Corso di formazione e aggiornamento professionale …...2018/11/21 · Corso di formazione e...

Corso di formazione e aggiornamento professionale per Energy Manager ed EGE

Milano, 21 novembre 2018

Ing. Fabio Zanghirella (ENEA)

[email protected]

“MISURE ELETTRICHE E TERMICHE” Milano, 21/11/2018 2

Cenni su teoria della misurazione

◦ Misurazione

◦ Misura

◦ Incertezza ed errore

Strumenti di misura

◦ Caratteristiche metrologiche

Metrologia


In senso fisico, conoscere significa misurare

… ma misurare vuol dire perturbare!

La conoscenza del mondo fisico che otteniamo

attraverso la misura è sempre affetta da una

approssimazione tanto più piccola quanto migliori

sono gli strumenti e i metodi utilizzati.


La misurazione di una grandezza è un processo che non riguarda solamente gli

aspetti strettamente tecnici della misura, ma coinvolge la concezione di idee, la

formulazione di ipotesi, l’effettuazione di osservazioni, che riflettono l’esperienza

personale di chi effettua la misurazione.

Fondamentalmente la misura si fonda sulla costruzione di un modello del sistema

esaminato, dipendente dalle finalità della misurazione.

Processo logico-deduttivo

Modello

Catena di misura Sistema fisico

• Grandezze di disturbo (identificate o no) • Grandezze di interesse (identificate)

info

rmazio

ni

quanti

tati

ve

(mis

ure

) nozio

ni

qualita

tive e

sto

riche

(esperi

enza)


Una misura ha valore scientifico se è riproducibile, ovvero se ripetendola

nelle stesse condizioni operative produce risultati compatibili.

La compatibilità non è però assoluta in quanto:

Il “valore vero” non esiste;

La percezione del sistema fisico è per sua stessa natura incompleta;

Il fenomeno viene “tradotto” in un modello, che per quanto complesso

è finito e approssimato;

Il modello deve essere descritto in termini trasmissibili (per esempio

per via numerica).


Le norme di riferimento principali in cui è definito un vocabolario

metrologico sono:

UNI 4546 - Misure e Misurazioni, termini e definizioni fondamentali

(ambito nazionale)

ISO VIM - International Vocabulary of basic and general terms in

Metrology (ambito internazionale)


Misurazione:

• “Insieme di operazioni materiali ed elaborative compiute mediante

appositi dispositivi posti in interazione con il sistema misurato allo scopo

di assegnare la misura di una grandezza assunta come parametro di tale

sistema” (UNI 4546).

• “Insieme di operazioni finalizzate alla determinazione di un valore per una

grandezza” (VIM)

E’ il procedimento attraverso il quale si assegnano valori numerici a rappresentazione

di grandezze fisiche.

La misura è il risultato della misurazione.


Grandezza:

“Ogni quantità, proprietà, condizione usata per descrivere fenomeni e

valutabile in termini di unità di misura” (UNI 4546).

“Attributo di un fenomeno, di un corpo o di una sostanza, che può essere

distinto qualitativamente e determinato quantitativamente” (VIM)

In entrambe le norme il termine grandezza è utilizzato sia in senso generale

(lunghezza, temperatura, ...), sia per indicare una grandezza specifica (lunghezza di

uno stelo, temperatura di uno specifico fluido, ...); per questa seconda accezione nella

norma UNI si introduce il termine parametro (di un dato sistema).


Parametro:

“Ogni grandezza pertinente a un sistema alla quale è necessario assegnare

valori per descrivere il sistema stesso, la sua evoluzione e/o le sue

interazioni con altri sistemi e con l’ambiente” (UNI 4546)

Misurando:

• “Parametro sottoposto a misurazione e/o regolazione, valutato nello stato

assunto da sistema al momento della misurazione stessa” (UNI 4546)

• “Particolare grandezza sottoposta a misurazione” (VIM)


I metodi di misurazione sono classificati in base alle modalità operative di

assegnazione di una misura ad un parametro in:

Diretta:

permettono di assegnare la misura ad un parametro a partire da una

lettura di uno strumento senza dover conoscere altri parametri del sistema

misurato (eccetto il valore di eventuali campioni, le grandezze di influenza

e le grandezze espressamente richiamate nella definizione del misurando).

Indiretta:

sono quelli in cui la misura di un parametro è assegnata come risultato di

un calcolo che coinvolge il valore di altri parametri misurati in modo

diretto.

La misurazione indiretta presuppone quindi l’esistenza di un modello

matematico, che esprima in modo esplicito il legame tra il misurando e le

altre grandezze sottoposte a misurazione diretta.


Le grandezze misurabili possono essere classificate in:

Estensive:

le cui proprietà dipendono dalle dimensioni del sistema; sono sommabili e la misura avviene mediante confronto (con il campione) eseguito in termini di rapporti.

Es. lunghezze, correnti elettriche, portate.

Intensive:

le cui proprietà non dipendono dalla quantità di materia o dalle dimensioni del sistema ma soltanto dalla natura e dalle condizioni nelle quali si trova; per esse non vale la somma ed i rapporti valgono solo in termini di differenze rispetto ad un valore di riferimento; definiscono un modo di essere della materia.

Es. pressioni, potenziale elettrico, temperatura.


Modello:

“Insieme organico di relazioni fra i valori di parametri, descrivente le

interazioni e l’evoluzione dei sistemi” (UNI 4546).

Ad ogni misura è sempre associato un MODELLO della realtà che si vuole

misurare (sempre con misura indiretta).

• Il modello è frutto di schematizzazioni.

• La scelta del modello influenza il tipo di strumento da usare e la

procedura di esecuzione delle misure.

• Il tipo di modello dipende dallo scopo per cui le misure sono fatte.


Esempio: dinamometro a molla

Parametri del sistema: K, x, F

Parametri ambiente: T

Modello:

Segnale d’uscita: F

Segnale d’ingresso: x

F = Kx

K = f (T)

ìíï

îï


Misura:

“Informazione costituita da un numero, un’incertezza un’unità di misura,

assegnata a rappresentare un parametro in un determinato stato del

sistema” (UNI 4546).

Secondo la norma, quindi, una misura è data da un intervallo di valori

accompagnata da un’unità di misura.

La definizione di misura risponde all’esigenza di presentare il risultato

della misurazione in modo chiaro e completo: è importante eliminare

qualunque causa potenziale di ambiguità o arbitrarietà, altrimenti si

rischia di perdere parte dell’informazione ottenuta.


“MISURE ELETTRICHE E TERMICHE” Milano, 21/11/2018

SI è il più diffuso

sistema di unità di

misura

16

Una grandezza è l’oggetto della misura, ma altre grandezze influenzano

la misura, le grandezze di disturbo o di influenza, ossia quelle grandezze

che alterano le caratteristiche delle apparecchiature impiegate e/o

l’interazione tra il sistema misurato e le apparecchiature stesse.

Alcune sono identificabili (temperatura, umidità, …) altre no, in quanto

non tutti i fenomeni sono noti.

La suddivisione tra grandezze principali e di influenza dipende dal tipo

di modello scelto.

In alcuni casi lo scopo delle misure è proprio l’identificazione

dell’effetto di grandezze di disturbo.

Rimane sempre e comunque una approssimazione legata al modello

che si adotta e che resterà intrinseca della misura.


Incertezza

“Intorno limitato del valore di un parametro, corrispondente agli

elementi della fascia di valore assegnatagli come misura” (UNI 4546)

“Parametro, associato con il risultato di una misurazione, che

caratterizza la dispersione dei valori che possono ragionevolmente

essere attribuiti al misurando” (VIM)

La misura è vista, quindi, come un intervallo di valori (accompagnato da

unità di misura) attribuibili al parametro misurato.

Nota: nell’approccio classico la misura è data il rapporto fra la grandezza

misurata ed un campione di riferimento.


Fascia di valore

“Insieme limitato di numeri con unità di misura associata, assegnato

globalmente come misura di un parametro” (UNI 4546).

Valore o Valore di misura

“Numero con associata unità di misura, costituente l’elemento

rappresentativo della fascia di valore assegnata come misura di un

parametro in un determinato stato del sistema”

È ragionevolmente garantito che il misurando è compreso nella fascia di valore.

Gli elementi della fascia di valore sono tutti egualmente validi per rappresentare il

parametro sottoposto a misurazione. Il numero assunto come valore di misura è

puramente convenzionale ed è arbitrario: esso ha la stessa “validità” degli altri

valori costituenti la fascia di valore.


La misura m di un parametro può essere

espressa come:

m = (m0 ± I) U

dove I è l’incertezza assoluta della misura,

espressa nella stessa unità di misura U di m0.

L’intervallo di ampiezza 2I rappresenta la fascia di valore assegnata come

misura del parametro.

In molte occasioni è più significativo comunicare il valore relativo

dell’incertezza, oppure il valore relativo percentuale

Esempio: si abbiano 2 misure di lunghezza diverse (m1=1m e m2=100m) con la stessa incertezza assoluta di 1mm: m1 =(1±0.001)m m2 =(100±0.001)m m1 =1m±0.1% m2 =100m±0.001%

I r =I

m0I r% = I r ·100


La misurazione è un procedimento conoscitivo che tende ad avvicinarsi alla

realtà il più possibile al fine di ridurre l’incertezza.

L’incertezza è un numero associato al risultato di una misurazione, che

esprime la dispersione dei valori che possono ragionevolmente essere

attribuiti al misurando.

L’errore (assoluto) è definito come la differenza tra il “valore vero” della

misura e la lettura effettuata.

Ma il valore vero non è noto, conseguentemente l’errore non è conoscibile.


Gli errori si classificano in:

Sistematici: quando è nota la relazione tra l’entità dell’errore e l’intensità

della grandezza fisica che lo causa; tale effetto può essere quantificato e

corretto apportando una correzione.

Casuali: quando la legge che lega causa ed effetto non è nota; tale errore

non può essere annullato, ma solo attenuato aumentando il numero di

osservazioni.

Errore relativo: rapporto tra errore (assoluto) e valore della grandezza,

normalmente espresso in percentuale.


Oggi si preferisce parlare di incertezza piuttosto che di errore.

Non scompaiono i concetti, espressi in termini di componente

sistematica e componente aleatoria.

Quando si parla di incertezza ci si riferisce alla sola componente

casuale.

Si dà per scontato che, se si mette in evidenza un effetto sistematico,

questo vada corretto prima delle misure e tale correzione sarà affetta

anch’essa da una incertezza.

Se un effetto sistematico non è conoscibile, non sarà neppure possibile

correggerlo e rientrerà nella stima dell’incertezza della misura.


L’incertezza di una misurazione non può essere ridotta a piacimento:

esistono dei limiti (economici e fisici) a questo processo.

Si parla di incertezza intrinseca: la minima incertezza che può essere

assegnata nella misura di un parametro, fissato un modello descrittivo

della grandezza.

L'incertezza assegnabile nella misura non dipende soltanto dal metodo di

misura usato, ma contiene una parte legata intrinsecamente alla

definizione stessa del parametro.


Esempio: tronco di cono modellato mediante un cilindro (a sinistra) e mediante due cilindri sovrapposti (a destra)

E’ stato possibile ridurre l’incertezza

intrinseca della misura unicamente

modificando e raffinando il modello

matematico; bisogna però stimare due

diversi parametri in più.

La scelta del modello è sempre un

compromesso fra i costi delle campagne

sperimentali e l’incertezza che si è

disposti a tollerare.


Effetti sistematici e casuali

Misura poco accurata e poco dispersa.

Effetto sistematico riconoscibile e correggibile -> accuratezza migliorabile



Misura accurata e molto dispersa (incertezza elevata), ad esempio dopo

correzione di effetto sistematico.


Le 4 principali fonti di incertezza in una misurazione sono:

non costanza dello stato del sistema tra le misurazioni

l'incompleta definizione del sistema

la presenza di effetti strumentali

l'incertezza intrinseca del misurando


Modalità di dichiarazione di una misura

Le informazioni essenziali da fornire sono:

il valore stimato del misurando e la corrispondente unità di misura;

la fascia di valore assegnata al misurando, che può essere espressa

mediante l’incertezza assoluta o relativa;

il valore e l’incertezza delle grandezze che individuano lo stato del

sistema in misura e delle grandezze di influenza.

Un altro elemento importante da tenere in considerazione per comunicare

correttamente il risultato di una misurazione, riguarda il numero di cifre

utilizzato per dichiarare l’incertezza ed il valore stimato del misurando.


Identificazione delle cifre significative:

La cifra più significativa è sempre la prima da sinistra che sia diversa da

zero; (5000; 0,002340)

La cifra meno significativa

• in un valore con una parte frazionaria, è l'ultima cifra a destra, anche se

si tratta di uno zero; (0,002340)

Le cifre significative sono tutte quelle comprese tra la più significativa e la

meno significativa

Per esempio 0,00057 ha due cifre significative.


Identificazione delle cifre significative:

E nel caso di un valore INTERO???

5000 -> quante cifre significative ha? Quale è la cifra meno significativa?

Per definirlo devo ricorrere alla notazione scientifica:

• Se interessano solo le migliaia: 1 c.s.

u = 5 x 103

• Se interessano anche le centinaia: 2 c.s.

u = 5,0 x 103

• Se interessano anche le decine: 3 c.s.

u = 5,00 x 103

• Se interessano anche le unità: 4 c.s.

u = 5,000 x 103


Cifre significative: è il numero di cifre che si hanno eliminando tutti gli

zeri A SINISTRA e mantenendo tutti gli zeri A DESTRA.

Es. m=4,235 tutte cifre significative (4) m=4,000 tutte cifre significative (4) m= 0,0042 2 cifre significative

Il concetto del numero di cifre significative è quello di dare una prima

informazione sul grado di precisione del numero scritto;

Esempio: scrivere 3 precisione di 1/3≈ 30%

scrivere 3,0 precisione di 1/30≈ 3%

scrivere 3 ,00 precisione di 1/300≈ 0,3%

Errore di arrotondamento ≤ ±5 10-n

n = numero di cifre significative utilizzando la notazione scientifica


Nella pratica, la misurazione di una grandezza è eseguita con l’obiettivo

di confrontare la misura ottenuta con altre misure ottenute da soggetti

diversi, in ambiti diversi, impiegando apparecchiature diverse (ad esempio

per verificare valori di riferimento forniti da norme o regolamenti).

Affinché questi confronti abbiano senso, risulta indispensabile che le

misure siano ottenute mediante dispositivi strettamente correlati ai

campioni primari, ossia mediante dispositivi riferibili.

La riferibilità è definita come la proprietà che strumenti e campioni

acquisiscono quando sono sottoposti a taratura a fronte di campioni

riconosciuti come primari in un determinato contesto (UNI 4546).


I dispositivi per misurazione devono quindi essere “legati” ai campioni

primari nazionali od internazionali attraverso una catena ininterrotta di

confronti, detta catena di riferibilità, in ciascuno dei quali deve essere

dichiarata l’incertezza di misura.


Spesso risulta necessario confrontare misure diverse della stessa

grandezza per verificarne la congruenza: poiché il confronto non riguarda

valori singoli ma intervalli (fascia di valori) non è possibile ricorrere al

concetto di uguaglianza ma si introduce quello della compatibilità.

Compatibilità delle misure

“Condizione che si verifica quando le fasce di valore assegnate in diverse

occasioni come misura dello stesso parametro nello stesso stato hanno

almeno un elemento in comune”(UNI 4546).

Perché diverse misure siano compatibili è necessario e sufficiente che

esista un elemento comune a tutte le fasce di valore; un insieme di

misure che soddisfa a questa condizione si dice mutuamente compatibile.


Esempio:

1,2 non compatibili

2,3 compatibili

1,3 compatibili

Il confronto tra misure ha senso solo quando le misure si riferiscono allo stesso misurando nello stesso stato del sistema in misura. Risulta evidente che la compatibilità non gode della proprietà transitiva come l’uguaglianza.


OSSERVAZIONE

L’uso di strumenti e campioni riferibili non assicura la compatibilità tra le

misure (è condizione necessaria ma non sufficiente) ; occorre infatti che

siano verificate le seguenti condizioni:

individuare e correggere eventuali effetti sistematici;

usare lo stesso metodo per la stima dell’incertezza di misura;

considerare tutti i contributi di incertezza significativi, tra i quali vi è

spesso l’effetto dell’operatore.

Per ottenere misure compatibili, sono necessarie la riferibilità della

strumentazione ed un adeguato livello di professionalità dell’operatore

nelle fasi di esecuzione della misurazione e di elaborazione dei dati

sperimentali.


l termine strumento di misura indica un qualsiasi dispositivo (o sensore)

utilizzato per misurare una grandezza.

La grandezza fisica da misurare costituisce l’ingresso del sensore, mentre

l’uscita può essere un valore numerico che descrive direttamente la

grandezza, oppure una grandezza elettrica associata alla grandezza da

misurare tale che tra il valore della grandezza fisica misurata ed il valore

della grandezza elettrica ottenuta vi sia una corrispondenza biunivoca.

Gli strumenti di misura si raggruppano in due grandi categorie:

Analogici: il segnale di uscita è una funzione continua del misurando.

Digitali: segnale di uscita discreto. Poiché il trasduttore è quasi sempre di

tipo analogico, occorre introdurre in una apparecchiatura digitale un

elemento di conversione analogico/digitale.


Uno strumento per poter fornire misure compatibili è sottoposto (dal

costruttore) a taratura.

Taratura

“Procedimento che determina il legame tra i segnali di uscita di uno

strumento e le misure dei misurandi applicati al suo ingresso, oppure il

legame tra i valori nominali di un campione e le misure delle grandezze da

esso realizzate” (UNI 4546).


valore di ampiezza ∆M, detta incertezza strumentale, il cui valore centrale

M0 è individuato da una relazione univoca tra letture e misure, detta curva

di taratura.

Solitamente, ad uno stesso strumento sono assegnati diversi diagrammi di

taratura validi in diversi campi di impiego per le grandezze di influenza.

È indispensabile conoscere la

relazione che, a partire dalla

lettura e dal valore delle

grandezze di influenza,

permette di ottenere una stima

Mˆ del misurando. Questa

relazione, detta diagramma di

taratura dello strumento,

permette di associare alla

generica lettura L0 una fascia di


I diagrammi di taratura sono solitamente garantiti dal costruttore per un

determinato intervallo di tempo (allo strumento possono essere assegnati

diagrammi di taratura differenti, per esempio, a 90 giorni, a 1 anno ed a 2

anni dalla taratura).

Il costruttore fornisce anche un’indicazione del massimo intervallo di

tempo oltre il quale è necessario il controllo di taratura.

Dal 1° luglio 2010 l'accreditamento dei laboratori di taratura viene svolto

esclusivamente dal Dipartimento Laboratori di taratura di ACCREDIA, Ente

unico nazionale di accreditamento designato dal Governo, in cui è

confluito il Sistema Nazionale di Taratura (SIT).

L’accreditamento dei laboratori attesta: la competenza ad

effettuare tarature, la riferibilità dei campioni utilizzati e la

conformità alle norme internazionali.


Specifiche di incertezza

Sensibilità: inverso della pendenza

della curva di taratura; assume valori

diversi in diversi punti della curva. Se

la curva di taratura è lineare, la

sensibilità è costante e la pendenza

della curva di taratura è chiamata

costante di taratura.

Portata: limite superiore assoluto del campo di misura.

Sovraccarico nominale: valore massimo consentito per la grandezza da

misurare oltre il quale lo strumento subisce danni (normalmente 3-4

volte la portata



Campo di misura: intervallo tra i valori minimo e massimo rilevabili.

Campo di impiego: intervallo di valori entro il quale deve essere compresa

ciascuna grandezza di influenza (temperatura, umidità, vibrazioni e tempo

trascorso dall’ultima operazione di messa in punto) per poter applicare il

diagramma di taratura.

Campo di sicurezza: intervallo di valori entro il quale deve essere

compresa ciascuna grandezza di influenza durante l’uso di un dispositivo

per misurazione affinché non risulti alterato il suo diagramma di taratura.

Campo di magazzino: intervallo di valori entro cui deve essere compresa

ciascuna grandezza di influenza per tutto il tempo in cui il dispositivo non

è in funzione affinchè non risulti alterato il suo diagramma di taratura.



Campo di sicurezza per il misurando: intervallo di valori che possono

essere applicati all’ingresso di un dispositivo per misurazione senza

alterare il suo diagramma di taratura.

Se il segnale d’uscita è elettrico devono essere indicati:

• campo di valori che il segnale d’uscita assume in corrispondenza del

campo di misura;

• condizioni d’uso dell’uscita (impedenza dello stadio di uscita ed

massima potenza erogabile).

Se il segnale di uscita è numerico bisogna conoscere le regole di codifica

(protocollo di comunicazione).

“MISURE ELETTRICHE E TERMICHE”

Milano, 21/11/2018 45

Caratteristiche in regime stazionario

Risoluzione: attitudine a rilevare piccole variazioni del misurando.

Soglia: il minimo valore del misurando che genera un valore di lettura

apprezzabile.

Ripetibilità: capacità di uno strumento di fornire letture poco differenti tra

di loro a parità di valore del misurando e delle grandezze di influenza.

Stabilità: è un concetto analogo alla ripetibilità, ma riferito ad un

determinato intervallo di tempo.

Isteresi: tendenza di uno strumento a fornire valori di lettura diversi in

corrispondenza dello stesso misurando, quando questo è fatto variare per

valori crescenti o decrescenti. L’isteresi, espressa in valore assoluto o in

percentuale della portata, assume solitamente valori diversi per diversi

campi di escursione del misurando.


Caratteristiche in regime stazionario

Fondo scala: rappresenta il valore massimo che può essere misurato da un

determinato strumento di misura

Classe di Precisione: rapporto fra l’errore massimo che può essere

commesso e il fondo scala.

Gli strumenti sono suddivisi in classi contraddistinte da un numero detto

indice di classe.

Le classi previste dalle Norme CEI sono: • Classe 0.05. errore inferiore allo 0.05% del fondo scala;

• Classe 0.1. errore inferiore allo 0.1% del fondo scala;




• Classe 1. errore inferiore allo 1% del fondo scala;



• Classe 3. errore inferiore allo 3% del fondo scala.


Il concetto di precisione di una misura è duale di quello di incertezza.

Una misura è tanto più precisa quanto più i singoli valori misurati in

condizioni di ripetibilità si concentrano intorno alla media della serie di

misure effettuate. Una misura è tanto più precisa quanto minore è la

componente casuale.

La precisione può essere espressa come

Percentuale del valore misurato:

ES: la precisione di un flussometro è di ±3%

Se il valore misurato è 1000 kg/h avremo una precisione pari a:

1000 – 3% = 970 kg/h

1000 + 3% = 1030 kg/h


Percentuale del fondo scala

Es: la precisione di un flussometro è 0,3% del fondo scala, pari a 1000 kg/h

Se il flusso è 1000 kg/h avremo

1000 kg/h - 0.3% = 997 kg / h e 1000 kg/h + 0.3% = 1 003 kg/h

Se il flusso è 50 kg/h avremo

50 kg/h - 3 kg/h = 47 kg/h e 50 kg/h + 3 kg/h = 53 kg/h

con precisione pari a ±6%


Metrologia: scienza che studia il linguaggio delle misure, le unità di misura,

i metodi più adatti ed accurati per misurare.

Nasce dalla necessità di operare mantenendo determinati standard

qualitativi.

Esistono due tipi di metrologia:

Scientifica: si occupa essenzialmente della realizzazione di campioni

(mondo scientifico e accademico).

Legale: tutela la fede pubblica, i consumatori, gli scambi commerciali (la

struttura garante è CCIAA) e si occupa dell'insieme delle procedure

legislative, amministrative e tecniche stabilite dalle pubbliche autorità, per

assicurare la qualità e la veridicità delle misure in materia di controlli

ufficiali, commercio, salute, sicurezza e ambiente.


Le basi della metrologia sono le norme.

Norme tecniche: contiene le specifico di un organismo normatore e non è

obbligatoria.

Regola tecnica: è emanata dall’autorità (può incorporare le norme tecniche)

ed è obbligatoria.


Direttiva 2004/22/CE nota come MID (Measuring Instruments Directive)

Recepita con D.Lgs n.22 del 2 febbraio 2007 regola gli strumenti di misura

utilizzati per scopi commerciali e con usi metrico-legali, specificando

regole tecniche certe e condivise (prove e limiti di accettabilità) per 10

tipologie di strumenti “legali”, scelti in settori tipici della moderna società:

contatori dell'acqua (MI 001),

contatori del gas e i dispositivi di conversione del volume (MI 002),

contatori di energia elettrica attiva e trasformatori di misura (MI 003)

contatori di calore (MI 004),

sistemi di misura per la misurazione continua e dinamica di

quantità di liquidi diversi dall'acqua (MI 005),

strumenti per pesare a funzionamento automatico (MI 006)

tassametri (MI 007)

misure materializzate (MI 008)

strumenti di misura della dimensione (MI 009)

analizzatori dei gas di scarico (MI 010).



• La MID introduce un nuovo approccio per la dichiarazione di

conformità. imponendo requisiti essenziali definiti e legati al tipo di

misura piuttosto che alle caratteristiche degli strumenti.

• La MID, infine, non impone nessuna regola sulle verifiche

periodiche degli strumenti durante il servizio, lasciando a ciascuno

Stato Membro la libertà di stabilire le proprie, anche al fine di

garantire la continuità con le norme nazionali in materia.

• L’art 19 del D.Lgs n.22 del 2 febbraio 2007 «Il Ministro dello sviluppo

economico stabilisce, con uno o più decreti, i criteri per l'esecuzione dei

controlli metrologici successivi sugli strumenti di misura disciplinati dal

presente decreto dopo la loro immissione in servizio.



In particolare il DM n.32 del 18 gennaio 2011 stabilisce i criteri per

l'esecuzione dei controlli metrologici successivi sui sistemi per la

misurazione continua e dinamica di quantità di liquidi diversi dall'acqua.

Tali decreti prevedono i seguenti controlli metrologici successivi:

• verificazione periodica (effettuata da idonei laboratori )

• controlli metrologici casuali (dalle Camere di commercio)

Un aspetto importante da sottolineare è che la Direttiva MID cita il tema

della vigilanza sul mercato ovvero quella specifica attività di verifica e

controllo - casuale - che viene effettuata dopo l'introduzione sul mercato e

prima della messa in uso degli strumenti (assegnata alle CCIAA)


http://www.metrologialegale.unioncamere.it/upload/file/DECRETO_18_gennaio_2011,_n__32.pdf

Il sistema delle Camere di Commercio, a partire dall’entrata in vigore del D.

Lgs. 31 marzo 1998 n.112 , si occupa di Metrologia legale.

Tutti gli strumenti metrici regolamentati da disposizioni normative

(comunitarie o nazionali) rientrano nell’ambito di competenza delle CCIAA.

Le verifiche che la CCIAA esegue sono:

• la verifica prima: volta ad accertare e verificare la corrispondenza delle

caratteristiche formali, metrologiche e funzionali degli strumenti agli

standard qualitativi previsti dalle normative vigenti;

• la verifica periodica: ha la finalità di accertare il mantenimento, nel

tempo, dell’affidabilità metrologica (sono esclusi dall’obbligo della

verificazione periodica i misuratori di gas, di acqua ed elettrici).

• il collaudo di posa in opera: corrisponde ad una verifica prima e si

esegue sul luogo di funzionamento degli strumenti "fissi.


Misure di energia termica

◦ Misura della portata

◦ Misura della temperatura

◦ (Misura della trasmittanza in opera)


Potenza termica (flusso termico) che attraversa una superficie in regime stazionario

◦ Parete piana:

◦ Tubazione:

Potenza termica associata ad una portata di fluido

Grandezze da misurare

Ti

A Tpi

Tpe

Te

Q

𝑄

𝐴= 𝑈 ∙ ∆𝑇 𝑊

𝑄 = 𝑚 ∙ 𝑐𝑝 ∙ ∆𝑇 𝑊

◦ Trasmittanza

◦ Temperatura superficiale

◦ (Flusso termico)

◦ Portata Massica

Volumica

◦ Temperatura del fluido

𝑚 = 𝜌 ∙ 𝑉


Proprietà del fluido: viscosità, densità, conducibilità

Intervallo operativo (portata minima e massima del processo devono essere compatibili con portata minima e massima del misuratore)

Range di temperatura e di pressione in cui si opera

Qualità della misurazione (accuratezza, ripetibilità e riproducibilità, precisione, leggibilità): occorre valutare caso per caso quali tra queste abbiano un peso maggiore.

Identificazione dei requisiti di installazione del misuratore (ad es. evitare turbolenze, o direzionalità – orizzontale o verticale –

Manutenzione (presenza di parti mobili, soggette ad usura e che richiedono calibrazioni periodiche)


A seconda della modalità di misurazione (principio di funzionamento): ◦ «A SPOSTAMENTO»

Rilevano il volume che transita attraverso un’area in un lasso di tempo

◦ «DI VELOCITA’» Ricavano la velocità del fluido misurando una grandezza ad essa proporzionale, calcolando in seguito la portata

In base allo scambio energetico tra sensore e fluido ◦ «ENERGY EXTRACTIVE»

La misura viene a spese dell’energia del fluido, sono intrusivi

◦ «ENERGY ADDICTIVE» Il sensore cede energia al fluido sotto forma di onde elettromagnetiche o ultrasonore, non sono intrusivi


Principio funzionamento

Classificazione Energetica

Intrusivo Perdita pressione

Spostamento Spostamento E.E. Si Alta

Pressione differenziale

Velocità E.E. Si Venturi bassa Bocc. e diafr.

alta

Elettromagnetici Velocità E.A. No Nulla

Vortex Velocità E.E. Si Medio-Basso

Turbina Velocità E.E. Si Basso

A effetto Coriolis Velocità E.A. No Medio-Basso

A ultrasuoni Velocità E.A. No Nulla

Thermal Mass Velocità E.A. No Nulla


L’uso e l’importanza dei PD si è consolidato soprattutto nelle applicazioni connesse a transazioni commerciali, in particolare: ◦ trasferimento fiscale di prodotti petroliferi, petrolchimici, chimici;

◦ caricamento di autobotti, autocisterne, o vagoni cisterna;

◦ rifornimento di aerei;

◦ bunkeraggio di navi;

◦ taratura di serbatoi e autocisterne;

◦ determinazione dei consumi di motori;

◦ calibrazione di contatori già installati;

◦ additivazioni e/o miscelazioni in linea di più prodotti.

La maggior parte dei misuratori di portata per liquidi ammessi alla verificazione metrica e normalmente utilizzati per transazioni legali e fiscali, sono oggi del tipo contatore volumetrico


L’elemento di misura è un organo che viene fisicamente spostato dal transito del fluido.

Lo spostamento è direttamente proporzionale alla quantità che fluisce attraverso l’apparecchio

Non adatto in applicazioni che richiedono grandi portate e soprattutto basse perdite di carico


a) Ad «anello rotante», per acqua e per fluidi a bassa o media viscosità

b) A «palette scorrevoli», per fluidi a bassa viscosità

c) A «lobi», in grado di misurare liquidi con un’ampia gamma di viscosità

d) A «tri-Rotore», indicato per fluidi a media viscosità

e) A «bi-Rotore», indicato nel caso di applicazioni a grosse portate e a basse pressioni

f) A «Disco nutante», molto affidabili e insensibili ai cambiamenti di viscosità del fluido. Leggeri, economici, di facile installazione in campo, ma non molto accurati: utilizzato in campo acquedottistico


Sono anche denominati ΔP meters

Sono gli strumenti più diffusi nelle misure industriali di portata dei fluidi, grazie ad una ormai diffusa normalizzazione internazionale, ed all’affidabilità mostrata

Il loro funzionamento è basato essenzialmente sull’applicazione del Principio di Bernoulli ad un tratto di tubazione chiusa.

Nelle ipotesi di moto unidimensionale e stazionario di un fluido omogeneo in un condotto, permette di uguagliare il contenuto energetico totale in corrispondenza di due generiche sezioni (1 e 2), aventi diametro d1 e d2 e quote z1 e z2 differenti:


Nel caso in cui si strozzi l’area di passaggio di una tubazione orizzontale in cui scorre un fluido in regime stazionario, si provoca una caduta di pressione proporzionale alla velocità, e quindi alla portata

Attraverso trasduttori di pressione si misura la differenza di pressione prima e dopo lo strozzamento, ottenendo la portata

A seconda di come viene ristretta l’area di passaggio del fluido si distinguono:

◦ Diaframma

◦ Boccaglio

◦ Tubo di Venturi

◦ Rotametro


Si distinguono:

Elemento “primario”, inserito nel flusso di fluido, che provoca la strozzatura

Elemento “secondario”: misuratore di pressione differenziale

Un processore elettronico, che può ricevere, processare e mostrare l’informazione. Il processore può anche ricevere dei segnali addizionali di pressione e/o temperatura per eseguire i calcoli di compensazione della densità


È l’elemento più usato, semplice, di basso costo

La normativa di riferimento è la UNI EN ISO 5167


Installazione e presenza di ostacoli

= 𝑑 (𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑜𝑟𝑖𝑓𝑖𝑧𝑖𝑜)

𝐷 (𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑡𝑢𝑏𝑎𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒)


Vantaggi Semplice e robusto

Buona precisione

Basso costo

Se calcoli, tolleranze ed installazione sono conformi alla ISO 5167 non sono necessarie calibrazioni o ricalibrazioni

Svantaggi L’intervallo operativo è limitato a rapporti tra 1:4 e 1:5

Il diaframma può essere danneggiato da colpi d’ariete e si può bloccare in un sistema mal progettato o male installato

Il bordo squadrato dell’orifizio si può erodere nel tempo, in particolare in presenza di vapore umido o sporco.

La lunghezza delle tubazioni può essere determinante. Tipicamente, per una buona accuratezza, sono richiesti almeno10 diametri di tubazione senza ostuzioni a monte e 5 diametri a valle. Possibile problema per impianti compatti.


Variazioni di area meno repentine

Possono avere una perdita di carico molto bassa: sono preferiti quando ci sono grosse portate, negli acquedotti ad esempio, dove si possono ottenere grossi risparmi sul pompaggio.

Dimensioni molto rilevanti


Più costosi dei diaframmi ma più economici dei venturi

Vengono spesso usati per flussi di vapore ad alta velocità (più stabili rispetto ai diaframmi)


Composto da un tratto di tubo verticale trasparente e graduato, nel quale è disposto un galleggiante.

Il galleggiante crea una perdita di pressione localizzata dovuta al restringimento della sezione di passaggio.

Per una certa portata, quando si bilanciano le forze verticali di pressione differenziale, di gravità, di viscosità e di galleggiamento, il galleggiante rimane in equilibrio.

La posizione del galleggiante corrisponde ad una data portata che scorre nel tubo


Usati per piccole e medie portate

Industria chimica, petrolchimica, farmaceutica, alimentare, trattamento acque, centrali termiche

Necessitano un’installazione verticale (flusso dal basso verso l’alto).

Richiedono una taratura rispetto a pressione e temperatura standard di riferimento.

◦ Con opportune correzioni possono essere poi usati in condizioni di esercizio differenti.

Applicazioni a fluidi monofasici

Economici

Strumento con precisione molto inferiore ai precedenti


Presenta un ostacolo al flusso (galleggiante), mobile Utilizza una molla come forza bilanciante Poiché indipendente dalla gravità, può essere utilizzato su qualsiasi

piano, anche con un flusso diretto dall’alto verso il basso Note la geometria del galleggiante e le caratteristiche della molla, la

caduta di pressione è proporzionale alla portata

Vantaggi

Elevato intervallo operativo, con rapporti fino a 1:100 Buona precisione, in media ±1% del valore misurato nel caso di

vapore Compatto – un DN100 richiede solo 60 mm tra le flange

Svantaggi

Può essere costoso


Vantaggi

◦ Facilità di utilizzo e manutenzione

◦ Precisione

Punti di attenzione

◦ Considerare attentamente le perdite di carico (soprattutto per diaframma e boccaglio)

◦ Distanza di tubo dritto a monte e a valle (per diminuire il disturbo dato dalle turbolenze)

◦ Variazioni della densità


Se si inserisce una turbina in un tubo contenente fluido in movimento la velocità di rotazione della turbina dipenderà dalla portata del fluido

La velocità si misura misurando la frequenza con cui le palette della turbina passano per un determinato punto usando un dispositivo magnetico di prossimità.

Norme di riferimento:

◦ ISA RP 31.1 (definizione della linearità della turbina) ◦ API 2536 (installazione ) ◦ EN 12261 (per misuratori di gas, p max 420 bar, portata max di gas 25000 m3/h)


VANTAGGI Economici e versatili Non generano eccessive perdite di carico Adatti a liquidi e gas Intervallo operativo con rapporto fino a 1:10 è ottenibile con una buona installazione

con la turbina operante in buone condizioni Buona precisione (± 0.5% del valore misurato)

SVANTAGGI Manutenzione per il logoramento dei cuscinetti (soprattutto con vapore umido) Generalmente calibrati per una specifica pressione: ogni variazione di pressione porta

inaccuratezze Periodica ri-calibrazione Sconsigliati se il fluido è sporco o contiene materiali abrasivi Richiedono una significativa lunghezza di tubo dritto a monte (raddrizzatori di flusso

indispensabili)

CAMPI DI UTILIZZO Vapore surriscaldato Liquidi, soprattutto con proprietà lubrificanti


Il principio di funzionamento si basa sul fenomeno di distacco di vortici (karman vortex) a valle di un corpo solido dai bordi smussati immerso in un fluido investito da un flusso stazionario

Se Reynolds>10000 si ha formazione di vortici con frequenza di distacco: f=(Nst v)/d

Per opportune geometrie il numero di Strouhal è costante, quindi dalla misurazione della frequenza dei vortici si può risalire alla velocità e quindi alla portata


Vantaggi Sono insensibili alla variazione di pressione, temperatura e viscosità Perdite di carico trascurabili Non hanno parti in movimento Intervallo operativo di norma ragionevole, con rapporti da 1:4 a 1:25 a

seconda dell’applicazione

Svantaggi Inadatti a basse portate (non vengono misurate) Necessitano di corretta installazione e lontananza da ostruzioni

(analoghi ai diaframmi)

Campi di utilizzo Vapore Gas metano di alimentazione delle centrali termiche In applicazioni HVAC spesso utilizzati nei sistemi ad aria compressa


Utilizzano per la rilevazione del flusso la modalità di propagazione di un disturbo di pressione attraverso un fluido in moto

La velocità con cui si propagano i disturbi dipende infatti dalle caratteristiche del fluido e dalla sua velocità

Vengono utilizzati brevi treni di onde sinusoidali (circa 10 MHz)

Sulla base del principio fisico utilizzato, possono essere suddivisi in due categorie:

◦ Misuratori a tempo di transito

◦ Misuratori ad effetto Doppler


Misurano la differenza di tempo necessaria ad attraversare diagonalmente il flusso.

Si posizionano due trasduttori entrambi in grado di emettere e ricevere treni di onde

Si misurano direttamente i tempi di volo impiegati dai treni di onde in direzione del flusso (TAB) e in direzione opposta al flusso (TBA)

Conoscendo i tempi di volo e le caratteristiche geometriche del tubo della configurazione di installazione del misuratore si ottiene la velocità del fluido


Misurano la variazione di frequenza degli impulsi riflessi dalle particelle sospese nel flusso

Onde emesse e ricevute hanno due frequenze differenti.

Misurando la differenza di frequenza abbiamo una misura della velocità del flusso

Si misura la velocità delle particelle, non del liquido

Ci deve essere un numero sufficiente di particelle riflettenti nel flusso e le particelle devono avere diametro grosso per avere una buona riflessione

Per avere una misura corretta necessita di molti diametri a monte (20xD)


I trasduttori possono essere

◦ Wetted a contatto con il fluido ed in posizione fissa

◦ Clamp-on mobili montati all’esterno della tubazione


Differenti possibilità di installazione dei trasduttori: più percorsi ultrasonori per rendere il più possibile la misura indipendente dal regime di moto


Indicati per fluidi relativamente puliti e per flussi con numeri di Reynolds non troppo elevati

Range di funzionamento molto ampi

Non comportano perdite di carico

Necessitano di una periodica pulizia (trasduttori Wetted)

La conoscenza della geometria del tubo e della configurazione di installazione è molto importante

Limiti sulla viscosità del liquido

Sensibilità al profilo del flusso


Rilevano la portata di un fluido sfruttando la legge di Faraday sull’induzione elettromagnetica

Lo strumento crea un campo elettromagnetico in una porzione di tubazione e nel momento in cui il fluido transita attraverso la sezione interessata dal campo, agisce come un filo conduttore e subisce una forza elettromotrice indotta

La caduta di tensione che si registra è proporzionale alla portata


Sono utilizzati da più di 50 anni in ogni ambito industriale

Range di funzionamento molto ampio

Possono misurare la velocità di un qualsiasi fluido conduttore (range ottimale 1-10 m/s)

Non hanno parti in movimento

Non alterano il campo di moto

Non aggiungono perdite di carico

Molto sensibili a cambi di pressione e temperatura

La tubazione deve essere sempre piena: installazione in verticale. Installazione in orizzontale sconsigliata


Forniscono la portata misurando la cosiddetta forza di Coriolis

Facendo passare un fluido attraverso un condotto a U, viene esercitata una forza radiale sulle tubature

Gli spostamenti provocati da questa forza vengono rilevati da appositi sensori (generalmente elettromagnetici)

Tali spostamenti sono proporzionali alla velocità e la loro misura consente di ottenere la misura della portata

Molto precisi e versatili, sono insensibili a variazioni di densità, viscosità, temperatura e pressione

Perdite di carico contenute


Non hanno parti in movimento

Non sono disturbati da variazioni di pressione o di temperatura

Particolarmente adatti alle misure con gas

Ad immersione od esterni

Possibili problemi di condensazione sulle termoresistenze (errori di misura e corrosione) con gas saturi


Ipotesi di strumento con portata max 1000 kg/h

Intervallo operativo con rapporto 1:4 -> portata min 250 kg/h

Al di sotto di 250 le caratteristiche di precisione dello strumento non sono più valide: possono esserci misure di portata affette da errore, oppure la misura può non avvenire affatto (!!)

Nell’esempio il «flusso perso» è pari a più di 700 kg di vapore in un periodo di 8 ore

Il flusso totale è pari a circa 2700 kg -> il flusso «perso» è quindi il 35% circa di quello effettivamente misurato


Per avere misure di portata accurate occorre :

Compiere ogni sforzo possibile per avere una valutazione precisa e completa della variabilità della portata da misurare, nell’ambito del processo da monitorare

Scegliere uno strumento che sia in grado di misurare il valore massimo previsto

Scegliere uno strumento il cui intervallo operativo sia sufficientemente ampio da coprire tutte previste variazioni di flusso


Strumento ETS - Gas EST - Liquido CAR

(DM 5/9/11)

Rotor (spostamento) 0-20% F.S. : ±3%

20-100% F.S. : ±1.5% 5-100% F.S. : ±0.3% ±2%

Turbina 0-20% F.S. : ±3%

20-100% F.S. : ±1.5% 5-100% F.S. : ±0.3% ±2%

Diaframma 30-100% F.S. : ±1.5% 30-100% F.S. : ±1.5% ±2%

Venturimetro 20-100% F.S. : ±1.5% 20-100% F.S. : ±1.5% ±2%

Vortex 10-100% F.S. : ±2% 10-100% F.S. : ±1.5% ±2%

Coriolis 1-100% F.S. : ±1% 1-100% F.S. : ±1% ±2%

Ultrasuoni 1-100% F.S. : ±0.5% 1-100% F.S. : ±0.5% ±2%

Elettromagnetici - - ±2%


La temperatura TA di un corpo A si può misurare portando un certo corpo B (strumento di misura) in equilibrio termico con A e osservando le variazioni di qualche proprietà del corpo B che vari con la temperatura (es. pressione, volume, ecc. …)


La temperatura non è misurabile mediante confronto con campioni unitari del grandezza ma occorrono strumenti tarati rispetto a punti fissi e con adeguata scala

Sistema Internazionale Unità Misura Definisce campioni per quattro grandezze fondamentali:

◦ Lunghezza

◦ Tempo

◦ Massa

◦ Temperatura diverso concetto di campione

L’ unità campione è una quantità che può essere divisa o moltiplicata per generare una qualsiasi ampiezza della grandezza

Se due oggetti di massa uguale vengono “combinati” la massa totale risulterà doppia (idem per tempo e lunghezza)

NON VALE PER LA TEMPERATURA


E’ necessario scegliere uno strumento, una temperatura di riferimento e fissare una regola per definire la differenza tra la temperatura di riferimento e le altre temperature.

Es.

◦ La scala Celsuis sfrutta la proprietà della dilatazione di fluidi con la temperatura: attribuisco il valore 0°C al punto di fusione del ghiaccio e 100°C al punto di ebollizione dell’acqua .

Interpolando linearmente tra questi due punti si costruisce la scala di temperatura


La temperatura termodinamica può essere misurata con il termometro a gas ideale basato sulla legge dei gas perfetti pV=R’ T ◦ I termometri a gas ideale sono di difficile uso e poco ripetibili

Utilizzo di altri strumenti per la definizione di campioni standard per definire la: Scala Internazionale delle Temperature (ITS

International Temperature Scale) che, con le

revisioni del 1948-54-60-68 e 1990 è oggi il riferimento per le misure di temperatura


ITS 90 tra 0.65 K e 5 K

◦ Misure di pressione del vapore

ITS 90 tra 5 K e punto triplo del Neon

◦ Termometro a gas a volume costante

ITS 90 tra 13.8 K e 1234.93 K

◦ Termometro a resistenza di Platino tra determinati punti fissi

ITS 90 oltre 1234.93 K

◦ Termometro a radiazione


La temperatura è una grandezza intensiva, dunque non esiste il campione di temperatura

La temperatura sarebbe completamente definita dalla termodinamica: questa scelta però è di difficile applicazione

Esiste una scala empirica (Scala Internazionale delle Temperature) riconosciuta a livello internazionale, con le seguenti caratteristiche: ◦ è facilmente riproducibile

◦ è vicina alla scala termodinamica

◦ viene periodicamente revisionata, l’ultima revisione è del 1990 (ITS-90)


Termometri a espansione

Termometri a resistenza metallica (termoresistenze)

Termistori

Termocoppie

Pirometri e termocamere (termometri ad irraggiamento)


I termometri ad espansione, o a dilatazione meccanica, sfruttano le variazione di volume di materiali diversi (solidi, liquidi, gas) provocate dalle variazioni di temperatura.


I termometri a resistenza sfruttano la variazione di resistività elettrica con la temperatura caratteristica di molti materiali.

In prima approssimazione la variazione con la temperatura viene ritenuta costante ed è ben nota la relazione utilizzata:

Dove 0 è la resistività a 0 °C e T la temperatura in gradi celsius. In realtà i materiali hanno comportamenti non lineari con la temperatura e l’approssimazione lineare è valida solo in campi limitati

Materiali utilizzati: Platino (Pt), Nichel (Ni), Rame (Cu)

T 10


Platino (Pt):

◦ nella quasi totalità delle applicazioni per la sua maggior resistenza all’ossidazione, resistività elettrica e riproducibilità.

Nichel (Ni):

◦ presenta un maggior coefficiente di temperatura a rispetto al Pt, una minor resistenza all’ossidazione, minor resistività elettrica e minor possibilità di purezza.

Rame (Cu):

◦ presenta coefficiente di temperatura costante rispetto Pt, minor resistenza all’ossidazione e minor resistività elettrica


Circuiti di misura delle termoresistenze possono essere di diverso tipo; in ogni caso misurare una temperatura con una termoresistenza significa di fatto misurare una resistenza

Per la lettura si utilizzano circuiti potenziometrici

Esistono circuiti a (2), 3, 4 fili

Correzione possibile Correzione non possibile

Soluzione migliore ma più costosa


In ambito industriale i termometri a resistenza al platino sono largamente utilizzati pertanto sono stati oggetto di standardizzazione da parte di vari enti normatori.

In ambito europeo la standard utilizzato è quello che corrisponde alla norma IEC751, recepita con la CEI EN 60751

Tale normativa definisce le caratteristiche che una termoresistenza al platino deve avere per essere dichiarata conforme


Secondo la norma IEC 751 (1995) le Pt100 sono classificate a seconda della tolleranza nella misura fornita:

Pt100 Classe A ±0,15 °C [0 °C] ±0,06 Ω [0 °C]

Pt100 Classe B ±0,30 °C [0 °C] ±0,12 Ω [0 °C]

Ad es.

Pt100/A/3/-50/+400

resistenza al platino con resistenza a 0°C pari a 100 Ω , di classe di precisione A, con collegamento a tre fili, per quale la conformità alla norma è garantita nel campo . -50÷400°C.


Vantaggi

o Ottima accuratezza

o Elevato campo di misura

o Stabili e lineari

Svantaggi

o Costo

o Sensibilità ad urti e vibrazioni;

o Costante di tempo elevata a causa di involucro (inerzia termica)

o Riscaldamento per effetto Joule può causare errori


Sono misuratori di temperatura che sfruttano la variazione di resistenza in funzione della temperatura.

Differenza dalle RTD è il materiale che li costituisce:

◦ termoresistenze: conduttori metallici (es. Pt);

◦ termistori: semiconduttori metallici.


Vantaggi

◦ libertà di forma

◦ piccole dimensioni

◦ tempi di risposta molto piccoli (τ bassa)

◦ basso costo;

◦ possibilità di collegamento a 2 fili

Svantaggi

◦ bassa riproducibilità

◦ bassa intercambiabilità

◦ campi di misura limitati

◦ non lineari

◦ fragilità


Effetto Seebeck

In un circuito formato da 2 materiali diversi A e B, se i giunti sono a temperatura T1≠T2, nel circuito si genera una f.e.m. funzione della differenza di temperatura


Nell’utilizzare una termocoppia per la misura di una temperatura incognita, la temperatura di una delle due giunzioni (chiamata giunzione di riferimento) deve essere nota per una qualche via indipendente.


Le termocoppie per misure industriali sono standardizzate dalla norma IEC 60584 che prevede i materiali delle coppie che vengono codificate con una lettera.

I tipi più utilizzati sono la K ,T ,J la prima in particolare può essere utilizzata fino ad oltre 1200 °C per la buona resistenza all’ossidazione mentre le altre sono particolarmente economiche.


fem generate con giunto di riferimento a 0°C:


Un termometro a termocoppia ha bisogno di realizzare al suo interno il giunto di riferimento che nella misura in laboratorio viene ottenuto con un bagno a ghiaccio fondente, corrispondente allo 0°C.


I termometri industriali operano con due principi diversi ovvero la stabilizzazione del giunto o la misura e correzione. Nella stabilizzazione il giunto viene mantenuto a temperatura superiore a quella ambiente tramite, controllata tramite un circuito che alimenta riscaldatori elettrici.


Nel caso della compensazione della temperatura un termometro misura la temperatura del giunto interno in parallelo alla FEM della termocoppia e viene operata la compensazione per le temperatura del giunto interno al fine di ottenere la temperatura del giunto di misura


Termopile

N termocoppie in serie con giunti a T1 e T2. Aumenta la sensibilità (si riduce anche incertezza in misura).di misura


Costituiti da una termopila che misura il T tra i due lati di uno strato la cui conducibilità è nota, e di cui sono note le dimensioni

𝑄

𝐴=

𝜆

𝑠 ∙ ∆𝑇


Termocoppie in parallelo

Misurano T media tra le giunzioni di misura. Si utilizza quando si desidera misurare una temperatura media


Vantaggi ◦ semplici; ◦ robuste; ◦ basso costo; ◦ vasta varietà di tipi e forme; ◦ ampi campi di misura

Svantaggi ◦ non lineari; ◦ bassi valori di tensione in uscita; ◦ necessità di riferimento; ◦ poco stabili; ◦ poco sensibili.


In presenza di uno strumento tarato e calibrato da un laboratorio SIT (oggi ACCREDIA), è possibile utilizzare lo strumento per calibrare una catena di misura da utilizzare per una campagna sperimentale

Strumento calibrato (ad es. termoresistenza PT100) Catena di misura da calibrare (ad es. termocoppia J +

datalogger)

Ho necessità di almeno 3 punti di misura ◦ Ghiaccio fondente ◦ Acqua in ebollizione ◦ Bagno termostatico (consente più punti di misura e di

calibrare lo strumento nel range specifico di utilizzo)


Per ciascun punto di calibrazione, dopo aver atteso un tempo sufficiente ad avere condizioni stazionarie

◦ Leggo la fem (V) della catena di misura termocoppia + datalogger -> Misura (x)

◦ Leggo la fem (V) dello strumento tarato dal laboratorio SIT (ACCREDIA)

◦ Ottengo la corrispondente T -> Lettura (y)


Se i punti a disposizione sono più di due si passa ai procedimenti di minimizzazione degli scarti fra punti sperimentali e curva (o retta) approssimante. Si trova la retta che “mediamente” segue meglio l’andamento dei punti senza necessariamente passare per alcuno di essi.


Metodo ai minimi quadrati

Dati ad es. i tre punti : A(1,2), B(2,1), C(3,3).

Interessa la retta che al meglio approssima i punti dati.

I parametri da riconoscere sono a e b: ci sono 2 incognite e 3 equazioni. La retta non passa in generale per alcuno dei punti assegnati, vi sono quindi dei residui:


Metodo ai minimi quadrati

Si fissa una funzione obiettivo da minimizzare: nei minimi quadrati questa è l’errore quadratico medio


Sono sensori di misura senza contatto

Problemi e limiti dei sensori a contatto, superati dai sensori senza contatto:

◦ Utilizzando strumenti di misura di temperatura a contatto,

il sensore deve avere stessa temperatura del misurando

◦ ad altissime temperature il sensore può fondere

◦ ad altissime temperature il sensore perde isolamento

◦ resta sempre il problema dell’effetto di carico del sensore sul misurando


Gli strumenti di misura di temperatura a radiazione sfruttano la radiazione emessa dal corpo di cui voglio misurare la temperatura

Tutti i corpi emettono energia radiante in funzione della temperatura a cui si trovano (energia è radiazione elettromagnetica, prevalentemente nel campo dell’IR e del visibile alle alte temperature)


Corpo nero: corpo ideale che assorbe tutta l’energia radiante che incide su di esso

L’emissione spettrale del corpo nero è soltanto funzione della temperatura.

Emissività ε: rapporto tra l’energia radiante emessa da un certo corpo ad una data temperatura e quella emessa dal corpo nero alla stessa temperatura.

Per il generico corpo grigio vale:


La radiazione emessa dal corpo misurato viene focalizzata su un sensore di radiazione, che produce un segnale elettrico in risposta al flusso radiante in ingresso.


Misura senza contatto

Assenza effetto di carico;

Studio in aree pericolose (es. alta tensione);

Monitoraggio corpi ad elevata temperatura (es. bagni di fusione)

Misura estesa ad una superficie: un singolo fotogramma contiene una mappa termica e non una misura puntuale


Possibilità di compiere misure senza l’interruzione del ciclo produttivo:

Campo di misura molto esteso (macchina standard da laboratorio raggiunge tipicamente range di misura da -20°C a 1500°C)

Costante di tempo attorno ai 12ms (sensore microbolumetrico), risoluzione termica fino a 3 centesimi di grado

Svantaggi

◦ Necessità di un operatore qualificato

◦ Grossi impedimenti nel caso di materiali con emissività bassa (si può arrivare anche all’impossibilità della misura)

◦ Necessità di schermare la termocamera dalle emissioni ambientali

◦ Incertezza legata alla conoscenza dell’emissività


Controlli industriali


Componentistica elettrica


Presenza di ponti termici


Tubazioni nella muratura o nella pavimentazione


Esempio di errore compiuto nell’errata impostazione dell’emissività

◦ Nell’ipotesi di assumere = 1, sia la temperatura rilevata dalla

termocamera pari a 𝑇𝑜𝑔𝑔,𝜀=1 = 80°𝐶

◦ Sia invece la corretta emissività del corpo pari a = 0.8

◦ Sia la temperatura dell’ambiente circostante pari a 𝑇𝑏𝑎𝑐𝑘 = 25°𝐶

◦ La corretta temperatura dell’oggetto è:

𝑇𝑜𝑔𝑔,𝜀≠1 = 273.15 + 80 4 − 1 − 0.8 273.15 + 25 4

0.8

4

= 363.55 𝐾 = 90.4 °𝐶

ERRORE DI 10.4°C!!!!!

L’impostazione di una corretta è fondamentale!


Grandezza Accuratezza richiesta

Temperatura 600°C ±(0.15°C + 0.002 |t|)

Temperatura > 600°C ±(1.5°C + 0.004 |t|)


Scelta e installazione degli strumenti di misura

Prima di scegliere e installare uno strumento è necessario conoscere i parametri nominali del sistema elettrico oggetto della misura - Livello di tensione (Alta tensione, media tensione, bassa tensione) - Valore massimo della corrente misurata - Corrente alternata o corrente continua - Frequenza (in Italia la frequenza della tensione fornita è 50 Hz) - Eventuale presenza di armoniche di corrente generate dal carico


Rete di distribuzione in bt e MT : tensioni standard

E1 , E2, E3 : Tensione di fase = 230 V

V12 , V23, V31 : Tensioni concatenata = 400 V

Utenti Bt - tre fili + neutro Utenti in MT

MT/BT

- Utenti industriali con propria cabina MT/BT

- potenza installata superiore a 100 kW (CEI 0-21)

- Grosse Utenze, es. forni ad arco

V12 , V23, V31: Tensione nominale 10 kV – 20 kV

- Utenti residenziali, uffici, aziende - potenza installata inferiore a 100 kW

(CEI 0-21)


Principali parametri della fornitura in corrente alternata


Caratteristiche nominali della fornitura in corrente alternata in bt

Periodo della sinusoide T: 0,02 sec Frequenza: 50 Hz (1/T) – numero di cicli al secondo Valore di picco della tensione: 325 V Valore medio nel semi periodo : 0,636 Vx Valore medio nel periodo T : Zero


Corrente e tensione alternata in regime sinusoidale rappresentazione sinusoidale -vettoriale φ

Vx: modulo della tensione (ampiezza) Ix: modulo della corrente (ampiezza) φ: sfasamento tra tensione (Vt) e corrente (It)

Vx

Ix

Vx

Ix

φ


Corrente e tensione alternata in regime sinusoidale

V(t) =Vmax *sen (2πf*t) Tensione sinusoidale i(t) = Imax*sen(2πf*t+φ) Corrente sinusoidale

φ


V= 𝑉𝑥

2= 0,707 ∗ 𝑉𝑥

Valore efficace di tensione e corrente (RMS)

In regime sinusoidale vale la seguente relazione

Nelle reti BT vale E = 0,707 * Ex = 0,707 * 325 = 230 V (Tensione di fase nominale ) V = 0,707 * Vx= 0,707 * 565 = 400 V (Tensione concatenata nominale)

Si dice valore efficace di un'onda sinusoidale (RMS - radice della media del quadrato) il valore equivalente che produce gli stessi effetti di riscaldamento della tensione continua

Se per esempio alimentiamo una resistenza R con tensione continua E = 12 V, oppure lo alimentiamo con tensione alternata avente valore efficace V = 12 V gli effetti sul riscaldamento del resistore sono equivalenti

I= 𝐼𝑥

2= 0,707 ∗ 𝐼𝑥

V


P

Potenza elettrica in corrente alternata monofase

P(t) = i(t)*v(t)

Potenza istantanea che transita in una linea monofase:

Potenza media nel periodo T

Definita potenza attiva :Potenza effettivamente convertita in lavoro utile dal carico


Potenza elettrica in corrente alternata regime sinusoidale

P

230 V

I

Q

A

Q = V*I*senφ: Potenza reattiva si misura in VAR

P = V*I*cosφ: Potenza attiva si misura in Watt [W]

Potenza effettivamente convertita in lavoro utile dal carico

Potenza non associata al lavoro utile ma serve al carico per generare il campo magnetico (avvolgimenti) o il campo elettrico (condensatori)

A = V*I = 𝑃2 + 𝑄2 Potenza apparente si misura in VA

Totale potenza assorbita dal carico

V

I

φ P

φ

Q A

V: Valore efficace della tensione

I: Valore efficace della corrente


Potenza reattiva induttiva e capacitiva in regime sinusoidale

P

φ

Q A

Potenza reattiva capacitiva (condensatori)

Convenzionalmente ha segno negativo L’energia reattiva induttiva è assorbita dalla maggior parte delle utenze Nel caso risulta eccessiva viene fatta pagare in bolletta

Potenza reattiva induttiva (avvolgimenti, motori)

P φ

Q A

Convenzionalmente ha segno opposto alla potenza reattiva induttiva Nella maggior parte delle applicazioni viene generata per compensare/annullare l’assorbimento induttivo –(rifasamento ) Nel caso risulta eccessiva potrebbe causare problemi alla rete (sopraelevazioni di tensione) “MISURE ELETTRICHE E TERMICHE”

Milano, 21/11/2018 156

Misura dell’energia attiva e reattiva – fattore di potenza in regime sinusoidale

P = V*I*cosφ : Potenza attiva

Q = V*I*senφ : Potenza reattiva

: Potenza apparente

Energia Attiva

Energia Reattiva

Energia Apparente

Fattore di Potenza carichi lineari (motori)

Cosφ = 𝑃

𝐴 ∶ 𝑓𝑎𝑡𝑡. 𝑑𝑖 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎 𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑎𝑛𝑒𝑜

Cosφ = 𝐸𝑝

𝐸𝑎: 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑖𝑛 𝑢𝑛 𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑜 (𝑒𝑠.𝑚𝑒𝑠𝑒)

P

φ

Q A

Relazione valida solo in regime sinusoidale


Misura della potenza trifase

Sistema trifase generico

Sistema trifase simmetrico ed equilibrato (motore elettrico trifase)

E1

E2 E3

120°

I2

I3

I1

P

A

φ

Q


Potenza assorbita dai carichi elettrici

I

φ ≈ 0

Forno elettrico

V

Potenza assorbita quasi totalmente attiva

Elettropompe - motori elettrici

V

I

φ

• Q≈0 (avvolgimenti e condensatori normalmente non presenti)

• P = A (la potenza assorbita viene convertita quasi esclusivamente in calore)

• Cosϕ ≈1

Potenza assorbita: attiva e reattiva

Potenza attiva (P) per generare la coppia motrice all’albero Potenza reattiva (Q) per generare il campo magnetico all’avvolgimento Cosϕ=0,85 -> ϕ = 31,7

P=15 kW cosϕ=0,85 -> Q= P*tgϕ = 15*0,62 = 9,3 kVAR

Esempio:


Carichi elettrici – generatori in Corrente continua

CC

+ -

+ - V If

+ -

In corrente continua L’unica potenza misurata è data da: P=V*I Non si genera e non si assorbe potenza reattiva in quanto tensione e corrente non sono sfasati

P=V*If

Ib

P=V*Ib


R S T

N Utenza domestica Utenze commerciali Piccoli uffici - industrie Mono fase – trifase

Misuratore rileva i prelievi di energia elettrica Attiva e Reattiva per fasce orarie

Delibera ARG/elt 199/11 – tabella 5 periodo regolatorio 2012-2015 Delibera 180/2013/R/EEL- dal 1° gennaio 2016

Misura energia attiva e reattiva

Misuratore rileva i prelievi di • Energia attiva (kWh) • Potenza Attiva (kW) (medio e

di picco per fasce orarie)

Utenza con fornitura ≥16,5 kW Utenti in MT

Penalità per prelevi di energia reattiva stabiliti dall’AEEG:


Perché misurare l’energia reattiva: penalità in bolletta

Una potenza reattiva eccessiva viene pesantemente conteggiata in bolletta (penale).

R

S M ~ T

P

Q

Basso fattore potenza

Elevata potenza reattiva assorbita

Elevata perdita nelle linee per effetto joule

Per clienti con potenza impegnata > 16,5 kW Periodo regolatorio 2012-2015 Fattore potenza medio mensile, nelle fasce F1 e F2, è inferiore a 0,9


Misura dell’energia reattiva: nuove penalità dal I° gennaio 2016

• se il fattore di potenza medio mensile in fascia F1 e F2 sarà inferiore a 0,95 ovvero

• se l’energia reattiva impegnata sarà superiore al 33% dell’energia attiva prelevata.

• se l’energia reattiva impegnata sarà superiore al 75% dell’energia attiva prelevata.

Inoltre • Il gestore della rete potrà chiedere un adeguamento dell’impianto utente (o lo stacco dalla rete) se:

• Il FP istantaneo nel momento di massimo carico, per prelievo in periodo di alto carico, è inferiore a 0,9; • Il FP medio mensile è inferiore a 0,7; • Il cliente immette in rete potenza reattiva

Delibera 180/2013/R/EEL

Vengono applicate nuove penalità


Perché misurare l’energia reattiva all’interno di uno stabilimento industriale – perdite nei cavi

P=40 kW

Cavo 3x25 mmq - 100 m

P

Q

Q

Q1

Per misurare la reale potenza reattiva assorbita dal carico occorrono adeguati strumenti di misura (in particolare per carichi non lineari, saldatrici, forni ad arco)

Cosφ Motore Perdite di rete per effetto Joule(kW)

0,5 3,2

0,6 2,3

0,7 1,6

0,8 1,3

0,9 1


Strumenti per il monitoraggio elettrico

Tipologie e classi di precisione


Caratteristiche principali degli strumenti

portata: indica il valore massimo della grandezza incognita misurabile con lo strumento. La portata corrisponde al limite superiore assoluto del campo di misura. Ip = 0-5 A Ip= 0 - 100 A sovraccarico: indica la possibilità di effettuare misure di grandezze superiori alla portata, il sovraccarico è spesso espresso in percento della portata. (es., se un wattmetro ha la portata voltmetrica Vo = 220 V e portata amperometrica Io = 5 A, e viene indicato con Vo = 220 (380) V e Io = 5 (10) A, significa che i valori di tensione e di corrente fra parentesi sono quelli ammessi in condizioni di sovraccarico) gamma di frequenza: è l'intervallo di frequenza entro il quale lo strumento assicura l'accuratezza nominale. (es 40 – 100 Hz) risoluzione: esprime la minima variazione della grandezza misurata rilevabile con sicurezza attraverso uno spostamento dell'indice (strumenti elettromeccanici).


Normativa CEI di riferimento per strumenti di misura

Il comitato 13 del CEI è interamente dedito alla pubblicazione di norme sulla misura dell’energia attiva e reattiva e sui relativi apparecchi:

CEI EN 50470-1 (13-52), CEI EN 50470-2(13-53), CEI EN 50470-3 (13-54) che forniscono le prescrizioni di prova sia per i contatori elettromeccanici di energia attiva sia per i contatori statici, definendo nuove classi di precisione A, B, C

CEI EN 62053-21 (13-43) Apparati per la misura dell'energia elettrica (c.a.) - 2003 Prescrizioni particolari Parte 21: Contatori statici di energia attiva (classe 1 e 2) CEI EN 62053-22 (13-44) Apparati per la misura dell'energia elettrica (c.a.) -2003 Prescrizioni particolari Parte 22: Contatori statici per energia attiva (classe 0,2 S e 0,5S)

Norme per i contatori di energia attiva utilizzati in ambito residenziale, commerciale e industriale in bassa tensione – anno 2007


Classe di precisione degli strumenti di misura delle grandezze elettriche: CEI 85-3

La norma CEI 85.3 (Anno 1999 ) ha classificato gli strumenti elettrici industriali in 11 classi di precisione a ciascuna delle quali è assegnato un numero detto indice di classe Cl.

Classe di precisione: Rappresenta il valore massimo dell’errore assoluto che lo strumento può commettere in qualsiasi punto della scala riferito alla portata nominale, espresso in percentuale

voltmetro di classe 0,5 con portata nominale di 200 V

L’errore relativo che viene fatto su una misura M, per uno strumento di portata P e classe Cl si può calcolare come

𝑒𝑟% = 100 ∗𝐶𝑙 ∗ 𝑃

𝑀

Misura fatta a fondo scala er % = Cl

Misura fatta a metà scala er % = 2 Cl

Conviene utilizzare strumenti con portata il più vicino possibile alla misura da effettuare

“MISURE ELETTRICHE E TERMICHE” Milano, 21/11/2018

0,05 – 0,1 – 0,2 – 0,3 – 0,5 – 1 – 1,5 – 2 – 2,5 – 3 - 5

168

Direttiva MID: Measuring Instruments Directive

Recepita in Italia con il D.Lgs n. 22 del 2 febbraio 2007 applicata ai contatori di energia elettrica attiva per uso fiscale

Secondo il comunicato delle Agenzia delle Dogane DEL 23/5/2011 sull’applicazione della Dir. MID:

Le classi di precisione minime dei contatori di energia elettrica attiva per uso fiscale devono essere: • Classe C per installazione con potenza superiore a 2MW e Tensione maggiore di

100kV • Classe B per installazione con potenza inferiore o uguale a 2MW e Tensione > di

100kV • Classe B per tutte le altre altre applicazioni. • I contatori di energia elettrica attiva di classe 2 (Classe A, secondo CEI-EN 50470-

3) e già installati prima del 23/5/2011 non vanno sostituiti solo se correttamente funzionanti e verificati periodicamente (art.22, comma3, DLg n.22/2007).

Secondo lo stesso comunicato le classi di precisione A, B e C ai fini fiscali sono sostanzialmente corrispondenti alle classi 2, 1, 0,5


Cogenerazione ad Alto Rendimento (CAR)

Decreto Ministeriale 5 settembre 2011 – riconoscimento CAR

Requisiti richiesti per la strumentazione installata ai fini dell’accuratezza delle misure:

Riferimento Normativo per la classe di precisione: CEI EN 50470-1, 50470-2, 50470-3

Misura dell’Energia elettrica per impianti di taglia superiore a 1 MW accuratezza ± 1% Misura dell’Energia elettrica per impianti di microcogenerazione e piccola cogenerazione ± 2%


Esempio Scheda tecnica multimetro digitale


Misure in vero valore efficace (TRMS)

Corrente distorta assorbita da un carico non lineare, carichi che assorbono corrente sotto forma di brevi impulsi (PC, apparecchi a velocità variabile). I vecchi multimetri, calibrati sul valore medio, risultano imprecisi.

Gli strumenti che misurano il vero valore efficace (TRMS) della grandezza effettuano le seguenti operazioni: 1. campionamento dell’onda sull’intero periodo; 2. elevano al quadrato i campioni; 3. sommano i quadrati e ne fanno la media; 4. infine ne calcolano la radice quadrata:

Per avere misure precise in presenza di onde distorte, e per consentire la determinazione della potenza in modo corretto, bisogna sempre utilizzare strumenti in grado di misurare il vero valore efficace (TRMS) delle grandezze.


Strumenti elettromeccanici

L’interazione tra correnti elettriche o tra una corrente ed un campo magnetico, genera una coppia motrice proporzionale alla tensione o alla corrente che si voleva misurare.

• Gli strumenti magnetoelettrici (bobina mobile) sono utilizzabili solo per misure in continua,

• gli strumenti elettromagnetici (a ferro mobile) e elettrodinamici possono essere utilizzati sia in continua sia in alternata,

• gli strumenti ad induzione funzionano solo in alternata


Multimetri elettronici digitali

1

2

3

N

Ingresso Amperometrico

Ingresso Voltmetrico

Inserzione dello strumento diretto per misura monofase

CA

RIC

O


Trasduttori amperometrici

trasformatori a induzione magnetica trasduttori ad effetto Hall Shunt di corrente per misure in CC

Attenzione per ottenere la precisione complessiva l’errore dei trasduttori si deve sommare a quelli dello strumento di misura,


Inserzione Multimetri: possibili errori di connessione RISPETTARE SCRUPOLOSAMENTE L'ABBINAMENTO DI FASE TRA I SEGNALI VOLTMETRICI E AMPEROMETRICI.

Il mancato rispetto di tale corrispondenza e degli schemi di collegamento dà luogo ad errori di misura

V1

I1

33°

P1= V1*I1*cosφ=230*541*cos(33°)= 104,3 kW

V1

I2

152°

P1= V1*I2*cosφ=230*541*cos(152°)= -119,8 kW

Scambiando l’amperometrica 1 con l’amp.2

Inserzione corretta

VETTORIMETRO

Fonte immagine http://www.electrex.it/

Inserzione non corretta: inverto la fase 1 con la fase 2


Impianto di Solar Cooling

Macchina ad assorbimento

Serbatoio accumulo

Pannelli solari

Strumenti di contabilizzazione

Sensori di temperatura sonde ad immersione di tipo resistivo con termocoppie PT100 in classe B (modello SIEMENS-QAE2110.010)

Contabilizzatori di energia : -due termocoppie al platino tipo PT100, - misuratore di portata ad ultrasuoni -dispositivo di acquisizione dati ed elaborazione.


Problema 1: andamento della potenza erogata dal campo solare non coerente con irraggiamento!


Problema 3: picchi anomali produzione frigorifera alle ore 0:00 !!

Problema 2: rendimento campo solare >1!


Problema 4: valori del COP 1-5 a fronte di 0,7 (massimo dichiarato dal costruttore) !

Problema 5: valori del COP 1-5 a fronte di 0,7 (massimo dichiarato dal costruttore)


Misuratore di livello ad impulsi (LI.R.A.)

Generazione del segnale

Filtro

Trasduttore


Il trattamento dei segnali provenienti dal circuito, convertiti e acquisiti dal PC (tramite una comune scheda audio) avviene mediante un software dedicato realizzato in LabView (visibile a lato).


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