento 1 = senza compensazione di temperatura
Il dispositivo riduce i valori all’aumentare del freddo. Al mattino, non
appena entra in funzione il riscaldamento, lo strumento indica un
valore di pressione in aumento, finché la temperatura ambiente
diventa costante. Queste variazioni di misura hanno luogo
nonostante la pressione del sistema sia rimasta sempre costante.
Strumento 2 = con compensazione della temperatura
Il dispositivo indica la pressione effettiva (sempre uguale) del
sistema, nonostante si sia modificata la temperatura ambiente.
Considerazioni finali
Il misuratore di pressione deve essere compensato in temperatura,
se si vuole eseguire un controllo a lungo termine.
In caso siano necessarie solo delle brevi misure del sistema in
pressione, non è necessaria la compensazione di temperatura;
infatti, lo strumento viene azzerato prima della misura e, quindi, non
è soggetto agli effetti della temperatura.
Attenzione:
Profonde differenze di temperatura, ad es. in inverno (con lo
strumento tenuto in auto a temperature ad es. di - 10 °C, e quindi
utilizzato in un ambiente a 20°C) non possono essere annullate,
neanche con un’ottimale compensazione di temperatura. In questo
caso, lo strumento deve disporre di un certo lasso di tempo per
adeguarsi alla temperatura (circa 0,5 h, a seconda della differenza
di temperatura). Si consiglia di lasciare lo strumento acceso,
affinché si stabilizzi senza applicare pressione.
16
La compensazione di temperatura è una procedura, che richiede
impegno e disponibilità economica, in quanto gli strumenti devono
essere compensati nella cabina climatica in base a 2-3 punti di
temperatura. Nella cabina, la temperatura deve stabilizzarsi e si
hanno quindi dei tempi d’attesa.
IX. Precisione (Fattori d’influenza)
La precisione dei manometri è generalmente indicata in classi. La
Classe 1,0 = precisione 1% del campo di misura (f.s. = valore di
fondo scala o v.f. = valore finale).
Esempio:
Misuratore di pressione differenziale con campo 1000 hPa,
Classe 1 => precisione assoluta ± 10 hPa.
Verificare su quali basi il produttore dichiara la precisione.
Sono possibili due varianti:
f.s./ v.f. = in rapporto al valore di fondo scala/ valore finale
v.m. = in rapporto al valore misurato
Non esiste un unico manometro per tutte le applicazioni: dipende
dalla Classe. Se l’errore è espresso in % v.m., l’errore assoluto
cresce all’aumentare del campo di misura. Nelle applicazioni nel
campo hPa basso e con sporadica presenza di pressioni elevate,
l’impiego di un misuratore, dotato d’ampio campo di misura, non è
appropriato. Infatti, dato che l’errore assoluto nel campo di misura
superiore è relativamente alto, l’errore risulta ancora più grande nel
campo di pressione inferiore (v. fig. pag. seguente). Un’altra
alternativa in caso di bassi campi di misura, sono i manometri con
campo di misura variabile. In questo caso, il valore finale è
suddiviso in due campi di misura. Tuttavia, questi strumenti hanno
uno dei due campi di misura di classe più elevata (ad es.: il campo
inferiore del misuratore testo 520 è di Classe 0,5; quello superiore di
Classe 0,2). Di conseguenza, può verificarsi, che sia necessario
impiegare due o più misuratori per ottenere maggiore precisione
nel campo inferiore e superiore.
17
Parametro
Pressione
La precisione viene ricavata dai seguenti parametri:
linearità / coefficiente di temperatura / isteresi
Pressione
*Testo 525 (0 … 200hPa)
*Testo 525 (0 … 7 bar)
Deviazione
Deviazione
Dev. % v.m.
Dev. % v.m.
10 hPa
0,4 hPa
4%
14 hPa
20 hPa
0,4 hPa
2%
14 hPa
140 %
70 %
50 hPa
0,4 hPa
0,80 %
14 hPa
28 %
100 hPa
0,4 hPa
0,40 %
14 hPa
14 %
150 hPa
0,4 hPa
0,27 %
14 hPa
9,33 %
200 hPa
0,4 hPa
0,20 %
14 hPa
7,0 %
500 hPa
fuori campo
0,20 %
14 hPa
2,8 %
Scegliendo lo strumento sbagliato, nel campo 10 hPa è possibile un errore di misura del 140 %;
nel campo 20 hPa l’errore di misura è ancora del 70 %
*Precisione: 0,2% f.s.
Linearità
Si tratta del valore massimo di deviazione della curva caratteristica,
rispetto alla retta ideale, che collega il punto di zero con il valore di
fondo scala.
Quando sul sensore è esercitata una pressione, la cella di misura si
deforma e la massima alterazione dovrebbe essere raggiunta al
valore di fondo scala del campo di misura (non considerando i
sovraccarichi). Quando la pressione esercitata viene annullata, la
cella di un sensore funzionante correttamente ritorna alla forma
originaria (al punto di zero). In altre parole, allo scopo di evidenziare
questo comportamento:
se si deforma al massimo la molla e poi si annulla la forza di
deformazione, la molla dovrebbe tornare allo stato di partenza.
Isteresi
In termini tecnici, l’isteresi è la differenza del segnale di uscita della
pressione lungo il percorso sino al valore di fondo scala del campo
di misura e ritorno.
Nel caso della misura di pressione, il misuratore può indicare, a
causa dell’isteresi, per il medesimo punto di misura, in direzione
crescente (verso il valore di fondo scala del campo) un valore
diverso da quello in direzione decrescente (verso il punto di zero).
Qualora i dati tecnici dei manometri riportino solo un valore di
precisione, sono di regola inclusi tutti i parametri descritti.
Significato
Il sistema Testo 512 ha precisione Classe 0,5 a 25°C.
Consideriamo, a titolo d’esempio, il campo 0...20 hPa. Il misuratore
presenta un errore assoluto di ± 0,1 hPa a 25 °C. Qualora la
temperatura vari di 2K (da 25°C a 27°C), oltre a questo errore
assoluto, si deve sommare anche quello di temperatura di ± 0,0016
hPa.
Deviazione di pressione o in %
Il produttore fornisce i coefficienti di temperatura, nel caso in cui il
misuratore di pressione non sia termocompensato (o solo in un
ristretto campo di temperatura). Per il sistema di misura Testo 512
risulta, ad es., ±0,04% del valore di fondo scala/K con riferimento
ad una temperatura nominale di 25°C.
Isteresi ottimale
La pressione crescente
giace esattamente sulla
tangente di quella
decrescente
Pressione p
Pressione massima [f.s. = fondo scala]
18
19
Parametro
Pressione
Nota:
Le tabelle dei dati riportano valori di precisione "worst case".
Significa che lo strumento può indicare questo errore, ma non
obbligatoriamente. Per ottenere delle misure estremamente
precise, è necessario tarare lo strumento (v. anche cap. 17) così da
conoscere la deviazione assoluta reale del misuratore impiegato.
Alcuni strumenti sono accompagnati, alla consegna, da un
protocollo di calibrazione (ad es. Testo 520/525).
X. Procedura di misura
– Compensazione di temperatura (consigliata con lo strumento in
funzione)
– Azzeramento dello strumento in assenza di pressione
– Collegamento dello strumento al sistema di pressione
(l’appropriata pressione al corretto attacco => elevate pressioni
(pressioni positive) sul + / basse pressioni (pressioni negative) sul – Esecuzione della misura
XI. Carichi rispetto alla pressione statica
Tutti i misuratori di pressione tollerano dei sovraccarichi, che sono
espressi come valore assoluto (ad es. 1000 hPa) o come multiplo
del campo di misura (ad es. x 2 = campo di misura 1000 hPa =>
sovraccarico = 2000 hPa). Con sovraccarico s’intende la pressione
massima (pressione positiva) applicabile sull’attacco, senza
causare danni al sensore. Qualora venga superato il sovraccarico
consentito, il sensore viene danneggiato irreparabilmente.
Se viene applicato uno strumento con campo di misura 0...7 bar e
di Classe 0,1, con una portata di 10 m/s, si ottiene un errore
massimo di ± 54,11 m/s!
Il campo di misura di 7 bar è sovradimensionato. Cosa fare?
Deve essere impiegato uno strumento con campo di misura più
piccolo, che possa comunque sopportare elevate pressioni
statiche.
Ripetiamo lo stesso calcolo con il sistema Testo 525, campo di
misura 0...25 hPa e Classe 0,1.
Questo misuratore accetta, anche nel campo di misura inferiore di
25 hPa, una pressione statica massima di 7 bar. L’errore massimo,
con una portata di 10 m/s, è ora solo ± 0,1933 m/s.
Come distribuire la pressione statica contemporaneamente sui due
attacchi?
1. Azzerare la pressione del sistema, collegare il misuratore (o
inserire il tubo di Pitot nel sistema) e portare gradualmente la
pressione ai valori d’esercizio.
2. Qualora la pressione del sistema non sia facilmente azzerabile, è
possibile installare un bypass.
Bypass:
La pressione statica di un misuratore può essere nettamente più
elevata di quella di sovraccarico e deve essere distribuita su
ambedue gli attacchi del misuratore di pressione.
Dove si verificano elevate pressioni statiche?
Un buon esempio sono i sistemi in pressione dove deve essere
misurata la portata. In caso di portate ridotte (m/s), è necessario un
manometro con campo di misura (errore) proporzionalmente
piccolo.
Cosa fare, però, se nel sistema in pressione persiste una pressione
statica di, ad es., 7 bar?
20
Pressione differenziale
P
S
AA
B
B
CC
4,98 bar
5 bar
Pressione statica
21
Parametro
Pressione
Il regolatore A è aperto. I regolatori B e C sono chiusi.
Si apre il regolatore B. La pressione statica complessiva raggiunge
il sensore. Si apre quindi il regolatore C e quello A si chiude.
Conseguentemente la pressione ridotta agisce ora sul lato della
restrizione. Ora è possibile eseguire la misura di pressione
differenziale.
Perché?
Nel tubo di collegamento, prima del liquido è sospinta dell’aria, che
esercita una pressione sul sensore e non lo danneggia. Dopo un certo
periodo, il liquido si diffonde comunque attraverso l’aria inclusa e
raggiunge il sensore. Posizionando il tubo a U, il liquido rimane
sempre (essendo più pesante dell’aria) nella parte inferiore della
curva.
Importante: Terminata la misura, procedere nella sequenza inversa,
per non danneggiare il sensore.
Liquido
XII. Misura di liquidi
Per le misure di pressione dei liquidi, bisogna prestare attenzione,
affinché il punto di misura sia allo stesso livello del misuratore. Se il
misuratore viene posizionato sotto il punto di misura, indicherà un
valore maggiore; se posizionato sopra, un valore minore.
L’effetto è causato dalla forza dovuta al peso dell’acqua, che si
somma alla pressione del sistema.
In caso non sia possibile evitare la differenza d’altezza, la pressione
differenziale potrà essere calcolata con la seguente formula:
³p = (_F – pL) x g x ³h x 10(bar)
³p = (_F – pL) x g x ³h x 10 (bar)
³p = Differenza del campo di misura (bar)
_F = Densità del liquido (kg/m3)
pL = Densità dell’aria (1,205 kg/m3)
g = Accelerazione gravitazionale (9,81 m/s2)
³h = Differenza d’altezza (m)
Di base, il sensore piezoresistivo non deve essere a contatto con il
liquido, in quanto è aperto (non è incapsulato). Si potrebbe verificare
un cortocircuito e la rottura del sensore. In ogni caso, è possibile
effettuare le misure nei liquidi mediante due diverse procedure:
Procedura 1: Misure di breve durata ad una pressione
relativamente bassa.
In questo caso bisogna utilizzare un tubo relativamente lungo ed a
forma di U.
22
Non chiudere,
lasciare esposto all’atmosfera
Protezione del sensore
di metallo (acciaio inossidabile
18/8 – DIN 1,4305)
Sensore di pressione
Collegamento del tubo
da + a –
Elettronica
Procedura 2: Misure di lunga durata a pressioni elevate.
E’ possibile l’impiego sia di un misuratore compatibile con
l’elemento da misurare, sia di un adattatore (trasduttore di
pressione).
Misuratori con materiali compatibili:
In questo caso, tutti i liquidi, compatibili con l’acciaio inossidabile
18/8 (DIN 1.4305), sono a contatto con il sensore.
Il sensore è incapsulato, ed è protetto dall’acciaio.
Comunque, questo tipo di misuratori possono misurare solo
pressioni positive (c’è un solo attacco di pressione; l’altro è
all’interno dello strumento ed è aperto alla pressione ambiente).
23
Parametro
Pressione
Gli attacchi non possono essere ambedue incapsulati a causa della
struttura dei sensori piezoresistivi, che hanno l’elettronica posta
direttamente dietro il sensore.
Misure con uno o due adattatori
Alcuni misuratori di pressione possono essere collegati ad un
adattatore dotato di membrana, che separa il sensore dal liquido.
L’adattatore deve essere di tipo idoneo, compatibile con il misuratore.
Perché?
Il volume totale d’aria in arrivo può essere definito con precisione
collegando l’adattatore al misuratore di pressione. Quando la
membrana è sollecitata dalla pressione del liquido, si deforma,
comprime il volume totale d’aria e genera una pressione sul
sensore. Nel caso in cui il volume totale non sia esattamente come
richiesto dallo strumento, sono indicati dei valori di misura errati e
inoltre non è possibile raggiungere o superare il valore di fondo
scala del campo di misura.
Molto importante: Installare l’adattatore in assenza di pressione e
solo dopo sottoporlo alla pressione.
Adattatore
L’impiego degli adattatori consente allo strumento di misurare sia i
gas, sia i liquidi.
In caso si debbano misurare solo le pressioni positive, è
necessario un adattatore; due per la misura di pressione
differenziale.
XIII. Quali gas possono essere misurati?
A seconda della temperatura del punto di rugiada, si può formare
condensa, per cui è necessario controllare il contenuto d’umidità
delle miscele di gas.
La condensa e le particelle di sporco possono danneggiare il sensore
o falsificare la misura!
Sono consentiti:
Gas (ad es. Argon, Xenon, ecc.)
Aria (aria pulita, senza umidità)
O2
H2
N2
O2/N2
CO2/N2
CO/N2
C3/H8
He
H2/He
NO/N2
SF6
Ossigeno
Idrogeno
Azoto
Miscela ossigeno/azoto
Anidride carbonica/Azoto
Monossido di carbonio/Azoto
Propano
Elio
Idrogeno/Elio
Ossido di azoto/Azoto
Esafluoruro di zolfo
Metano (non troppo umido)
24
25
Parametro
Pressione
XIV. Carichi di pressione
Talvolta devono essere misurati i cosiddetti picchi di pressione. La
caratteristica di questi picchi di pressione è che si verificano
nell’intervallo di decimi di secondi. Per rilevarli è necessario uno
strumento in grado d’indicare intervalli di misura molto veloci. Non
serve infatti a niente se lo strumento misura ad es. con cadenza
minima di 1 secondo, in quanto il picco di pressione si verifica
nell’ambito dei decimi di secondo. Lo strumento deve poter
eseguire molte misure al secondo ed anche memorizzarle.
misure/secondo. Grazie allo specifico software, le 10/20
misure/sec. eseguite possono essere archiviate ed elaborate su PC
portatile.
Pressione in hPa
Picchi di pressione
XV. Misura di portata con tubo di Pitot
La velocità dell’aria atmosferica può essere rilevata con un
misuratore di pressione differenziale ed un tubo di Pitot.
I picchi di pressione possono verificarsi in:
– Impianti di estrazione industriali (pulizia dei filtri con colpi di
pressione).
– Tubazioni delle abitazioni civili
– Forni per la fusione dei metalli
– Liquidi in tubazioni (spesso, all’avviamento e all’arresto di
pompe)
– In seguito alla veloce chiusura dei raccordi e delle valvole
– Compressori degli impianti di raffreddamento
Per la misura e l’elaborazione dei picchi di pressione può essere
impiegato il misuratore Testo 525. Questo misuratore esegue 10/20
26
27
Parametro
Pressione
Principio di misura
La pressione dinamica è generata all’estremità del tubo,
posizionato contro la direzione del flusso. Due tubi flessibili
collegano il tubo di Pitot con il rilevatore, cioè con il sensore di
pressione (attacco "a" sul + e attacco "b" sul -). Al sensore di
pressione sono trasmesse sia il totale di pressione dinamica più
quella statica, sia la pura pressione statica.
Il sensore di pressione indica la differenza tra i due tipi di pressione.
Il risultato è la pressione dinamica del flusso, che è in diretto
rapporto con la velocità del flusso.
In caso sia nota la densità del gas, è possibile semplificare la
conversione del valore di pressione in velocità del flusso,
utilizzando una funzione sotto radice, conosciuta come equazione
di Bernoulli (Daniel Bernoulli, matematico svizzero, 1700-1782).
La densità dell’aria è un parametro molto importante per le misure
effettuate con il tubo di Pitot.
Fattori di densità dell’aria atmosferica
Pressione barometrica
Differenzdruck
Metri s.l.m.
Pressione assoluta nel canale
Temperatura
Umidità
v (m/s) =
2 • p diff
았앙앙
rho
v (m/s) = Velocità del flusso in m/s
p diff = Pressione differenziale dinamica in Pa
rho = Densità dell’aria in kg/m3
Densità
I fattori principali che influenzano la densità dell’aria sono:
– la pressione assoluta
– la temperatura del gas
– il contenuto di vapore acqueo (umidità)
La misura di densità è molto impegnativa. Bisogna misurare i
parametri che determinano la densità e calcolare il valore di densità
o ricavarlo dalle tabelle.
In primo luogo, è necessario stabilire se l’elemento da misurare è
aria. L’aria atmosferica è una miscela di gas di composizione
costante. Le eventuali variazioni dei componenti hanno un effetto
trascurabile sul risultato di misura.
Normalmente, se la densità dell’aria non viene calcolata , si utilizza
un valore standard di 1293 g/m3 (pressione assoluta = 1013,25
hPa/mbar; temperatura = 0°C; umidità dell’aria = 0%UR).
28
29
Parametro
Pressione
Errori di misura con tubo di Pitot
A titolo d’informazione: il valore è 1199g/m3 a 1013 hPa/mbar,
temperatura = 20°C, umidità dell’aria = 50%,
Tubi flessibili collegati non correttamente
Il tubo flessibile del collegamento "a" deve essere collegato
all’attacco + del sensore di pressione e quello "b" al – .
Valore di densità dell’aria errato
L’aria fredda è più pesante; l’aria calda è più leggera. Qualora l’aria
sia più calda del previsto, la sua densità sarà più bassa e la velocità
calcolata più elevata.
La stessa cosa succede se l’umidità dell’aria è più alta del previsto.
In montagna, se si dimentica d’eseguire la correzione della
pressione dell’aria, i valori di pressione, e quindi di densità, saranno
inferiori e di conseguenza i valori di velocità calcolati risulteranno
troppo bassi.
Sensore di pressione non preciso
Non tutti i sensori di pressione consentono di misurare il flusso dell’aria,
soprattutto nei campi inferiori. La precisione del sensore è
fondamentale, in quanto la precisione assoluta viene utilizzata per
calcolare gli errori.
Occlusione del tubo di Pitot
Il tubo di Pitot è di facile pulizia e manutenzione. Le sonde ad elica,
invece, hanno molti anfratti dove si deposita lo sporco e le pale
possono deformarsi. Tuttavia, prima di ogni misura, dovrebbe
essere eseguito sempre un controllo visivo (il tubo presenta delle
pieghe? sono visibili dei danni?) e mediante aria compressa (l’aria
entra dai collegamenti a e b e dovrebbe uscire dall’estremità del
tubo di Pitot).
0638.1345; campo di misura 0...100 Pa; precisione ±(0,3 Pa + 0,5 % v.m.)
Tubi flessibili piegati
E’ importante verificare che i tubi flessibili, tra il tubo di Pitot ed il
sensore di pressione, non siano piegati (fare attenzione soprattutto
ai tubetti molto flessibili!!!) per evitare la falsificazione delle misure.
30
Sonde di pressione Testo per strumenti di misura multifunzione
0638.1445; campo di misura 0...10 hPa; precisione ± 0,03 hPa (= 3 Pa)
0638.1545; campo di misura 0...100 hPa; precisione (0...20 hPa) ±
0,1 hPa (=10 Pa)
Errore delle diverse sonde di pressione durante la misura di portata con tubo di Pitot
Errori
Posizionamento non corretto nel canale
Un ulteriore, importante fattore è la posizione del tubo di Pitot nel
canale. Se l’apertura non è esattamente parallela alla direzione del
flusso, si otterranno misure non corrette. Nel canale non è visibile la
punta, per cui bisogna prendere come riferimento il collegamento
b. Si trova perfettamente parallelo all’estremità del sensore. Per
ottenere quindi un corretto posizionamento, bisogna ruotare
lentamente il tubo di Pitot avanti e indietro, confrontando i risultati di
misura. Il valore massimo misurato indica la posizione ottimale del
tubo di Pitot.
A titolo d’esempio:
Portata
31
Parametro
Pressione
Il grafico indica che la sonda con campo di misura 0...100 hPa, nel
campo inferiore di, ad es., 5 m/s, evidenzia una deviazione di ±1,55
m/s (= 31% errore di misura). La sonda 100 Pa, sostanzialmente più
precisa, evidenzia solo un errore di ± 0,12 m/s (= ±2,4%).
Maggiore è la velocità, minore è la precisione di calcolo dell’errore
delle sonde di pressione.
Fattore del tubo di Pitot
I tubi di Pitot Testo hanno sempre fattore 1. Qualora ai misuratori Testo
si debbano adattare dei tubi di altri produttori, è necessario utilizzare il
corretto fattore del tubo di Pitot.
I tubi di Pitot diritti, codice 0635.2045 / 2145 / 2245 / 2345, consentono
di raggiungere una pressione dinamica nettamente più elevata di
quelli normali. La precisione ottenuta in questo caso è quasi
raddoppiata.
Il fattore del tubo di Pitot è 0,67 per tubi di misura diritti.
Un ulteriore importante vantaggio dei tubi di Pitot diritti è dovuto al
design. Infatti, per l’installazione nei canali ed in particolare in caso di
tubi isolati, è necessario un minor numero di fori.
Attenzione: Profondità d’immersione minima di 150 mm.
Misure di portata superiori a 100 m/s
L’equazione di Bernoulli non può più essere applicata con velocità
>100m/s ca. A queste velocità di flusso, per ottenere delle misure
precise, bisogna considerare anche la comprimibilità del fluido ed
applicare il seguente fattore di correzione.
Questo fattore consente di calcolare la velocità dell’aria come
segue:
Simbolo
Grandezza indicata
Unità SI *)
v
Velocità del fluido
m/s
pst
Pressione statica del fluido
Pa
∆P
Pressione differenziale, pressione dinamica Pa
K
Ma
Densità del fluido
kg/m3
Esponente isoentropico
1
Fattore di correzione
1
Fattore del tubo di Pitot
1
Numero di Mach =
1
rapporto tra la velocità del fluido e la velocità del suono nel
fluido
Vantaggi della misura di portata con misuratore di pressione
differenziale e tubo di Pitot
Il tubo di Pitot esprime appieno la sua potenzialità negli ambienti
molto sporchi, ad alte temperature ed in presenza di elevate portate.
100
m/s
Sonda
termica
fino a
+70 °C
Sonde di misura a elica
fino a +60 °C
60
Sonde di misura
a elica/di temperatura
fino a
fino a
+350 °C
+140 °C
Tubo di
Pitot
fino a
+600 °C
Tubo di
Pitot
NiCr-Ni
-40…
+600 °C
40
dove
oppure
(per aria)
20
15
10
0
Campi di misura delle sonde di velocità
32
33
Parametro
Pressione
Taratura
XVI. Taratura
La taratura dei misuratori di pressione è eseguita normalmente a 5
punti, sino al valore di fondo scala, e a 3 punti, dal fondo scala sino
al punto di zero.
I punti di misura non devono assolutamente essere oltrepassati,
poiché si verificherebbe l’isteresi (v. cap. 9.3.3).
A titolo d’esempio:
Si vuole tarare il punto di misura a 100 hPa. Si genera una pressione
prossima a 100 hPa. Quindi, si procede lentamente sino al punto di
misura. Qualora, per qualsiasi ragione, venga superato il punto di
misura (ad es.105 hPa), non è possibile rilasciare pressione e
ritornare a 100 hPa, in quanto si possono ottenere dei valori di
misura dall’alto al basso diversi da quelli ottenuti procedendo dal
basso all’alto. In questo caso, si deve ripartire dalla pressione 0.
Inoltre, durante la generazione di pressione, bisogna anche
rispettare un intervallo di attesa. L’aria compressa, ottenuta da un
generatore di pressione, si riscalda e si dilata => la pressione
aumenta. Quindi, è necessario attendere, finché l’aria si è
equilibrata alla temperatura ambiente.
34
35
Parametro
Pressione
XVII. Alcune applicazioni
Agenti Italia
-
LA FILIALE DI PADOVA
-
-
36
Pressioni positive / negative in camere sterili
Sui sistemi in pressione (resa dei compressori)
Sui bruciatori (misura di tiraggio Pa + pressione portata gas hPa
+ pressione della camera di combustione hPa + connessione
pneumatica + velocità dell’aria d’alimentazione m/s + carico
d’aria m/s)
Controllo delle fughe secondo DVGW / TRGI
(controllo preliminare, controllo principale)
Controllo filtri
Picchi di pressione (impianti di estrazione)
Misure meteorologiche (pressione assoluta)
Misure di laboratorio (variazioni della pressione ambiente
durante prove/esperimenti)
Ricerca fughe/velocità di consumo dei sistemi ad aria
compressa mediante la funzione delle perdite (perdite di
pressione / dimensionamento del sistema)
Misure di pressione negli impianti di refrigerazione
Tarature
Assistenza e manutenzione delle pompe
Misura del consumo di gas mediante il rilevamento delle perdite
di pressione
TESTO S.P.A
via delle Industrie, 13/C
35010 Limena (PD)
Tel. 049/8840003
Fax 049/769414
e-mail: [email protected]
ALLEMANO METROLOGY
via Livorno 60, 10144 TORINO
Tel: 011/2259371, Fax: 011/2258379
e-mail: [email protected]
KLIM ACQUA & ARIA SNC
via P. Nenni 72 A/B - Loc. Capalle, 50010 Campi di Bisenzio (FI)
Tel: 055/8974416, Fax: 055/8974533
e-mail: [email protected]
CLIMART SNC
via Vecchia Carmiano 35, 73100 LECCE
Tel: 0832/321584, Fax: 0832/352429
e-mail: [email protected]
FILIPPO LOMBI
viale Principe Amedeo 19, 47900 RIMINI
Tel: 0541/23338, Fax: 0541/23338
e-mail: [email protected]
COGESI SAS
via Aterno, Zona Commerciale, 66020 S. Giovanni Teatino (CH)
Tel: 085/4463080, Fax: 085/4463556
e-mail: [email protected]
M&A SNC
via S. Faustino 155/P, 41100 MODENA
Tel: 059/357600, Fax: 059/355408
e-mail: [email protected]
LORENZO DAMIAN
via Pareto 11, 31030 Dosson di Casier (TV)
Tel: 0422/331835, Fax: 0422/633732
e-mail: [email protected]
REIM SAS
via Carlo di Tocco 46, 80142 NAPOLI
Tel: 081/7340072, Fax: 081/7340093
e-mail: [email protected]
DI.VI SNC
via Giovanni Falcone 149, 21044 Cavaria con Premezzo (VA)
Tel: 0331/219216, Fax: 0331/219216
e-mail: [email protected]
S.M. RAPPRESENTANZE
via Forlì 19/9, 16127 GENOVA
Tel: 010/267525, Fax: 010/2463940
e-mail: [email protected]
ECOCLIMA SERVICE SAS
via G. Verdi 1, 20045 Besana Brianza (MI)
Tel: 0362/801000, Fax: 0362/801284
e-mail: [email protected]
TEAM SYSTEM RAPPRESENTANZE SAS
viale Monastir 28, 09123 CAGLIARI
Tel: 070/2521073, Fax: 070/255060
e-mail: [email protected]
ERREDUE SAS
via A. Magliani 64/66, 00148 ROMA
Tel: 06/6556805, Fax: 06/6553475
e-mail: [email protected]
TECNO GAS CENTRO ASSISTENZA
piazza C. Alberto Dalla Chiesa 47, 94015 Piazza Armerina (EN)
Tel: 0935/683009, Fax: 0935/686277
e-mail: [email protected]
GASPARRINI DAVID
via Faentina 3, 50030 Ronta (FI)
Tel: 055/8403116
e-mail: [email protected]
TRAINA MARIO ALBERTO
via Messina 580, 95126 CATANIA
Tel: 095/494028, Fax: 095/498178
e-mail: [email protected]
GUARINI MAURO
viale delle Alpi 92/94, 90144 PALERMO
Tel: 091/512922 - 6707785, Fax: 091/512679
e-mail: [email protected]
ZERBETTO GIANFRANCO SNC
2° Strada 20 int. 3, 35100 PADOVA
Tel: 049/8071444, Fax: 049/8071578
e-mail: [email protected]
37
0980.3053/oa/R/08.2002
La misura della pressione
Testo S.p.A.
via F.lli Rosselli, 3/2
20019 Settimo Milanese (MI)
e-mail: [email protected]
Internet: http:// www.testo.it
Telefono: 02/33519.1
Fax: 02/33519.200
39
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