Principio termico di misura della portata

Ogni giorno, nei sistemi di tubazioni, vengono trasportati e distribuiti i gas più diversi. Si può trattare di aria nel settore del trattamento delle acque potabili e reflue, anidride carbonica nell'industria alimentare, azoto e ossigeno nel settore farmaceutico o gas naturale per caldaie e bruciatori.
I gas che scorrono nei tubi hanno spesso proprietà diverse a causa delle mutevoli condizioni di processo. Per la loro misura è quindi necessario ricorrere a diversi metodi. Uno di questi è la misura della portata basata sul principio di dispersione termica.
La legge fisica alla base di questo principio può essere fatta risalire al fisico canadese Louis Vessot King. Nel 1914 ha descritto matematicamente il trasferimento del calore nei fluidi in movimento.

Ecco come funziona questo metodo di misura.
All'interno dei misuratori di portata a dispersione termica ci sono due sensori di temperatura che sporgono nel tubo di misura. Si tratta di termoresistenze Pt100.
Uno di questi sensori misura la temperatura del gas come riferimento – a prescindere dalla velocità del flusso.
Il secondo sensore di temperatura viene riscaldato costantemente mediante energia elettrica in modo che, tra i due sensori, venga mantenuta una determinata differenza di temperatura – ad es. 10 gradi.

In assenza di flusso, la temperatura differenziale tra i due sensori non cambia.
Non appena inizia a scorrere nel tubo di misura, il fluido di passaggio sottrae calore al sensore di temperatura riscaldato e lo trasporta via.
Il raffreddamento corrispondente viene misurato e compensato immediatamente aumentando la corrente di riscaldamento. Di conseguenza, la differenza di temperatura target viene mantenuta costante.
La corrente di riscaldamento necessaria a mantenere la differenza di temperatura è proporzionale all'effetto di raffreddamento ed è quindi un indice diretto della portata massica all'interno del tubo.
Maggiore è la velocità del flusso – e quindi il raffreddamento del sensore riscaldato – maggiore è la corrente di riscaldamento richiesta.

In alternativa, è possibile mantenere costante la corrente di riscaldamento e misurare la variazione del differenziale di temperatura.
Ma, in pratica, come viene trasferito il calore dal sensore di temperatura riscaldato al gas che scorre?
Questa sequenza mostra che il calore viene trasferito dalle molecole del gas stesso. Quando il gas scorre, le molecole assorbono piccole quantità di calore e le trasporta insieme al flusso. Quanto più velocemente scorre il gas, tanto più spesso le molecole assorbono il calore.
Il trasferimento del calore dipende anche dalla densità del gas perché a pressione più alta – o temperatura più bassa – il numero delle molecole di gas nelle tubazioni aumenta. Il maggior numero di molecole determina un maggiore contatto con il sensore riscaldato e, di conseguenza, maggiori esigenze di raffreddamento e un aumento della corrente di riscaldamento.

Il trasferimento di calore è influenzato anche dalle proprietà termiche del gas. A parità di portata massica, ad esempio, l'elevata conducibilità termica dell'idrogeno – evidenziata in verde – provoca un raffreddamento 100 volte maggiore rispetto all'aria. Per ottenere misure precise è quindi importante che le proprietà specifiche del gas siano note e coerenti.
La misura della portata basata sul principio termico è possibile anche in tubazioni e condotti di grandi dimensioni. Esistono misuratori, sviluppati appositamente per questa applicazione, che possono essere inseriti direttamente nel tubo tramite una connessione al processo standard. Perché la misura venga eseguita nel punto corretto, è importante che la profondità di inserzione sia quella giusta.
È questo il motivo per cui, per tutti i misuratori a inserzione, è essenziale programmare il diametro interno effettivo del tubo. Una corretta inserzione è necessaria anche nei condotti rettangolari e quadrati spesso presenti nei sistemi di circolazione dell'aria di fabbriche o edifici.

Grazie ai misuratori di portata massica a dispersione termica di Endress+Hauser è possibile misurare con precisione una numerosa serie di gas e miscele di gas – anche a basse pressioni di processo e basse velocità di flusso.
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