Sistemi Energetici
VARIABILI DI INTERESSE
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composizione fluidi
pressioni
temperature
titolo miscele
portate
potenze/energie
elettriche
potenze/energie
meccaniche
flussi termici / calore
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tempi
velocità di rotazione
coppie
posizioni apertura valvola
poteri calorifici
calori specifici
entalpie
entropie
densità
etc.
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MISURE
CONCETTI GENERALI
La misurazione è un’operazione che produce per ogni elemento qi dell’insieme
relazionale empirico, un’immagine nell’insieme relazionale numerico, ovvero
consiste nell’assegnazione di un numero a proprietà di enti o eventi della natura.
Ogni grandezza fisica oggetto della misura è definita operativamente, cioè
mediante la descrizione del processo della loro misurazione, e il carattere
probabilistico della misurazione stessa ne conferisce un’incertezza.
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CARATTERISTICHE DEGLI STRUMENTI DI MISURA
• PRECISIONE
il risultato della misura deve sempre essere corredato anche dell'errore associato: tale
errore è detto errore assoluto e rappresenta l'intervallo di indeterminazione entro il quale
si suppone che il risultato sia compreso (Xmisurato = Xbest + dX). Se ora consideriamo il
rapporto tra l'errore assoluto e il risultato stesso otteniamo una grandezza adimensionale
(un numero, privo cioè di unità di misura), molto utile nell'analisi degli errori, che prende il
nome di precisione (o errore relativo = dX/Xbest).
• ACCURATEZZA
Secondo la norma ISO GUM 1995 è la misura quantitativa dell’incertezza, ovvero la
deviazione del valore misurato rispetto al “valore vero”.
• SENSIBILITA’
E’ la più piccola grandezza in grado di generare uno spostamento apprezzabile rispetto
all'inizio della scala dello strumento. Così definita, la sensibilità determina il limite
inferiore del campo di misura dello strumento, mentre il limite superiore è dato dal fondo
scala: i due determinano insieme l’intervallo di funzionamento. Si osservi che non
sempre sensibilità e risoluzione coincidono: la loro differenza risiede nella definizione
delle due grandezze, infatti la sensibilità è relativa all'inizio del campo di misura, mentre
la risoluzione è considerata sull'intero campo di misura dello strumento.
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• FONDO SCALA
Il fondo scala rappresenta il limite superiore del campo di misura e prende anche il nome
di portata dello strumento.
• RIPETIBILITA’
Con il termine ripetibilità si intende la capacità dello strumento di fornire misure uguali
della stessa grandezza entro la sua risoluzione, anche in condizioni di lavoro difficili o
variabili (vibrazioni, sbalzi di temperatura, ...). In pratica lo strumento deve risultare ben
isolato rispetto agli effetti dell'ambiente esterno, escluso ovviamente l'effetto dovuto alla
grandezza in esame. La ripetibilità implica anche una buona affidabilità, intesa come
robustezza di funzionamento nel tempo. Questa peculiarità viene espressa come vita
media o come tempo medio statisticamente prevedibile fra due guasti successivi in
condizioni normali di utilizzo.
• PRONTEZZA
La prontezza è una caratteristica dello strumento legata al tempo necessario affinché
questo risponda ad una variazione della grandezza in esame. Per alcuni strumenti,
quanto minore è questo tempo, detto tempo caratteristico, tanto maggiore è la prontezza,
mentre per altri la prontezza è rappresentata dal tempo impiegato dallo strumento per
dare la risposta, cioè il risultato. In generale la prontezza rappresenta la rapidità con cui
è lo strumento è in grado di fornire il risultato di una misura.
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TEMPERATURA
TECNICHE DI MISURA DELLA TEMPERATURA
Per la misura di temperatura è necessario prendere una sostanza che cambi una delle sue
proprietà fisiche con il variare della temperatura (Volume, pressione, resistenza); in
generale la sostanza è detta sostanza termometrica mentre la caratteristica che varia è la
grandezza termometrica.
Per esempio come grandezza che varia con la temperatura si può considerare il volume di
un liquido (come nei comunissimi termometri di vetro con il bulbo pieno di mercurio),
oppure la pressione di un gas racchiuso in un volume costante e fissato, la resistenza
elettrica di un filo, la lunghezza di una o più strisce di metallo, il colore del filamento di una
lampadina. Attraverso la scelta di una di queste sostanze, si arriva ad una ben precisa
scala di temperatura, che non coincide necessariamente con altre. Le scale più
comunemente usate per la misura di temperatura sono la scala Celsius e la scala
Fahrenheit . Per "tarare" le scale in entrambi i casi si sono utilizzati gli stessi due punti di
calibrazione, la temperatura di congelamento e di ebollizione dell’acqua (alla pressione di 1
atmosfera).La scala Celsius associa ai due punti le temperature di 0° e 100° mentre la
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Fahrenheit 32° e 212°. La scala viene poi suddivisa in modo da avere la misura della
temperature tra i due punti di calibrazione, quelli esterni, ossia per temperature maggiori di
quella di ebollizione o minori del punto di congelamento dell’acqua, si estrapolano
continuando la scala anche al di fuori dei due punti.
Si divide la scala in un numero di intervalli regolari, 100 per la scala Celsius, 180 per la
scala Fahrenheit. Per ogni intervallo si ha la variazione di 1° di temperatura, ovviamente
avendo diviso per un numero di intervalli diversi, la variazione di un grado nelle due scale
corrisponderà una diversa variazione di temperatura, precisamente:
Tf=9/5 Tc +32
dove: Tf = temperatura in gradi Fahrenheit
Tc = temperatura in gradi Celsius
Il termometro a gas perfetto è il più preciso termometro esistente poiché dà uguale
apertura a tutta la scala delle temperature, misura infatti la temperatura termodinamica e
costituisce un riferimento per gli altri termometri. Utilizzando un termometro a gas si può far
vedere che esiste una temperatura limite al di sotto della quale non è possibile andare e,
utilizzando quest'ultima come punto fisso si può costruire una scala di temperature
assoluta perché indipendente dalla particolare sostanza gassosa usata. In conformità a ciò,
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nel 1848 Kelvin propose l'istituzione di una nuova scala di temperature dedotta usando
come sostanza termometrica un gas perfetto. In questa scala, le divisioni (gradi Kelvin)
corrispondono esattamente alle divisioni della scala centigrada ma lo zero (detto zero
assoluto) viene posto alla temperatura alla quale si annullano la pressione ed il volume di
un gas perfetto. Lo zero assoluto (cioè 0 °K) corrisponde a -273,15 °C.
La termometria é un settore consolidato della metrologia, anche se l'innovazione
tecnologica rende spesso disponibili sul mercato nuovi sensori e strumenti che possono
trovare anche applicazione nel settore industriale, nella pratica industriale prevale in
genere l'uso di strumenti tradizionali poco sofisticati e soprattutto di non elevato costo. La
scelta é per lo più limitata, vista la semplice trasducibilità elettrica dei relativi segnali, a
termocoppie e termometri a resistenza.
Una prima suddivisione tra i differenti metodi di misura utilizzati nel controllo di processo e
negli impianti civili ed industriali é quella che distingue tra:
- metodi basati su fenomenologie di tipo elettrico;
- metodi classici non elettrici.
Una tale suddivisione, anche se netta, non consente di effettuare i necessari confronti
applicativi. Per tale motivo è opportuno operare ulteriori differenziazioni tra i sensori sulla
base dei singoli principi di misura e delle tecnologie utilizzate, individuando famiglie aventi
caratteristiche metrologiche ed impiantistiche omogenee. Tutto ciò anche allo scopo di
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poter effettuare le considerazioni necessarie per la scelta ottimale del sensore più idoneo
alle proprie esigenze.
Sono di tipo non elettrico i sensori basati su:
• La variazione di pressione di un gas (a volume costante) al variare della
temperatura.
• La variazione di volume di un liquido al variare della temperatura.
• La variazione della pressione di un vapore al variare della temperatura.
• La variazione delle dimensioni di un solido al variare della temperatura (Termometri
bimetallici).
Sono invece di tipo elettrico i sensori basati su:
• La variazione della resistenza elettrica di un metallo e di un non metallo al variare
della temperatura (Termometri a resistenza-Termistori).
• La variazione della f.e.m. ai capi di un circuito termoelettrico costituito da due metalli
differenti al variare della temperatura (Termocoppie).
• La misura della temperatura di un corpo tramite la misura della radiazione emessa
nel campo del visibile o dell'infrarosso (Pirometri ottici-Termometri all'infrarosso).
• La misura della temperatura di un corpo tramite la misura della radiazione totale
emessa (termometri a radiazione totale).
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