La ISO 5167:2022 Part 5 – Cone Meters (Measurement of fluid flow by means of pressure differential devices inserted in circular cross-section conduits running full – Part 5: Cone meters) è stata appena revisionata.

Come applicarla al meglio nel proprio impianto per risolvere le misure di portata di liquidi, gas e vapore saturo o surriscaldato più importanti?

Il V-Cone™ e le sue caratteristiche

Come sappiamo il V-Cone™ inventato da McCrometer, Ca, USA è l’unica misura di portata che, grazie alle sue caratteristiche tecniche:

• è in grado di misurare la portata liquidi, gas e vapore senza limitazioni, funziona anche per l’acqua demi o vapore surriscaldato
• è estremamente flessibile potendo essere dimensionata per un turn-down fino a 50:1, quindi legge tutte le marce d’impianto
• ha una accuratezza dell’1% standard in lettura su tutto il turn-down, quindi ti permette il controllo delle utilities
• ha una perdita di carico permanente minima, quindi non ti fa perdere energia e denaro
• non presenta ostruzioni quindi funziona con gas umidi o ricchi di particolato, con vapore saturo pieno di goccioline e anche con presenza di bolle in fase liquida
• non necessita dei soliti diametri monte valle, quindi ti permette dei retrofit spettacolari

Evoluzione e inquadramento nella ISO 5167

Ma non finisce qui: già nel 2016 dopo anni di intenso lavoro la grande famiglia ISO 5167 ha accolto questo flow element rivoluzionario denominandolo più genericamente “cone meter”.

Pertanto il V-Cone™ può essere tranquillamente usato per sostituire flange tarate o venturi storicamente normati ISO 5176 in caso di richieste legislative, contrattuali o per policy aziendale in modo da ottenere prestazioni e qualità della misura di portata senza precedenti.

Quindi ora un Cliente può scegliere di installare un V-Cone™ di McCrometer in tutta sicurezza grazie alle oltre 75,000 installazioni in tutto il mondo oppure un cone meter normato ISO 5167 ugualmente in tutta sicurezza perché secondo standard internazionalmente riconosciuti.

Limiti di applicabilità e concetto di Beta β

Ma quali sono i limiti di applicabilità e che accuratezza ha il cone meter secondo la ISO 5167:2022 Part 5 – Cone Meters?

Per poterlo capire appieno introduciamo un concetto meccanico del cone meter e cioè il Beta β, storicamente ben conosciuto da tutti i fabbricanti ed utilizzatori di flange tarate (orifice plate) ma con un significato ben diverso per il V-Cone™ , infatti abbiamo 2 formule diverse:

Quindi non è tecnicamente corretto sostituire una flangia tarata con valore di β pari a X con un cone meter imponendo lo stesso β = X: la corrispondenza può risultare occasionale, ma nella maggior parte dei casi non è equivalente.

Il β, infatti, non ha lo stesso significato nelle due tecnologie. Nella flangia tarata fornisce una stima approssimativa dell’apertura centrale del foro, mentre nel cone meter rappresenta la geometria della sezione anulare di passaggio attorno al cono. Di conseguenza, a valori elevati di β corrispondono coni più piccoli, mentre a valori bassi di β corrispondono coni più grandi.

 

Ruolo della calibrazione

“Perché nella ISO 5167:2022 si parla della calibrazione? Io i venturi o le flange non le ho mai comprate calibrate”

Questa è una domanda tipica che può emergere da un responsabile di impianto. Prima di trarre conclusioni, è utile chiarire il quadro tecnico: la calibrazione prevista dalla ISO 5167:2022 non è sempre obbligatoria, ma viene comunque richiamata perché ha un ruolo specifico nel caso dei cone meter.

Facciamo ordine.

La ISO 5167:2022 Part 5 – Cone Meters si distingue dalle sezioni dedicate a flange e venturi perché attribuisce un peso maggiore al processo di calibrazione del dispositivo.

La calibrazione consiste nell’inserire il cone meter in un banco di prova metrologico e nel far transitare fluidi (acqua, aria o gas, a seconda dell’applicazione e del range di numeri di Reynolds da coprire).

Durante il test, le portate reali vengono misurate da un misuratore master certificato e registrate insieme alla differenza di pressione (ΔP) generata dal cone meter.

Successivamente, applicando in forma inversa la relazione idraulica del dispositivo, si determinano i coefficienti caratteristici. Dall’elaborazione e interpolazione di questi dati si ricava un coefficiente di scarico unico (Cd), che viene poi utilizzato per costruire la curva Q–ΔP e implementato nei flow computer o nei sistemi DCS.

ANALISI DI 2 DIVERSI CASI

Caso A – Non faccio eseguire la Calibrazione del V-Cone™ perchè la ISO 5167 stessa mi dice che non serve

In questo caso le ISO 5167 ci vengono in aiuto e con queste, e solo queste, caratteristiche tecniche contemporanee

• cone Meter costruito meccanicamente secondo le ISO 5167
• cone Meter con dimensioni comprese tra 50 mm < DN < 500 mm cioè cone meter da 2″ a 20″
• cone Meter con beta 0.45 <= β <=0.75
• cone Meter che misura in campo questo range di Numeri di Reynolds 8,000 <= Re <= 12,000,00

Allora lo standard ci dice che il Coefficiente Cd sarà fisso e pari a 0.82 e il cone meter presenterà una accuratezza del 5% in lettura.

Ho risparmiato non facendo eseguire la calibrazione ma l’accuratezza è peggiore del venturi, d’altro canto però ho sempre un ottimo turn-down anche 20, 30 a 1 e questa accuratezza del 5% è sempre costante anche se cambio marcia di impianto o aumento la generazione vapore, e poi posso installarlo anche senza i soliti diametri monte valle.

Ma se volessi delle performances migliori per il mio misuratore di portata?

Caso B – Richiedo la Calibrazione del V-Cone™ perchè le ISO 5167 me la richiedono

La norma indica che, quando viene eseguita la calibrazione, il coefficiente di scarico Cd viene determinato caso per caso per ciascun cone meter. In queste condizioni, il dispositivo può raggiungere un’accuratezza tipica dell’ordine dell’1% in lettura.

Di conseguenza, se l’accuratezza del 5% ottenibile senza calibrazione non è sufficiente per l’applicazione, la ISO 5167:2022 Part 5 prevede che si ricorra alla calibrazione per garantire prestazioni metrologiche superiori. In questo scenario, la calibrazione diventa necessaria per ottenere l’accuratezza dell’1% sull’intero range operativo, includendo sia il turndown sia il campo dei numeri di Reynolds previsti.

In quali altri casi la calibrazione è sempre obbligatoria per avere un cone meter secondo ISO 5167:2022?

• quando la costruzione del cone meter non è in accordo al disegno standard presente sulla ISO del cone meter
• quando il cone meter ha DN da 1/2″, 3/4″, 1″, 1 1/2″ oppure DN >20″
• quando il β > 0,75
• quando il Re < 8,000 oppure Re < 12,000,000

Cosa richiede più in dettaglio la ISO 5167:2016 Part 5 – Cone Meters per la calibrazione?

Vediamo i punti essenziali da richiedere al fornitore oppure per eseguire un allineamento tecnico correttamente. Che caratteristiche tecniche deve avere la calibrazione quotata per essere conforme ISO 5167?

• che sia fatta specificatamente per ogni singolo cone meter pertanto non è possibile calibrare un prototipo meccanicamente identico e poi usarne i dati per altri strumenti parimenti meccanicamente identici. Il Cd è diverso.
• che sia eseguita su tutto il range di numeri di Reynolds senza interpolazioni
• che sia ripetuta per ogni set di prese di pressione presenti, esempio lato destro e sinistro, perché il Cd è diverso
• che la tracciabilità della calibrazione dello strumento sia garantita al Cliente come ad esempio da ISO 17025 che è la certificazione necessaria dei Laboratori dediti alle Calibrazioni.
• che venga rilasciato un report di calibrazione dedicato

 

“Un costruttore di cone meter mi ha detto che costruisce così bene il flow element che non ha mai bisogno della calibrazione specifica: sarà vero?”

 

Ognuno di noi è responsabile di quello che dice al Cliente, non è certo seguire o meno una ISO che dimostra la professionalità di un Fornitore! Detto questo se il cone meter è dichiarato essere conforme alla ISO 5167:2016 Part 5 – Cone Meters, ripetiamo il concetto, può effettivamente non essere calibrato solo e se all’interno dei limiti di applicabilità spiegati sopra e soprattutto ottenendo una accuratezza massima del 5% in lettura.

In estrema sintesi non posso comprare un cone meter secondo ISO 5167:2022 evitando la calibrazione con la garanzia dell’1% di accuratezza: la ISO 5167:2022 mi dice esplicitamente che non è tecnicamente possibile, misurerà al meglio con il 5% .

Retrofit e diametri monte/valle secondo ISO 5167:2022

Retrofit impossibili anche negli impianti più datati grazie all’assenza dei soliti diametri monte valle: la ISO 5167:2022 Part 5 lo conferma!

Come sappiamo una delle caratteristiche più importanti del V-Cone™ era la possibilità di essere installato senza diametri o con meno diametri monte valle. Cosa dice la ISO 5167 ora, ad esempio per l’installazione fra due curve a gomito del cone meter, a seconda del beta?

0.45 <= β =< 0.6

• diametri necessari a monte 3D
• diametri necessari a valle 2D

0.6 <= β =< 0.75

• diametri necessari a monte 6D
• diametri necessari a valle 2D

 

“Ma come? Ci avete sempre raccontato che non servivano diametri monte valle o che ne servivano comunque meno degli altri flow elements!”

 

Confermiamo tutto, non vi preoccupate! Il V-Cone™ come detto era un flow element brevettato ed era sotto il cappello americano delle API American Petroleum Institute: i diametri necessari a monte e a valle erano sempre calcolati dalle flange del tronchetto del flow element.

La ISO 5167:2022 Part 5 – Cone Meters invece richiede che il calcolo, per motivi di standardizzazione, sia eseguito dall’asse della presa di pressione di alta per i diametri upstream mentre dalla parte posteriore del cono per i diametri downstream, vedere figura sotto:

 

Pertanto come intuibile il V-Cone® di McCrometer si comporta alla stregua di un meter run cioè presenta al suo interno già 2 x DN di straight run piping sia a monte che a valle!

La reale differenza tecnica alla quale dobbiamo prestare attenzione è il valore del beta β infatti il valore discriminante per necessitare più diametri a monte e valle è

• per cone meter secondo ISO 5167:2022 part 5 abbiamo β = 0.6
• per V-Cone originali di McCrometer, Ca, USA abbiamo β = 0.7

Superando questi valori servono più diametri e pertanto come da esempi reali sottostanti nel caso di beta borderline tipo 0.65 i requisiti delle installazioni secondo vendor McCrometer e secondo ISO 5167 sono diversi e non possono essere trattati in modo superficiale, vanno studiati prima. Ecco gli esempi:

Vediamo qualche esempio concreto di installazione del Cone Meter secondo ISO 5167 vs V-Cone™ secondo McCrometer in termini di necessità diametri monte valle:

“Ma io ho sempre comprato McCrometer, cosa cambia?”

Innanzitutto la ringraziamo e siamo sicuri che si sia trovato bene con la nostra misura di portata.

Per lei e per noi non cambia nulla: come ha potuto leggere, la norma ISO si basa sull’esperienza maturata in oltre 75.000 V-Cone™ venduti, costruiti e installati da McCrometer Inc.

È fondamentale ricordare che tutti i V-Cone™ forniti da Tecnova HT / McCrometer nel corso degli anni sono sempre stati calibrati singolarmente, in modo specifico per il servizio richiesto dal cliente e sull’intero range dei numeri di Reynolds definito in fase di sizing. Questo consente di garantire un’accuratezza dell’ordine dell’1%, fino anche allo 0,5% in lettura. Inoltre, i tre circuiti di calibrazione McCrometer risultano certificati secondo ISO/IEC 17025, a conferma della qualità metrologica delle forniture.

È inoltre opportuno sottolineare che le tabelle dei diametri monte/valle sono state sviluppate da McCrometer attraverso campagne sperimentali dedicate, finanziate e condotte internamente. Eventuali altri fornitori hanno successivamente replicato tali indicazioni senza introdurre ulteriori sviluppi sperimentali.

Quando il V-Cone™ è stato sviluppato, la casa madre ha incaricato uno dei laboratori metrologici più riconosciuti negli Stati Uniti, il CEESI (Colorado Engineering Experiment Station, accreditato ISO/IEC 17025), che ha riprodotto in laboratorio diverse configurazioni tipiche di impianto, tra cui curve a 90°, doppie curve e presenza di valvole.

Inserendo V-Cone di diversi diametri a partire da 1/2″, i tecnici CEESI hanno progressivamente ridotto le distanze tra le perturbazioni a monte e lo strumento, fino a individuare il limite operativo oltre il quale l’accuratezza rimaneva garantita per il cliente. Da queste attività sono derivate le attuali tabelle dei diametri monte/valle, differenziate in funzione del tipo di fluido, del numero di Reynolds e del valore di β di progetto.

Di seguito una documentazione storica del lavoro svolto, ad esempio nel caso della configurazione con doppia curva a 90°.

Per avere le migliori prestazioni in termini di accuratezza e necessità di meno diametri monte valle per eseguire un retrofit ad esempio, va benissimo l’originale V-Cone™ di McCrometer, Ca, USA. Accuratezza disponibile 1% o 0.5% in lettura su tutto il turndown, dimensioni disponibili da 1/2″ a > 72″, qualunque materiale metallico, qualunque esecuzione a progetto. Vediamo ad esempio i vantaggi che ha avuto questa cartiera italiana nel retrofit della generazione vapore.

Nel caso in cui si debba sostituire un flow element conforme a ISO 5167, come una flangia tarata o un venturi, con l’obiettivo di ottenere una maggiore accuratezza o un turndown più ampio in grado di coprire tutte le condizioni operative di impianto, è necessario valutare l’impiego di un cone meter secondo la ISO 5167:2022 Part 5.

Per ottenere un’accuratezza almeno pari all’1%, è richiesta la calibrazione del dispositivo, eseguita secondo i criteri previsti dalla norma, con rilascio di un report tecnico dedicato a supporto della conformità metrologica.

In tutte quelle applicazioni in cui siano coinvolti enti di controllo, autorità governative o sistemi di incentivazione (ad esempio certificati bianchi o schemi equivalenti), e in cui sia richiesto il rispetto di standard internazionali per garantire una misura di portata accettata con accuratezza migliore rispetto ai limiti tipici (ad esempio 2%), diventa necessario specificare un cone meter conforme alla ISO 5167:2022 Part 5, con adeguata calibrazione e documentazione certificata.

Come da prassi nostra vi invitiamo ad acquistare la Norma ISO 5167:2022 Part 5 sui Cone Meter per poterla apprezzare pienamente e trovare riscontro alle cose scritte e di comprarla sui siti ufficiali come il seguente: https://www.iso.org/standard/83688.html