Misuratore di Portata Massico Termico: come funziona?

Misuratore di Portata Massico Termico: come funziona?

Il Misuratore di Portata Massico Termico definito anche in lingua originale Thermal Mass Flow Meter è una delle misure di portata più apprezzate dai Clienti in quanto in grado di misurare la portata massica del gas fluente senza parti in movimento e senza essere disturbato da variazioni di pressione o di temperatura del processo.

Questo concetto di dispersione termica fu proposto nel 1914 da L.V. King che inventò la “Legge di King” con la quale spiegava come un filo riscaldato in un fluido fosse in grado di misurare la massa fluente: era nato l’anemometro a filo caldo.

In effetti per calcolare la massa fluente la portata viene declinata in 3 modi diversi

Misura della velocità | Misura del volume | Misura della pressione differenziale

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

Siccome la densità è funzione della temperatura e pressione che cambiano continuamente occorre misurarle continuamente per avere la densità actual e quindi la portata massica.

La tecnologia del Misuratore di Portata Massico Termico invece misura direttamente la massa del gas che passa nell’unità di tempo e le variazioni di T e P non influenzano il meter stesso. Perché?

Questo principio di misura è basato sui concetti di RTD Resistance Temperature Detector ( termoresistenza ) e di Assorbimento di Calore da parte di un fluido in movimento. La resistenza R di un metallo aumenta con la Temperatura infatti

R = Ri *(1+α(T-Ti))

Dove Ri è la resistenza del metallo a 0°C, α coefficiente termico metallo a 0°C, e pertanto è possibile calcolare le variazioni della Resistenza direttamente dalle variazioni di Temperatura. Quando il calore è assorbito dal fluido, la temperatura scende e quindi scende anche la resistenza.  Ricordando la legge ohmica V=IR cioè Differenza di potenziale = Intensità di corrente * Resistenza è possibile mantenere la R costante dando più corrente, cioè la corrente alla RTD ( termoresistenza ) è direttamente proporzionale al calore assorbito.

Quando le molecole del gas colpiscono le RTD ( termoresistenze ) assorbono e portano via del calore: più aumenta la portata più aumentano le molecole che colpiscono le RTD e quindi più aumenta il calore assorbito. Ma da quali parametri effettivamente dipende questo assorbimento?

  • Numero molecole e quindi massa del gas
  • Caratteristiche termiche del gas
  • Caratteristiche della portata del gas

Quindi mantenendo costante il ΔT fra le RTD (Ra – Rf) è possibile calcolare l’assorbimento di calore da parte del fluido.

Ma più c’è stato assorbimento più è stata aumentata I intensità di corrente: mantenendo i rapporti fra le Resistenze, grazie a un Ponte di Wheatstone tenuto in equilibrio cioè zero, le variazioni dinamiche istantanee della Temperatura di Processo sono autocompensate, cioè se varia la temperatura del processo la misura rimane corretta sempre e comunque.

D’accordo. Ma perché il Misuratore di Portata Massico Termico è insensibile alla variazione di pressione del Processo? E’ vero? Certamente, gli stessi sensori sono insensibili anche alle variazioni della pressione di processo purché nell’intorno della calibrazione del meter. Vediamo perché.

La relazione fisica fra calore assorbito dalla RTD e portata massica è la seguente:

Portata Massica = A*k*(Q / (ΔT-Ct))n

Dove A sezione di passaggio, K costante di calibrazione legate alle caratteristiche termiche del fluido, Q calore assorbito dalla Ra, ΔT differenza Ra – Rf, n basata sui numeri di Reynolds e Prandl e Ct che rappresenta la conduttività termica del fluido. Si noti che nella formula non compare la Pressione che quindi non influenza la misura massica del meter.

Lo strumento basato su questo principio di misura viene definito correttamente Misuratore Massico Induttivo ad Immersione con sensore di Dispersione Termica a Temperatura Costante, più brevemente Massico Termico o Thermal Mass.

Oltre all’applicazione della teoria ogni strumento viene calibrato singolarmente in 3 fasi:

Ogni thermal mass è pre-compensato in Temperatura. La Resistenza della RTD non è perfettamente lineare su un ampio range di temperature. Imponendo delle portate fiscali sia ad alta che bassa temperatura il comportamento non-lineare viene evidenziato e dando un opportuno valore al resistore esso viene linearizzato.

Ogni Misuratore di Portata Massico Termico viene calibrato per la Portata. Nel circuito di Calibrazione viene fatta passare una portata fiscale e vengono ricreate le condizioni di processo ed il fluido dell’impianto del Cliente. Il segnale elettrico tal quale dal meter, la pressione e la temperatura durante la calibrazione vengono registrati in continuo.

Alla fine il segnale tal quale viene confrontato graficamente con la portata fiscale e la curva è la prova del comportamento non lineare. Attraverso l’elettronica a bordo del meter, le uscite 0-5 VdC e 4-20 mA sono linearizzate.

Dal 1988 TECNOVA HT è in partnership con ELDRIDGE Inc il cui circuito interno di calibrazione permette di avere portate da 50 SCCM Standard Cubic Centimeter per Minute fino a 1,500 SFCM Standard Cubic Feet per Minute ( da 0.003 a 2,548 m3/hr) con pressioni variabili da 0 a 400 psig ( 0 – 27 barg). Mentre per quanto riguarda la Temperatura i sensori standard modello SSS vengono calibrati con aria fino a 200°C mentre quelli in versione SSH vengono calibrati fino a 500°C.

ELDRIDGE non solo ha realizzato un portfolio completo di misuratori Thermal Mass ma vanta diversi brevetti esclusivi per le applicazioni più disparate quali

  • Aria
  • Argon
  • Azoto
  • Biogas
  • CO2
  • Digester Gas
  • Elio
  • Flue Gas
  • Gas di Torcia
  • Gas da Discarica
  • Idrogeno
  • Miscele Idrocarburiche
  • Metano
  • Natural gas
  • Ossigeno….

 

 

 

 

 

 

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