Nel campo della misurazione dei fluidi, i misuratori di portata a ultrasuoni si distinguono per il loro approccio non invasivo alla misurazione della velocità di un fluido che scorre in un tubo. Tra i tipi più importanti figurano i misuratori di portata Doppler a ultrasuoni e i misuratori di portata a tempo di transito, ciascuno dei quali sfrutta il principio degli ultrasuoni in modi diversi per adattarsi a varie applicazioni.
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Il misuratore di portata Doppler funziona facendo rimbalzare le onde ultrasoniche sulle particelle e sulle bolle presenti nel fluido. Al contrario, il misuratore di portata a tempo di transito misura il tempo impiegato dagli impulsi ultrasonici per spostarsi con e contro il senso di flusso.
La scelta tra un misuratore di portata Doppler e un misuratore di portata a ultrasuoni a tempo di transito dipende da diversi fattori, tra cui le caratteristiche del fluido, la presenza di particelle in sospensione o bolle di gas, nonché la precisione e l'intervallo di portata richiesti. Mentre i misuratori di portata Doppler eccellono nelle applicazioni con liquidi sporchi o aerati, i misuratori di portata a tempo di transito sono preferibili per i fluidi puliti, dove possono fornire misurazioni molto precise.
Le sottigliezze del principio di funzionamento di ciascun contatore, accompagnate da un'analisi comparativa delle loro prestazioni in diverse condizioni, consentono di chiarire i punti di forza e i limiti che permettono di identificare i migliori casi d'uso di questi strumenti.
Punti chiave da ricordare
tecnologia a ultrasuoni adeguata
caratteristiche del fluido
requisiti di misurazione
funzionamento di ciascun contatore
I misuratori di portata a ultrasuoni sono strumenti di precisione che misurano la velocità di un fluido attraverso un condotto utilizzando onde sonore ultrasoniche. Sono particolarmente utili per misurare le portate in situazioni in cui i sensori intrusivi non sono desiderabili o possibili.
In questa vasta categoria, i contatori a ultrasuoni, comprese le tecnologie Doppler e del tempo di transito, sono fondamentali per applicazioni che vanno dalla gestione automatizzata delle acque reflue alla misurazione della portata in liquidi conduttivi sporchi, sfruttando l'effetto Doppler per monitorare con precisione le portate.
I misuratori di portata a ultrasuoni funzionano trasmettendo onde sonore ultrasoniche attraverso un flusso di fluido in un tubo. Esistono due principi di funzionamento principali basati sul modo in cui queste onde interagiscono con il fluido in movimento: il tempo di transito e l'effetto Doppler.
I misuratori di portata a tempo di transito utilizzano una coppia di trasduttori, che funzionano sia come trasmettitori che come ricevitori. Questi trasduttori sono montati all'esterno del tubo e sono rivolti l'uno verso l'altro. Quando il fluido si muove nel tubo, le onde sonore che si muovono a monte contro il flusso del fluido impiegano più tempo a raggiungere il trasduttore opposto rispetto alle onde che si muovono a valle con il flusso. La differenza di tempo tra queste trasmissioni è proporzionale alla velocità del fluido.
Misuratori di portata Doppler: a differenza dei misuratori di portata a tempo di transito, i misuratori di portata Doppler sfruttano il principio dell'effetto Doppler. Questi dispositivi emettono onde ultrasoniche nel flusso a una determinata frequenza. Quando queste onde sonore incontrano particelle in sospensione o bolle d'aria nel fluido, vengono riflesse verso il trasduttore con uno spostamento di frequenza. Questo cambiamento di frequenza è direttamente correlato alla velocità del fluido.
Esistono diversi tipi di misuratori di portata a ultrasuoni, ciascuno adatto ad applicazioni e caratteristiche del fluido specifiche.
Ogni tipo di misuratore di portata a ultrasuoni utilizza un principio di misurazione del tempo di transito o Doppler, e la scelta tra i due dipende dalle caratteristiche del fluido, dall'applicazione e dalla precisione richiesta.
I misuratori di portata a ultrasuoni a tempo di transito sono strumenti di precisione utilizzati per misurare la velocità di flusso di un fluido in un tubo. Questi dispositivi sono particolarmente efficaci con liquidi puliti, garantendo misurazioni di portata accurate. L'installazione e le prestazioni di questo tipo di misuratore di portata sono regolate dallanorma ISO 24062:2023, che ne garantisce un utilizzo ottimale.
I misuratori di portata a tempo di transito funzionano inviando impulsi ultrasonici attraverso un fluido e misurando il tempo necessario al suono per spostarsi tra due trasduttori. Questi trasduttori sono posizionati ad angolo rispetto al flusso, uno a monte e l'altro a valle.
La velocità di flusso viene calcolata in base alla differenza di tempo di transito degli impulsi ultrasonici che si muovono con e contro la direzione del flusso. Maggiore è la differenza, maggiore è la velocità di flusso del liquido.
L'installazione dei misuratori di portata a tempo di transito deve essere effettuata in una sezione diritta del tubo per ridurre al minimo le turbolenze che possono influire sulla precisione. Per funzionare correttamente, questi dispositivi necessitano di liquidi puliti, poiché le impurità possono disturbare il segnale ultrasonico.
Nel frattempo, la manutenzione tende ad essere minima poiché i trasduttori non entrano in contatto con il liquido, il che comporta una minore usura.
I vantaggi dei misuratori di portata a tempo di transito includono un'installazione non invasiva, che non richiede il taglio del tubo, e la precisione, in particolare con liquidi puliti e non aerati. Sono inoltre in grado di gestire un'ampia gamma di portate e temperature.
D'altra parte, i limiti riguardano la loro sensibilità alla composizione dei fluidi. Le prestazioni peggiorano con fluidi aerati o impuri. Presentano inoltre una dipendenza da un tubo pieno. Se nel liquido sono presenti bolle di gas o solidi, possono verificarsi errori di misurazione.
Alta precisione per liquidi puliti
Assenza di contatto
Ampio intervallo di funzionamento
Può essere montato all'esterno
Manutenzione minima richiesta
I misuratori di portata a ultrasuoni Doppler sono ampiamente riconosciuti per la loro efficacia nella misurazione della portata di liquidi sporchi o aerati contenenti bolle o particelle. La differenza di frequenza dei segnali ultrasonici riflessi è direttamente proporzionale alla portata del liquido, il che dimostra come la velocità di flusso sia strettamente correlata allo spostamento di frequenza osservato in questi dispositivi.
Un misuratore di portata Doppler utilizza l'effetto Doppler per misurare la velocità di flusso. Emette un segnale ultrasonico attraverso il mezzo da misurare. Quando questo segnale incontra particelle in sospensione o bolle di gas nel fluido, viene riflesso a una frequenza diversa. Questo spostamento di frequenza è direttamente correlato alla velocità del materiale che scorre. Il misuratore di portata elabora quindi questa variazione per determinare la portata.
Per installare correttamente un flussimetro Doppler è necessario che il tubo contenga una concentrazione minima di particelle in sospensione o bolle d'aria.
L'installazione avviene generalmente all'esterno della tubazione e il sensore deve essere a contatto con il liquido.
Nel frattempo, la manutenzione consiste in ispezioni di routine per garantire che il trasduttore sia privo di depositi che potrebbero ostacolare il segnale ultrasonico. Anche l'area del tubo in cui è installato il sensore deve essere priva di vibrazioni e rumori eccessivi per evitare qualsiasi interferenza con il segnale.
Versatilità dei liquidi
Non invasivo
Manutenzione minima
Vantaggi:
Svantaggi:
Quando si valutano i misuratori di portata Doppler e a tempo di transito, è fondamentale tenere conto delle differenze in termini di precisione, adeguatezza in diverse condizioni di flusso e adattabilità ai cambiamenti ambientali, al fine di determinare quale misuratore di portata a ultrasuoni eccelle in applicazioni specifiche.
I misuratori di portata Doppler misurano la velocità dei fluidi contenenti particelle o bolle in sospensione riflettendo un segnale ultrasonico e osservando lo spostamento di frequenza noto come effetto Doppler. Questi contatori forniscono generalmente una precisione del ±2% della lettura della portata.
I misuratori di portata a tempo di transito, invece, si basano sul tempo impiegato da un segnale ultrasonico per spostarsi tra due sensori. In condizioni ideali, possono offrire una precisione superiore, fino al ±1% della lettura della portata o anche migliore, poiché misurano direttamente il tempo necessario alle onde sonore per attraversare il fluido.
Le prestazioni dei misuratori di portata Doppler dipendono dalla presenza di particelle o bolle di gas nel fluido: senza di esse, il misuratore di portata non può funzionare. Pertanto, sono più adatti a liquidi sporchi o aerati. Al contrario, i misuratori di portata a tempo di transito richiedono fluidi puliti per consentire il passaggio senza ostacoli dei segnali ultrasonici. Hanno difficoltà con fluidi contenenti quantità significative di solidi in sospensione o aerazione.
Condizioni ambientali quali pressione e temperatura possono influire sulle prestazioni dei misuratori di portata a ultrasuoni. Entrambi i tipi funzionano bene in un ampio intervallo di temperature e pressioni, ma i misuratori di portata a tempo di transito possono richiedere una regolazione accurata e un'installazione corretta, poiché il segnale che misurano può essere influenzato da variazioni di densità e viscosità del fluido.
I misuratori di portata Doppler sono meno sensibili a tali variazioni poiché misurano lo spostamento di frequenza piuttosto che la velocità del suono attraverso il fluido.
I misuratori di portata a ultrasuoni, che comprendono sia la tecnologia Doppler che quella del tempo di transito, svolgono un ruolo essenziale in diversi settori industriali. Questi dispositivi misurano con precisione le portate e la loro natura non invasiva garantisce l'integrità del processo e requisiti di manutenzione minimi. Inoltre, i misuratori di portata a ultrasuoni sono adatti per applicazioni residenziali e commerciali, il che evidenzia la loro versatilità in diversi ambienti.
Nella gestione dell'acqua e delle acque reflue, i misuratori di portata a tempo di transito sono molto apprezzati per la loro precisione nelle applicazioni con acqua pulita. Misurano il tempo impiegato da un segnale ultrasonico per viaggiare con e contro il flusso d'acqua, determinando così la portata.
Per le acque reflue e i fanghi con solidi trascinati e aerazione, sono preferibili i misuratori di portata Doppler. Questi rilevano le variazioni di frequenza dell'onda ultrasonica quando interagisce con le particelle in sospensione e le bolle, consentendo una misurazione efficace della portata di liquidi sporchi o aerati.
L'industria petrolifera e del gas richiede misurazioni della portata altamente precise in ambienti complessi e difficili. I misuratori di portata a ultrasuoni nell'industria petrolifera e del gas, sia Doppler che a tempo di transito, sono utilizzati per la loro affidabilità e natura non invasiva.
Entrambi i tipi di contatori facilitano il funzionamento sicuro ed efficiente delle condutture, dei processi di raffinazione e distribuzione.
I misuratori di portata a ultrasuoni trovano altri impieghi fondamentali in diversi settori industriali grazie alla loro versatilità e facilità di installazione.
Nella valutazione dei misuratori di portata a ultrasuoni, come i modelli Doppler e a tempo di transito, le considerazioni tecniche giocano un ruolo fondamentale nel determinarne l'efficacia e la precisione. Fattori quali le caratteristiche dei tubi e dei fluidi e il corretto posizionamento dei sensori influenzano direttamente le prestazioni.
I misuratori di portata Doppler richiedono fluidi contenenti particelle in sospensione o bolle affinché si verifichi l'effetto Doppler. Questi contatori sono meno influenzati dal tipo di liquido, ma richiedono una concentrazione minima di queste inclusioni per funzionare correttamente.
I misuratori di portata a tempo di transito, invece, funzionano meglio con liquidi puliti e privi di particelle, poiché si basano sulla propagazione di segnali ultrasonici.
Anche i diversi materiali delle tubature possono influire sulle prestazioni del contatore. I segnali ultrasonici di entrambi i tipi di contatori possono essere attenuati da alcuni materiali, pertanto sono generalmente adatti a tubi in metallo o plastica.
Nel contesto dei liquidi corrosivi, è necessario tenere conto dei materiali utilizzati per i sensori al fine di garantire una lunga durata e un funzionamento costante.
Una corretta installazioneè fondamentale per garantire la precisione dei misuratori di portata a ultrasuoni. Per i misuratori di portata Doppler e i misuratori di portata a tempo di transito, i sensori devono essere posizionati in un punto in cui il tubo è rettilineo e privo di vibrazioni e turbolenze.
Ciò significa generalmente che l'installazione deve avvenire su sezioni del tubo che offrono un tratto rettilineo pari a diverse volte il diametro del tubo sia a monte che a valle dei sensori.
Il montaggio deve essere sicuro per evitare spostamenti e garantire letture coerenti. È necessario prestare particolare attenzione ai seguenti aspetti:
Nel campo dei misuratori di portata a ultrasuoni, le sfide operative quali gli effetti della pressione e della temperatura, le perturbazioni della portata e i problemi di manutenzione possono avere un impatto significativo sulle prestazioni. Rispondere con successo a queste preoccupazioni garantisce una misurazione accurata della portata e un'affidabilità a lungo termine.
Le cadute di pressione e le variazioni di temperatura possono alterare la densità e la viscosità di un fluido, influenzando così la velocità del suono nel fluido e causando misurazioni di portata inaccurate.
Le soluzioni risiedono nella corretta regolazione del flussometro in base alle proprietà specifiche del fluido e nell'utilizzo di algoritmi avanzati in grado di compensare tali variazioni. Un monitoraggio regolare consente di identificare eventuali scostamenti che potrebbero indicare la necessità di una regolazione.
Disturbi del flusso quali turbolenze o ostruzioni possono interferire con i segnali ultrasonici utilizzati nella misurazione della portata.
I misuratori di portata a tempo di transito richiedono generalmente un profilo di flusso completamente sviluppato, che può essere compromesso da disturbi a monte e a valle. L'uso di condizionatori di flusso e il posizionamento strategico dei sensori possono attenuare questi effetti.
I misuratori di portata Doppler spesso gestiscono meglio le perturbazioni perché misurano il flusso di particelle e bolle nel fluido, che potrebbe non essere influenzato dalla turbolenza.
Programmi di manutenzione efficaci prevengono problemi quali corrosione e perdite che possono causare letture inesatte o guasti dei contatori.
L'uso di strumenti diagnostici consente di individuare i problemi di accoppiamento acustico, una causa frequente di perdita di segnale nei misuratori di portata Doppler e nei misuratori di portata a tempo di transito.
Misure preventive come l'uso di materiali resistenti alla corrosione e ispezioni frequenti contribuiscono alla longevità e a prestazioni costanti. Per la misurazione della portata volumetrica, è essenziale mantenere l'integrità dei componenti fisici del contatore.
Questa sezione risponde alle domande più frequenti sulle differenze e le caratteristiche specifiche dei misuratori di portata a ultrasuoni Doppler e a tempo di transito, aiutando gli utenti a comprendere la funzionalità e l'idoneità di ciascun tipo per diverse applicazioni.
I misuratori di portata a ultrasuoni Doppler misurano la portata rilevando lo spostamento di frequenza di un segnale ultrasonico quando rimbalza su particelle o bolle presenti nel fluido.
I misuratori di portata a ultrasuoni a tempo di transito, invece, calcolano la portata confrontando il tempo impiegato da un segnale ultrasonico per spostarsi con il flusso rispetto alla controcorrente.
I misuratori di portata a tempo di transito offrono generalmente una maggiore precisione rispetto ai misuratori di portata Doppler. Ciò è dovuto alla loro capacità di misurare direttamente la velocità del fluido, che è meno influenzata dalle particelle in sospensione o dalle bolle di gas su cui si basano le unità Doppler.
I misuratori di portata a ultrasuoni Doppler funzionano secondo il principio dell'effetto Doppler. Emettono onde ultrasoniche nel flusso; queste onde vengono riflesse dalle particelle in sospensione o dalle bolle d'aria presenti nel fluido con uno spostamento di frequenza. Questo spostamento è correlato alla portata.
I misuratori di portata Doppler sono vantaggiosi nei fluidi contenenti bolle di gas o particelle in sospensione, poiché necessitano di questi riflettori per funzionare. Tuttavia, sono meno precisi nei fluidi puliti e possono essere influenzati da variazioni nella concentrazione o nella dimensione delle particelle.
Mentre i misuratori di portata Doppler si basano sugli spostamenti di frequenza causati dai riflettori nel fluido, i misuratori di portata a tempo di transito misurano la differenza di tempo tra gli impulsi ultrasonici che si muovono a monte e a valle.
Questa differenza di tempo viene quindi utilizzata per calcolare la portata, che non dipende dalla presenza di riflettori nel fluido.
I fattori chiave includono il tipo di fluido, la presenza di particelle in sospensione o liquidi aerati, la precisione richiesta e le condizioni specifiche dell'applicazione.
I contatori Doppler sono adatti per fluidi sporchi o aerati. Nel frattempo, i contatori a tempo di transito sono preferibili per liquidi puliti e non aerati dove è richiesta una maggiore precisione.
Aurélien BARRA
Responsabile tecnico – Sistemi di misurazione della portata e flussimetria
