Università degli Studi di Salerno
P.O.R. Campania 2000-2006 misura 3.22
Percorsi di formazione a distanza “e-learning”
Facoltà di Ingegneria
Corso di Laurea in Ingegneria Chimica
Insegnamento:
Dinamica e Controllo dei Processi Chimici
Learning Object N. 1:
STRUMENTI DI MISURA DELLE PRINCIPALI VARIABILI DI
PROCESSO
Unità didattica N. 3:
MISURATORI DI PRESSIONE
Progettista dei contenuti: prof. Michele MICCIO
Realizzatore multimediale: ing. Michela FRAGANZA
Rev. 1.56 del 28 maggio 2014
Unione Europea
Fondo Sociale Europeo
Ministero del Lavoro e delle Politiche Sociali
Regione Campania
Università degli Studi
di Salerno
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http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/deed.it.
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What is Pressure?
Absolute, Gauge (Gage in USA) and Differential
Tratta da “Fundamentals of Instrumentation & Process Control”, © 2006 Control Station, Inc.
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DEFINIZIONI
PRESSIONE ASSOLUTA:
pressione misurata partendo dal vuoto perfetto o mancanza
assoluta di pressione;
PRESSIONE BAROMETRICA:
esercitata dall’atmosfera sulla superficie terrestre (varia con
l’altitudine e con le condizioni metereologiche);
PRESSIONE DIFFERENZIALE:
Differenza tra due pressioni riferite a due punti diversi;
PRESSIONE RELATIVA o MANOMETRICA
(gauge pressure):
Differenza tra la pressione assoluta e la pressione barometrica;
PRESSIONE RESIDUA:
pressione assoluta misurata al di sopra della linea dello zero
assoluto, ma inferiore alla pressione barometrica;
VUOTO:
pressione misurata al di sotto della linea di zero relativo o
pressione barometrica.
pressione assoluta = pressione relativa + pressione barometrica
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PRESSIONE ATMOSFERICA STANDARD
La pressione atmosferica normale (o standard) di riferimento P atm (n),
equivalente alla pressione barometrica esercitata dall’atmosfera al
livello del mare, alla temperatura di 0 ºC e con condizioni atmosferiche
normali, è definita essere:
P atm (n)= 101325
=
1.01325
=
1
=
1.03323
=
14.6959
=
760
=
10.3323
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Pa
bar
atm
kg/cm2
psi
mm (Hg)
m (H2O)
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TIPOLOGIE DI MISURA DELLA PRESSIONE
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DEFINIZIONI
MISURATORI DI PRESSIONE
Tutti gli strumenti misuratori di pressione sono stati impropriamente definiti
manometri anche se in realtà è necessario distinguere fra i diversi misuratori di
pressione:
Manometro è lo strumento che misura pressioni assolute maggiori della
pressione barometrica ed ha lo zero alla pressione barometrica.
Deprimometro è lo strumento che misura pressioni assolute minori della
pressione barometrica ed ha lo zero alla pressione barometrica. Misura il
vuoto.
Vuotometro o vacuometro è lo strumento che misura le pressioni assolute
comprese tra il vuoto assoluto e la pressione barometrica, il vuotometro ha
quindi lo zero della scala che corrisponde al vuoto assoluto. Misura la
pressione residua.
Barometro è quel particolare strumento che esegue solamente la misura
assoluta della pressione atmosferica del momento (barometrica)
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MISURATORI DI PRESSIONE
Classificazione
Nei sensori più comunemente usati la misura di pressione può originare da:
1. una variazione di altezza di liquido,
2. una deformazione di un elemento elastico,
3. una variazione di una grandezza elettromagnetica.
1. Nella prima categoria rientrano i dispositivi basati sulla misura dell’altezza di una colonna
di liquido.
Ad es. i manometri a “U”
2. Nella seconda categoria rientrano i dispositivi basati sulla misura di deformazione di un
elemento elastico a seguito dell’azione di forze di pressione. Sono in genere basati su
macro-deformazione. Ad es.:
• i manometri (molle) di tipo Bourdon
• i manometri a soffietto
• i manometri a diaframma
3. Nella terza categoria rientrano i trasduttori nei quali una variazione di pressione, che
magari comporta una micro-deformazione di un elemento elastico (filamento, diaframma),
porta ad una variazione di una proprietà elettrica (capacità, resistenza, induttanza,
frequenza) che dà origine al segnale. Ad es.: trasduttore a cella estensimetrica (straingauge);
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Manometri e barometri a colonna di liquido o TUBO ad “U”
LEGGE DI STEVIN
Dispositivi basati sulla misura dell’altezza di una colonna di liquido
Campi di misura:
10 -1500 mm Hg
0.01 - 2 bar
10 - 2500 mm H2O
NB: sono usati
• nel campo delle basse pressioni differenziali o relative
• quasi esclusivamente per gas e vapori
• come indicatori locali e di fatto non utilizzati in schemi di controllo
automatico
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WaterColumn.swf
PI
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MANOMETRO di BOURDON
• consistono in un tubo elastico di sezione ellittica a forma di arco di
circonferenza, avente una estremità fissata;
• l'estremità libera si sposta per effetto di sforzo di deformazione originato
dalla pressione del fluido interno
• la misura dello spostamento dell'estremità dà una misura della pressione
NB:
Sono usati come indicatori locali nel Piping & Instrumentation Diagram PI
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MANOMETRI di BOURDON e ACCESSORI di MONTAGGIO
Manometri standard con quadrante Ø 40 mm
Quadrante a doppia graduazione: in psi e
kg/cm2
Manometri con quadrante Ø 50 mm
Quadranti a doppia graduazione in bar e in psi.
Attacco
Centrale filettato maschio 1/8" BSP
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Trasduttori di pressione capacitivi
PRIMA della deformazione
F = (P1 - P2)* Area
Con P1>P2
DOPO la deformazione
Principio della misura:
Variazione della CAPACITA’ C
r costante dielettrica relativa
0 costante dielettrica del vuoto
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Trasduttori di pressione capacitivi
CELLE CAPACITIVE
a MEMBRANE CERAMICHE
CELLA
a DIAFRAMMA METALLICO
pressione
CELLA a DOPPIO CONDENSATORE per PRESSIONE DIFFERENZIALE
NB:
Il fluido dielettrico può passare dall’una all’altra.
Compensa automaticamente variazioni di densità del fluido dielettrico
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Trasduzione
della variazione di capacità in segnale elettrico
Trasduzione deformazione - capacità
Si usa un Ponte di Wheatstone a tensione
alternata, con raddrizzatore per generare un
segnale continuo
Si raddoppia la sensibilità
se le capacità sono due ed hanno variazioni
opposte, inserendole su due rami del ponte
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Trasduttori a deformazione di resistenza elettrica
Trasduttore a cella estensimetrica o Estensimetri
(strain-gauge)
operano sul principio che un conduttore sottoposto a trazione
cambia la sua lunghezza ed il suo diametro e, quindi, anche
la sua resistenza elettrica viene a variare (2° legge di Ohm)
- lamine metalliche con spessori di pochi m
- resistenza di centinaia di ohm variabile con la deformazione
- allungamento 0.2-5%
- incollaggio con materiale isolante
Adhesive
Strain gauge
Termination
Wires
NB:
- Adatti per i sensori più economici
Tratto da Dr. Chi-fu Wu, ME 4903-Special Problem in
ME, GTREP, Savannah (USA), Oct. 21, 2004
Substrate
Trasduttori piezoresistivi e piezoelettrici
Possono essere considerati delle varianti degli estensimetrici.
In essi la resistenza elettrica o la differenza di potenziale di un monocristallo di
materiale (silicio o semiconduttore) costituente l'elemento sensibile varia direttamente
per effetto della deformazione.
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Trasduzione
della variazione di resistenza in segnale elettrico
Trasduzione deformazione - resistenza
(con ponte di Wheatstone)
4 estensimetri
(2 a trazione e 2 a compressione)
su 4 rami del ponte
Valim
E
Accuratezza
0.1% della misura
Rangeability
(75100):1
Campi di misura: “The pressure range is 0 – 14000 bar”
[see the University of
Michigan Chemical Engineering Process Dynamics and Controls Open Textbook at
http://controls.engin.umich.edu/wiki/index.php ]
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Trasduttore induttivo di pressione differenziale
Principio della misura:
Variazione della induttanza L
Trasduzione deformazione - induttanza
La deformazione del diaframma metallico comporta
una traslazione di 2 nuclei di ferrite rispetto a 2
bobine fisse disposte ai lati del diaframma.
La deformazione indotta dalla differenza di pressione
è, così, trasdotta in una variazione di induttanza (di
verso opposto nelle 2 bobine).
Questa viene trasdotta in segnale elettrico con ponte
di Wheatstone in alternata e raddrizzamento
P1
P2
oppure
incorporando le induttanze come elementi di sintonia
di oscillatori (circuiti LC).
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Risonatori su silicio
Principio della misura:
Variazione della FREQUENZA DI RISONANZA
MEMS = Micro ElectroMechanical Systems
• doppio diapason a monocristallo di silicio “risonante” immerso in un
campo magnetico permanente
• frequenza di risonanza dipendente dalla deformazione trasversale
indotta dalla pressione da misurare
VANTAGGI
• Assenza di attriti
• Assenza di convertitore A/D
• Migliori prestazioni e massima stabilità nel tempo (minima necessità di
taratura)
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