Principio di misura della portata a vortice

Questo principio di misura si basa sul fatto che, a valle di un ostacolo in un flusso di fluido, si formano dei vortici e questo avviene sia in un tubo chiuso che in un canale aperto. Questo fenomeno può essere osservato, ad esempio, a valle dei pilastri di un ponte ("scia di von Kármán") (Fig. 1). La frequenza dei vortici a valle di ogni lato del pilastro (bluff-body) è proporzionale alla velocità media di scorrimento e quindi alla portata volumetrica. Già nel 1513, Leonardo da Vinci aveva disegnato vortici stazionari a valle degli ostacoli che dividevano il flusso.

Nel 1878, Strouhal ha tentato di descrivere in forma scientifica i vortici che si formano dietro i bluff-body e i suoi studi hanno rivelato che un filo teso in un getto d'aria oscilla. Ciò che ha scoperto è che la frequenza di questa oscillazione è proporzionale alla velocità del getto d'aria. Questo fenomeno può essere osservato anche nelle auto o in casa: il sibilo del vento è causato proprio dal distacco dei vortici e aumenta o diminuisce al variare della velocità. Stiamo parlando dei cosiddetti "toni eoliani".

Il numero di Strouhal utilizzato in questo contesto descrive la relazione tra la frequenza di distacco dei vortici, la velocità del flusso e il diametro del bluff-body (v. Fig. 2):

Nel 1912, il fisico Theodore von Kármán ha gettato le basi teoriche per la misura della portata con misuratori di vortice, descrivendo quella che poi è stata chiamata la "scia vorticosa". La sua analisi della doppia fila di vortici dietro un bluff-body nel flusso di un fluido ha rivelato un rapporto fisso tra la loro spaziatura trasversale (d) e la spaziatura longitudinale (L). Se il bluff-body è cilindrico questo rapporto è, ad esempio, di 0,281. Quando il diametro del tubo è uniforme, il volume dei singoli vortici è quindi costante. Supponendo che i vortici siano della stessa dimensione nonostante le diverse condizioni operative, la portata può quindi essere desunta direttamente dal numero di vortici per unità di tempo.

Il flusso raggiunge la sua velocità massima nella parte più ampia del bluff-body per poi perderla parzialmente. La Fig. 3 mostra che il flusso cerca di allontanarsi (a) dal profilo del bluff-body, invece di continuare a seguirlo. Ciò provoca una bassa pressione localizzata che genera delle controcorrenti e, infine, dei vortici (b). Questi vortici si staccano alternatamente da ogni lato del bluff-body e vengono trasportati via dal fluido.

La forma dei bluff-body varia a seconda del produttore. Possono essere a sezione rettangolare, triangolare, rotonda, a delta o avere numerosi altri design proprietari e brevettati. La costruzione deve essere tale che il numero di Strouhal rimanga costante su tutto il campo di misura; in altre parole, la frequenza dei vortici è indipendente da pressione, temperatura e densità. È proprio questo campo costante (Re > 10.000) che viene utilizzato per misurare la portata volumetrica con i misuratori a vortice (v. Fig. 4). I bluff-body a delta presentano una linearità quasi ideale e si sono dimostrati particolarmente affidabili. Gli ingegneri della NASA hanno sottoposto i design di questi bluff-body a studi esaustivi. L'accuratezza di misura può essere di ±0,75% v.i. e la riproducibilità di circa lo 0,1%.

È consuetudine definire le caratteristiche dei misuratori di portata a vortice con il "fattore K". Questo fattore rappresenta il numero di vortici per unità di tempo (impulsi per unità di volume). Il produttore ottiene questo fattore K mediante taratura e include questa informazione sulla targhetta dello strumento. Dipende dalla forma del bluff-body e dalle dimensioni del tubo.

Un misuratore di portata a vortice (DN 50/2") ha un fattore K di 10 impulsi per litro e ciò significa che ogni impulso generato corrisponde a un volume di 0,1 litri, indipendentemente dal fatto che il fluido misurato sia acqua, vapore o qualsiasi altro.

I misuratori di portata a vortice vengono utilizzati in molti settori industriali per la misura della portata volumetrica di vapore, liquidi, gas. I misuratori a vortice sono sempre più utilizzati in applicazioni che prima erano prerogativa dei misuratori di portata a pressione differenziale, come le membrane. Questa tendenza prosegue, per la semplice ragione che i misuratori a vortice sono più facili da installare e hanno un campo più ampio di turndown. La Fig. 5 ne mostra un esempio.

A partire dagli anni ottanta del secolo scorso, i misuratori a vortice si sono particolarmente diffusi in tutti i settori industriali per la misura del vapore. I misuratori a vortice misurano solo la portata volumetrica ma i sistemi di gestione del vapore sono generalmente classificati in base al contenuto in massa o energia; di conseguenza, questi misuratori vengono spesso utilizzati insieme a sensori di pressione e temperatura integrati o installati separatamente.

A differenza dei misuratori di portata elettromagnetici (noti anche come magmeter), i misuratori a vortice possono essere utilizzati per determinare la portata di liquidi non conduttivi o solo leggermente conduttivi come idrocarburi, acqua demineralizzata, condensa o acqua di alimento per caldaie. Rispetto ai misuratori di portata elettromagnetici, possono essere utilizzati anche a pressioni elevate e temperature molto più alte.

Nelle applicazioni di questo tipo, i misuratori a vortice trovano ampio utilizzo nella misura dell'aria compressa, del gas naturale o dei singoli componenti dell'aria quali azoto, ossigeno, anidride carbonica, idrocarburi, ecc.

I clienti finali non sono più interessati alla misura puramente volumetrica ma piuttosto alla misura della portata massica compensata. Questo sviluppo consente di elaborare bilanci precisi. Tenendo conto della pressione e della temperatura, è possibile ottenere misure di portata massica accurate, indispensabili per un bilanciamento accurato, il controllo del processo e l'ottimizzazione.

Inoltre, una speciale misura del vapore umido (titolo di vapore/qualità del vapore) può aiutare gli operatori a comprendere la qualità del vapore e a rilevare la potenziale presenza di umidità in linea. In questo modo è possibile migliorare in modo affidabile la sicurezza e l'efficienza. I risultati più accurati diventano possibili in ambienti con vapore saturo/umido che permettono ai clienti di colmare potenziali lacune nei loro bilanci di massa.

I misuratori di portata Proline Prowirl di Endress+Hauser combinano la misura di portata, pressione e temperatura in un unico strumento, con un conseguente significativo aumento dell'efficienza e della precisione.

• Precisione: registrando simultaneamente pressione e temperatura, è possibile ottenere misure di portata precise, indipendenti dalle variazioni delle condizioni operative e quindi ideali per il bilanciamento di massa di gas e vapore.
• Efficienza: l'integrazione di più parametri in un unico dispositivo riduce notevolmente il lavoro di installazione e i costi di manutenzione.
• Affidabilità: i misuratori di portata Prowirl sono robusti, durevoli e in grado di garantire prestazioni affidabili anche in condizioni difficili.