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
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pressione assoluta
pressione relativa
pressione differenziale a riferimento variabile
pressione differenziale a riferimento fisso
Tipologie di Sensori di Pressione
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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.
Tipologie di Sensori di Pressione
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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
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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
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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
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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)
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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
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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
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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.
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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.
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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
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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
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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)
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Alcuni schemi di Trasduttori estensimetrici
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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.
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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.
Tipologie di Sensori di Pressione
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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
Tipologie di Sensori di Pressione
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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
Tipologie di Sensori di Pressione
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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.
Tipologie di Sensori di Pressione
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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).
Tipologie di Sensori di Pressione
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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
Tipologie di Sensori di Pressione
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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
Tipologie di Sensori di Pressione
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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
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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
Tipologie di Sensori di Pressione
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• 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
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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 Statiche
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Caratteristiche Metrologiche Statiche
Caratteristiche metrologiche di alcuni trasduttori di pressione assoluta fino a 100 kPa in mezzo gassoso
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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
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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
Montaggio ed Installazione dei Misuratori di Pressione
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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
Montaggio ed Installazione dei Misuratori di Pressione