Vorremmo quasi sempre avere il controllo su diversi parametri del processo, come temperatura, pressione, livello e così via. Per ottenere ciò, ovviamente abbiamo bisogno di un controller come il controller logico programmabile o PLC per abbreviare. Abbiamo anche bisogno di alcuni sensori e trasmettitori per inviare i dati al PLC. Infine, abbiamo bisogno di un pezzo di attrezzatura per eseguire i comandi del PLC, che è chiamato comunemente come elemento di controllo finale. Un elemento di controllo finale può essere una pompa, un riscaldatore, una valvola di controllo e così via. Molto spesso per valvole di controllo, intendiamo il tipo di valvole che non vengono utilizzate solo per avviare completamente o interrompere completamente il flusso, ma anche per controllare, regolare o in altre parole gestire il flusso del liquido. Regolando il flusso, raggiungiamo il nostro obiettivo finale, che è, ad esempio, controllare la temperatura di una fornace o il livello di liquido all'interno del serbatoio.
Ora vediamo che l'attuatore è in grado di superare la sua forza molla e fin qui tutto bene.
Questo feedback è inviato dalla valvola di controllo al posizionatore utilizzando un meccanismo meccanico.
Alcune persone ti diranno che un trasduttore e un trasmettitore sono la stessa cosa, e quindi i termini sono intercambiabili. Se sei curioso, fai una ricerca web dei due termini e resterai sorpreso dalla vasta gamma di risultati. Un trasduttore è un dispositivo che converte una forma di energia in un'altra. Ad esempio, un trasduttore elettrico converte una variabile fisica rilevata come la temperatura in un segnale elettrico analogico.
Un trasmettitore è un dispositivo che converte il segnale elettrico dal trasduttore in un segnale elettrico molto più grande che può essere inviato su lunghe distanze a un PLC o DCS.
Un trasmettitore è un dispositivo che converte il segnale elettrico dal trasduttore in un segnale elettrico molto più grande che può essere inviato su lunghe distanze a un PLC o DCS. Il segnale di uscita del trasmettitore è di solito un intervallo di tensione, da 1 a 5 volt, o corrente, da 4 a 20 milliampere, che rappresenta lo 0 al 100% della variabile fisica rilevata. Un trasmettitore di pressione è uno strumento collegato a un trasduttore di pressione. L'uscita di un trasmettitore di pressione è un segnale elettrico analogico a tensione o corrente, che rappresenta lo 0 al 100% dell'intervallo di pressione rilevato dal trasduttore.
La parte effettiva del sensore del trasduttore, che entra in contatto con la pressione che viene rilevata, si basa su diverse tecnologie e materiali, come ad esempio la resistenza di misura, la capacitività e la potenziometrica. Il processo effettivo è separato dal materiale di rilevamento da un diaframma di misura. Il tipo di sensore scelto è deciso dall'applicazione e dall'ambiente in cui viene utilizzato.
I trasmettitori di pressione possono misurare pressioni assolute, relative o differenziali. La pressione assoluta viene riferita a un vuoto perfetto, che è considerato 0 psi. Esprimiamo la pressione del vuoto come 0 psi di pressione assoluta. La pressione atmosferica è di solito di circa 14,7 psi di pressione assoluta.
La misurazione della pressione più comune è la pressione relativa, che è la pressione totale meno la pressione atmosferica. La pressione atmosferica è di 0 psi di pressione relativa.
La versatilità di un trasmettitore di pressione differenziale ci offre la flessibilità di misurare il livello, il flusso e la pressione.
Diamo un'occhiata a un esempio di un trasmettitore di pressione che misura la pressione dei gas in un condotto. Il trasmettitore di pressione invierà un segnale di corrente al PLC, che rappresenta la pressione del processo. Il trasmettitore di pressione è calibrato per fornire un campo di corrente da 4 a 20 milliampere per un intervallo di pressione del processo da 0 a 350 psi.
Nell'alloggiamento ci sono due chip, un circuito per l'elaborazione del segnale e il sensore stesso. Il chip del sensore micromeccanico è dotato di una membrana sensibile alla pressione. Resistori elettrici sulla membrana sono collegati insieme per formare un ponte di Wheatstone. Le variazioni di pressione fanno sì che la membrana cambi forma. Una tensione elettrica proporzionale alla quantità di distorsione si crea nei resistori. La variazione di tensione è il risultato della pressione ambiente. Nei sensori analogici, la tensione del segnale tipica generata si trova tra 0 e 5 volt.
DISPOSITIVI DI CONTROLLO PORTATA
Per misurare la portata di un fluido e di un aeriforme si utilizzano dispositivi di vario tipo a seconda del principio utilizzato. Iniziamo con un dispositivo che utilizza il principio ultrasonoro.
All'interno di un misuratore ad ultrasuoni, coppie di sensori sono posizionate una difronte all'altra con un angolo definito nel tubo di misura. Ogni singolo sensore può alternativamente trasmettere e ricevere un segnale ultrasonoro.
I segnali ultrasonori sono generati applicando una tensione a cristalli piezoelettrici. Viceversa, un cristallo piezoelettrico genera una tensione quando un segnale ultrasonoro lo colpisce. Aumentando il numero di coppie di sensori, è possibile rilevare accuratamente e compensare matematicamente le deformazioni del profilo idraulico lungo tutta la sezione del tubo di misura.
Quando il liquido non è in movimento, i segnali dei tempi di transito sono uguali, sia verso monte che verso valle. Non appena il liquido si mette in movimento all'interno del tubo di misura, i segnali ultrasonori sono accelerati lungo la direzione di deflusso e sono rallentati nella direzione opposta. Ne risulta che i segnali ultrasonori hanno ora differenti tempi di transito, un tempo minore nella direzione di deflusso e un tempo maggiore nella direzione opposta. Pertanto, la differenza del tempo di transito misurata dai sensori è direttamente proporzionale alla velocità di deflusso.
Il valore della portata volumetrica è così calcolato, conoscendo la sezione del tubo. Quanto maggiore è la velocità di deflusso, tanto maggiore è la differenza di tempo tra i due segnali ultrasonori.
Un altro principio per la misurazione della portata è quello della processione dei vortici. Ecco come funziona questo tipo di misuratore. All'interno di un misuratore a vortici è presente al centro del tubo un ostacolo denominato barra generatrice che produce un disturbo nel fluido. A valle della barra generatrice, c'è un sensore meccanico che rileva le piccole differenze di pressione all'interno del fluido in movimento.
Se il liquido non si muove, non si sviluppano vortici. Non appena il fluido si mette in movimento e raggiunge un determinato valore di portata, gradualmente, a valle della barra generatrice si formano i vortici. Questi vortici si distaccano alternativamente da ciascun lato della barra generatrice e vengono trasportati dal fluido in movimento. Si formano così zone di alta e bassa pressione a valle, in questo modo si crea il fenomeno conosciuto con il nome di Karman Vortex Street.
Queste differenze di pressione corrispondono esattamente alla frequenza di passaggio dei vortici e sono rilevate in modo estremamente accurato dal sensore meccanico, come era figurato in queste immagini rallentate. Questo sensore è unico perché è intrinsecamente così ben bilanciato che le vibrazioni trasportate lungo la tubazione fino a un G, i picchi di pressione e gli shock termici non hanno alcun effetto sulla misura. La distanza tra due vortici consecutivi corrisponde ad un determinato volume di fluido, pertanto la portata totale è calcolata contando il numero dei vortici che passano.
Quanto maggiore la velocità di deflusso, tanto maggiore è la frequenza dei vortici. In alcuni casi la velocità è troppo bassa perché si formino i vortici. Comunque la velocità può essere aumentata semplicemente installando un misuratore a sezione ridotta. Questa modifica non ha alcune influenza sull’accuratezza della misura. La funzionalità può essere aumentata incorporando una misura della temperatura nel sensore. Questo tipo di configurazione, in abbinamento con il flow computer integrato, può calcolare la portata massica o l'energia in funzione della temperatura.
Altro principio per la misurazione della portata è quello elettromagnetico.
Ecco come funziona questo tipo di misuratore. Due bobine di filo di rame sono posizionate all'interno di un misuratore elettromagnetico, tramite le cosiddette espansioni polari, queste bobine generano un campo magnetico omogeneo che attraversa tutta la sezione del tubo di misura. Due elettrodi, posti a novanta gradi nella parete del tubo di misura, rilevano la tensione elettrica indotta. Un apposito rivestimento isolante, applicato alle pareti interne, evita il corto circuito tra il tubo metallico e il liquido conducibile.
Se il liquido non si muove, non si misura alcuna tensione indotta ai capi degli elettrodi. Le particelle del liquido caricate elettricamente sono distribuite in modo uniforme, qui raffigurate in colore rosso e blu in una tubazione contenente acqua. Non appena il liquido si mette in movimento all'interno del tubo di misura, il campo magnetico applica una forza alle particelle caricate. Come risultato, le particelle caricate positivamente e negativamente all'interno del liquido si separano e si concentrano sui lati opposti delle pareti del tubo.
A questo punto si genera una tensione elettrica che è misurata dai due elettrodi. Questa tensione è direttamente proporzionale alla velocità di deflusso nella tubazione. Il valore della portata volumetrica è così calcolato conoscendo la sezione del tubo. Quanto maggiore è la velocità di deflusso e pertanto la separazione delle particelle caricate, tanto maggiore è l'attenzione elettrica tra gli elettrodi.
Gli elettrodi rilevano anche un cosiddetto rumore elettrico che deve essere separato dal segnale di misura. Un metodo che è stato impiegato con successo a questo scopo è quello di creare un campo magnetico in corrente continua pulsata. Per fare ciò la polarità del campo magnetico viene invertita alternativamente, come è raffigurato in queste immagini rallentate. Il risultato che si ottiene è che queste interferenze costanti, quali ad esempio gli effetti elettrochimici nel liquido o i campi magnetici esterni, possono essere eliminate. Perciò l'ampiezza di questo rumore elettrico non influenza il segnale di misura. Questo a tutto vantaggio della stabilità del punto di zero e della misura in generale.
Se dobbiamo misurare la portata di un gas torna utile un misuratore che utilizza il principio della dispersione termica. Ecco come funziona questo tipo di misuratore. All'interno di un misuratore, a dispersione termica, due sensori di temperatura, denominati resistenze termometriche PT100 sporgono nel tubo di misura. Uno di questi sensori di temperatura, misura la temperatura reale del gas, quale valore di riferimento, senza alcuna relazione con la velocità di deflusso. Il secondo sensore di temperatura è riscaldato elettricamente per mantenere tra i due sensori una differenza di temperatura predefinita, per esempio 10°C.
Se il gas non fluisce, la differenza di temperatura tra i due sensori rimane costante. Appena il gas inizia a muoversi nel tubo di misura, una parte di calore è asportata dal sensore riscaldato da parte del gas stesso che lo investe, il calore viene così trascinato via dal flusso. L'effetto di raffreddamento corrispondente è misurato e compensato istantaneamente con un incremento della corrente di riscaldamento, in questo modo, la differenza di temperatura è mantenuta costante. La corrente di riscaldamento richiesta per mantenere la differenza di temperatura è proporzionale all'effetto raffreddante ed è perciò direttamente proporzionale alla portata massica nel tubo. Quanto maggiore è la velocità di deflusso e pertanto l'effetto raffreddante sul sensore riscaldato, tanto maggiore è la corrente richiesta per riscaldare il sensore.
Un modo alternativo per questo principio di misura prevede di mantenere la corrente di riscaldamento ad un valore costante e misurare la variazione della differenza di temperatura. Ma come si trasferisce il calore dal sensore riscaldato al gas che defluisce ? Questa sequenza mostra che il calore si trasferisce tramite le molecole del gas. Quando il gas scorre, ciascuna molecola assorbe una piccola quantità di calore che viene quindi asportata dal flusso stesso. Tanto più aumenta la portata del gas, tanto più le molecole assorbono calore. Il calore trasferito è influenzato anche dalla densità del gas stesso in quanto con pressioni elevate o temperature basse è presente un maggior numero di molecole di gas nella tubazione. Un maggior numero di molecole provoca un maggior contatto con il sensore riscaldato, un maggior effetto refrigerante e di conseguenza un incremento della corrente riscaldante.
Inoltre il trasferimento di calore è influenzato dalle proprietà termodinamiche del gas. Pertanto, con la stessa portata massica, l'elevata conducibilità termica dell'idrogeno in verde produce un raffreddamento 100 volte superiore rispetto all'aria. Pertanto, per misurare in modo accurato, è indispensabile conoscere le caratteristiche specifiche di ciascun gas. Grazie ad attacchi al processo standard, si possono inserire versioni specifici direttamente su grandi tubazioni. Per ottenere una misura precisa, è importante posizionare il sensore nel punto esatto della sezione della tubazione, avendo cura di rispettare la profondità di inserzione. Si deve perciò conoscere e programmare la dimensione reale del diametro interno. Questo approccio si applica anche a canalizzazioni rettangolari tipiche degli impianti di trattamento aria civile o industriale. Con il misuratore a dispersione termica si possono misurare accuratamente numerosi gas e miscele di gas, anche a base pressioni operative e a basse velocità di deflusso.
Altro principio per la misurazione della portata è il Coriolis. Un tubo è posizionato all'interno del misuratore Coriolis. Un eccitatore emette in oscillazione costante questo tubo, queste immagini mostrano questa oscillazione in modo estremamente amplificato. Se il liquido non si muove, il tubo di misura oscilla in modo uniforme. Appositi sensori sono posti alle estremità del tubo e controllano questa oscillazione in modo estremamente preciso. Non appena il liquido si mette in movimento all'interno del tubo di misura, si sviluppano componenti torsionali che si sovrappongono all’oscillazione del tubo stesso, quale è risultato dell'inerzia del fluido.
Ora, a causa dell'effetto Coriolis, le sezioni di ingresso e di uscita del tubo di misura oscillano contemporaneamente in direzioni diverse. Appositi sensori rilevano questo cambiamento nell’oscillazione del tubo in termini di tempo e di spazio. Questo fenomeno conosciuto come variazione di fase è una misura diretta della quantità di liquido o di gas che defluisce all'interno del tubo. Quanto maggiore è la velocità di deflusso e per tanto la portata totale, tanto maggiore è la deflessione dell’oscillazione del tubo di misura.
L'applicazione del principio di Coriolis non si limita alla sola misura di portata, bensì misura simultaneamente anche la densità del liquido che defluisce. Per fare ciò, i sensori rilevano anche la frequenza di oscillazione del tubo di misura. In altre parole quante volte il tubo oscilla avanti e indietro in un secondo. Guardando l'animazione è chiaro che un tubo pieno d'acqua oscilla d'una frequenza più elevata rispetto ad un tubo pieno, ad esempio di miele, che ha una densità maggiore. Perciò, la frequenza di oscillazione è inversamente proporzionale alla densità del fluido. Portata e densità sono misurate contemporaneamente, ma in modo indipendente, attraverso l'oscillazione del tubo.
DISPOSITIVI DI MISURA DEL LIVELLO
Anche per la misurazione di livello abbiamo vari tipi di strumenti e sistemi di controllo che in automatico gestiscono tale misura. In locale macchina li troviamo in vari punti come misurazione e regolazione dei livelli acqua in caldaia, per la misurazione di livello sia delle casse acqua, sia di quelle degli oli e dei combustibili. In realtà sono strumenti che misurano la pressione che esercita una colonna di liquido sullo strumento di misura quindi per tale tipologia si può dare uno sguardo a quanto già spiegato all’inizio di questa lezione. Esistono però altri principi per la misurazione del livello, iniziamo dal tipo capacitativo: Il principio di misurazione si basa sul cambiamento della capacità in un condensatore. Analizziamo più da vicino come funziona questo metodo di misurazione utilizzando l'esempio della misurazione continua. Lo spazio tra due oggetti con carica irregolare è chiamato campo elettrico. In questo spazio, una carica elettrica esercita una forza su un'altra carica elettrica. La magnitudine e la direzione del campo elettrico sono rappresentate da linee di campo.
Se una tensione alternata è collegata a un condensatore a piastre, scorre corrente. La corrente dipende dal mezzo dielettrico tra le piastre, ad esempio aria o un altro mezzo. Una modifica del materiale isolante provoca un aumento della costante dielettrica e aumenta la capacità del condensatore e quindi anche il flusso di corrente. Inoltre, il flusso di corrente può essere influenzato dalla distanza e dalla dimensione delle piastre.
Queste caratteristiche di un condensatore costituiscono la base del principio di misurazione capacitiva del livello. La parete del serbatoio elettricamente conduttiva e una sonda dentro al serbatoio formano un condensatore, le variazioni di capacità del quale vengono utilizzate per determinare il livello. Nella misurazione capacitiva, si distinguono liquidi elettricamente conduttivi e liquidi non conduttivi. Le misurazioni nei liquidi conduttivi, che sono normalmente liquidi a base d'acqua, vengono effettuate come segue. Il mezzo forma un campo elettrico.
Altro principio dei misuratori di livello è la misurazione a punti in liquidi o solidi sfusi secondo il principio vibronico chiamato anche principio a forcella di accordatura. Questo principio utilizza la correlazione diretta tra oscillazione e smorzamento nei media. Diamo un'occhiata più da vicino a come funziona questo metodo di misurazione. Gli strumenti vibronici monitorano i livelli a punti nei serbatoi, contenitori e tubature. Un sensore a forma di forcella di accordatura viene eccitato alla sua frequenza di risonanza. Il principio di misurazione vibronico nei liquidi si basa sullo spostamento di risonanza di un sistema di oscillazione eccitato piezoelettricamente.
Ci sono due diversi drive piezoelettrici, il Bimorph Drive negli strumenti standard e lo Stack Drive negli strumenti rivestiti. Il Bimorph Drive è composto da due dischi, un piezo e un disco ceramico che sono collegati tra loro. Alla stessa tensione, i piezos si comprimono e il disco ceramico si piega. Con tensioni diverse, i piezos si espandono nuovamente. Ciò provoca le oscillazioni della forcella.
Lo Stack Drive invece impila e fissa diversi dischi piezo con polarizzazioni in cambiamento l'uno sopra l'altro. L'applicazione di una rispettiva tensione alternata fa oscillare anche i piezos. Quando i piezos si espandono, la membrana si piega verso l'esterno. Le estremità della forcella di accordatura che è attaccata alla membrana vengono spinte l'una dall'altra. Quando i piezos si contraggono di nuovo, la membrana si piega verso l'interno. Le estremità delle forcelle di accordatura attaccate ad essa vengono trascinate insieme.
Poiché le punte della forcella sono coperte in un serbatoio mentre il liquido sale, la frequenza di risonanza della forcella di accordatura cambia. L'immersione nel liquido riduce la frequenza. Questa variazione di frequenza viene analizzata e convertita in un segnale di commutazione.
L'encoder è un trasduttore digitale di posizione, capace di convertire proporzionalmente lo spostamento effettuato dai propri componenti elettromeccanici in un segnale elettrico. Il segnale elettrico incrementale ho assoluto e è utilizzato dal sistema di acquisizione per quantificare e controllare il movimento degli organi mobili. L'encoder funge quindi da sistema di misura degli organi in movimento. Esistono molte tipologie di encoder e vengono inseriti all'interno di due principali categorie di rilevamento, quella lineare e quella rotativa. All'interno di queste due grandi categorie esistono due principali tipologie di misurazione, distinguendo così gli encoder assoluti nei quali ad ogni posizione dell'albero corrisponde un valore ben definito e gli encoder incrementali nei quali invece i segnali di uscita sono proporzionali in modo incrementale allo spostamento effettuato.
L'encoder si differenziano anche per la loro tecnologia di rilevamento. In questo caso possiamo distinguere gli encoder di tipo ottico, magnetico, induttivo, capacitivo e laser. In queste animazioni ci concentreremo sulla tecnologia di encoder più utilizzata, ovvero l'encoder ottico.
L’encoder rotativo, noto come trasduttore di posizione angolare. A differenza dell'encoder lineare, l'encoder rotativo converte la posizione angolare del suo asse rotante in brevi impulsi elettrici che necessitano di essere elaborati sotto forma di segnali numerici digitali da parte di un circuito di analisi del segnale. Tutti gli encoder, sia lineari che rotativi, fanno sostanzialmente la stessa cosa ovvero producono segnale elettrico che, opportunatamente elaborato da dei circuiti elettronici, produce dei codici numerici digitali che vengono tradotti in spostamenti angolari, movimenti rettilinei e circolari, nonché in velocità di rotazione e accelerazioni.
Come abbiamo detto, se le encoder lineari che rotativi possono effettuare le misurazioni in modo assoluto o incrementale. Gli encoder rotativi assoluti, ad esempio, possono misurare posizioni angolari, mentre gli encoder rotativi incrementali possono misurare la distanza, la velocità e la posizione. Questo è un esempio di encoder rotativo assoluto. Possiamo notare che al suo interno vi è un disco di codifica scanalato, posto sull'albero di rotazione e utilizzato insieme ad un sensore fisso. Quando l'albero ruota, una sorgente di luce illumina il disco di codifica e la luce trasmessa che passa attraverso il disco di codifica incontra un sistema di rivelazione di fotoni in grado di produrre un modello di codici univoco che determina l'esatta posizione dell'albero. Se proviamo ad interrompere l'alimentazione mentre l'albero è movimento per poi provare a ripristinarla, l'encoder regista la posizione assoluta dell'albero e possiamo sapere subito in quale posizione angolare si trova al momento del suo avvio.
Gli encoder rotativi assoluti dunque rivelano la propria posizione senza perdita di ogni o di alcune informazioni di riferimento. Essi possono essere monogiro o multigiro. Gli encoder assoluti monogiro sono utilizzati per misurazioni di breve distanza, mentre quelli multigiro, avendo un secondo disco sull’albero per il conteggio delle rotazioni, sono in grado di misurare lunghe distanze e soddisfare requisiti di posizionamento più complessi. Gli encoder rotativi incrementali invece vengono utilizzati per codificare misure appunto incrementali. Ciò significa che il segnale di uscita viene generato ogni volta che il sensore percepisce una scanalatura del disco. Questo tipo di encoder fornisce un'indicazione incrementale riferita alla posizione precedente del suo albero.
Per questo motivo si differenza dagli encoder di tipo assoluto in quanto non ci sono dati in merito alla posizione, perché l'encoder incrementale inizia sempre il conteggio da zero, all'avvio o all'introduzione dell’alimentazione, quindi è necessario resettare l'encoder all'inizio di una misurazione. Per determinare il senso di rotazione il disco deve avere un punto di riferimento, rappresentato da due tracce, ovvero la traccia A e la traccia B. Il senso di rotazione viene determinato a seconda che la traccia preceda la traccia B o viceversa. E' ora compito dell’ elettronica utilizzare questi segnali ed elaborare le in segnali numerici. Alcune tipologie di encoder rotativi producono dei segnali supplementari che eseguono la funzione di simulazione delle fasi di hall e sono fondamentali all’interno dei motori di tipo brushless, come è possibile vedere nella precedente animazione.
Restando nel ramo della velocità, atro strumento di misura è il pick-up ovvero il sensore a rilevamento magnetico. Come funziona un sensore di rilevamento magnetico ? Innanzitutto vedremo cosa c'è all'interno del sensore. Se rimuoviamo l'involucro del sensore, vediamo tre componenti principali: un magnete a polo permanente e il filo della bobina che è avvolta su un pezzo di nucleo di ferro morbido. Un piccolo campo elettromagnetico è creato intorno alla punta del sensore a causa del magnete permanente. Di solito la punta del sensore è posizionata a un millimetro di distanza dai denti del volano del motore. Mentre il volano ruota e i denti passano attraverso il campo elettrico del sensore, inducono una piccola tensione nella bobina. Se controlliamo la tensione CA tra le estremità del filo, mostrerà da tre a cinquanta volt, a seconda della velocità del volano. Il sensore è utilizzato come sensore di feedback per controllare la velocità dei motori e delle turbine.
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