Il Misuratore di Portata Massico Termico, definito anche in lingua originale Thermal Mass Flow Meter, è una delle tecnologie di misura della portata più apprezzate dai clienti in ambito industriale. La ragione principale è la capacità di misurare direttamente la portata massica dei gas in flusso senza parti in movimento e senza essere influenzato da variazioni di pressione o temperatura del processo.

Il principio fisico alla base del sistema risale al 1914, quando L.V. King introdusse la cosiddetta “Legge di King”, che descriveva come un filo riscaldato immerso in un fluido potesse essere utilizzato per determinare la massa fluente. Da questa intuizione nacque l’anemometro a filo caldo, primo passo concettuale verso il moderno sistema di misura massico termico.

In generale, la portata può essere descritta secondo tre approcci fondamentali:

• misura della velocità
• misura del volume
• misura della pressione differenziale

La relazione fondamentale è:

Portata Massica = Densità × Portata Volumetrica (= Velocità × Area di passaggio)

Poiché la densità dipende da temperatura e pressione, che variano continuamente nei processi industriali, è necessario misurarle in modo continuo per ottenere una densità reale e quindi una portata massica corretta. Il misuratore di portata massico termico elimina questa complessità misurando direttamente la massa del gas.

Principio di funzionamento del massico termico e tecnologia RTD

Il funzionamento del misuratore di portata massico termico si basa su due concetti fisici principali:

• il Resistance Temperature Detector (RTD)
• lo scambio termico tra fluido e sensore.

La resistenza elettrica di un metallo varia con la temperatura secondo la relazione:

R = Ri × (1 + α(T − Ti))

dove:

• Ri è la resistenza a temperatura di riferimento
• α è il coefficiente termico del metallo
• T è la temperatura del processo

Quando il fluido assorbe calore dal sensore, la temperatura della RTD diminuisce e di conseguenza varia anche la resistenza elettrica.

Utilizzando la legge di Ohm (V = I × R), è possibile mantenere la resistenza costante variando la corrente: in questo modo la corrente diventa proporzionale al calore assorbito dal fluido.

Il principio operativo del misuratore di portata massico termico è quindi legato al trasferimento energetico tra molecole del gas e sensori RTD. Più alta è la portata, maggiore è il numero di molecole che impattano sul sensore e maggiore è il calore sottratto.

I principali fattori che influenzano questo fenomeno sono:

• numero di molecole (quindi massa del gas)
• proprietà termiche del gas
• dinamica del flusso

Mantenendo costante il ΔT tra le due RTD (Ra – Rf), è possibile determinare con precisione l’assorbimento di calore e quindi la portata massica.

Il sistema utilizza un ponte di Wheatstone in equilibrio (zero), che consente l’autocompensazione delle variazioni dinamiche di temperatura di processo.

Il misuratore di portata massico termico è quindi intrinsecamente stabile rispetto alle variazioni operative del processo.

Formula, indipendenza dalla pressione e vantaggi del MISURATORE DI PORTATA massico termico

Una delle caratteristiche più rilevanti del misuratore di portata massico termico è la sua insensibilità alle variazioni di pressione del processo, entro l’intervallo di calibrazione dello strumento. Questo lo rende particolarmente affidabile in applicazioni industriali variabili.

La relazione fisica può essere espressa come:

Portata Massica = A × k × (Q / (ΔT − Ct))ⁿ

dove:

• A = area della sezione di passaggio
• k = costante di calibrazione del fluido
• Q = calore assorbito dalla RTD (Ra)
• ΔT = differenza di temperatura tra sensori
• n = funzione dei numeri di Reynolds e Prandtl
• Ct = conducibilità termica del fluido

In questa formulazione non compare la pressione, motivo per cui il massico termico non risente delle sue variazioni.

Lo strumento viene tecnicamente definito come:

Misuratore di Portata Massico Induttivo ad Immersione con sensore di Dispersione Termica a Temperatura Costante (Thermal Mass)

Calibrazione industriale e applicazioni del massico termico

Oltre alla teoria fisica, il funzionamento del misuratore di portata massico termico dipende da una calibrazione industriale estremamente accurata. Ogni strumento viene calibrato singolarmente attraverso fasi distinte:

• ogni thermal mass è pre-compensato in temperatura: la non linearità della RTD viene analizzata su un ampio range termico e corretta tramite un resistore di linearizzazione.
• ogni misuratore viene calibrato per la portata: vengono simulate condizioni reali di processo con fluidi equivalenti a quelli del cliente.
• i segnali elettrici (0–5 VDC e 4–20 mA) vengono registrati, confrontati con portate fiscali e linearizzati tramite elettronica integrata.

Il comportamento viene quindi validato su curve reali di riferimento, confermando la risposta non lineare e la sua correzione elettronica.

Dal punto di vista industriale, dal 1988 TECNOVA HT è in partnership con ELDRIDGE Inc, azienda che ha sviluppato un sistema di calibrazione avanzato per strumenti massico termico. Le capacità includono:

• portate da 50 SCCM a 1.500 SCFM (da 0,003 a 2.548 m³/h)
• pressioni da 0 a 400 psig (0–27 barg)
• temperature fino a 200°C (serie SSS) e fino a 500°C (serie SSH)

Questi strumenti sono utilizzati su numerosi gas industriali, tra cui:

• aria
• argon
• azoto
• biogas
• CO2
• digester gas
• elio
• flue gas
• gas di torcia
• gas da discarica
• idrogeno
• miscele idrocarburiche
• metano
• natural gas
• ossigeno

Il misuratore di portata massico termico si conferma quindi una tecnologia robusta, precisa e ampiamente adottata nei settori industriali più critici, grazie alla sua capacità di misurare direttamente la massa del gas senza dipendere dalle variazioni di pressione e temperatura del processo.