Principio di misura della portata Coriolis

In molti settori industriali, è necessario misurare la portata massica piuttosto che quella volumetrica. Nei processi alimentari, ad esempio, prodotti come paste, polpe e yogurt vengono generalmente trattati in base al peso, non al volume e l'etichetta sulla confezione indica al consumatore il peso del prodotto anziché il volume. Uno dei motivi è che il volume della maggior parte dei fluidi può variare ampiamente se influenzato da fattori fisici quali pressione, temperatura e densità. La massa di un fluido non subisce invece queste influenze – quindi la misura della portata massica ha una serie di vantaggi che la misura della portata volumetrica semplicemente non può eguagliare. Questo è un aspetto particolarmente importante per la misura fiscale nel dosaggio dei fluidi.

La massa di un corpo è generalmente determinata dalla pesatura. Dal punto di vista tecnico, tuttavia, ci sono molte difficoltà da superare quando si pesa direttamente una massa che scorre costantemente attraverso un sistema di tubazioni. Questo è il motivo per cui, negli ultimi decenni, è emerso un principio di misura che consente di misurare direttamente e in modo continuo la portata massica nelle tubazioni – ovvero la misura della portata massica mediante il principio di Coriolis. In alcune applicazioni, ha più senso applicare questo principio di Coriolis piuttosto che determinare la massa indirettamente misurando la portata volumetrica e la densità (volume × densità = massa).

La prima descrizione di questo principio è generalmente attribuita al fisico e matematico francese di cui porta il nome, Gaspard-Gustave de Coriolis (1792 – 1843).

L'effetto si verifica solo nei sistemi rotanti, ad esempio sulle giostre dei luna park o sul nostro pianeta in rotazione ma non deve essere confuso con la forza centrifuga. Nonostante il termine "forza di Coriolis" sia ampiamente utilizzato, è spesso difficile descrivere e spiegare questa forza. Compare sempre quando, in un sistema, si sovrappongono il movimento rettilineo e l'azione rotatoria.

Un esempio pratico è illustrato nella Fig. 1: una persona ferma su una piattaforma rotante deve solo inclinarsi leggermente verso l'interno per contrastare la forza centrifuga (sinistra). Una persona che si muove dal centro di rotazione verso il bordo della piattaforma, invece, incontra una velocità di rotazione in costante aumento e, dato che entra in gioco l'inerzia, deve superare una forza nota come forza di Coriolis. La forza di Coriolis spinge per deviare la persona dal percorso più breve attraverso la piattaforma rotante (lungo il raggio diritto). Quanto più pesante è la persona, tanto più rapida è la velocità di rotazione e quanto più velocemente la persona cammina verso la circonferenza ("portata massica"), tanto più l'inerzia è percepibile e tanto più potente è l'effetto della forza di Coriolis.

In termini matematici, la forza di Coriolis (F_C) è quindi proporzionale alla massa in movimento (_m^· ), alla velocità di rotazione (ω) e alla velocità radiale (v_r) nel sistema rotante:

F_c = 2 ⋅ m ⋅ ω ⋅ v_r

Le forze di Coriolis sono sempre presenti quando, all'interno di un sistema, si sovrappongono il movimento lineare e l'azione rotatoria (Fig. 1, destra). In assenza di movimento lineare (Fig. 1, sinistra, persona ferma), vengono generate solo forze centrifughe.

In un misuratore di portata massica Coriolis (v. Fig. 2), le singole particelle di massa sono influenzate come il corpo della persona sulla piattaforma rotante nell'illustrazione sopra riportata. Nel misuratore di portata, il moto rotatorio prima descritto che genera la forza di Coriolis viene sostituito eccitando il tubo di misura in modo che oscilli alla sua frequenza di risonanza.

a  =  portata zero: stato di oscillazione dei tubi di misura a portata zero
b  =  flusso → stato di oscillazione dei tubi di misura all'intervallo di tempo 1
c  =  flusso → stato di oscillazione dei tubi di misura all'intervallo di tempo 2

A portata zero, quando il fluido è fermo, non c'è movimento lineare (a). Di conseguenza, le forze di Coriolis non sono presenti. Quando la massa scorre, il movimento indotto dall'oscillazione (= rotazione) nel tubo di misura si sovrappone al movimento lineare del fluido. La forza di Coriolis provoca quindi la "distorsione" dei tubi di misura (b, c). I sensori (A, B) in entrata e in uscita registrano la differenza di tempo in questo movimento ovvero la differenza di fase. Maggiore è la portata massica, maggiore è la differenza di fase (v. Fig. 3).

Quando il fluido scorre, le particelle di massa si muovono attraverso il tubo di misura e sono sottoposte a un'accelerazione laterale che si sovrappone alle forze di Coriolis (F_C ). Quando entrano nel tubo, le particelle di massa (m) si allontanano dal centro di rotazione (Z₁) e ritornano verso il centro (Z₂ ) mentre si avvicinano all'estremità di uscita. Di conseguenza, all'entrata e all'uscita, le forze di Coriolis agiscono in direzioni opposte e il tubo di misura inizia a "distorcersi". Questa variazione nella geometria indotta dall’oscillazione dei tubi di misura viene registrata come una differenza di fase dai sensori (A, B) su ogni estremità dei tubi di misura. Questa differenza di fase (∆ϕ) è direttamente proporzionale alla massa del fluido e alla velocità del flusso (v) e, di conseguenza, anche alla portata massica.

La gamma di diametri nominali attualmente disponibile va da DN 1 a DN 300. L'utilizzo può quindi spaziare dal dosaggio di quantità molto piccole in applicazioni farmaceutiche fino alle operazioni di carico e scarico delle navi. Anche la scelta dei design è altrettanto ampia.

I tubi di misura vengono eccitati continuamente alla loro frequenza di risonanza. Non appena cambia la densità del fluido e quando la massa del sistema oscillante (tubo di misura + fluido), la frequenza di eccitazione viene regolata di conseguenza. Quindi, la frequenza di risonanza è una funzione della densità del fluido e può essere utilizzata come segnale di uscita aggiuntivo.

La temperatura dei tubi di misura viene determinata per calcolare il fattore di compensazione dovuto agli effetti della temperatura. Questo segnale corrisponde alla temperatura di processo ed è disponibile anche come segnale di uscita.

Sono disponibili modelli con tubi di misura singoli, doppi e quadrupli in una vasta gamma di forme e raggi di curvatura, per rispondere ai requisiti delle diverse applicazioni industriali.

Nella maggior parte dei misuratori a due tubi, i tubi di misura vengono eccitati in modo da oscillare in controfase, una disposizione che isola efficacemente l'intero misuratore di portata dalle influenze delle vibrazioni esterne. Esistono vari tipi di misuratori a due tubi. Per quanto riguarda le proprietà geometriche, i tubi di misura variano da un produttore all'altro e si possono trovare modelli diritti, ad anello o leggermente arcuati. I tubi diritti o leggermente arcuati utilizzati da Endress+Hauser consentono di costruire sensori compatti e poco ingombranti.

I sistemi di misura monotubo presentano numerosi vantaggi rispetto a quelli a due tubi:

• Maggiore facilità di pulizia
• Perdite di carico notevolmente inferiori
• Meno sollecitazioni sul fluido perché non occorre un separatore per dividere il flusso tra due tubi di misura

Il vantaggio di questo design ovvero quello di avere un solo tubo di misura oscillante significa tuttavia che l'isolamento - caratteristica dei misuratori a due tubi - non avviene automaticamente. In fase di sviluppo è quindi necessario prestare attenzione a integrare le caratteristiche necessarie a isolare efficacemente il sistema dalle influenze esterne.

Il sistema TMB (Torsion Mode Balancing):
Endress+Hauser realizza questo isolamento combinando l'alta frequenza di risonanza caratteristica con il suo sistema TMB (Torsion Mode Balancing) brevettato. Nel caso del sensore monotubo Proline Promass I, l'equilibrio del sistema necessario per una misura corretta viene ottenuto mediante una massa pendolare contro-oscillante disposta eccentricamente sul tubo di misura (azione di torsione) (Fig. 5). Grazie a questo equilibrio del sistema integrato, Promass I è facile da installare come il misuratore a due tubi. Non sono necessari supporti speciali antivibranti a monte o a valle del misuratore di portata.

Con il sistema di misura Promass I, anche la viscosità può essere determinata "in linea" come ulteriore parametro di processo.

ω = velocità angolare
m₁ = tubo di misura e massa del fluido
m₂ = massa pendolare
v₁ = velocità di m₁
v₂ = velocità di m₂
p = impulso

I sistemi di misura a quattro tubi sono simili a quelli a due tubi in quanto prevedono un'oscillazione controfase che isola efficacemente il misuratore di portata dall'ambiente di installazione. Inoltre, hanno il vantaggio di consentire un turndown di portata relativamente più elevato e una maggiore produttività, con una perdita di carico inferiore rispetto ai misuratori a due tubi di dimensioni nominali simili. Ciò è particolarmente utile per le applicazioni di carico e nei sistemi di tubazioni.

I vantaggi della misura della portata massica Coriolis sono evidenti: questo principio di misura non è influenzato da fattori fisici quali conduttività, pressione, temperatura, densità e viscosità. Non sono necessari tratti rettilinei in entrata e in uscita, fatto che può rivelarsi estremamente vantaggioso quando lo spazio è limitato. Non sorprende, quindi, che i misuratori di portata Coriolis siano presenti in applicazioni e settori industriali molto diversi e, in particolare, nei settori chimico e farmaceutico.

È possibile misurare praticamente tutti i fluidi: detergenti e solventi, olio combustibile e carburanti, oli vegetali, grassi animali, lattice, oli siliconici, toluene, benzene, alcol, metano, succhi di frutta, dentifricio, oli da cucina, aceto, ketchup, maionese, gas, gas liquefatti (butano, propano, gas naturale), ecc.

I misuratori di portata Coriolis registrano simultaneamente densità del fluido e portata massica e, con l'ausilio dei sensori di temperatura, possono anche monitorare la temperatura del fluido. Di conseguenza, questo tipo di misura può essere definito realmente "multivariabile". Le variabili primarie misurate - ovvero portata massica, densità e temperatura del fluido - possono essere utilizzate per calcolare e visualizzare altre variabili come la portata volumetrica, il contenuto di solidi trascinati, la concentrazione o valori di densità derivati (ad es. densità standard, °Brix, °Baumé, °API, °Balling, °Plato). I moderni sistemi di misura sono studiati per calcolare e trasmettere queste variabili secondarie misurate direttamente tramite il trasmettitore.

Le eccezionali caratteristiche dei dispositivi Coriolis li rendono un'eccellente soluzione per un'ampia gamma di applicazioni:

• Miscelazione e dosaggio di varie materie prime
• Controllo dei processi
• Misura dei fluidi con rapida variazione della densità
• Controllo e monitoraggio della qualità del prodotto
• Misura fiscale di liquidi e gas

Sono questi alcuni dei motivi per cui, negli ultimi 25 anni, il principio di Coriolis si è affermato come una tecnica di misura comprovata. I misuratori di portata Coriolis vengono spesso utilizzati nei processi chimici, soprattutto per i seguenti motivi:

• Metodo diretto di misura della massa ad alta precisione (tipicamente ±0,1 %)
• Grande versatilità grazie all'ampia gamma di materiali dei tubi di misura

Numerose sono anche le applicazioni nell'industria alimentare, ad esempio il dosaggio di quantità minime di ingredienti e il riempimento (Fig. 6). I misuratori Coriolis si stanno diffondendo anche nelle applicazioni di misura dei gas a bassa e alta pressione (Fig. 7), ad esempio del gas naturale compresso (CNG). In commercio, per numerose applicazioni, sono disponibili anche misuratori adatti alla misura fiscale.

I vantaggi sopra descritti aprono costantemente nuovi campi di applicazione per i misuratori di portata basati sul principio di Coriolis. Di conseguenza tutto fa pensare che, nei prossimi anni, il mercato dei misuratori Coriolis continuerà a crescere al ritmo attuale o addirittura a espandersi ulteriormente.

Le caratteristiche della misura Coriolis sono particolarmente attraenti e promettenti per applicazioni che, in passato, utilizzavano tecniche di misura "tradizionali". A questo proposito, il costo di esercizio è uno dei tanti fattori che entrano in gioco. Stiamo parlando non solo del costo iniziale di acquisto ma anche delle spese generali da sostenere durante l'intero ciclo di vita del dispositivo. Il costo del ciclo di vita dei misuratori Coriolis è sorprendentemente basso grazie ai ridotti requisiti di manutenzione e all'elevato livello di flessibilità in condizioni di processo ampiamente variabili.

Nell'applicazione illustrata nella Fig. 7, l'etilene viene misurato con una pressione compresa tra 75 e 95 bar e una portata compresa tra 10 e 40 t/h. Nonostante le vibrazioni del sistema di tubazioni, il misuratore di portata Promass non richiede assolutamente alcun ulteriore mezzo di supporto o fissaggio.

• Principio universalmente applicabile per la misura della portata di liquidi e gas
• Misura diretta della portata massica (senza compensazione in pressione e temperatura)
• Principio di misura indipendente dalla densità e dalla viscosità del fluido
• Elevatissima precisione di misura (tipicamente ±0,1 % v.i.)
• Sensore multivariabile: misura simultanea di portata massica, densità e temperatura
• Nessuna influenza derivante dal profilo del flusso
• Nessuna necessità di tratti rettilinei in entrata e in uscita
• Nessuna parte mobile all'interno del tubo di misura
• Nessun bisogno di filtri
• Nessuna necessità di misurare separatamente la densità

• Investimento iniziale relativamente elevato
• Generazione di perdite di carico con la maggior parte dei modelli
• Fruibilità limitata se il contenuto di gas nel fluido è elevato e con i fluidi multifase