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Lezioni del Corso diFondamenti di Metrologia

9. I Sensori di Pressione

Università degli Studi di CassinoFacoltà di Ingegneria

Università degli Studi di Cassino Corso di Fondamenti di Metrologia

IndiceIndice

1. Tipologie di Sensori di Pressione

- manometri a liquido - ad elementi meccanici elastici- estensimetrici- induttivi- differenziali (LVDT)- capacitivi- piezoelettrici- piezoresistivi- potenziometrici- ad elemento risonante- a bilanciamento di forza

2. Caratteristiche Metrologiche Statiche3. Montaggio ed Installazione dei Sensori di Pressione


pressione assoluta

pressione relativa

pressione differenziale a riferimento variabile

pressione differenziale a riferimento fisso

Tipologie di Sensori di Pressione


I sensori utilizzati per la misura di pressione nelle tre diverse modalità: assoluta, relativa e differenziale sono essenzialmente gli stessi.

Il sensore presenta due superfici:- una superficie alla pressione di riferimento che sarà:

il vuoto nel caso di misura assolutala pressione ambiente nel caso di misura relativauna pressione nota nel caso di pressione differenziale.

- una superficie esposta alla pressione incognita.

La scelta del sensore influenza caratteristiche dello strumento come range, stabilità, precisione, ripetibilità, frequenza di risposta e durata.

Il materiale di cui il sensore è fatto dipende essenzialmente dalla natura del fluido con cui deve venire a contatto e dalla sua temperatura.



Classificazione in funzione del sensore/principio di misura:- per confronto con una pressione nota (generalmente quella

atmosferica) mediante manometri ad U, micromanometri, …- per deformazione elastica di membrane, soffietti, campane, fili sottili,

tubi, …

Classificazione in funzione del trasduttore (apparato di amplificazione e modificazione del segnale):

- trasduttori meccanici- trasduttori elettrici

Entrambi generalmente sfruttano per il rilevamento della pressione la deflessione o la deformazione su un elemento elastico sensibile, con conseguente generazione di un segnale meccanico/elettrico correlato



Manometri a liquido

Il principio di misura si basa sulla legge di Stevino. I principali campi di utilizzo sono per pressione assoluta, relativa e differenziale, in mezzo gassoso e per applicazioni da laboratorio.I manometri a liquido sono per lo più impiegati in laboratorio per misure assolute e differenziali di basse pressioni

Tecnologie- tubo inclinato- tubo dritto con lettura interferometrica

Vantaggi- elevata linearità e precisione- ridotta isteresi

Svantaggi- uscita meccanica- complessità d’uso (effetti di capillarità)- limitata risposta in frequenza



Leggi fondamentali: legge di StevinoLa posizione del sensore può essere ovviamente determinante nel caso in cui tra il punto di cui si vuole conoscere la pressione ed il punto di misura ci sia un dislivello Δh essendo infatti la pressione variabile secondo la legge:

hgP Δ+=Δ ρ



Micromanometro

Utilizzato per la misura di piccolissime differenze di pressione.Si riporta il fluido manometrico ad una posizione di riferimento indicata sul tubo inclinato (alzando o abbassando il pozzetto). Usando la stessa posizione di riferimento nell’azzeramento e nella misura si elimina l’effetto della capillarità e con l’inclinazione del menisco si aumenta la sensibilità (la variazione Δh viene amplificata nello spostamento Δl)



Trasduttori ad Elementi meccanici elastici

• diaframmi, capsule, soffietti, tubi bourdon(diritti, a C, ritorti, ad elica, a spirale)

• trasducono la pressione di misura in una deformazione lineare o angolare di piccole, medie o ampie proporzioni



Manometri a quadrante ad elemento elastico

Nel caso di deformazioni di medie-grandi entità la deformazione può essere amplificata mediante un sistema di leverismi meccanici ed in tal caso lo strumento di misura prende il nome di manometro meccanico a quadrante



Manometri a Tubo di Bourdon

E’ un tubo curvato o ritorto di sezione ellittica con una delle estremità chiuse. Quando èapplicata la pressione all’estremità libera il tubo tende a stendersi. La deformazione subita quindi è di tipo angolare nel caso di tubo ritorto, mentre di tipo curvolineare nel tubo curvato. Essa dipende dal rapporto tra i due assi della sezione, dalla lunghezza del tubo, dal raggio di curvatura e dall’entità della pressione applicata. Generalmente si preferisce usare tubi lunghi e poco spessi per misure di bassa pressione, mentre più corti e con pareti di maggiore spessore per pressioni anche molto alte. L’accuratezza di questo sensore dipende molto dalle condizioni d’impiego. Secondo la curvatura presentata dal tubo possiamo avere il tubo a C, il tubo a spirale, il tubo ad elica o il tubo ritorto.



Manometri a Soffietto

Si tratta di elementi di forma cilindrica chiusi ad una delle due estremità che rispondono alla pressione applicata all’altra estremità con una deformazione lungo il proprio asse. Sono nella maggior parte dei casi usati in misure di bassa pressione e in ambienti in cui non sono presenti forti vibrazioni.L’elongazione viene contrastata dalle forze elastiche delle pareti del soffietto stesso ed anche, da molle esterne di contrasto, utilizzate per limitare la deformazione subita così da aumentare la vita del sensore e fornire una maggiore linearità. I materiali più usati sono ottone, bronzo, leghe di nickel e rame, acciaio.



Manometri a Diaframma

diaframma piattodiaframma sferico presenta concavità della superficiediaframma a catena: è vincolato oltre sul bordo anche ad un’altra struttura coassiale a

quella principale in modo che il profilo si atteggia come una catenadiaframma anulare: è un diaframma piatto con un rinforzo al centro per facilitare lo

spostamento o la deformazione di un organo meccanico secondariodiaframma corrugato presenta sulla superficie dell’elemento elastico delle ondulazioni

concentriche per incrementare la rigidezza e l’area effettiva in modo da fornire una deformazione maggiore di quella del diaframma piatto a parità di pressione applicata.

Per piccole deformazioni il materiale maggiormente usato è ottone, acciaio, leghe argento-nickel, rame-berillio. Per grandi deformazioni applicando pressioni basse sono più usati materiali come il neoprene, polietilene, teflon. Ripetuti cicli di pressione e variazioni di temperatura riducono l’elasticità del diaframma e ne aumentano l’isteresi.

diaframma corrugatodiaframma piatto



Trasduttori estensimetrici

Variazione di resistenza di uno o più estensimetri (generalmente collegati a ponte); utilizzati per misure di pressione relativa e differenziale.Sono i più impiegati trasduttori di pressione associati a diaframmi e occasionalmente a soffietti

Tecnologie: - strain gauge incollati- strain gauge a film sottile- strain gauge a semiconduttori

Vantaggi:- basso costo- dimensioni ridotte- sufficientemente affidabilità

Svantaggi:- l’elevata isteresi- richiedono compensazione della temperatura- bassa stabilità nel tempo



Trasduttori estensimetrici

Gli sforzi tensionali di trazione e compressione trasformano gli elementi tensiometrici(estensimetri, costituiti da fili metallici di piccolissimo diametro o da lamelle molto sottili) in resistenze variabili collegate ad un circuito elettrico a ponte di Weathstone)



Alcuni schemi di Trasduttori estensimetrici



Trasduttori induttivi

Il nucleo ferromagnetico, costituito o da un diaframma metallico o da un corpo di ferro che si muove grazie all’interazione con un diaframma magnetico è posto tra due induttanze perfettamente uguali e si muove in funzione della pressione applicata. Al variare della pressione quindi si ha una variazione del valore delle due induttanze una delle quali aumenterà per l’avvicinarsi del diaframma e l’altra invece diminuirà. E’ utilizzato esclusivamente per la misura di pressione differenziale o relativa.



Trasduttore Differenziale LVDT

è costituito da tre avvolgimenti avvolti attorno ad un supporto cilindrico cavo e da un nucleo di materiale magnetico libero di scorrere assialmente.Un avvolgimento funge da primario di un trasformatore mentre gli altri due fanno da secondario. Il movimento del nucleo è comandato da un tubo di Bourdon o da una capsula. Quando questo si sposta dalla posizione centrale di equilibrio la mutua induttanza tra i due avvolgimenti cambia. La maggior parte dei trasduttori LVDT include un componente che alimentato in DC fornisce una eccitazione per l'avvolgimento primario in a.c. con frequenza >50-60 Hz e poi convertono il segnale di uscita da a.c. in d.c.I trasduttori induttivi presentano alta sensitività, buona risoluzione, bassa isteresi e non essendoci contatto tra il nucleo centrale e le spire del trasformatore l’attrito èmolto basso.



Trasduttori capacitivi

Il principio di misura si basa sulla variazione della capacità elettrica causata dalla deflessione di una delle due armature. I principali campi di utilizzo sono per pressione assoluta, relativa e differenziale, in mezzo liquido e gassoso, nelle applicazioni industriali, di laboratorio, biomedico ed aerospaziale.

Tecnologie Svantaggi- singolo statore - elevato costo- doppio statore - lieve dipendenza dalla temperatura e dalle proprietà

dielettriche del fluido di misuraVantaggi

- elevata sensibilità e precisione anche a basse p- ridotta isteresi- buona risposta in frequenza- elevata linearità



Trasduttori capacitivi a singolo statore

E’ presente un solo condensatore formato da un armatura fissa e da una mobile data dal diaframma stesso. La deformazione subita dall’elemento elastico provoca una variazione dello spessore dello strato di dielettrico e di conseguenza una variazione di capacità del condensatore.

pressione di riferimento

collegamento elettrico

p

diaframma

piatto fisso del condensatore



Trasduttori capacitivi a doppio statore

Sono composti da un diaframma metallico posizionato tra due armature fisse al fine di formare due condensatori contigui di uguale capacità. La variazione di pressione applicata al diaframma comporta una doppia variazione di capacità. La differenza tra i due valori finali di capacità viene poi convertita in un circuito elettronico in un segnale normalizzato 4-20 mA proporzionale alla pressione misurata.



Tecnologie- cristallo in quarzo - ceramica piezoelettrica

Vantaggi- ottima risposta in frequenza- discreta accuratezza

Svantaggi- elevato costo- elevata impedenza in uscita

Trasduttori piezoelettrici

Il principio di misura si basa sull’effetto piezoelettrico (differenza di potenziale elettrostatico prodotta dal cristallo piezoelettrico sottoposto a sollecitazione meccanica). I principali campi di utilizzo sono mezzo liquido e gassoso, acustica, campo balistico, prove motori. I sensori piezoelettrici sono principalmente utilizzati per misure di pressione dinamiche (frequenza di risposta molto alta).



Vantaggi:- buona risposta in frequenza- elevata compensazione termica- basso costo- compattezza

Svantaggi- temperatura di impiego limitata- limitata resistenza alle sovratensioni

Tecnologie- cristallo in quarzo - ceramica piezoelettrica

Trasduttori piezoresistivi

Il principio di misura si basa sull’effetto piezoresistivo di semiconduttori (normalmente silicio) sottoposti a sollecitazione meccanica. I principali campi di utilizzo sono per pressione assoluta, differenziale e relativa, in mezzo liquido e gassoso nei settori industriale e biomedico



Trasduttori potenziometrici

Trasformano la deformazione dell’elemento elastico nel moto rettilineo del cursore di un potenziometro. Il sensore è una capsula singola o multipla nel campo delle basse pressioni,oppure un tubo di Bourdon (ad elica, a spirale o ritorto) per le alte pressioni. La maggior parte dei modelli disponibili in commercio copre un range di 100 kPa-70 MPa. Utilizzazione per pressione relativa, mezzo liquido e gassoso, settore petrolifero. Il principio viene spesso utilizzato per ottenere un uscita elettrica dagli elementi elastici nei manometri meccanici (capsule, soffietti o tubi bourdon).

Tecnologia: - avvolgimento di filo metallico- deposito in film spesso

Vantaggi:- basso costo- uscita elettrica

Svantaggi:- scarsa affidabilità- deriva di zero e span



Tecnologie Vantaggi- a filo risonante - elevata risoluzione e precisione- a cilindro risonante - ridotta isteresi- …(a cristallo di quarzo) - uscita in frequenza

Svantaggi- elevato costo- non linearità- sensibilità alla temperatura- sensibilità alle vibrazioni

Trasduttori ad elemento risonante

Il principio di misura si basa sulla variazione della frequenza di risonanza della struttura vibrante a causa della variazione della densità con la pressione. I principali campi di utilizzo sono per pressione assoluta, in mezzo liquido e gassoso per applicazioni industriali e da laboratorio



Tecnologie- a tubo bourdon in cristallo di quarzo- pneumatici

Vantaggi- elevata risoluzione, linearità e precisione- ridotta isteresi

Svantaggi- elevato costo- limitata risposta in frequenza

Trasduttori a bilanciamento di forza

Il principio di misura si basa sul bilanciamento della deformazione di un tubo elastico mediante l’opposizione di una forza (generalmente elettrica). I principali campi di utilizzo sono per pressione assoluta, relativa e differenziale in mezzo gassoso ed in applicazioni di laboratorio



• Ripetibilità• Linearità• Isteresi• Effetto della temperatura• Deriva di zero e di span

Queste caratteristiche sono generalmente espresse in FS dello strumento, solo talvolta in termini di V.L.

Per tale motivo le misure possono talvolta diventare molto poco accurate per valori di misura inferiori al 10%F.S.

Caratteristiche Metrologiche Statiche


segnale di uscita non linearesensibilità alla temperaturasensibilità agli urti

ottima risoluzione0.21 MPaa struttura risonante

adatto solo per misure dinamichepiccole dimensionialta risposta in frequenza

0.1100 MPapiezoelettrici

alimentazione in c.a.sensibiltà alla temperatura

tempo di risposta basso0.1200 kPacapacitici

alimentazione in c.a.sensibiltà ai campi magnetici

alto segnale di uscitabassa isteresi

0.2100 MPainduttivi

vita limitataelevata isteresi

alto segnale di uscitacosto limitato

1100 kPapotenziometrici

basso segnale di uscitaalta sensibilità ad urti e vibrazioni

buona compensazione termicabuona stabilità a lungo terminealimentazione. c.a o in c.c.

0.2fino a 1 GPaestensimetrici

SVANTAGGIVANTAGGIAccuratezza

Tipica (% F.S.)

RANGETIPO DI TRASDUTTORE




Caratteristiche metrologiche di alcuni trasduttori di pressione assoluta fino a 100 kPa in mezzo gassoso


uso di una tubazione flessibile di collegamento (rame ricotto) con raccordi e giunzioni filettate a perfetta tenuta. nota: la presenza di tubazione di collegamento influenza il tempo di risposta del sensore, in funzione del volume (ossia di diametro e lunghezza del collegamento)

installazione di una valvola di intercettazione per agevolare lo smontaggio per taratura e sostituzione (attenzione ai colpi di frusta che potrebbero determinare dannose sovraelongazioni –anche fino al 50% di P, strumento del II ordine)

giunto di dilatazione (pig tail) per assorbire dilatazioni termiche ed eventuali shock meccanici e vibrazioni

uso di un fluido intermedio (inerte e non mescolabile con il fluido di misura) incomprimibile sigillante per evitare contatticon ambienti corrosivi

Montaggio ed Installazione dei Misuratori di Pressione


Protezione da fenomeni di condensa

montaggio sopra il punto di attaccotubazione con adeguata inclinazione (~8%) per il drenaggio della condensa.

montaggio sotto il punto di attaccopendenza del tubo di collegamento + tratto verticale con pozzetto di raccolta della condensa (con scarico). In questa configurazione deve essere tenuta in considerazione la sovrapressionedeterminata dalla condensa nel tubo inclinato



Protezione da condensa (e con Tfluido>65°C)

montaggio sopra il punto di attaccodeve essere previsto un giunto di dilatazione (pigtail); la pendenza della tubazione ha l’effetto di drenare la condensa verso il condotto di processo

montaggio sotto il punto di attaccoIn questa configurazione i misuratori sono protetti dalla condensa stessa che funge da “tenuta termica”. Si vuole quindi condensa nel tubo di collegamento che viene praticato sul fondo.In questa configurazione deve essere tenuta in considerazione la sovrapressione determinata dalla condensa nel tubo inclinato


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