Lezioni del Corso di Misure Meccaniche e Termiche · pressione atmosferica, pressioni differenziali...

Lezioni del Corso di

Misure Meccaniche e Termiche

04.1 Le Misure di Pressione

Università degli Studi di Cassino

Facoltà di Ingegneria

Università degli Studi di Cassino Corso di Misure Meccaniche e Termiche

• Informazioni storiche

• Unità di misura SI

• Pressioni in natura e peculiarità

• Sistemi primari

– Basse pressioni

– Barometria

– Alte pressioni

La misura della pressione


Eolipila di Erone (Alessandria, Egitto). Allievo di Ctesibio. Due secoli prima di

Cristo ? Vedere il sito http://www.history.rochester.edu/steam/hero/

http://www.history.rochester.edu/steam/hero/


Francobollo Italiano emesso nel 1958

(350o anniversario della nascita)


Esperimento con gli emisferi di Magdeburgo, 16 cavalli, 1672


Parrot, 1832 Galy-Cazalat, 1846


Bridgman, 1909 and 1911 Johnson and Newhall, 1953 and 1957


SI unità e

grandezze di

base

kg

Massa

s

Lunghezza

m

Tempo

m2

Area

m.s-2

Accelerazione

SI unità e grandezze derivate

N

Forza

1 N = 1 kg . m . s-2

Pa

newton

pascal

1 Pa = 1 N / 1 m2

Pressione, sollecitazione

(stress)


SI – Unità di misura della pressione

Unità SI derivata da forza e area

Nome : pascal Simbolo : Pa 1 Pa = 1 N / 1 m2

Nome adottato nel 1971 14th CGPM

Usata con multipli (daPa, hPa, kPa, MPa, GPa, TPa)

e sottomultipli (dPa, cPa, mPa, mPa)

Altre unità:

• bar ( 1948 9th CGPM), unità non SI, però accettata

1 bar = 105 Pa = 100 kPa = 1000 hPa = 0,1 MPa

• Torr, unità non SI, accettata per le misure di pressione arteriosa

1 Torr = 101 325 / 760 = 133,322368 Pa = 1 mm Hg


Unità di pressione Non SI

EVITARNE L’USO !!! Si

pagano multe per strumenti con

unità non SI o accettate da SI.

Atmosfera standard (atm) 1 atm = 101325 Pa

Altre: at, psi, mm H2O , kgf / cm2


Realizzazione del pascal (Pa), un modo

inusuale per capire che 1 Pa è piccolo.

Prosciutto di Parma 101,97 g

1 m2 di

superficie

ricoperta

dal

prosciutto,

deve essere

tagliato con

spessore di

0,1 mm (non

facile !)

gL= 9,80665 m.s-

2

p = 1 N (di prosciutto) / 1 m2 = 1 Pa

Flusso di aria con

pressione p per

ottenere che 1 N

di prosciutto sia in

equilibrio

1 N


Mongolfiera

• 300 kg , 2550 m3 volume

• diametro 17 m

• superficie equatoriale media 226

m2

Pressione media sulla mongolfiera quando in

equilibrio in aria (aria interna non scaldata)

è circa 13 Pa in aggiunta al valore locale

della pressione atmosferica


Aeroplano: McDonnell – Douglas, MD 11

• 284 000 kg a pieno carico, incluso

146 160 L di carburante, 283 posti

• larghezza alare 57 m

• lunghezza 62 m

• superficie longitudinale stimata 920 m2

Pressione media sull’aeroplano quando in equilibrio in aria e in lenta (ma controllata)

caduta è di circa 3160 Pa in aggiunta al valore locale della pressione atmosferica.


Umani : valori normali (in funzione età e sesso, …)

- diastolica 60 – 90 mmHg

- sistolica 100 – 170 mmHg

Diast. 180 – 250 mmHg

Sist. 230 – 310 mmHg


Sist. 50 – 60 mmHg


Sist. 5 – 40 mmHg

Grande variabilità

Dipende su quale

arteria è misurata,

in genere con

misure dirette

Pressione arteriosa


1960, batiscafo “Trieste”

J. Picard

Fossa delle Marianne, Challenger, profondità 10912 m

Pressione di circa 110 MPa


In natura esiste il migliore (e più ampio) laboratorio delle pressioni

|-------|-------|-------|--- ----|-------|-------|-------|-------| ------ | ------ | -

---- |

BASSE PRESSIONI, scala log, da 100 kPa a meno di 10-10 Pa

1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-9 10-11 10-13 10-15

105 Pa 10 kPa 1 kPa 100 Pa 10 Pa 1 Pa 0,1 Pa 10-2 Pa 10-4 Pa 10-6 Pa 10-8 Pa 10-10 Pa

Min. p in lab.

p limit of continuous sys.

Jet at 8000 m

Troposphere, 25 kPa

Concorde, 20000 m

Homosphere

Ionosphere

Low limit barometry Limit static systems

X ray

limit

Industrial applications: thin films,

metals and microelectronics,

pharmacology, lyophilization, foods,

…

Space

simulation

Surfaces

effects


In natura esiste il migliore (e più ampio) laboratorio delle pressioni

|-------|-------|-------|-------|-------|-------|-------|-------| ------ | ------ | --

--- |

1 10 102 103

ALTE PRESSIONI, scala log, da 100 kPa a molti ZPa

101325 Pa

1 MPa

10 MPa

100 MPa

104 105 106 107 108

1012 1016 1020

1 GPa

10 GPa

100 GPa

1 TPa

10 TPa

105 TPa

109 TPa=1 ZPa

1013 TPa=10 YPa atm. pressure

sea level

Skate on

ice

air p in sub vessel

Ocean max p at 11 km

Solid Hg

graphite

to

diamond

metallic H

p earth centre

p Saturn

centre

p Jupiter centre

metallic He

p Sun centre

p white dwarf star centre

av. blood p

tire p

industrial applications

(mech., chem., aeron.,..)

jet cutting

hydr. extrusion

hard metals

max p in liq. in lab.

350 GPa, max. p in lab. (solids)

Tera - 1 TPa =1012 Pa

Zetta - 1 ZPa = 1021 Pa

Yotta - 1 YPa = 1024 Pa


p in air, above the sea level

0

20

40

60

80

100

1013

13

1001

55

8032

3

5669

2

2514

5

9930

3108

305

3

p / Pa

h / k

m

p in water, below sea level

-25

-20

-15

-10

-5

0

0

1957

9

3915

7

5873

6

7831

4

9789

3

1174

72

1370

50

1566

29

1762

07

1957

86

p / Pa

h / mPressione nell’aria in

funzione dell’altezza dal

livello del mare

p = po . e-ah a = gL ro / po

Pressione in

funzione della

profondità

nell’acqua di mare

p = - rH2O gL h


Pressioni Assolute e differenziali. Pressioni relative (Gauge)

sono un sottocaso delle pressioni differenziali dove la

pressione di linea è quella atmosferica.

P differenziale

Ogni valore Dp

superiore o

inferiore alla

pressione di linea

pL

+ Dp - Dp

pL p relativa

Patm non costante

Patm

Misure di p atm.

(caso di misure di p assol.)

p assoluta

Alto vuoto,

inferiore a 0,01 Pa

< 0,01

Pa

P di

riferimento

sottolineata


PECULIARITA’ DELLA PRESSIONE

Grandezza termodinamica e meccanica intensiva, non si può addizionare

Applicazioni Industriali riguardano almeno 16 decadi (10-7 Pa a 109 Pa)

Applicazioni scientifiche coprono almeno 22 decadi

dimensionalmente, definizione meccanica prevalente: p [ M L-1 t-2 ]

Necessità di diversi campioni primari con diverse leggi fisiche (espansione gas,

colonne liquide, bilance di pressioni, trasformazioni di fase), campioni di lavoro e

svariati sensori

Per confronti è necessaria la disponibilità di diversi tipi di campioni di trasferimento

di diverso tipo a seconda del campo di misura, alcuni soffrono di instabilità

I confronti debbono essere effettuati coprendo tutte le decadi

Diversi modi operativi (pressioni assolute in gas dall’alto vuoto fino a oltre la

pressione atmosferica, pressioni differenziali prevalenti nelle alte pressioni)

Diversi mezzi di trasmissione della pressione (Gas, Liquidi, Solidi – pressione come

tensore delle sollecitazioni- nel caso di pressioni molto elevate e generalmente

superiori ad 1 GPa)

Diversa metrologia (campioni, metodi e sensori) fra le misure in condizioni statiche

o dinamiche (p rapidamente variabili nel tempo)


Principali leggi fisiche, usate nella metrologia delle pressioni

• Legge di Boyle p V = cost (a temp. cost.); Legge di Gay-Lussac p = po T / To

• Legge di Dalton p = Si pi ,; Teoria cinetica dei gas p V = 2 / 3 (0,5 M v),

M massa molare=NA m

p V = n R T (equazione di stato dei gas ideali) ed estensioni (coeff. del viriale)

• p = po v / ( V + v ) (sistemi ad espansione statica)

• p = Q / (C (1 – p1/p2) ) (sistemi ad espansione continua o dinamica)

• p = rF gL Dh + pr (manometri a colonna di liquido)

• p = pr + Si Mi gL / Aeff (bilance di pressione in gas e in liquido, p assol. e diff.)

• p = - ( dH/dV ) T = cost. H = U – T S (U=energia, S=entropia) (equazioni di stato,

punti fissi pressione/temperatura a pressioni molto alte, per solidi)

• da misure di compressibilità p – po = integrale [da Vo(p) a V(p)] dV / (KT V)

dove KT è la compressibilità isoterma KT = - (dp / dV) / V a T cost.


|___|___|___|___|___|___|___|___|___|___|___|___|___|___|___|___|___|

109 108 107 106 105 104 103 102 101 100 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-

8

Campo di pressione / Pa

Bil. pr. liquido

Bil. pr.Gas

Barom.

Micromanom. Flussi-conduttanze

Espansione in serie

Apparati UHV

Nero = p assolute

Blu = p differenziali (Gauge mode)

Verde = entrambe le modalità

Campioni primari


CAMPIONI DI TRASFERIMENTO DISPONIBILI

Campo di pressione

Campioni di trasferimento

Grandezza misurata nel confronto

Basse pressioni

Vacuometri a ionizzazione

spinning rotor gauges (SRG)

corrente, variazione della velocità

di rotazione

Medie pressioni, anche Dp con p

linea fino a 40 MPa

capacitance diaphragm gauges

(CDG)

Sensori piezoresistivi

Sensori a struttura vibrante

Bilance di pressione, basso fs

Capacità o frequenza di risonanza,

DR,..

Equazioni di interpolazione di

forma speciale a seconda del

sensore,

Area effettiva di unità pistone-

cilindro

Alte pressioni

Bilance di pressione di diverso tipo

fino a 1 GPa, divisori e

moltiplicatori di pressione e

bilance di pressione digitali

Valori ed andamento dell’area

effettiva di unità pist-cilindro, in

genere determinazione della

equazione Ae=f(p)


Campioni primari, secondari e di trasferimento

– Alte pressioni da circa pochi kPa fino ad oltre 1 GPa

Sovrana di questo settore: la

bilancia di pressione, nelle sue

forme e tipologie le più

diverse in funzione della

pressione di misura.


Alte pressioni da pochi kPa fino ad oltre 1 GPa

BILANCE DI PRESSIONE (PRESSURE BALANCES)

Si Mi gL ( 1 – ra/ rm) + g C

p = ---------------------------------------------------------- + rF gL Dh

Ao ( 1 + l p) [ 1 + (ap + ac) (t – tref)]

Pressioni Relative (Gauge), gas e liquido

Pressioni Assolute, gas

Si Mi gL

p = ------------------------------------------------------------------- + pref + rF gL Dh

Ao ( 1 + l p) [ 1 + (ap + ac) (t – tref)]


Misure di

velocità di

discesa del

pistone,

generalmente

dell’ordine di

mm / s e velocità

di rotazione

Misure di

temperatura

Proprietà del fluido: densità

r e viscosità dinamica h in

funzione della pressione e

temperatura

Bilance di pressione sono strumenti

con svariate misure ausiliarie

Controllo e

regolazione di

pressione


Pressioni assolute, gas Si Mi gL

p = ------------------------------------------------- + pref + rF gL Dh

Ao ( 1 + l p) [ 1 + (ap + ac) (t – tref)]

Le differenze principali fra misure assolute e relative

riguardano Mi e pref

• Masse Mi sono masse “vere” cioè riferite alla densità

delle singole parti del set di masse (pistone, cestello,…)

e non masse convenzionali (riferite a 8000 kg . m-3)

• pressione di riferimento o residua nella campana pref ,

generalmente il suo valore è prossimo o inferiore di

0,05 Pa (importante la sua incertezza di misura)


Masse, Pistoni e cilindri, pulizia

Set di masse da 100 N di bilance di pressione in gas

1 MPa gas

20 MPa gas


Diversi tipi di bilance di pressione in gas

IMGC 2 & 5 MPa, gas, p relative

Pistone sferico, 0,7 MPa

Pressioni differenziali a alta pressione di linea ,

p di linea fino a 20 MPa Bilancia di pressione

digitale, campo fino a 6

MPa, risoluzione 100 Pa


Bilance di pressione IMGC in gas fino a 7 MPa

Bilance di pressione IMGC in liquido fino a 100 MPa


I sensori di Pressione


Indice

1. Tipologie di Sensori di Pressione

- manometri a liquido

- ad elementi meccanici elastici

- estensimetrici

- induttivi

- differenziali (LVDT)

- capacitivi

- piezoelettrici

- piezoresistivi

- potenziometrici

- ad elemento risonante

- a bilanciamento di forza

2. Caratteristiche Metrologiche Statiche

3. Montaggio ed Installazione dei Sensori di Pressione


pressione assoluta

pressione relativa

pressione differenziale

a riferimento variabile

pressione differenziale

a riferimento fisso

Tipologie di Sensori di Pressione


I sensori utilizzati per la misura di pressione nelle tre diverse modalità:

assoluta, relativa e differenziale sono essenzialmente gli stessi.

Il sensore presenta due superfici:

- una superficie alla pressione di riferimento che sarà:

il vuoto nel caso di misura assoluta

la pressione ambiente nel caso di misura relativa

una pressione nota nel caso di pressione differenziale.

- una superficie esposta alla pressione incognita.

La scelta del sensore influenza caratteristiche dello strumento come range,

stabilità, precisione, ripetibilità, frequenza di risposta e durata.

Il materiale di cui il sensore è fatto dipende essenzialmente dalla natura

del fluido con cui deve venire a contatto e dalla sua temperatura.



Classificazione in funzione del sensore/principio di misura:

- per confronto con una pressione nota (generalmente quella

atmosferica) mediante manometri ad U, micromanometri, …

- per deformazione elastica di membrane, soffietti, campane, fili sottili,

tubi, …

Classificazione in funzione del trasduttore (apparato di amplificazione e

modificazione del segnale):

- trasduttori meccanici

- trasduttori elettrici

Entrambi generalmente sfruttano per il rilevamento della pressione la

deflessione o la deformazione su un elemento elastico sensibile, con

conseguente generazione di un segnale meccanico/elettrico correlato



Manometri a liquido

Il principio di misura si basa sulla legge di Stevino.

I principali campi di utilizzo sono per pressione

assoluta, relativa e differenziale, in mezzo gassoso

e per applicazioni da laboratorio.

I manometri a liquido sono per lo più impiegati in

laboratorio per misure assolute e differenziali di

basse pressioni

Tecnologie

- tubo inclinato

- tubo dritto con lettura interferometrica

Vantaggi

- elevata linearità e precisione

- ridotta isteresi

Svantaggi

- uscita meccanica

- complessità d’uso (effetti di capillarità)

- dipendenza della densità con la temperatura



2 cosCh

g r

r

D

Effetti della Capillarità



, ,2 cos M A M BM

M A B

hg r r

r

D -

Correzione per la capillarità


Micromanometro di Prandtl

Utilizzato per la misura di piccolissime differenze di pressione.

Si riporta il fluido manometrico ad una posizione di riferimento indicata sul tubo inclinato

(alzando o abbassando il pozzetto).

Usando la stessa posizione di riferimento nell’azzeramento e nella misura si elimina l’effetto della

capillarità e con l’inclinazione del menisco si aumenta la sensibilità (la variazione Dh viene

amplificata nello spostamento Dl)


hl

sena

DD


Leggi fondamentali: legge di Stevino

La posizione del sensore può essere ovviamente

determinante nel caso in cui tra il punto di cui si vuole

conoscere la pressione ed il punto di misura ci sia un

dislivello Dh essendo infatti la pressione variabile

secondo la legge:

hgP D+D r




2 cosCh

g r

r

D


• Trasduttori meccanici


Trasduttori ad Elementi meccanici elastici

• diaframmi, capsule, soffietti, tubi bourdon

(diritti, a C, ritorti, ad elica, a spirale)

• trasducono la pressione di misura in una

deformazione lineare o angolare di piccole,

medie o ampie proporzioni



Manometri a quadrante ad elemento elastico

Nel caso di deformazioni di medie-grandi entità la deformazione può essere

amplificata mediante un sistema di leverismi meccanici ed in tal caso lo

strumento di misura prende il nome di manometro meccanico a quadrante



Manometri a Tubo di Bourdon

E’ un tubo curvato o ritorto di sezione ellittica con una delle estremità chiuse. Quando è

applicata la pressione all’estremità libera il tubo tende a stendersi.

La deformazione subita quindi è di tipo angolare nel caso di tubo ritorto, di tipo

curvolineare nel tubo curvato.

Essa dipende dal rapporto tra i due assi della sezione, dalla lunghezza del tubo, dal raggio

di curvatura e dall’entità della pressione applicata.

Generalmente si preferisce usare tubi lunghi e poco spessi per misure di bassa pressione,

mentre più corti e con pareti di maggiore spessore per pressioni anche molto alte.

L’accuratezza di questo sensore dipende molto dalle condizioni d’impiego.

Secondo la curvatura presentata dal tubo possiamo avere il tubo a C, il tubo a spirale, il

tubo ad elica o il tubo ritorto.



Manometri a Capsula e Soffietto

Si tratta di elementi di forma cilindrica chiusi ad una

delle due estremità che rispondono alla pressione

applicata all’altra estremità con una deformazione lungo

il proprio asse.

Sono nella maggior parte dei casi usati in misure di

bassa pressione e in ambienti in cui non sono presenti

forti vibrazioni.

L’elongazione viene contrastata dalle forze elastiche

delle pareti dell’elemento deformabile e da molle esterne

di contrasto, utilizzate per limitare la deformazione

subita così da aumentare la vita del sensore e fornire una

maggiore linearità e minore isteresi.

I materiali più usati sono ottone, bronzo, leghe di nickel

e rame, acciaio.



Manometri a Diaframma

diaframma piatto

diaframma sferico presenta concavità della superficie

diaframma a catena: è vincolato oltre sul bordo anche ad un’altra struttura coassiale a

quella principale in modo che il profilo si atteggia come una catena

diaframma anulare: è un diaframma piatto con un rinforzo al centro per facilitare lo

spostamento o la deformazione di un organo meccanico secondario

diaframma corrugato presenta sulla superficie dell’elemento elastico delle ondulazioni

concentriche per incrementare la rigidezza e l’area effettiva in modo

da fornire una deformazione maggiore di quella del diaframma

piatto a parità di pressione applicata.

Per piccole deformazioni il materiale maggiormente usato è ottone, acciaio, leghe argento-

nickel, rame-berillio. Per grandi deformazioni applicando pressioni basse sono più usati

materiali come il neoprene, polietilene, teflon.

Ripetuti cicli di pressione e variazioni di temperatura riducono l’elasticità del diaframma e

ne aumentano l’isteresi.

diaframma corrugato diaframma piatto



• Trasduttori elettrici


• Trasduttori a resistenza variabile da 10-5 a 104 bar

• Trasduttori a riluttanza variabile da 10-6 a 103 bar

• Trasduttori a capacità variabile da 10-8 a 103 bar

• Trasduttori piezoelettrici da 10-5 a 104 bar


1. Trasduttori a resistenza variabile:

1a. Trasduttori potenziometrici (sensibile variazione della resistenza elettrica)

Trasformano la deformazione dell’elemento elastico nel moto rettilineo del cursore di un potenziometro. Il sensore è una capsula singola o multipla nel campo delle basse pressioni, oppure un tubo di Bourdon (ad elica, a spirale o ritorto) per le alte pressioni.

La maggior parte dei modelli disponibili in commercio copre un range di 100 kPa-70 MPa.

Utilizzazione per pressione relativa, mezzo liquido e gassoso, settore petrolifero.

Il principio viene spesso utilizzato per ottenere un uscita elettrica dagli elementi elastici nei manometri meccanici (capsule, soffietti o tubi bourdon).

Tecnologia:

- avvolgimento di filo metallico

- deposito in film spesso

Vantaggi:

- basso costo

- uscita elettrica

Svantaggi:

- scarsa affidabilità

- deriva di zero e span



1b Trasduttori estensimetrici

Variazione di resistenza di uno o più estensimetri (generalmente collegati a ponte); utilizzati per misure di pressione relativa e differenziale.

Sono i più impiegati trasduttori di pressione associati a diaframmi e occasionalmente a soffietti

Tecnologie:

- strain gauge incollati

- strain gauge a film sottile

- strain gauge a semiconduttori

Vantaggi:

- basso costo

- dimensioni ridotte

- sufficientemente affidabilità

Svantaggi:

- l’elevata isteresi

- richiedono compensazione della temperatura

- bassa stabilità nel tempo



Trasduttori estensimetrici

Gli sforzi tensionali di trazione e compressione trasformano gli elementi tensiometrici

(estensimetri, costituiti da fili metallici di piccolissimo diametro o da lamelle molto

sottili) in resistenze variabili collegate ad un circuito elettrico a ponte di Weathstone)



Alcuni schemi di Trasduttori estensimetrici


lR

Sr

Gli elementi 1 e 2 sono sottoposti a trazione, quindi l aumenta ed S diminuisce, di conseguenza R aumenta

Gli elementi 3 e 4 viceversa sono in compressione, per cui R diminuisce.


2. Trasduttori a riluttanza variabile

Il nucleo ferromagnetico, costituito o da un

diaframma metallico o da un corpo di ferro

che si muove grazie all’interazione con un

diaframma magnetico è posto tra due

induttanze perfettamente uguali e si muove

in funzione della pressione applicata.

Al variare della pressione quindi si ha una

variazione del valore delle due induttanze

una delle quali aumenterà per l’avvicinarsi

del diaframma e l’altra invece diminuirà.

E’ utilizzato esclusivamente per la misura di

pressione differenziale o relativa.



3. Trasduttori capacitivi

Il principio di misura si basa sulla variazione della capacità elettrica causata dalla deflessione di una delle due armature. I principali campi di utilizzo sono per pressione assoluta, relativa e differenziale, in mezzo liquido e gassoso, nelle applicazioni industriali, di laboratorio, biomedico ed aerospaziale.

Tecnologie Svantaggi

- singolo statore - elevato costo

- doppio statore - lieve dipendenza dalla temperatura e dalle proprietà dielettriche del fluido di misura

Vantaggi

- elevata sensibilità e precisione anche a basse p

- ridotta isteresi

- buona risposta in frequenza

- elevata linearità



C =s

d

Trasduttori capacitivi a singolo statore

E’ presente un solo condensatore formato da un armatura fissa e da una mobile data dal

diaframma stesso.

La deformazione subita dall’elemento elastico provoca una variazione dello spessore dello

strato di dielettrico e di conseguenza una variazione di capacità del condensatore.

pressione di

riferimento

collegamento

elettrico

p

diaframma

piatto fisso del

condensatore



C =s

d

Trasduttori capacitivi a doppio statore

Sono composti da un diaframma metallico posizionato tra due armature fisse al fine di

formare due condensatori contigui di uguale capacità.

La variazione di pressione applicata al diaframma comporta una doppia variazione di

capacità.

La differenza tra i due valori finali di capacità viene poi convertita in un circuito

elettronico in un segnale normalizzato 4-20 mA proporzionale alla pressione misurata.



Tecnologie

- cristallo in quarzo

- ceramica piezoelettrica

Vantaggi

- ottima risposta in frequenza

- discreta accuratezza

Svantaggi

- elevato costo

- elevata impedenza in uscita

4. Trasduttori piezoelettrici

Il principio di misura si basa sull’effetto

piezoelettrico (differenza di potenziale

elettrostatico prodotta dal cristallo piezoelettrico

sottoposto a sollecitazione meccanica).

I principali campi di utilizzo sono mezzo liquido e

gassoso, acustica, campo balistico, prove motori.

I sensori piezoelettrici sono principalmente

utilizzati per misure di pressione dinamiche

(frequenza di risposta molto alta).



Vantaggi:

- buona risposta in frequenza

- elevata compensazione termica

- basso costo

- compattezza

Svantaggi

- temperatura di impiego limitata

- limitata resistenza alle sovratensioni

Tecnologie

- cristallo in quarzo

- ceramica piezoelettrica

Trasduttori piezoresistivi

Il principio di misura si basa sull’effetto piezoresistivo di semiconduttori (normalmente silicio)

sottoposti a sollecitazione meccanica. I principali campi di utilizzo sono per pressione assoluta,

differenziale e relativa, in mezzo liquido e gassoso nei settori industriale e biomedico



Tecnologie Vantaggi

- a filo risonante - elevata risoluzione e precisione

- a cilindro risonante - ridotta isteresi

- …(a cristallo di quarzo) - uscita in frequenza

Svantaggi

- elevato costo

- non linearità

- sensibilità alla temperatura

- sensibilità alle vibrazioni

Trasduttori ad elemento risonante

Il principio di misura si basa sulla variazione della frequenza di risonanza della struttura

vibrante a causa della variazione della densità con la pressione.

I principali campi di utilizzo sono per pressione assoluta, in mezzo liquido e gassoso per

applicazioni industriali e da laboratorio



Tecnologie

- a tubo bourdon in cristallo di quarzo

- pneumatici

Vantaggi

- elevata risoluzione, linearità e precisione

- ridotta isteresi

Svantaggi

- elevato costo

- limitata risposta in frequenza

Trasduttori a bilanciamento di forza

Il principio di misura si basa sul bilanciamento della deformazione di un tubo elastico mediante

l’opposizione di una forza (generalmente elettrica).

I principali campi di utilizzo sono per pressione assoluta, relativa e differenziale in mezzo

gassoso ed in applicazioni di laboratorio



TIPO DI

TRASDUTTORE RANGE

Accuratezza

Tipica

(% F.S.)

VANTAGGI SVANTAGGI

estensimetrici

fino a 1 GPa

0.2

buona compensazione

termica

buona stabilità a lungo

termine

alimentazione. c.a o in c.c.

basso segnale di uscita

alta sensibilità ad urti e vibrazioni

potenziometrici 100 kPa 1 alto segnale di uscita

costo limitato

vita limitata

elevata isteresi

induttivi 100 MPa 0.2 alto segnale di uscita

bassa isteresi

alimentazione in c.a.

sensibiltà ai campi magnetici

capacitici 200 kPa 0.1 tempo di risposta basso alimentazione in c.a.

sensibiltà alla temperatura

piezoelettrici 100 MPa 0.1 piccole dimensioni

alta risposta in frequenza

adatto solo per misure dinamiche

a struttura risonante

1 MPa

0.2

ottima risoluzione

segnale di uscita non lineare

sensibilità alla temperatura

sensibilità agli urti

Caratteristiche Metrologiche Statiche



Caratteristiche metrologiche di alcuni trasduttori di pressione assoluta

fino a 100 kPa in mezzo gassoso


• Ripetibilità

• Linearità

• Isteresi

• Effetto della temperatura

• Deriva di zero e di span

Queste caratteristiche sono generalmente espresse in FS dello strumento, solo talvolta in termini di V.L.

Per tale motivo le misure possono talvolta diventare molto poco accurate per valori di misura inferiori al 10%F.S.



uso di una tubazione flessibile di collegamento (rame ricotto)

con raccordi e giunzioni filettate a perfetta tenuta.

nota: la presenza di tubazione di collegamento influenza il tempo di

risposta del sensore, in funzione del volume (ossia di diametro e

lunghezza del collegamento)

installazione di una valvola di intercettazione per agevolare lo

smontaggio per taratura e sostituzione (attenzione ai colpi di

frusta che potrebbero determinare dannose sovraelongazioni –

anche fino al 50% di P, strumento del II ordine)

giunto di dilatazione (pig tail) per assorbire dilatazioni

termiche ed eventuali shock meccanici e vibrazioni

uso di un fluido intermedio (inerte e non mescolabile con il

fluido di misura) incomprimibile sigillante per evitare contatti

con ambienti corrosivi

Montaggio ed Installazione dei Misuratori di Pressione


Protezione da fenomeni di condensa

montaggio sopra il punto di attacco

tubazione con adeguata inclinazione (~8%) per il

drenaggio della condensa.

montaggio sotto il punto di attacco

pendenza del tubo di collegamento + tratto

verticale con pozzetto di raccolta della condensa

(con scarico). In questa configurazione deve

essere tenuta in considerazione la sovrapressione

determinata dalla condensa nel tubo inclinato



Protezione da condensa (e con Tfluido>65°C)

montaggio sopra il punto di attacco

deve essere previsto un giunto di dilatazione (pig

tail); la pendenza della tubazione ha l’effetto di

drenare la condensa verso il condotto di processo

montaggio sotto il punto di attacco

In questa configurazione i misuratori sono protetti

dalla condensa stessa che funge da “tenuta

termica”. Si desidera quindi presenza di condensa

nel tubo di collegamento che viene praticato sul

fondo.

In questa configurazione deve essere tenuta in

considerazione la sovrapressione determinata

dalla condensa nel tubo inclinato (correzione della

misura).


Lezioni del Corso di Misure Meccaniche e Termiche · pressione atmosferica, pressioni differenziali...

Documents

Transcript of Lezioni del Corso di Misure Meccaniche e Termiche · pressione atmosferica, pressioni differenziali...