regolazione e bilanciamento di portata

Corso di
STRUMENTAZIONE E AUTOMAZIONE
INDUSTRIALE
ESERCITAZIONE
Regolazione e bilanciamento di portata
Prof. Ing. Cesare Saccani
Dott. Ing. Marco Pellegrini
DIN – Facoltà di ingegneria - Università degli Studi di Bologna
Agenda
Introduzione
Dimensionamento della pompa principale
Elettrovalvola tipo on-off
Dimensionamento del filtro alla mandata
Regolazione di portata su due livelli
Il bilanciamento di portata
La misura di portata
Strumentazione e sistema controllo
2
Introduzione
Oggetto della esercitazione è il dimensionamento e successiva
definizione del sistema di regolazione e acquisizione dati di un
impianto di pompaggio e filtraggio che alimenta alcuni dispositivi
con acqua in pressione.
In particolare, l’esercitazione si concentrerà sulla modalità di
regolazione e bilanciamento di portata lungo la linea di
alimentazione dei dispositivi stessi. Pertanto, al di là della
applicazione specifica, la presente trattazione può essere riferita a
qualunque impianto in cui è richiesta una attività di regolazione e
bilanciamento di portata.
3
Introduzione
Caratteristiche dell’impianto
Le difficoltà legate alla progettazione dell’impianto coinvolgono
aspetti che sono riconducibili a tipologie di impianto simili, in cui
si debbano risolvere problematiche di:
- pompaggio di fluidi;
- filtraggio;
- regolazione di portata su due diversi valori;
- bilanciamento di portate.
4
Introduzione
Caratteristiche dell’impianto – il Block Flow Diagram (BFD)
Mesh
FILTRO
F1
Q [m3/h]
Acqua (di mare)
POMPA
P1
FILTRO
F2
Q1 [m3/h]
Q2 [m3/h]
Nel caso in oggetto la portata viene suddivisa
su due rami, ma il caso è riconducibile ad un
sistema con n ramificazioni
5
Introduzione
Caratteristiche dell’impianto – dati di partenza
Fluido: acqua di mare
Portata pompa P1: QD=80 m3/h (Q1D=Q2D=40 m3/h)
QF=20 m3/h (Q1F=Q2F=10 m3/h)
Due livelli di portata, corrispondenti al funzionamento di design
(pedice D) e di “flussaggio” (pedice F) dell’impianto.
Mesh filtro F2: 1 mm (no intasamento dispositivi alimentati)
Regolazione: Q=costante
Bilanciamento: Q1=Q2
Torna all’agenda
6
Dimensionamento della pompa principale
Il dimensionamento della pompa si effettua sulla base delle
seguenti caratteristiche:
- Portata di design;
- Prevalenza.
La portata di design è nota (80 m3/h); occorre quindi determinare la
prevalenza minima che la pompa deve erogare alla portata
nominale. Infine, occorre verificare che la pompa sia in grado di
funzionare alla portata di flussaggio (20 m3/h).
7
Dimensionamento della pompa principale
Per determinare la prevalenza necessaria occorre quantificare le
perdite di carico del circuito. Le perdite di carico si distinguono in:
- perdite di carico distribuite:
∆pD=1/2*ρ*(λ*L/d)*V2
- perdite di carico concentrate: ∆pC=1/2*ρ*ξ*V2
∆p: perdita di carico [Pa]
d: diametro equivalente [m]
ρ: densità del fluido [kg/m3]
V: velocità del fluido [m/s]
λ: coefficiente di attrito
ξ: coefficiente di perdita concentrata
L: lunghezza [m]
8
Dimensionamento della pompa principale
La prevalenza della pompa p viene determinata sulla base della
somma di perdite concentrate e distribuite, tenendo conto di un
congruo fattore di sicurezza φ maggiore di uno.
p=φ*(Σ∆pD+Σ∆pC)=1/2*φ*ρ*[Σ(λ*L/d*V2)+Σ(ξ*V2)]
La prevalenza viene calcolata in corrispondenza della condizione
di design, cioè nella condizione più critica di funzionamento
dell’impianto: pertanto, la velocità V è quella corrispondente alla
portata di design.
9
Dimensionamento della pompa principale
Perdite di carico distribuite
Sono le perdite di pressione generate dall’attrito tra fluido in moto
e superficie interna del condotto e tra le particelle del fluido
stesso.
∆pD=1/2*ρ*(λ*L/d)*V2
λ=f(Re, d/k)
Re: numero di Reynolds
d: diametro idraulico [mm]
k: rugosità [mm]
Tipologia di tubazione
Tubi nuovi PE, PVC, PRFV, Rame, Acciaio Inox
Rugosità k [mm]
0 - 0,02
Tubi nuovi Gres, Ghisa rivestita, Acciaio
0,05 - 0,15
Tubi in Cemento ordinario, tubi con lievi incrostazioni
0,10 - 0,4
Tubi con incrostazioni e depositi
0,6 - 0,8
10
Dimensionamento della pompa principale
Perdite di carico distribuite – esempio di calcolo
Re=ρ*V*d/μ
ρ: densità del fluido=1.000 kg/m3
V: velocità nel condotto= 2 m/s
d: diametro idraulico=85 mm
μ: viscosità dinamica del fluido=1*10-3 Pa*s
Re=170.000
k=0,02 mm (tubo in inox nuovo)
d/k=4.250
11
Dimensionamento della pompa principale
Perdite di carico distribuite – esempio di calcolo
Re=170.000
d/k=4.250
∆pD=1/2*ρ*(λ*L/d)*V2
12
Dimensionamento della pompa principale
Perdite di carico concentrate
Sono le perdite di pressione generate da variazioni di geometria
del condotto o di direzione del flusso rispetto al moto rettilineo.
∆pC=1/2*ρ*ξ*V2
13
Dimensionamento della pompa principale
Per poter calcolare le perdite di carico occorrono informazioni
quali:
- Lunghezza delle tubazioni;
- Diametro delle tubazioni;
- Numero di accidentalità (curve, variazioni di sezione, valvole, …).
Quindi, per dimensionare la pompa, occorre conoscere in maniera
abbastanza approfondita l’impianto: il Block Flow Diagram non è
più sufficiente. Occorre un nuovo strumento, il Process Flow
Diagram (PFD).
14
Dimensionamento della pompa principale
Il Process Flow Diagram (PFD)
15
Dimensionamento della pompa principale
Dimensionamento delle tubazioni
∆pD=1/2*ρ*(λ*L/d)*V2
Occorre dimensionare con cura le tubazioni per non avere velocità
troppo elevate (con conseguenti elevate perdite di carico). D’altro
canto, maggiore è il diametro della tubazione, maggiore è il costo
per metro lineare della tubazione stessa. Occorre trovare un
equilibrio.
Solitamente, la velocità di liquidi all’interno di condotte viene
dimensionata attorno a 1,5 m/s.
16
Dimensionamento della pompa principale
Dimensionamento delle tubazioni – esempio di calcolo
Velocità di design V:
1,5 m/s
Portata di design Q:
40 m3/h (flusso diviso su due linee)
A=(Q/3.600)/V=0,007 m2=7.407 mm2
A=π*d2/4 → d=97 mm
17
Dimensionamento della pompa principale
Dimensionamento delle tubazioni – esempio di calcolo
d interno ottimale=97 mm → la scelta ricade sul DN80
d=111 mm circa (DN100)
V=1,14 m/s
d=85 mm circa (DN80)
V=1,96 m/s
18
Dimensionamento della pompa principale
Calcolo delle perdite di carico
E’ stato realizzato un foglio di calcolo per la determinazione delle
perdite di carico complessive sulla base di una bozza di lay-out
dell’impianto (diametri e lunghezze tubazioni) e delle
caratteristiche resistive degli elementi principali dell’impianto
(filtro, valvole di regolazione, valvole di non ritorno, orifizi tarati).
La perdita di carico totale stimata è pari a circa 6 bar: impiegando
un coefficiente di sicurezza φ pari a 1,30, si ottiene una prevalenza
richiesta alla pompa pari a circa 8 bar.
19
Dimensionamento della pompa principale
Dimensionamento della pompa
Sono ora note:
- portata di design:
80 m3/h
- prevalenza:
8 bar
Quale tipologia di pompa (volumetrica, dinamica) meglio si adatta
alle caratteristiche dell’impianto?
20
Dimensionamento della pompa principale
Scelta della tipologia di pompa: volumetrica vs. dinamica
Curva caratteristica
Costo
Ingombro
21
Dimensionamento della pompa principale
La pompa principale
NK50-250/254
Portata: 80 m3/h
Prevalenza: 8 bar
Rendimento: 71%
Potenza assorbita: 25 kW
NPSH: 3,5 m
22
Dimensionamento della pompa principale
La pompa principale
NK50-250/254
Portata: 80 m3/h
Prevalenza: 8 bar
Rendimento: 71%
Potenza assorbita: 25 kW
NPSH: 3,5 m
Ingombri: 1.600x660x530 mm
Peso: 420 kg circa
DN in: DN65
DN out: DN50
Motore elettrico: 30 kW
23
Dimensionamento della pompa principale
La pompa principale
24
Dimensionamento della pompa principale
La pompa principale
25
Dimensionamento della pompa principale
La pompa principale
26
Dimensionamento della pompa principale
La pompa principale
NK50-250/254 BQQE-R
Portata: 80 m3/h
Prevalenza: 8 bar
Rendimento: 71%
Potenza assorbita: 25 kW
NPSH: 3,5 m
Ingombri: 1.600x660x530 mm
Peso: 420 kg circa
DN in: DN65
DN out: DN50
Motore elettrico: 30 kW
Corpo e girante in acciaio inox
Tenuta con soffietto in gomma
27
Dimensionamento della pompa principale
Il filtro in aspirazione alla pompa
A seconda del campo di applicazione, può essere necessaria
l’installazione o meno di un filtro all’aspirazione della pompa.
In particolare, occorre fare riferimento alle caratteristiche
geometriche della pompa (ad esempio, una pompa volumetrica a
vite presenta delle sezioni di passaggio ridotte, per cui occorre
prestare particolare attenzione alla massima dimensione del
materiale solido in ingresso) ed alla qualità e composizione del
fluido pompato (ad esempio, nel caso di acqua di mare è possibile
la presenza di elementi organici e inorganici di dimensioni anche
notevoli).
28
Dimensionamento della pompa principale
Il filtro in aspirazione alla pompa
L’utilizzo di una pompa centrifuga pone limiti non particolarmente
stringenti in merito alla massima dimensione ammissibile per il
materiale solido in ingresso.
D’altro canto, essendo il fluido acqua di mare occorre valutare
attentamente due diverse problematiche:
- presenza di materiale organico e inorganico voluminoso;
- presenza di sabbia.
29
Dimensionamento della pompa principale
Il filtro in aspirazione alla pompa
Il posizionamento di un filtro del tipo a griglia o simile è più che
sufficiente per limitare il problema dell’aspirazione di materiale
voluminoso (quale, ad esempio, plastiche, legno, materiale
organico di varia natura).
D’altro canto, eliminare la sabbia eventualmente presente
all’interno dell’acqua aspirata comporterebbe l’utilizzo di filtri
molto meno grossolani e più performanti, con un inevitabile
incremento della complessità dell’impianto e dei costi dello
stesso. Per risolvere questo problema, l’aspirazione della pompa
viene posizionata in un luogo in cui vi è una condizione perdurante
di condizioni meteomarine stabili, cioè in cui la sabbia non viene
trasportata in maniera rilevante dalle correnti marine.
30
Dimensionamento della pompa principale
Il calcolo dell’NPSH – a cosa serve?
Il fluido in aspirazione alla pompa si trova in una condizione di
temperatura praticamente costante e di pressione decrescente dal
punto del prelievo sino all’ingresso nella girante della pompa ed al
contatto con le pale.
Per questo motivo, può accadere che, se vi è un dislivello elevato
tra punto di prelievo del fluido e ingresso nella pompa e/o se le
perdite di carico nel condotto di aspirazione sono elevate e/o le
perdite in ingresso alla pompa sono elevate, la pressione del fluido
vada a scendere al di sotto della tensione di vapore
corrispondente alla data temperatura del fluido.
31
Dimensionamento della pompa principale
Il calcolo dell’NPSH – a cosa serve?
Quando la pressione del fluido scende al di sotto della tensione di
vapore si ha il fenomeno della cavitazione. La dinamica del
processo è quasi del tutto simile a quella dell'ebollizione: mentre
nel caso dell’ebollizione si creano bolle meccanicamente stabili,
perché piene di vapore alla stessa pressione del liquido
circostante, nella cavitazione è la pressione del liquido a scendere
improvvisamente, mentre temperatura e tensione di vapore
restano costanti. Per questo motivo la bolla prodotta dalla
cavitazione resiste finché non incontra la pala della girante, che
provoca un incremento istantaneo nella pressione del fluido e la
contemporanea rottura della bolla.
32
Dimensionamento della pompa principale
Il calcolo dell’NPSH – a cosa serve?
Il fenomeno si traduce quindi in una erosione della pala, nota
come pitting, e si accompagna ad emissioni sonore rilevanti.
33
Dimensionamento della pompa principale
Il calcolo dell’NPSH
[m]
34
Dimensionamento della pompa principale
Il calcolo dell’NPSH – esempio di calcolo
35
Dimensionamento della pompa principale
Il calcolo dell’NPSH – esempio di calcolo
00 – Perdita in ingresso al filtro:
ξ=0,5
Stot=2*(1*0,35)+2*(0,35*0,5)+1*0,5=1,55 m2
Spassaggio=Stot*[(π*82/4)/16*16)]=1,55*0,196=0,304 m2
Q=80 m3/h
V=(Q/3.600)/Spassaggio=0,07 m/s
∆p=1/2*ρ*ξ*V2=1,2 Pa
36
Dimensionamento della pompa principale
Il calcolo dell’NPSH – esempio di calcolo
00 – Perdita in ingresso al filtro con filtro intasato al 50%
ξ=0,5
σ: sezione libera di passaggio= 50%
Spassaggio=Stot* σ*[(π*82/4)/16*16)]=1,55*0,5*0,196=0,152 m2
Q=80 m3/h
V=(Q/3.600)/Spassaggio=0,15 m/s
∆p=1/2*ρ*ξ*V2=5,6 Pa
37
Dimensionamento della pompa principale
Il calcolo dell’NPSH – esempio di calcolo
00 – Perdita in ingresso al filtro con filtro intasato al 95%
ξ=0,5
σ: sezione libera di passaggio= 5%
Spassaggio=Stot* σ*[(π*82/4)/16*16)]=1,55*0,05*0,196=0,015 m2
Q=80 m3/h
V=(Q/3.600)/Spassaggio=1,5 m/s
Manutenzione: pulizia periodica del
filtro in ingresso (se non automatizzato)
∆p=1/2*ρ*ξ*V2=563 Pa
38
Dimensionamento della pompa principale
Il calcolo dell’NPSH – esempio di calcolo
01 – Perdita in ingresso alla tubazione DN150
ξ=0,5
d=0,165 m2 (DN150)
Q=80 m3/h
V=(Q/3.600)/(π*d2/4)=1,0 m/s
∆p=1/2*ρ*ξ*V2=250 Pa
39
Dimensionamento della pompa principale
Il calcolo dell’NPSH – esempio di calcolo
02 – Perdita valvola di non ritorno Socla 696V DN150
ξ=0,5 (dato del costruttore)
d=0,114 m2 (DN150)
Q=80 m3/h
V=(Q/3.600)/(π*d2/4)=2,2 m/s
∆p=1/2*ρ*ξ*V2=1.210 Pa
Manutenzione: verifica dello stato di
integrità della valvola di non ritorno
40
Dimensionamento della pompa principale
Il calcolo dell’NPSH – esempio di calcolo
03 – Curva 90° DN150
d=0,165 m2 (DN150)
R/d=1,4
ξ=0,5
Q=80 m3/h
V=(Q/3.600)/(π*d2/4)=1,0 m/s
∆p=1/2*ρ*ξ*V2=250 Pa
41
Dimensionamento della pompa principale
Il calcolo dell’NPSH – esempio di calcolo
04 – Riduzione di sezione DN150-DN80
d1=0,165 m2 (DN150)
d2=0,085 m2 (DN80)
ξ=0,05
Q=80 m3/h
V=(Q/3.600)/(π*d22/4)=3,9 m/s
∆p=1/2*ρ*ξ*V2=383 Pa
42
Dimensionamento della pompa principale
Il calcolo dell’NPSH – esempio di calcolo
05 – Riduzione di sezione DN80-DN65
d1=0,085 m2 (DN80)
d2=0,070 m2 (DN65)
ξ=0,05
Q=80 m3/h
V=(Q/3.600)/(π*d22/4)=5,8 m/s
∆p=1/2*ρ*ξ*V2=833 Pa
43
Dimensionamento della pompa principale
Il calcolo dell’NPSH – esempio di calcolo
06 – Perdite distribuite
λ=0,02
L con DN150=2,00+0,29+0,29+0,05+1,00= 3,63 m
L con DN80=0,14 m
L con DN65=0,26 m
Si calcola il ∆p per ogni tratto a DN costante in base alla relativa
velocità nel condotto:
∆p distribuito=220 Pa + 251 Pa + 1.249 Pa=1.720 Pa
44
Dimensionamento della pompa principale
Il calcolo dell’NPSH – esempio di calcolo
[m]
Hf=3.489 Pa + 1.720 Pa = 5.209 Pa = 0,05 bar = 0,5 m
Hv (T=30°C)=0,4 m
Hs=0,5 m (margine di sicurezza)
45
Dimensionamento della pompa principale
Il calcolo dell’NPSH – esempio di calcolo
NPSH=3,5 m
46
Dimensionamento della pompa principale
Il calcolo dell’NPSH – esempio di calcolo
[m]
Hf=3.489 Pa + 1.720 Pa = 5.209 Pa = 0,05 bar = 0,5 m
Hv (T=30°C)=0,4 m
Hs=0,5 m (margine di sicurezza)
NPSH=3,5 m
H=5,3 m → poiché in realtà la quota massima di aspirazione è
di 3 metri circa, il fenomeno della cavitazione
dovrebbe essere evitato: attenzione a intasamento
filtro e blocco valvola di non ritorno!
47
Dimensionamento della pompa principale
Perché non eliminare la valvola di non ritorno?
La valvola di non ritorno è ineliminabile poiché è indispensabile
nella fase di adescamento della pompa centrifuga.
Essendo installata sopra battente, la pompa centrifuga necessita
di una alimentazione in fase di avviamento che sia in grado di
riempire di fluido il volume compreso tra la tubazione e la mandata
della pompa.
Non essendovi in loco possibilità di allaccio alla rete idrica, si è
optato per l’utilizzo di una pompa autoadescante come pompa di
adescamento per la pompa principale.
48
Dimensionamento della pompa principale
La pompa di adescamento
La pompa autoadescante ad anello liquido è costituita da un corpo
cilindrico esterno e da una girante interna a pale radiali con asse
eccentrico rispetto al corpo cilindrico esterno.
Girante a pale radiali
Corpo
Vortice
liquido
Camera
di lavoro
Mandata
Aspirazione
Parete del corpo
Se il corpo si riempie parzialmente di liquido e la
girante ruota, il liquido viene in parte pompato
alla mandata ed in parte proiettato per effetto
della forza centrifuga contro la parete interna del
corpo stesso creando un anello liquido che va a
riempire lo spazio delimitato tra le palette della
girante, provocando così una compressione
dell’aria presente, che viene espulsa alla
mandata. In questo modo, all’aspirazione si
realizza una progressiva depressione, che in
alcuni casi può raggiungere valori prossimi al
97% della pressione atmosferica.
49
Dimensionamento della pompa principale
La pompa di adescamento
Una parte di liquido da pompare rimane sempre all’interno della
pompa in seguito al primo avviamento: per il primo avviamento,
invece, va riempita la pompa, per la quale il funzionamento a secco
rappresenta una condizione di funzionamento anomala, anche se
esistono versioni in grado di funzionare anche in tali condizioni.
50
Dimensionamento della pompa principale
La pompa di adescamento
La valvola di non ritorno posizionata all’aspirazione della pompa
principale presenta, solitamente, problemi di tenuta dopo un certo
numero di ore di funzionamento.
Per questo motivo, occorre prevedere una procedura di
avviamento della pompa principale che tenga conto di tale
problematica e preveda l’ausilio della pompa di adescamento per
tutti gli avviamenti e, quindi, non solo limitatamente al primo
avviamento.
51
Dimensionamento della pompa principale
La pompa di adescamento
3 bar
13,8 m3/h
52
Dimensionamento della pompa principale
La pompa di adescamento
Modello: Liverani EP 50 M/TF
53
Dimensionamento della pompa principale
La pompa di adescamento
Modello: Liverani EP 50 M/TF
Portata: 10 m3/h
Prevalenza: 1 bar
Ingombri: 435x250x194 mm
Peso: 26 kg circa
DN in: d50
DN out: d50
Motore elettrico: 1,86 kW
54
Dimensionamento della pompa principale
La pompa di adescamento
Rispetto a quanto strettamente necessario, la pompa di
adescamento è stata scelta in maniera tale da poter funzionare
anche come unità di back-up nel caso in cui la pompa principale
dovesse essere ferma per opere di manutenzione ordinaria o
straordinaria.
La portata è inferiore a quella minima (flussaggio), ma per l’utilizzo
specifico si è ritenuta accettabile per condizioni di emergenza.
Torna all’agenda
55
Elettrovalvola tipo on-off
Il Process Flow Diagram (PFD)
56
Elettrovalvola tipo on-off
La valvola VSO-1
Dimensioni: DN65
Fluido: acqua di mare
Portata: circa 10 m3/h
Tipologia: valvola on-off automatizzata
Segnale in uscita: inizio/fine corsa
57
Elettrovalvola tipo on-off
Valvola a farfalla Sylax DN65 – 41284N257
Dimensioni: DN65
Corpo: ghisa
Lente: Acciaio inox AISI316
Manicotto: EPDM
58
Elettrovalvola tipo on-off
Valvola a farfalla Sylax DN65 – 41284N257
59
Elettrovalvola tipo on-off
Valvola a farfalla Sylax DN65 – 41284N257
Servomotore:
VALPES ER Plus 35.50A.G00
Coppia:
35 Nm
Alimentazione:
90V/240V AC 50/60Hz - 90V/350V DC
Consumi:
15 W
Tempo di manovra:
19 secondi (senza carico)
26 secondi (con carico)
60
Elettrovalvola tipo on-off
Valvola a farfalla Sylax DN65 – 41284N257
61
Elettrovalvola tipo on-off
Valvola a farfalla Sylax DN65 – 41284N257
VOLANTINO MANUALE
Torna all’agenda
62
Dimensionamento filtro alla mandata
63
Dimensionamento filtro alla mandata
Filtro F2
Portata di design: 80 m3/h
Fluido: acqua di mare
Grado di filtrazione: superiore ad 1 mm
Funzionalità: autopulente, senza interruzione di servizio
64
Dimensionamento filtro alla mandata
Filtro Poly Spin Klin Arkal 3x3’’
Portata ottimale: 110 m3/h
Portata media: 80 m3/h
Portata minima: 45 m3/h
Grado di filtrazione: 40 mesh
Massima pressione ammissibile: 10 bar
Minima pressione per controlavaggio: 2,8 bar
Funzionamento ordinario
Controlavaggio
65
Dimensionamento filtro alla mandata
Filtro Poly Spin Klin Arkal 3x3’’
Il filtro a dischi: principio di funzionamento
66
Dimensionamento filtro alla mandata
Filtro Poly Spin Klin Arkal 3x3’’
67
Dimensionamento filtro alla mandata
Filtro Poly Spin Klin Arkal 3x3’’
Command pressure is applied to the top side of the diaphragm
through port D. The diaphragm moves down, pushing the sealed
body by the shaft. Port A is closed by the seal, preventing flow to
the filter. Port C is now open allowing flushing water to flow from
port B (filter connection) to the drain.
68
Dimensionamento filtro alla mandata
Filtro Poly Spin Klin Arkal 3x3’’
69
Dimensionamento filtro alla mandata
Filtro Poly Spin Klin Arkal 3x3’’
0,150 bar
70
Dimensionamento filtro alla mandata
Filtro Poly Spin Klin Arkal 3x3’’
Azionamento controlavaggio:
Logica temporale+pressione differenziale
71
Dimensionamento filtro alla mandata
Filtro Poly Spin Klin Arkal 3x3’’
Per la completa automazione del sistema occorrono:
- Trasduttore di pressione differenziale tra ingresso e uscita del
filtro (pulizia);
- Trasduttore di pressione all’ingresso del filtro (protezione da
sovrappressione).
Torna all’agenda
72
Regolazione di portata su due livelli
Come regolo la portata su due livelli?
Opzione 1: regolazione con valvola
PT
Pompa
Valvola di regolazione
73
Regolazione di portata su due livelli
Come regolo la portata su due livelli?
Opzione 1: regolazione con valvola
9 bar
15 kW
74
Regolazione di portata su due livelli
Come regolo la portata su due livelli?
Opzione 1: regolazione con valvola
Portata design
Portata di flussaggio
Portata: 80 m3/h
Prevalenza: 8 bar
Rendimento: 71%
Potenza assorbita: 25 kW
Portata: 20 m3/h
Prevalenza: 9 bar
Rendimento: 33% circa
Potenza assorbita: 15 kW
Consumi elettrici elevati!
75
Regolazione di portata su due livelli
Come regolo la portata su due livelli?
Opzione 2: impiego di due pompe in linea
a) P1=flussaggio, P2=pieno carico → alternato
b) P1=flussaggio, P1+P2=piano carico → contemporaneo
PT
Pompa P2
Valvola di regolazione
Pompa P1
Ottimizzo il funzionamento delle pompe ai diversi regimi, ma:
Aumento i costi di installazione e gestione (due pompe invece
di una) e incremento gli ingombri
76
Regolazione di portata su due livelli
Come regolo la portata su due livelli?
Opzione 3: regolazione con inverter
n=60*f/n°di coppie di poli
n: numero di giri della pompa [rpm]
f: frequenza [Hz]
Dal momento che 60 è un valore costante ed il n° di coppie di poli
del motore della pompa è fisso, l’unica possibilità per variare il
numero di giri n della pompa è quello di variare la frequenza f di
alimentazione del motore elettrico.
Esempio:
n=60*50/1=3.000 rpm
n=60*50/2=1.500 rpm
77
Regolazione di portata su due livelli
Come regolo la portata su due livelli?
Opzione 3: regolazione con inverter
f=50Hz
f=variabile
Nell’inverter la tensione alternata della rete viene raddrizzata in
corrente continua e viene quindi riconvertita in corrente alternata
trifase a frequenza variabile per alimentare il motore elettrico.
78
Regolazione di portata su due livelli
Come regolo la portata su due livelli?
Opzione 3: regolazione con inverter
Le perdite di carico dell’impianto nel
caso di portata di flussaggio sono pari
a circa 0,5-1 bar; pertanto, regolando la
frequenza attorno al minimo consentito
(ovvero il 25% della frequenza
massima), è possibile lavorare in
condizioni tali da garantire l’erogazione
della portata di flussaggio.
79
Regolazione di portata su due livelli
Come regolo la portata su due livelli?
Opzione 3: regolazione con inverter
Portata design
Portata di flussaggio
Portata: 80 m3/h
Prevalenza: 8 bar
Rendimento: 71%
Potenza assorbita: 25 kW
Portata: 20 m3/h
Prevalenza: 1 bar circa
Rendimento: 60% circa
Potenza assorbita: 1 kW circa
Consumi elettrici ridotti!
80
Regolazione di portata su due livelli
L’inverter
Consente la regolazione di velocità e quindi la variazione di portata
della pompa (vi è un limite sotto i 12,5 Hz per il pericolo di
surriscaldamento del motore). Benefici:
- gli avvii e gli arresti graduali riducono gli stress sui componenti
meccanici, idraulici ed elettrici;
-si ottengono significativi risparmi energetici in quanto la pompa
viene utilizzata per le effettive richieste del sistema idraulico;
- le protezioni elettroniche presenti nei convertitori consentono
una efficace e completa protezione della pompa;
- si eliminano gli spunti di avviamento, permettendo così di non
dover sovradimensionare i componenti elettrici e gli eventuali
gruppi elettrogeni di soccorso.
81
Regolazione di portata su due livelli
L’inverter
Problematiche:
- apparecchio costoso (anche se meno che in passato);
- apparecchio “delicato”: si tratta di elettronica di potenza e quindi
sensibile alle caratteristiche ambientali (umidità, polvere, ecc…);
- problemi di compatibilità elettromagnetica (armoniche, disturbi
ad apparecchiature elettroniche, ecc...);
- necessita di una corretta installazione (ventilazione, ecc...);
- richiede l’installazione in prossimità del motore alimentato (una
distanza tra motore ed azionamento superiore ai 200 m può essere
causa di guasto dell’azionamento).
82
Regolazione di portata su due livelli
L’inverter
Modello: CUE 30 kW – 96754727
Potenza: 30 kW
Frequenza di alimentazione: 50 Hz
Voltaggio: 3x380-440/441-500 V
Segnali in ingresso:
n°1 0-10V per impostazioni esterne
n°1 4-20mA per impostazione da sensore
n°4 ingressi digitali
n°2 segnali per relè
Segnale in uscita:
n°1 4-20mA
Regolatore PID
Limite temperatura ambiente: 0-45°C
Umidità relativa ambiente: 0-95%
Dimensioni: 242x260x624 mm
Peso: 27 kg
83
Regolazione di portata su due livelli
Il filtro sinusoidale per inverter
I filtri sinusoidali sono progettati per consentire solo alle
frequenze basse di passare. Pertanto, le frequenze più elevate
sono eliminate, risultando così una forma sinusoidale della
tensione concatenata o di linea così come per la corrente.
Grazie all’impiego di filtri sinusoidali l'uso di inverter speciali con
isolamento rinforzato non è necessario. Inoltre, la rumorosità del
motore viene smorzata, si riducono lo stress di isolamento e le
correnti parassite, determinando in tal modo una vita utile
maggiore del motore. Infine, l’impiego di filtri sinusoidali consente
l'uso di cavi di collegamento al motore più lunghi.
84
Regolazione di portata su due livelli
Il filtro sinusoidale per inverter
Modello: filtro sinusoidale - 96755021
Inoltre, il filtro sinusoidale in uscita
elimina i problemi di interferenza tra
inverter e altre apparecchiature
elettriche presenti nelle vicinanze
85
Regolazione di portata su due livelli
L’inverter
86
Regolazione di portata su due livelli
L’inverter
87
Regolazione di portata su due livelli
L’inverter
88
Regolazione di portata su due livelli
L’inverter
89
Regolazione di portata su due livelli
L’inverter
90
Regolazione di portata su due livelli
L’inverter
91
Regolazione di portata su due livelli
L’inverter
Autoclave
92
Regolazione di portata su due livelli
L’inverter
93
Regolazione di portata su due livelli
L’inverter
94
Regolazione di portata su due livelli
L’inverter
95
Regolazione di portata su due livelli
Il controllo proporzionale-integrale-derivativo
b: banda proporzionale
e: errore
r: velocità di integrazione
q: tempo di derivazione
96
Regolazione di portata su due livelli
L’inverter
97
Regolazione di portata su due livelli
L’inverter
L’inverter
deve
essere
correttamente
ventilato
per
poter smaltire il calore prodotto
durante
il
funzionamento:
l’inverter ha un rendimento
elettrico!
Torna all’agenda
98
Il bilanciamento di portata
La regolazione di portata, come descritto, viene effettuata tramite
la variazione del numero di giri della pompa grazie all’impiego di
un inverter con regolazione PID.
Il bilanciamento di portata, invece, richiede necessariamente la
presenza di valvole di regolazione.
99
Il bilanciamento di portata
Il Process Flow Diagram (PFD)
100
Il bilanciamento di portata
Le valvole di regolazione VR-1 e VR-2
Dimensione: DN80
Fluido: acqua di mare
Portata: 40 m3/h
Tipologia di valvola: valvola di regolazione automatizzata
Uscita: segnale 4-20mA relativo alla posizione dell’otturatore
101
Il bilanciamento di portata
Le valvole Omal DN80 - V377XE71
Dimensioni: DN80
Corpo: ghisa
Lente: bronzo-alluminio
Manicotto: EPDM
102
Il bilanciamento di portata
Le valvole Omal DN80 – EA0035C2C000
Attuatore: elettrico modulante
Coppia: 35 Nm
Alimentazione: 24 Vdc
103
Il bilanciamento di portata
Le valvole Omal DN80 – EA0035C2C000
104
Il bilanciamento di portata
Le valvole Omal DN80 – EA0035C2C000
105
Il bilanciamento di portata
Le valvole Omal DN80 – KEMRBCC2
Tipologia: posizionatore modulante (accessorio)
Indicatore visivo
di posizione
Posizionatore modulante
Attuatore elettrico
106
Il bilanciamento di portata
Le valvole Omal DN80 – KEMRBCC2
La “Scheda per il Controllo Modulante” è contenuta nel “Box
ausiliario”: la sua funzione è quella di consentire il monitoraggio
della posizione raggiunta dall’attuatore, tramite la generazione di
un segnale 4-20 mA, a loop passivo, proporzionale alla posizione
effettiva dell’albero.
Il movimento rotatorio a quarto di giro viene rilevato da un
potenziometro calettato direttamente sull’albero di uscita
dell’attuatore e tradotto nello standard 4-20 mA tramite un sistema
elettronico di precisione. Sono disponibili due finecorsa ausiliari
SPDT con contatti dorati e camme regolabili su tutta la corsa.
107
Il bilanciamento di portata
Le valvole Omal DN80 – KEMRBCC2
Temperatura di impiego: da -25°C a +80°C
Alimentazione loop passivo: 12-32 Vdc
Segnale in uscita: 4-20 mA
Ripetibilità: <0,2%
Linearità: >2%
Indicatore di posizione
108
Il bilanciamento di portata
Le valvole Omal DN80 – KEMRBCC2
Action mode: è possibile far corrispondere ad un incremento nel
segnale in ingresso una rotazione in senso orario (DIR) oppure
una in senso antiorario (REV, preset di fabbrica); in posizione SO
(Signal Off) si scollega il segnale in ingresso.
Zero: tramite un potenziometro è possibile far coincidere una
determinata posizione della valvola (ad esempio, tutta chiusa) con
il segnale 4 mA. Ruotando in senso orario il potenziometro si
aumenta la corsa utile, in caso contrario la corsa utile viene
ridotta.
109
Il bilanciamento di portata
Le valvole Omal DN80 – KEMRBCC2
Span: tramite un potenziometro è possibile regolare la lunghezza
della corsa utile, cioè far corrispondere al valore di 20 mA, ad
esempio, la posizione di valvola completamente aperta.
Sensitivity: tramite un selettore ad 8 posizione è possibile
ottimizzare il grado di precisione ottenibile dall’attuatore.
110
Il bilanciamento di portata
Le valvole Omal DN80 – KEMRBCC2
Safety Mode: è possibile fare si che in assenza di segnale, o con
valori inferiori a 3 mA, l’attuatore compia una delle azioni seguenti:
- Rotazione in senso anti-orario sino a fine corsa;
- Stop (preset di fabbrica, nessuna rotazione);
- Rotazione in senso orario sino a fine corsa.
111
Il bilanciamento di portata
Le valvole Omal DN80 – KEMRBCC2
112
Il bilanciamento di portata
Il bilanciamento di portata si ottiene nella seguente maniera: se si
verifica una differenza di portata (ad esempio, portata sul ramo 1
maggiore che sul ramo 2), prima apro gradualmente la valvola del
ramo 2; quando la valvola sul ramo 2 risulta completamente
aperta, allora chiudo gradualmente la valvola del ramo 1.
Fino a che grado chiudo?
113
Il bilanciamento di portata
Diagramma portata-perdita di carico
30°
4 bar
DN80
Portata: 40 m3/h
Velocità nel condotto [m/s]
114
Il bilanciamento di portata
Fisso il minimo grado di apertura a 30°.
Nel caso in cui non si riesca a bilanciare le portate neanche con
una valvola completamente aperta ed una al minimo, occorre
inviare un segnale di allarme con richiesta di intervento sul posto.
Torna all’agenda
115
La misura di portata
Strumenti di misura della portata
1) Induzione magnetica
2) Coriolis
3) Vortici di Von Karman
4) Contatore (mulinello, turbina)
5) Orifizio tarato e trasduttore di pressione differenziale
116
La misura di portata
Induzione magnetica
In base alla legge di Faraday sull’induzione magnetica, in un
conduttore che si muove in un campo magnetico viene indotta una
tensione.
117
La misura di portata
Induzione magnetica
Il fluido che defluisce è il conduttore in movimento. La tensione
indotta è proporzionale alla velocità di deflusso ed è fornita ad un
amplificatore tramite due elettrodi di misura. La portata
volumetrica è calcolata in base alla sezione del tubo.
Il campo magnetico in corrente continua è generato da due bobine
alimentate in corrente continua, a polarità alternata.
118
La misura di portata
Forze di Coriolis
Il principio di misura è basato sulla generazione controllata di
forze di Coriolis. Queste forze sono sempre presenti quando siano
sovrapposti movimenti di traslazione e rotazione.
FC = - 2 · ∆m (ω x v)
FC = forza di Coriolis;
∆m = massa in movimento;
ω = velocità angolare;
v = velocità radiale in un sistema rotante o oscillante.
119
La misura di portata
Forze di Coriolis
Invece di una velocità angolare costante ω, il sensore Promass
utilizza l'oscillazione. Il sensore contiene due tubi di misura
paralleli in cui scorre il liquido. Tali tubi oscillano in controfase,
comportandosi come un diapason.
Le forze di Coriolis prodotte nei tubi di misura provocano uno
sfasamento nelle oscillazioni dei tubi:
- quando si registra una portata pari a zero, ossia quando il liquido
è fermo, i due tubi oscillano in fase (1);
- la portata massica causa decelerazione dell'oscillazione
all'ingresso dei tubi (2) e accelerazione all'uscita (3).
120
La misura di portata
Forze di Coriolis
121
La misura di portata
Forze di Coriolis
La differenza di fase (A-B) aumenta con l'aumento della portata
massica. Sensori elettrodinamici registrano le oscillazioni del tubo
in entrata e in uscita.
L'equilibrio del sistema è garantito dall'oscillazione in controfase
dei due tubi di misura. Il principio di misura opera
indipendentemente da temperatura, pressione, viscosità,
conducibilità e profilo del fluido.
122
La misura di portata
Forze di Coriolis
I tubi di misura sono continuamente eccitati alla loro frequenza di
risonanza. Quando si verifica una variazione della massa e,
conseguentemente, della densità del sistema oscillante
(comprendente i tubi di misura e il liquido) si determina un
corrispondente aggiustamento automatico della frequenza di
oscillazione.
La frequenza di risonanza è quindi funzione della densità del
prodotto.
123
La misura di portata
Forze di Coriolis
Il valore della densità ottenuto in questo modo può essere
utilizzato, insieme alla portata massica misurata, per calcolare la
portata volumetrica.
Inoltre, è calcolata anche la temperatura dei tubi di misura, al fine
di calcolare il fattore di compensazione per gli effetti termici.
124
La misura di portata
Vortici di Von Karman
Questi misuratori di portata a precessione di vortici si basano sul
principio teorizzato da Karman: quando un fluido scorre ed
incontra una barra generatrice, si formano in alternanza dei vortici,
che si distaccano da entrambi i lati con senso di rotazione
opposto.
Ogni vortice genera una bassa pressione locale. Le fluttuazioni di
pressione sono rilevate dal sensore e convertite in impulsi
elettrici. I vortici sono generati con regolarità entro i limiti
applicativi del misuratore. Di conseguenza, la frequenza di
generazione dei vortici è direttamente proporzionale alla portata
volumetrica.
125
La misura di portata
Vortici di Von Karman
Entro i limiti applicativi, il fattore K dipende solo dalla geometria
del misuratore. Non dipende dalla velocità di deflusso e dalle
caratteristiche di viscosità e densità del fluido.
Di conseguenza, il fattore K non dipende dal tipo di prodotto da
misurare, che sia vapore, gas o liquido. Il segnale di misura
primario è già digitale (segnale in frequenza) ed è una funzione
lineare della portata. Il fattore K viene determinato in fabbrica con
una calibrazione eseguita al termine del ciclo di produzione del
misuratore; tale fattore non è soggetto a deriva a lungo termine o
del punto di zero. Il misuratore non comprende parti in movimento
e non richiede manutenzione.
126
La misura di portata
Confronto strumentazione Endress+Hauser
Fluido
Liquido conduttore
Vortici di
Induzione Coriolis
Karman
X
X
Liquido non conduttore
X
X
Gas
X
X
Vapore
X
X
127
La misura di portata
Contatore
Il cuore meccanico del contatore volumetrico è il mulinello con
asse orizzontale in cui il numero di giri è direttamente
proporzionale alla portata d’acqua in circolazione. Su ogni
contatore volumetrico è montato un lanciaimpulsi con cavetto di
collegamento per trasmettere a distanza il numero di giri del
mulinello.
Il lanciaimpulsi, attraverso un magnete rotativo, converte il
movimento meccanico in un contatto elettro-magnetico (contatto
REED), che emette impulsi elettrici con una frequenza
proporzionale al numero di giri del mulinello e quindi alla portata
d’acqua in circolazione.
128
La misura di portata
Contatore
129
La misura di portata
Orifizio tarato con trasduttore di pressione differenziale
Orifizio tarato o diaframma
130
La misura di portata
Orifizio tarato con trasduttore di pressione differenziale
L’orifizio tarato (o diaframma) induce una perdita di carico
concentrata ∆p generata da un brusco restringimento di sezione
nel condotto dato dal passaggio dal diametro D della tubazione a
monte del diaframma al diametro d dell’orifizio.
∆p=1/2*ρ*ξ*V2
V=Q/A
Q: portata in volume
A: sezione equivalente di passaggio
∆p=1/2*ρ*ξ*(Q/A)2 → relazione tra portata e perdita di carico
131
La misura di portata
Orifizio tarato con trasduttore di pressione differenziale
Le norme UNI EN ISO 5167-1 e 5167-2 definiscono come misurare
la portata dei fluidi mediante dispositivi a pressione differenziale
inseriti in condotti a sezione circolare piena.
La portata in massa qm viene determinata tramite la equazione:
qm = C*ε*d2*(π/4)*(2*∆p*ρ)1/2/(1-β4)1/2
C: coefficiente di efflusso (dipende dalla portata);
ε: fattore di espansione (per fluidi incomprimibili è uguale a 1);
β: fattore geometrico, pari al rapporto tra d e D.
132
La misura di portata
Orifizio tarato con trasduttore di pressione differenziale
Faccia rivolta a monte del flusso
∆h<0,005*(D-d)/2
(planarità)
Rugosità (Ra): minore di d*10-4
133
La misura di portata
Orifizio tarato con trasduttore di pressione differenziale
e<E<0,05*D;
tolleranza <0,001*D se D>200mm
tolleranza <0,2 mm se D<200mm
α=45°(±15°)
0,005*D<e<0,02*D; tolleranza <0,001*D
Ci sono vincoli anche su smussi e raccordi
134
La misura di portata
Orifizio tarato con trasduttore di pressione differenziale
d>12,5mm
0,10<d/D<0,75
Tolleranza: 0,05%
La scelta del fattore geometrico β è
lasciata al progettista.
135
La misura di portata
Orifizio tarato con trasduttore di pressione differenziale
Metodo 1: prese di pressione sul tubo
=D
=25,4mm
=D/2
=25,4mm
Metodo 2: prese di pressione sulle flange
136
La misura di portata
Orifizio tarato con trasduttore di pressione differenziale
La norma è applicabile se sono rispettati i seguenti precetti:
ReD=4*qm/(π*μ*D)
137
La misura di portata
Orifizio tarato con trasduttore di pressione differenziale
Quanto vale il coefficiente di efflusso?
ReD=4*qm/(π*μ*D)
138
La misura di portata
Orifizio tarato con trasduttore di pressione differenziale
139
La misura di portata
Orifizio tarato con trasduttore di pressione differenziale
La UNI EN ISO 5167-2 fornisce le
indicazioni tecniche per realizzare
un sistema di misura conforme: in
questo caso, è possibile ricavare il
valore del coefficiente di efflusso C
da tabelle fornite nell’appendice
della norma stessa.
Ma C dipende da qm: come calcolo
qm?
140
La misura di portata
Orifizio tarato con trasduttore di pressione differenziale
Metodo iterativo (UNI EN ISO 5167-1)
Con un trasduttore di pressione
rilevo il valore di ∆p e poi, attraverso
un algoritmo di calcolo, determino
per approssimazioni successive il
valore reale di qm.
141
La misura di portata
Orifizio tarato con trasduttore di pressione differenziale
Precisione (UNI EN ISO 5167-1)
Precisione: 0,5% della misura
142
La misura di portata
La scelta ricade sul sistema di misura con diaframma e misura di
pressione differenziale.
143
La misura di portata
Come si procede?
1) Dimensionamento dell’orifizio tarato;
2) Nota la perdita di carico corrispondente alla massima portata,
individuo lo strumento di misura adatto all’applicazione
specifica.
144
La misura di portata
Dimensionamento dell’orifizio tarato
I dati di partenza sono:
Fluido: acqua di mare
Diametro interno tubazione a valle: D=82,9 mm (DN80, s=3 mm)
Portata volumetrica di design: 40 m3/h
Il primo parametro da scegliere è il rapporto tra d (diametro
dell’orifizio) e D, ovvero il parametro β.
Si procede per tentativi, arrivando a determinare il parametro β in
funzione della massima perdita di carico ∆p ammissibile.
145
La misura di portata
Dimensionamento dell’orifizio tarato
qv=40/3.600=0,011 m3/s
ρ=1.025 kg/m3 (temperatura di 20°C ed una salinità di 35 g/kg)
ε=1 (fluido incomprimibile)
qv*ρ= C*ε*d2*(π/4)*(2*∆p*ρ)1/2/(1-β4)1/2
Scelta di tentativo: d=54 mm → β=54/82,9=0,651
Per determinare C devo conoscere il numero di Reynolds calcolato
a monte del diaframma.
146
La misura di portata
Dimensionamento dell’orifizio tarato
qv=40/3.600=0,011 m3/s
ρ=1.025 kg/m3 (temperatura di 20°C ed una salinità di 35 g/kg)
D=82,9 mm
μ=1,077*10-3 Pa*s (temperatura di 20°C ed una salinità di 35 g/kg)
ReD=4*qv*ρ/(π*μ*D)=1,6*10^5
147
La misura di portata
Dimensionamento dell’orifizio tarato
C=0,6146
148
La misura di portata
Dimensionamento dell’orifizio tarato
C=0,6146
∆p = 8*(qv*ρ)2*/(1-β4)/(π2*C2*d4) = 262 mbar
∆p max = 250 mbar circa
149
La misura di portata
Il trasduttore di pressione differenziale
Le membrane di separazione (4) subiscono una flessione da
entrambi i lati per effetto delle pressioni p1 e p2. Un fluido di
riempimento (3) trasmette la pressione all’elemento sensibile (1).
La variazione resistenza, capacità o induttanza dell’elemento
sensibile si traduce in una uscita variabile, proporzionale alla
pressione differenziale, che viene rilevata ed elaborata.
150
La misura di portata
Il trasduttore di pressione differenziale
Fluido: acqua di mare
Campo di misura: 0-300 mbar
Precisione: elevata sull’intero campo di misura
Segnale in uscita: 4-20 mA
151
La misura di portata
Trasduttore di pressione differenziale
Deltabar M PMD55 AA21BA67FGBHAJB1A+AE
Il Deltabar M PMD55 identifica uno
specifico prodotto della gamma
Deltabar (trasduttori di pressione)
con membrana metallica come
elemento sensibile.
152
La misura di portata
Trasduttore di pressione differenziale
Deltabar M PMD55 AA21BA67FGBHAJB1A+AE
Strumento
per
classificata.
area
non
153
La misura di portata
Trasduttore di pressione differenziale
Deltabar M PMD55 AA21BA67FGBHAJB1A+AE
La trasmissione del segnale 4-20mA avviene in contemporanea
con un segnale digitale in corrente alternata (che non altera la
lettura del segnale continuo 4-20 mA) sulla base dello standard
HART Protocol (Highway Addressable Remote Transducer) e che
può essere ricevuto da un qualunque PC ed impiegato per
eseguire operazioni di diagnostica e configurazione in parallelo
alla lettura dell’out-put dello strumento.
154
La misura di portata
Trasduttore di pressione differenziale
Deltabar M PMD55 AA21BA67FGBHAJB1A+AE
Deltabar M PMD55 AA21BA67FGBHAJB1A+AE
155
La misura di portata
Trasduttore di pressione differenziale
Deltabar M PMD55 AA21BA67FGBHAJB1A+AE
Deltabar M PMD55 AA21BA67FGBHAJB1A+AE
156
La misura di portata
Trasduttore di pressione differenziale
Deltabar M PMD55 AA21BA67FGBHAJB1A+AE
Il valore nominale «ottimale» sarebbe
stato 300 mbar, che però non è
disponibile nella gamma.
157
La misura di portata
Trasduttore di pressione differenziale
Il campo di misura
158
La misura di portata
Definizioni
Turn down (TD) o rangeability: è il rapporto tra il fondoscala e il
minor valore, normalizzato all’unità, per il quale sono validi i dati di
accuratezza e precisione.
Un valore elevato di TD è pertanto indice di applicabilità del
sensore in un ampio campo di misura. Ad esempio, un sensore di
portata con TD 20:1, con fondo scala di 100 m3/h e accuratezza
dell’1% registra, con tale accuratezza, portate comprese tra 5 e 100
m3/h. Al di fuori di questo range le prestazioni possono essere
molto scadenti.
159
La misura di portata
Definizioni
Accuratezza: è il massimo scostamento tra la misura fornita dal
sensore ed il valore reale della grandezza fisica misurata.
In parziale contraddizione con il nome assegnatogli, si tratta
quindi di un parametro che implica una misura migliore quanto più
esso è basso. Si trova espresso come percentuale del campo di
misura (o del fondo scala, se l'altro estremo è lo zero).
160
La misura di portata
Definizioni
Precisione: esprime la riproducibilità delle misure dello stesso
valore fisico nelle stesse condizioni operative (detta anche
ripetibilità).
Dato che in pratica è indice dell'evenienza di errori casuali, una
buona precisione è spesso assai più importante di una
accuratezza elevata.
161
La misura di portata
Trasduttore di pressione differenziale
162
La misura di portata
Trasduttore di pressione differenziale
Precisione di riferimento
163
La misura di portata
Trasduttore di pressione differenziale
Deltabar M PMD55 AA21BA67FGBHAJB1A+AE
Accuratezza di riferimento
versione platino fino a 0,075%.
0,1%,
Deltabar M PMD55 AA21BA67FGBHAJB1A+AE
164
La misura di portata
Trasduttore di pressione differenziale
Deltabar M PMD55 AA21BA67FGBHAJB1A+AE
165
La misura di portata
Trasduttore di pressione differenziale
Deltabar M PMD55 AA21BA67FGBHAJB1A+AE
Deltabar M PMD55 AA21BA67FGBHAJB1A+AE
Deltabar M PMD55 AA21BA67FGBHAJB1A+AE
Opzione: lingua d’interfaccia
operativa - italiano
166
La misura di portata
Trasduttore di pressione differenziale
Collegamento elettrico
167
La misura di portata
Trasduttore di pressione differenziale
Installazione (misura con liquidi)
Montare il Deltabar M al di sotto del
punto di misura, in modo che la
tubazione pressurizzata sia sempre piena
di liquido e le bolle di gas possano
ritornare nella tubazione di processo.
168
La misura di portata
Trasduttore di pressione differenziale
Funzionamento
Per la visualizzazione e il controllo è disponibile un display a cristalli liquidi (LCD) con 4
righe. Il display on-site visualizza valori di misura, finestre di dialogo, messaggi di guasto
e messaggi di avviso. Per una maggiore comodità di utilizzo, è possibile rimuovere il
display dalla custodia (vedere figura, punti 1-3). Il display è connesso al dispositivo
tramite un cavo da 90 mm e può essere ruotato a passi di 90° (vedere figura, punti 4-6), in
base all'orientamento del dispositivo. Questa possibilità semplifica il controllo dello
strumento e facilita la lettura dei valori misurati.
169
La misura di portata
Trasduttore di pressione differenziale
Funzionamento
Visualizzazione del valore misurato a 8 cifre, inclusi
segno e virgola decimale.
Grafico a barre quale visualizzazione grafica del
valore di pressione corrente misurato in relazione al
campo di pressione impostato nel blocco
trasduttore di pressione. Il campo di pressione
viene impostato per mezzo del parametro
SCALE_IN (tramite il programma di configurazione
FF, non tramite il display on-site).
Tre tasti di funzionamento.
Menu guidato semplice ed esauriente grazie alla
distinzione dei parametri in diversi livelli e gruppi.
Per facilitare la navigazione, a ogni parametro è
assegnato un numero d'identificazione a 3 cifre.
Possibilità di configurare il display secondo
requisiti specifici e preferenze personali, ad es.
lingua, visualizzazione alternata, visualizzazione di
valori misurati aggiuntivi, come la temperatura del
sensore, definizione del contrasto.
Funzioni diagnostiche complete (messaggi di
guasto e di avviso, ecc...).
170
La misura di portata
Trasduttore di pressione differenziale
Regolazione della posizione di zero
171
La misura di portata
Trasduttore di pressione differenziale
Misura di portata
In modalità di misura "Portata" il dispositivo determina un volume o valore di
portata massica dalla pressione differenziale misurata. La pressione
differenziale è generata tramite elementi fondamentali quali tubi di Pitot o orifizi
e dipende dal volume o portata massica.
Sono disponibili quattro tipi di portata: portata volumetrica, portata volumetrica
normalizzata (condizioni normalizzate europee), portata volumetrica standard
(condizioni standard Stati Uniti), portata massica e portata percentuale. Inoltre, il
software del Deltabar M è dotato di serie di due totalizzatori. I totalizzatori
acquisiscono il volume o la portata massica. La funzione di conteggio e l'unità
possono essere impostate separatamente per entrambi i totalizzatori. Il primo
totalizzatore (totalizzatore 1) può essere azzerato in qualsiasi momento, mentre
il secondo (totalizzatore 2) calcola la portata a partire dalla messa in servizio e
non può essere azzerato.
172
La misura di portata
Trasduttore di pressione
differenziale
Misura di portata – operazioni
preliminari
173
La misura di portata
Trasduttore di pressione differenziale
Misura di portata - impostazioni
174
La misura di portata
Trasduttore di pressione differenziale
Misura di portata - impostazioni
175
La misura di portata
Trasduttore di pressione differenziale
Misura di portata - impostazioni
L’operazione associa alla portata (nel nostro caso volumetrica) massima rilevabile la perdita di
carico associata (da calcolarsi secondo le UNI EN ISO 5167-2). In sostanza, stiamo fornendo allo
strumento il valore del parametro C (coefficiente di efflusso come definito dalla UNI EN ISO 5167-1).
176
La misura di portata
Trasduttore di pressione differenziale
Misura di portata - impostazioni
Torna all’agenda
177
Strumentazione e sistema di controllo
178
Strumentazione e sistema di controllo
Trasduttore di pressione
Cerabar T PMC131 A15F1A3E
La pressione misurata causa una leggera deflessione
della membrana in ceramica del sensore. La
variazione capacitiva proporzionale alla pressione è
misurata presso gli elettrodi del sensore in ceramica.
Il sensore in ceramica è un sensore a secco, pertanto
non è richiesto fluido di riempimento per la
trasmissione della pressione. Per questo motivo il
sensore è perfettamente adatto ad impieghi nel vuoto.
L'altissima stabilità, paragonabile al materiale Alloy,
viene ottenuta utilizzando Ceraphire ultrapuro come
ceramica.
179
Strumentazione e sistema di controllo
Trasduttore di pressione
Cerabar T PMC131 A15F1A3E
180
Strumentazione e sistema di controllo
Trasduttore di pressione
Cerabar T PMC131 A15F1A3E
181
Strumentazione e sistema di controllo
Trasduttore di pressione
Cerabar T PMC131 A15F1A3E
182
Strumentazione e sistema di controllo
Trasduttore di pressione
Cerabar T PMC131 A15F1A3E
Tensione di alimentazione: 11-30 Vcc
Segnale in uscita: 4-20 mA
183
Strumentazione e sistema di controllo
Trasduttore di pressione
Cerabar T PMC131 A15F1A3E
Tensione di alimentazione: 11-30 Vcc
Segnale in uscita: 4-20 mA
184
Strumentazione e sistema di controllo
Trasduttore di pressione
Cerabar T PMC131 A15F1A3E
Accuratezza: <0,5%
Precisione: <0,5% dell’URL
Installazione: ovunque
185
Strumentazione e sistema di controllo
186
Strumentazione e sistema di controllo
Trasduttore di pressione
Cerabar T PMC131 A15F1A1S
187
Strumentazione e sistema di controllo
Trasduttore di pressione differenziale
Deltabar M PMD55 AA21BA67GGBHAJB1A+AE
188
Strumentazione e sistema di controllo
Dal punto di vista realizzativo, il controllore logico può essere
realizzato in forma cablata oppure in forma programmabile.
- Controllore logico cablato: lo schema logico è definito da un
insieme di dispositivi (relè, porte logiche, …) e relative
interconnessioni. E’ conveniente se la funzione di controllo
implementata è sufficientemente assestata e non deve essere
modificata nel tempo (scarsa replicabilità) e se il controllore può
essere prodotto in un numero elevato di esemplari identici (bassi
costi di produzione, elevati costi di progettazione).
189
Strumentazione e sistema di controllo
Nel controllore logico programmabile (PLC, Programmable Logic Controller) lo
schema di controllo è definito tramite un programma memorizzato. Il PLC è un
elaboratore di tipo industriale concepito per risolvere problemi di controllo ed
automazione. Le principali caratteristiche sono affidabilità, espandibilità,
semplicità di programmazione e semplicità di integrazione con dispositivi
commerciali differenti.
Alimentazione
Dal
processo
Sezione
INPUT
CPU
Sezione
OUTPUT
Al
processo
Memoria
190
Strumentazione e sistema di controllo
Il PLC esegue le istruzioni racchiuse nel programma in maniera
ciclica.
LETTURA DEGLI All’inizio del ciclo di esecuzione del programma il
INGRESSI
sistema operativo legge gli ingressi.
CARICAMENTO
INGRESSI IN
MEMORIA
Il sistema operativo carica i dati in ingresso in una
specifica sezione della memoria, creando una
immagine del processo in quel dato istante.
Si ha una acquisizione sincrona degli ingressi,
poiché il PLC può modificare lo stato logico delle
uscite solo al termine di ogni ciclo di lettura ed
esecuzione dell’intero programma (questo tempo
viene definito “ciclo operativo”).
191
Strumentazione e sistema di controllo
LETTURA DEGLI
INGRESSI
CARICAMENTO
INGRESSI IN
MEMORIA
ELABORAZIONE
DEL PROGRAMMA
Vengono calcolati i valori delle uscite in base a
quanto stabilito dal programma.
CARICAMENTO
USCITE IN
MEMORIA
I valori delle uscite sono caricati in un’apposita
sezione della memoria.
192
Strumentazione e sistema di controllo
LETTURA DEGLI
INGRESSI
CARICAMENTO
INGRESSI IN
MEMORIA
ELABORAZIONE
DEL PROGRAMMA
CARICAMENTO
USCITE IN
MEMORIA
ATTUAZIONE
DELLE USCITE
L’attuazione
delle
uscite
avviene in modo sincrono
(contemporaneamente al ciclo
di lettura degli ingressi).
193
Strumentazione e sistema di controllo
LETTURA DEGLI
INGRESSI
CARICAMENTO
INGRESSI IN
MEMORIA
ELABORAZIONE DEL
PROGRAMMA
CARICAMENTO
USCITE IN MEMORIA
ATTUAZIONE DELLE
USCITE
Perché l’immagine in memoria?
Se gli ingressi non venissero campionati ad inizio
ciclo ma letti al momento dell’utilizzo (rete
asincrona), la correttezza del controllo potrebbe
dipendere dall’ordine con cui vengono eseguite le
istruzioni del programma.
Difatti, in tempi diversi dall’avviamento del ciclo di
istruzioni, uno stesso ingresso potrebbe assumere
valori differenti. Questo fatto renderebbe piuttosto
complicata l’attività di programmazione, rendendo
altresì molto difficile modificare correttamente il
programma.
194
Strumentazione e sistema di controllo
195
Strumentazione e sistema di controllo
Il controllo sulle portate
Dato in ingresso:
- Q1: Portata su ramo 1 (da misuratore PT4)
- Q2: Portata su ramo 2 (da misuratore PT5)
Dato calcolato:
- Qtot: Portata totale (calcolata) = Q1+Q2
Set-point:
- Qmax=80 m3/h
- Qmin=20 m3/h
- ∆Q (differenziale tra le portate sui due rami)
196
Strumentazione e sistema di controllo
Il controllo sulle portate
Verifica:
Confronto il valore calcolato di Qtot con quello di set point (Qmax o
Qmin).
Verifico poi che la differenza tra portata Q1 e portata Q2 non sia
superiore ad un certo ∆Q impostato dall’utente.
- Qtot ≠ Qmax o Qmin
- |Q1-Q2|>∆Q
197
Strumentazione e sistema di controllo
Il controllo sulle portate
Retroazione:
Se Qtot è diverso da Qmax o Qmin interviene l’inverter, andando a
variare il numero di giri della pompa coerentemente con quanto
rilevato (se la portata calcolata è inferiore a quella desiderata
aumento il numero di giri, e viceversa).
198
Strumentazione e sistema di controllo
Il controllo sulle portate
Retroazione:
Se la differenza tra Q1 e Q2 supera una certa soglia ∆Q (definita
dall’utente) intervengo secondo la seguente logica di
bilanciamento:
- Q1<Q2: inizio ad aprire la valvola di regolazione VR-1 sino alla
completa apertura;
- Q1<Q2: inizio a chiudere la valvola di regolazione VR-2 sino al
limite inferiore di chiusura;
- Q1<Q2: raggiunto il limite inferiore di chiusura della valvola VR-2,
lancio un allarme.
199
Strumentazione e sistema di controllo
Il filtro autopulente F2
Dato in ingresso:
- PT3: Perdita di carico sul filtro;
- PT2: Pressione ingresso filtro;
- t: Quanto tempo è passato dal precedente lavaggio
Set-point:
- PT3max: 300 mbar;
- PT2max: 7,9 bar;
- tmax: 24h
200
Strumentazione e sistema di controllo
Il filtro autopulente F2
Verifica:
- PT3>PT3max
- PT2>PT2max
- t>tmax
Retroazione:
Se PT3>PT3max oppure t>tmax allora viene azionata la procedura di
lavaggio del filtro F2.
Se PT2>PT2max, allora si agisce sull’inverter diminuendo il numero
di giri e portando la pressione al di sotto della pressione massima.
201
Strumentazione e sistema di controllo
La pompa principale P1
Dato in ingresso:
- PT1: Pressione ingresso pompa;
- PT2: Pressione mandata pompa.
Set-point:
- PT1min: 650 mbar (Qmax) e 400 mbar (Qmin);
- PT2min: p (da rilevare sull’impianto).
202
Strumentazione e sistema di controllo
La pompa principale P1
Verifica:
- PT1<PT1min
- PT2<PT2min
Torna all’agenda
Retroazione:
Se PT1<PT1min la pompa sta cavitando: diminuisco il numero di
giri, eventualmente sino al minimo. Se il segnale permane, spengo
la pompa P1 e accendo al pompa autoadescante P2.
Se PT2<PT2min, allora si invia un segnale di allarme poiché vi è
elevata probabilità di perdite sull’impianto.
203