Principio elettromagnetico di misura della portata

misuratori di portata elettromagnetici, noti anche come magmeter o misuratori di portata magnetici, si utilizzano fin dal 1939. Il sacerdote e inventore svizzero Padre Bonaventura Thürlemann (1909 – 1997) è stato il pioniere nell'utilizzo industriale di questo principio di misura.

Il fenomeno fisico su cui si basa la tecnica è però noto da molto più tempo. Il fisico inglese Michael Faraday (1791 – 1867) ha capito che, in una barra metallica conduttrice di lunghezza (L) mossa a velocità (v) attraverso un campo magnetico (B) vengono indotte cariche elettriche e, di conseguenza, tra le estremità dell'asta viene generata una tensione (U_e) di qualche millivolt. Faraday ha anche scoperto che l'entità della tensione indotta in questo modo è direttamente proporzionale alla velocità (v) del movimento e all'intensità (B) del campo magnetico:

In un misuratore di portata elettromagnetico (Fig. 1), il fluido conduttivo che scorre all’interno del tubo di misura corrisponde all’asta metallica nell’esperimento di Faraday. Il campo magnetico di intensità costante viene generato da due bobine di campo, una su ogni lato del tubo di misura. Due elettrodi sulla parete interna del tubo rilevano la tensione generata mentre il fluido scorre attraverso questo campo. Il tubo di misura è isolato elettricamente dal fluido e dall'elettrodo con un rivestimento non conduttivo (ad es. poliuretano, gomma dura, PTFE, PFA, ecc.). Dato un campo magnetico di intensità costante (B), l'equazione U_e = B ⋅ L ⋅ v mostra che la tensione di misura indotta (U_e) è direttamente proporzionale alla velocità del flusso (v). La sezione trasversale del tubo (A) è nota, quindi la portata volumetrica (Q_V) è facilmente calcolabile:

Il vantaggio principale di questo principio di misura è che non è influenzato da pressione, temperatura e viscosità. Il profilo del flusso ha un effetto minimo sui risultati della misura. Queste proprietà rendono i misuratori di portata elettromagnetici estremamente interessanti per un'ampia serie di applicazioni di misura industriali.

Tubo di misura (a):
dal punto di vista fisico è importante che il tubo di misura non ostruisca e non distorca il campo magnetico, quindi viene realizzato in acciaio inossidabile.

Rivestimento (b):
il rivestimento è l'isolante necessario tra gli elettrodi e il tubo di misura e impedisce alla tensione indotta di disperdersi nel tubo. Anche la resistenza fisica e chimica al fluido in questione sono proprietà importanti per il rivestimento. Tra i materiali più comunemente utilizzati ci sono poliuretano, gomma dura e PFA/PTFE.

Sistema di bobine (c):
il campo magnetico è generato da due bobine di filo di rame con nucleo magnetico montate all'esterno del tubo di misura.

Elettrodi (d₁–d₃):

• Elettrodi di misura (d₁) per rilevare la tensione indotta. Il materiale degli elettrodi dipende dalle condizioni di processo e può essere acciaio inossidabile, hastelloy, tantalio o platino.
• Elettrodo di riferimento o di terra (d₂) per l'equalizzazione del potenziale tra misuratore e fluido. Allo stesso scopo possono essere installati dischi (anelli) separati di messa a terra.
• Elettrodo di rilevamento tubo vuoto (d₃) per rilevare i tubi di misura parzialmente pieni o vuoti. Se il fluido smette di bagnare questo elettrodo, il trasmettitore genera un allarme.

L'uso di una corrente continua pulsata (c.c.) è un metodo moderno e comprovato per generare il campo magnetico. Genera il cosiddetto "campo CC pulsato". La polarità del campo magnetico viene periodicamente invertita, con il risultato che le tensioni di misura consecutive (U₊, U_–) sugli elettrodi hanno segni opposti (v. Fig. 4). La differenza ottenuta dai due valori misurati corrisponde alla tensione indotta (U_portata):

In questo modo, le tensioni di interferenza vengono eliminate dal calcolo. La tensione misurata risultante, corrispondente alla velocità media del flusso, viene convertita dall'elettronica in un segnale di portata volumetrica e resa disponibile con segnali di uscita standardizzati (ad es. uscita in corrente 4–20 mA).