Termometri meccanici nell`industria di processo

redazionale tecnico
No alle soluzioni standardizzate
Termometri meccanici nell’industria di processo
Nonostante i continui progressi dell’elettronica, i termometri meccanici
rivestono ancora un ruolo significativo nel controllo dei processi industriali. Il
motivo è semplice: lavorano in modo affidabile anche in assenza di
alimentazione e consentono di visualizzare la temperatura localmente. Alla
domanda di quali siano i termometri più efficienti per la rispettiva
applicazione, si può rispondere solo con alcune precisazioni. Per quanto
riguarda i fattori decisionali, è nei dettagli che si nascondono le differenze.
L’equazione “Meccanico = soluzione semplice” non è applicabile.
Uno sguardo alla odierna strumentazione di processo mostra che i principi
prevalentemente utilizzati nella misura meccanica di temperatura sono due:
bimetallico e ad espansione di gas.
La parte principale di qualsiasi termometro bimetallico è una striscia di
metallo che si muove su un tubo elicoidale o a spirale, anche chiamata elica.
Essa è fatta di due fogli di metallo con differente coefficiente di espansione,
arrotolate insieme in modo inseparabile. A seguito di una qualsiasi
variazione di temperatura, le strisce deflettono in modo quasi proporzionale
e per via della forma a molla, si genera un movimento rotatorio. Mentre la
parte terminale del sistema di misura è fissata, l’altra fa ruotare lo stelo
tramite un movimento di trasmissione verso la lancetta (v. figura 1).
Il sistema di misura di un termometro ad espansione di gas è composto da
uno stelo, un capillare e una molla Bourdon all’interno di una cassa. Questa
unità sigillata è riempita con un gas inerte in pressione, solitamente elio. Al
variare della temperatura, la pressione interna cambia e così la forma della
molla, secondo l’effetto “Bourdon”. La deflessione è quindi trasferita alla
lancetta tramite un movimento (v. figura 2).
La temperatura di processo non è tutto
Qual è il criterio da adottare per la scelta del principio di misura?
Il primo parametro è ovviamente la temperatura di processo. I termometri
bimetallici lavorano nel campo di -70°C … 600°C, mentre quelli ad
espansione di gas coprono il campo di -200°C … 700°C.
L’utilizzatore deve tuttavia tenere conto anche della temperatura ambiente.
Questi strumenti possono essere utilizzati con temperature esterne fino a
-50°C. Non è il caso dei termometri ad espansione di gas: minore è il
volume del gas, più difficile diventa mantenere la classe 1 di accuratezza
secondo EN 13190 che WIKA normalmente garantisce anche per ambienti
con temperature nel campo 0 … 40°C. Ciò significa che, per una misura
accurata, il diametro dello stelo dev’essere sufficientemente grande (≥ 8
mm) e la parte attiva del termometro (ad esempio il sensore di temperatura
riempito di gas) sufficientemente lungo (≥ 100 mm).
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Questa regola ci porta quindi a considerare il fattore “lunghezza dell’inserto”.
Per entrambi i tipi di termometro, la parte attiva (per gli strumenti bimetallici è
formata dalla punta solida e dall’elica) dev’essere completamente immersa
nel fluido, altrimenti potrebbero generarsi errori di misura. Tuttavia, per una
misura ottimale della temperatura, la lunghezza dell’inserto e il diametro
dello stelo dovrebbero essere i più grandi possibile.
Diversi tempi di risposta
Un altro parametro importante è la reazione o il tempo di risposta del
termometro. I modelli ad espansione di gas sono rapidi: a seconda della
costruzione del punto di misura, il valore può essere letto con sicurezza
dopo uno o due minuti. I modelli bimetallici possono sembrare lenti, a
confronto: richiedono molto più tempo per allinearsi alla temperatura del
fluido di processo.
A seconda del fluido e della sua temperatura, della pressione di lavoro e
della velocità del fluido, gli strumenti di misura per processi specifici devono
essere abbinati ai pozzetti termometrici (v. figura 3). Questi hanno un effetto
significativo sul tempo di risposta del termometro. Laddove i pozzetti siano
già presenti, le loro dimensioni dovrebbero essere realizzate in modo che i
sensori del termometro possano essere costruiti in modo corretto. Per via
della loro lunghezza, occorre osservare un limite significativo: la lunghezza
massima per un inserto di un termometro bimetallico è di 1.000 mm, mentre
per un modello ad espansione di gas è di 2.500 mm.
Comportamento in presenza di vibrazioni
Poichè i termometri si devono poter leggere anche sotto l’influenza delle
vibrazioni, la scelta di strumenti di misura adatti si riduce sensibilmente. In
questi casi, i costruttori come WIKA devono consentire la scelta di un
termometro bimetallico privo di un movimento di trasmissione interno. Come
risultato, i componenti che possono logorarsi sono ridotti al minimo. Ulteriori
vantaggi si hanno utilizzando un olio siliconico introdotto direttamente nella
cassa del termometro e da una minore dimensione nominale della cassa.
Nella prima fase di progetto di progetto di un nuovo impianto, non si è sicuri
della posizione finale di installazione del termometro: assiale o posteriore,
radiale o anche sottosopra. In questi casi è necessario utilizzare un
termometro con stelo e quadrante regolabili, che consente di variare la
posizione di lettura in funzione dell’angolo desiderato (v. figura 4).
“Trasmissione remota” dei valori letti
I termometri ad espansione di gas offrono l’opportunità di utilizzare i capillari
per accedere ai posizionamenti difficili da raggiungere o per unire grandi
distanze. Tramite un capillare molto sottile, con un diametro interno di soli
0,2 mm, i valori letti possono essere trasmessi in modo remoto fino a 60
metri dal display. Grazie all’aiuto di un bulbo a contatto, le letture della
temperatura possono essere effettuate anche all’esterno di una tubazione
con diametri piccoli, senza alcun contatto diretto con il fluido.
I termometri con capillare rappresentano anche un’eccellente soluzione per
l’installazione in un rack portastrumenti o su un pannello di controllo.
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Una volta identificato uno degli strumenti più efficienti per il requisito
specifico, bisogna però chiarire come esso debba essere collegato al
processo. Ecco perché sono possibili costruzioni di tipo diverso. Da un lato,
in alcuni casi i filetti sono realizzati direttamente sulla cassa in modo da
assorbire le vibrazioni, e i filetti maschi o femmina possono essere ruotati in
modo da collegare lo strumento al pozzetto. Dall’altro, un collegamento del
tipo “raccordo a compressione” permette di impostare la lunghezza
dell’inserto sulla base dei requisiti dell’impianto, sia per i termometri con uno
stelo rigido sia per gli strumenti a capillare. Esistono, inoltre, anche attacchi
asettici per processi sensibili in ambito alimentare, farmaceutico e
biotecnologico.
Termometri con segnali elettrici
Il controllo del processo tramite sistemi informatici ha dato un vero e proprio
slancio all’uso di termometri meccanici combinati con componenti elettronici.
Questi strumenti meccatronici sono dotati di contatti elettrici che aprono o
chiudono un circuito elettrico in funzione della posizione della lancetta. Essi
possono essere utilizzati per diverse funzioni di monitoraggio, come il
controllo e la supervisione dei processi o per attivare allarmi quando un
valore letto diminuisce o eccede un valore prefissato (v. figura 5).
La lancetta dello strumento (che indica il valore letto) si muove liberamente
lungo l’intero campo scala, indipendentemente dall’impostazione. I contatti
possono essere regolati liberamente, tramite una chiave removibile,
attraverso il quadrante. Come risultato, la necessità di installazione in spazi
ristretti e i corrispondenti aumenti dei costi, hanno aumentato la richiesta per
strumenti del tipo “due in uno”. Ciò unisce tutti i vantaggi di una lettura diretta
sul campo, priva di alimentazione esterna, con la necessità di una
trasmissione elettrica da inviare al più recente sistema di acquisizione dati
(v. figura 6).
Ampia offerta di soluzioni individuali
I criteri finora indicati per la scelta di un termometro rendono chiaro che le
soluzioni standardizzate non portano a risultati soddisfacenti. Quasi ogni tipo
di applicazione ha bisogno di una strumentazione appositamente progettata.
WIKA è in grado di produrre oltre 600 differenti eliche bimetalliche per le
diverse applicazioni. Per i modelli ad espansione di gas sono disponibili
un’ampia gamma di componenti standard, ma il loro “cuore” dev’essere
“tarato appositamente” per ogni condizione operativa. Tutti i parametri (ad
esempio la pressione di riempimento, l’espansione del gas, la
compensazione bimetallica o il quadrante) sono calcolati in modo armonico
uno con l’altro tramite un apposito software.
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Per un produttore come WIKA, è essenziale disporre della più ampia varietà
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Caratteri: 8971
Foto WIKA:
No alle soluzioni standardizzate
Per noi conta la personalizzazione...
Fig. 1:
Modello 3D di un termometro bimetallico
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Fig. 2:
Modello 3D di un termometro ad espansione di gas
Fig. 3:
Pozzetto termometrico TW40
Fig. 4:
Termometro ad espansione di gas modello 73
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Fig. 5:
Termometro ad espansione di gas con capillare, modello 73, diametro
nominale 160
Fig. 6
IntelliTHERM TGT73
Redatto da:
WIKA Italia Srl & C. Sas
Domenico Palumbo
Product Manager Temperatura Elettrica
Via G. Marconi, 8
20020 Arese (MI)
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