Principio di misura della portata a dispersione termica

Tra i misuratori di portata, i dispositivi a dispersione termica si basano fondamentalmente su due principi di misura:

Il principio della "dispersione termica" (detto anche anemometrico) (Fig. 1):
un elemento riscaldato viene esposto al flusso. La velocità di raffreddamento è una misura della velocità massica specifica locale e quindi della portata.

Il principio "calorimetrico" (Fig. 2):
il calore viene applicato in un'area limitata del flusso. Per calcolare la portata massica, si utilizzano i valori relativi all'aumento della temperatura locale e all'energia aggiunta.

Entrambi i tipi sono disponibili in commercio. L'elevata sensibilità di alcuni design ne ha favorito un ampio utilizzo nelle applicazioni di ricerca. Questa sensibilità significa anche che il valore misurato può essere influenzato dalle proprietà del fluido - ad es. conduttività termica e capacità termica specifica - o dalla composizione del gas (in caso di miscele) e dalle condizioni di installazione.

Il principio a dispersione termica è ampiamente utilizzato in diverse applicazioni grazie alla sua capacità di misurare con precisione la portata massica.

I misuratori di portata a dispersione termica possono funzionare in uno dei seguenti modi: 1) A potenza costante e 2) A differenziale di temperatura costante.

Con il metodo a potenza costante, l'elettronica mantiene una corrente elettrica costante attraverso il cosiddetto "sensore di velocità" (un elemento riscaldato solitamente consistente in una termoresistenza (RTD)). Utilizzando una termoresistenza (RTD) separata, si misura la temperatura del fluido. Quando la portata varia, cambia anche il differenziale di temperatura (differenza tra le temperature misurate del sensore di velocità e del sensore di temperatura del fluido).

Con il metodo a differenziale di temperatura costante, l'elettronica mantiene una differenza di temperatura costante tra il sensore di velocità e il sensore di temperatura del fluido. Al variare della portata, per mantenere costante la differenza di temperatura è necessario regolare la potenza fornita al sensore di velocità riscaldato. Indipendentemente dal metodo utilizzato, le variazioni misurate (sia nella potenza erogata che nella temperatura differenziale) sono direttamente proporzionali alle variazioni della portata. Per entrambi i tipi, la relazione tra portata e trasferimento di calore dal sensore di velocità è descritta dall'equazione di King (o da una sua derivazione):

La forma di questa equazione mostra la sensibilità alle proprietà del fluido e l'importanza del secondo termine all'aumentare della portata. L'equazione non è lineare ma fortunatamente, grazie a tecniche di elaborazione del segnale digitale, la linearizzazione può essere applicata facilmente. Alcuni design prevedono un singolo filo riscaldato (gli anemometri sono il tipo più comune), mentre altri utilizzano due termistori in modalità di riferimento e di rilevamento. La Fig. 1 mostra i puntali di una sonda termica di questo tipo. Il fluido scorre sul sensore del fluido (a) (elemento non riscaldato) e sul sensore di velocità (b) (elemento riscaldato) per misurare la portata di energia termica.

La Fig. 2 illustra il principio di misura calorimetrico, presente in diversi modelli in commercio di misuratori di portata a dispersione termica. Il calore viene generato all'interno del misuratore e applicato al flusso. Al suo interno sono posizionati due elementi sensori per misurare la variazione di temperatura tra punti differenti. A volte, per fornire un quadro più completo del profilo termico, vengono impiegati due riscaldatori e tre sensori di temperatura. In assenza di flusso, tutti i sensori di temperatura indicano la stessa temperatura.

In presenza di flusso, i sensori si riscaldano o si raffreddano l'uno rispetto all'altro e si crea una differenza di temperatura ∆T che è direttamente correlata alla portata. Questi tipi di misuratori sono caratterizzati dall'equazione:

L'applicazione di calore (H) a portata zero crea un profilo termico non distorto (a) che, in presenza di flusso, si sposta verso destra (b).

L'equazione sopra riportata è meno dipendente dalle proprietà del fluido anche se la costante "A" comprende sia la conduttività che la viscosità.

Per entrambi i metodi di misura ("dispersione termica" e "calorimetrica") sono stati sviluppati design con sensori a punto singolo o multiplo, sia a passaggio pieno che con linea di bypass. Ciò consente di coprire un'enorme gamma di portate, dai piccoli volumi di gas puliti nelle applicazioni medicali fino ai grandi volumi dei gas di torcia.

A livello commerciale, i due principi appena descritti vengono applicati sia ai sensori installati nella linea principale che a quelli posizionati nel circuito di bypass. Esiste una notevole sovrapposizione tra i due principi operativi e le due versioni commerciali di base, soprattutto se si considerano la portata e le dimensioni dei tubi. Altri fattori che possono influenzare la scelta del design finale dipendono dall'applicazione e dalla natura del fluido misurato.

Il tipo più semplice di misuratore a dispersione termica è l'anemometro a filo caldo. Il sensore di velocità è un sottile filo di tungsteno, platino o nichel. In commercio sono disponibili sia i tipi a potenza costante che quelli a differenziale di temperatura costante. Il filo ha generalmente un diametro di 0,02 mm ed è montato tra supporti. Le ridotte dimensioni disturbano molto poco il flusso, salvaguardando sensibilità e prestazioni. I sensori possono essere singoli o multipli e installati con qualsiasi orientamento (Fig. 3). Le costruzioni più complesse vengono spesso utilizzate nelle applicazioni di ricerca.

I tipi a bypass (CTMF = Capillary Thermal Mass Flowmeter) sono in realtà un sottotipo dei misuratori di portata calorimetrici. Spesso, insieme al bypass capillare, utilizzano un elemento a flusso laminare. Il tubo capillare è collegato all'entrata e all'uscita dell'elemento laminare e ciò permette di deviare e campionare una piccola quantità del flusso principale (Fig. 4). Questo design assicura un rapporto fisso della portata totale del gas attraverso il capillare. I sensori del riscaldatore e della temperatura sono generalmente posizionati sul tubo capillare anziché sulla linea principale. Esistono comunque costruzioni che non prevedono l'elemento capillare e quello laminare e in cui i sensori sono posizionati direttamente sulla linea principale (tubo). Possono essere presenti uno o due riscaldatori e fino a tre sensori di temperatura, sistemati in vari modi lungo il capillare.

Generalmente, il misuratore CTMF è dotato di raccordi filettati, anche se è possibile fornire anche raccordi flangiati. Questo tipo di misuratore è spesso associato a un controller di misura della portata massica a valle del sensore di rilevamento. Si tratta della cosiddetta configurazione MFC (Mass Flow Controller). In genere, l'interfaccia elettronica si trova all'interno della stessa unità del circuito di bypass.

Per i tubi più grandi, vengono generalmente utilizzati misuratori a inserzione. Tuttavia, alcuni design possono essere utilizzati per tubi di diametro inferiore a DN 50/2". I sensori sono posizionati all'estremità di una sonda che viene immersa nel flusso di gas. La portata massica totale è determinata dalla portata del punto misurato, dall'area trasversale e dalla compensazione in temperatura del profilo di flusso.

Di solito è previsto un certo livello di protezione fisica dei sensori. Le soluzioni di montaggio sono numerose e includono raccordi flangiati, premistoppa, raccordi sanitari e ad altissima purezza. Per ottenere prestazioni ottimali, scegliere la giusta posizione dei sensori all'interno della sezione trasversale del tubo è fondamentale. Se non è possibile seguire le istruzioni di installazione consigliate dal produttore, sarà necessaria una correzione.

Con alcuni modelli di misuratori a inserzione, è possibile regolare la posizione dei sensori all'interno del tubo in modo da ottenere facilmente la posizione di misura ottimale. L'installazione del misuratore a inserzione in un tubo esistente avviene generalmente tramite un adattatore saldato alla superficie esterna del tubo. Il misuratore a inserzione viene installato nel tubo attraverso questo adattatore. L'attacco dell'adattatore deve corrispondere a quello della sonda a inserzione.

In alcune applicazioni, vengono utilizzate versioni a inserzione multipla. Un utilizzo comune è, ad esempio, il monitoraggio dei gas di torcia o dei gas di processo sporchi. Alcuni modelli possono sembrare molto simili ai tubi di Pitot multiporta, con sonde termiche che sostituiscono le porte di pressione. Questi robusti design richiedono operazioni periodiche di smontaggio e pulizia ma hanno dimostrato di essere metodi accettabili per le applicazioni difficili.

I misuratori di portata massica a dispersione termica in linea (ITMF) sono costituiti da tre elementi: il corpo, l'elemento di rilevamento e l'elettronica, che può essere lontana dal sensore primario. Come con la maggior parte degli strumenti moderni, il condizionamento del segnale consente di avere numerose uscite per le funzioni di portata e allarme, in qualsiasi formato desiderato. Il corpo è disponibile con un'ampia gamma di connessioni al processo per adattarsi alle varie applicazioni (ANSI, DIN, con filettatura NPT o igieniche). La Fig. 5 mostra la disposizione schematica di un misuratore in linea e di un misuratore a inserzione.

La classe dei misuratori di portata massica a dispersione termica ha buone caratteristiche generiche, con vantaggi e svantaggi. Si può dire che le prestazioni generali di questi dispositivi si estendono da ±1% v.i. a ±3% v.i. ±0,3% v.f.s. I turndown tipici sono di 100:1 e superiori. Generalmente, la ripetibilità si aggira attorno a ±0,5% v.i. o superiore e sono disponibili versioni per portate da 2 a 10.000 kg/h (4.4 ... 22.000 lb/h) e superiori.