Lezioni del Corso di
Misure Meccaniche e Termiche
04.1 Le Misure di Pressione
Università degli Studi di Cassino
Facoltà di Ingegneria
Università degli Studi di Cassino Corso di Misure Meccaniche e Termiche
• Informazioni storiche
• Unità di misura SI
• Pressioni in natura e peculiarità
• Sistemi primari
– Basse pressioni
– Barometria
– Alte pressioni
La misura della pressione
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Eolipila di Erone (Alessandria, Egitto). Allievo di Ctesibio. Due secoli prima di
Cristo ? Vedere il sito http://www.history.rochester.edu/steam/hero/
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Francobollo Italiano emesso nel 1958
(350o anniversario della nascita)
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Esperimento con gli emisferi di Magdeburgo, 16 cavalli, 1672
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Parrot, 1832 Galy-Cazalat, 1846
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Bridgman, 1909 and 1911 Johnson and Newhall, 1953 and 1957
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SI unità e
grandezze di
base
kg
Massa
s
Lunghezza
m
Tempo
m2
Area
m.s-2
Accelerazione
SI unità e grandezze derivate
N
Forza
1 N = 1 kg . m . s-2
Pa
newton
pascal
1 Pa = 1 N / 1 m2
Pressione, sollecitazione
(stress)
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SI – Unità di misura della pressione
Unità SI derivata da forza e area
Nome : pascal Simbolo : Pa 1 Pa = 1 N / 1 m2
Nome adottato nel 1971 14th CGPM
Usata con multipli (daPa, hPa, kPa, MPa, GPa, TPa)
e sottomultipli (dPa, cPa, mPa, mPa)
Altre unità:
• bar ( 1948 9th CGPM), unità non SI, però accettata
1 bar = 105 Pa = 100 kPa = 1000 hPa = 0,1 MPa
• Torr, unità non SI, accettata per le misure di pressione arteriosa
1 Torr = 101 325 / 760 = 133,322368 Pa = 1 mm Hg
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Unità di pressione Non SI
EVITARNE L’USO !!! Si
pagano multe per strumenti con
unità non SI o accettate da SI.
Atmosfera standard (atm) 1 atm = 101325 Pa
Altre: at, psi, mm H2O , kgf / cm2
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Realizzazione del pascal (Pa), un modo
inusuale per capire che 1 Pa è piccolo.
Prosciutto di Parma 101,97 g
1 m2 di
superficie
ricoperta
dal
prosciutto,
deve essere
tagliato con
spessore di
0,1 mm (non
facile !)
gL= 9,80665 m.s-
2
p = 1 N (di prosciutto) / 1 m2 = 1 Pa
Flusso di aria con
pressione p per
ottenere che 1 N
di prosciutto sia in
equilibrio
1 N
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Mongolfiera
• 300 kg , 2550 m3 volume
• diametro 17 m
• superficie equatoriale media 226
m2
Pressione media sulla mongolfiera quando in
equilibrio in aria (aria interna non scaldata)
è circa 13 Pa in aggiunta al valore locale
della pressione atmosferica
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Aeroplano: McDonnell – Douglas, MD 11
• 284 000 kg a pieno carico, incluso
146 160 L di carburante, 283 posti
• larghezza alare 57 m
• lunghezza 62 m
• superficie longitudinale stimata 920 m2
Pressione media sull’aeroplano quando in equilibrio in aria e in lenta (ma controllata)
caduta è di circa 3160 Pa in aggiunta al valore locale della pressione atmosferica.
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Umani : valori normali (in funzione età e sesso, …)
- diastolica 60 – 90 mmHg
- sistolica 100 – 170 mmHg
Diast. 180 – 250 mmHg
Sist. 230 – 310 mmHg
Diast. 40 – 50 mmHg
Sist. 50 – 60 mmHg
Diast. 5 – 30 mmHg
Sist. 5 – 40 mmHg
Grande variabilità
Dipende su quale
arteria è misurata,
in genere con
misure dirette
Pressione arteriosa
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1960, batiscafo “Trieste”
J. Picard
Fossa delle Marianne, Challenger, profondità 10912 m
Pressione di circa 110 MPa
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In natura esiste il migliore (e più ampio) laboratorio delle pressioni
|-------|-------|-------|--- ----|-------|-------|-------|-------| ------ | ------ | -
---- |
BASSE PRESSIONI, scala log, da 100 kPa a meno di 10-10 Pa
1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-9 10-11 10-13 10-15
105 Pa 10 kPa 1 kPa 100 Pa 10 Pa 1 Pa 0,1 Pa 10-2 Pa 10-4 Pa 10-6 Pa 10-8 Pa 10-10 Pa
Min. p in lab.
p limit of continuous sys.
Jet at 8000 m
Troposphere, 25 kPa
Concorde, 20000 m
Homosphere
Ionosphere
Low limit barometry Limit static systems
X ray
limit
Industrial applications: thin films,
metals and microelectronics,
pharmacology, lyophilization, foods,
…
Space
simulation
Surfaces
effects
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In natura esiste il migliore (e più ampio) laboratorio delle pressioni
|-------|-------|-------|-------|-------|-------|-------|-------| ------ | ------ | --
--- |
1 10 102 103
ALTE PRESSIONI, scala log, da 100 kPa a molti ZPa
101325 Pa
1 MPa
10 MPa
100 MPa
104 105 106 107 108
1012 1016 1020
1 GPa
10 GPa
100 GPa
1 TPa
10 TPa
105 TPa
109 TPa=1 ZPa
1013 TPa=10 YPa atm. pressure
sea level
Skate on
ice
air p in sub vessel
Ocean max p at 11 km
Solid Hg
graphite
to
diamond
metallic H
p earth centre
p Saturn
centre
p Jupiter centre
metallic He
p Sun centre
p white dwarf star centre
av. blood p
tire p
industrial applications
(mech., chem., aeron.,..)
jet cutting
hydr. extrusion
hard metals
max p in liq. in lab.
350 GPa, max. p in lab. (solids)
Tera - 1 TPa =1012 Pa
Zetta - 1 ZPa = 1021 Pa
Yotta - 1 YPa = 1024 Pa
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p in air, above the sea level
0
20
40
60
80
100
1013
13
1001
55
8032
3
5669
2
2514
5
9930
3108
305
3
p / Pa
h / k
m
p in water, below sea level
-25
-20
-15
-10
-5
0
0
1957
9
3915
7
5873
6
7831
4
9789
3
1174
72
1370
50
1566
29
1762
07
1957
86
p / Pa
h / mPressione nell’aria in
funzione dell’altezza dal
livello del mare
p = po . e-ah a = gL ro / po
Pressione in
funzione della
profondità
nell’acqua di mare
p = - rH2O gL h
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Pressioni Assolute e differenziali. Pressioni relative (Gauge)
sono un sottocaso delle pressioni differenziali dove la
pressione di linea è quella atmosferica.
P differenziale
Ogni valore Dp
superiore o
inferiore alla
pressione di linea
pL
+ Dp - Dp
pL p relativa
Patm non costante
Patm
Misure di p atm.
(caso di misure di p assol.)
p assoluta
Alto vuoto,
inferiore a 0,01 Pa
< 0,01
Pa
P di
riferimento
sottolineata
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PECULIARITA’ DELLA PRESSIONE
Grandezza termodinamica e meccanica intensiva, non si può addizionare
Applicazioni Industriali riguardano almeno 16 decadi (10-7 Pa a 109 Pa)
Applicazioni scientifiche coprono almeno 22 decadi
dimensionalmente, definizione meccanica prevalente: p [ M L-1 t-2 ]
Necessità di diversi campioni primari con diverse leggi fisiche (espansione gas,
colonne liquide, bilance di pressioni, trasformazioni di fase), campioni di lavoro e
svariati sensori
Per confronti è necessaria la disponibilità di diversi tipi di campioni di trasferimento
di diverso tipo a seconda del campo di misura, alcuni soffrono di instabilità
I confronti debbono essere effettuati coprendo tutte le decadi
Diversi modi operativi (pressioni assolute in gas dall’alto vuoto fino a oltre la
pressione atmosferica, pressioni differenziali prevalenti nelle alte pressioni)
Diversi mezzi di trasmissione della pressione (Gas, Liquidi, Solidi – pressione come
tensore delle sollecitazioni- nel caso di pressioni molto elevate e generalmente
superiori ad 1 GPa)
Diversa metrologia (campioni, metodi e sensori) fra le misure in condizioni statiche
o dinamiche (p rapidamente variabili nel tempo)
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Principali leggi fisiche, usate nella metrologia delle pressioni
• Legge di Boyle p V = cost (a temp. cost.); Legge di Gay-Lussac p = po T / To
• Legge di Dalton p = Si pi ,; Teoria cinetica dei gas p V = 2 / 3 (0,5 M v),
M massa molare=NA m
p V = n R T (equazione di stato dei gas ideali) ed estensioni (coeff. del viriale)
• p = po v / ( V + v ) (sistemi ad espansione statica)
• p = Q / (C (1 – p1/p2) ) (sistemi ad espansione continua o dinamica)
• p = rF gL Dh + pr (manometri a colonna di liquido)
• p = pr + Si Mi gL / Aeff (bilance di pressione in gas e in liquido, p assol. e diff.)
• p = - ( dH/dV ) T = cost. H = U – T S (U=energia, S=entropia) (equazioni di stato,
punti fissi pressione/temperatura a pressioni molto alte, per solidi)
• da misure di compressibilità p – po = integrale [da Vo(p) a V(p)] dV / (KT V)
dove KT è la compressibilità isoterma KT = - (dp / dV) / V a T cost.
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|___|___|___|___|___|___|___|___|___|___|___|___|___|___|___|___|___|
109 108 107 106 105 104 103 102 101 100 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-
8
Campo di pressione / Pa
Bil. pr. liquido
Bil. pr.Gas
Barom.
Micromanom. Flussi-conduttanze
Espansione in serie
Apparati UHV
Nero = p assolute
Blu = p differenziali (Gauge mode)
Verde = entrambe le modalità
Campioni primari
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CAMPIONI DI TRASFERIMENTO DISPONIBILI
Campo di pressione
Campioni di trasferimento
Grandezza misurata nel confronto
Basse pressioni
Vacuometri a ionizzazione
spinning rotor gauges (SRG)
corrente, variazione della velocità
di rotazione
Medie pressioni, anche Dp con p
linea fino a 40 MPa
capacitance diaphragm gauges
(CDG)
Sensori piezoresistivi
Sensori a struttura vibrante
Bilance di pressione, basso fs
Capacità o frequenza di risonanza,
DR,..
Equazioni di interpolazione di
forma speciale a seconda del
sensore,
Area effettiva di unità pistone-
cilindro
Alte pressioni
Bilance di pressione di diverso tipo
fino a 1 GPa, divisori e
moltiplicatori di pressione e
bilance di pressione digitali
Valori ed andamento dell’area
effettiva di unità pist-cilindro, in
genere determinazione della
equazione Ae=f(p)
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Campioni primari, secondari e di trasferimento
– Alte pressioni da circa pochi kPa fino ad oltre 1 GPa
Sovrana di questo settore: la
bilancia di pressione, nelle sue
forme e tipologie le più
diverse in funzione della
pressione di misura.
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Alte pressioni da pochi kPa fino ad oltre 1 GPa
BILANCE DI PRESSIONE (PRESSURE BALANCES)
Si Mi gL ( 1 – ra/ rm) + g C
p = ---------------------------------------------------------- + rF gL Dh
Ao ( 1 + l p) [ 1 + (ap + ac) (t – tref)]
Pressioni Relative (Gauge), gas e liquido
Pressioni Assolute, gas
Si Mi gL
p = ------------------------------------------------------------------- + pref + rF gL Dh
Ao ( 1 + l p) [ 1 + (ap + ac) (t – tref)]
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Misure di
velocità di
discesa del
pistone,
generalmente
dell’ordine di
mm / s e velocità
di rotazione
Misure di
temperatura
Proprietà del fluido: densità
r e viscosità dinamica h in
funzione della pressione e
temperatura
Bilance di pressione sono strumenti
con svariate misure ausiliarie
Controllo e
regolazione di
pressione
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Pressioni assolute, gas Si Mi gL
p = ------------------------------------------------- + pref + rF gL Dh
Ao ( 1 + l p) [ 1 + (ap + ac) (t – tref)]
Le differenze principali fra misure assolute e relative
riguardano Mi e pref
• Masse Mi sono masse “vere” cioè riferite alla densità
delle singole parti del set di masse (pistone, cestello,…)
e non masse convenzionali (riferite a 8000 kg . m-3)
• pressione di riferimento o residua nella campana pref ,
generalmente il suo valore è prossimo o inferiore di
0,05 Pa (importante la sua incertezza di misura)
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Masse, Pistoni e cilindri, pulizia
Set di masse da 100 N di bilance di pressione in gas
1 MPa gas
20 MPa gas
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Diversi tipi di bilance di pressione in gas
IMGC 2 & 5 MPa, gas, p relative
Pistone sferico, 0,7 MPa
Pressioni differenziali a alta pressione di linea ,
p di linea fino a 20 MPa Bilancia di pressione
digitale, campo fino a 6
MPa, risoluzione 100 Pa
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Bilance di pressione IMGC in gas fino a 7 MPa
Bilance di pressione IMGC in liquido fino a 100 MPa
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Indice
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 Statiche
3. 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 assoluta
la pressione ambiente nel caso di misura relativa
una 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
Tipologie di Sensori di Pressione
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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)
- dipendenza della densità con la temperatura
Tipologie di Sensori di Pressione
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2 cosCh
g r
r
D
Effetti della Capillarità
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Tipologie di Sensori di Pressione
, ,2 cos M A M BM
M A B
hg r r
r
D -
Correzione per la capillarità
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Micromanometro di Prandtl
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 Dh viene
amplificata nello spostamento Dl)
Tipologie di Sensori di Pressione
hl
sena
DD
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Leggi fondamentali: legge di Stevino
La 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 Dh essendo infatti la pressione variabile
secondo la legge:
hgP D+D r
Tipologie di Sensori di Pressione
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Tipologie di Sensori di Pressione
2 cosCh
g r
r
D
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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
Tipologie di Sensori di Pressione
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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
Tipologie di Sensori di Pressione
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Manometri a Tubo di Bourdon
E’ un tubo curvato o ritorto di sezione ellittica con una delle estremità chiuse. Quando è
applicata la pressione all’estremità libera il tubo tende a stendersi.
La deformazione subita quindi è di tipo angolare nel caso di tubo ritorto, 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.
Tipologie di Sensori di Pressione
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Manometri a Capsula e 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 dell’elemento deformabile e da molle esterne
di contrasto, utilizzate per limitare la deformazione
subita così da aumentare la vita del sensore e fornire una
maggiore linearità e minore isteresi.
I materiali più usati sono ottone, bronzo, leghe di nickel
e rame, acciaio.
Tipologie di Sensori di Pressione
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Manometri a Diaframma
diaframma piatto
diaframma sferico presenta concavità della superficie
diaframma 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 catena
diaframma anulare: è un diaframma piatto con un rinforzo al centro per facilitare lo
spostamento o la deformazione di un organo meccanico secondario
diaframma 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 corrugato diaframma piatto
Tipologie di Sensori di Pressione
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• Trasduttori a resistenza variabile da 10-5 a 104 bar
• Trasduttori a riluttanza variabile da 10-6 a 103 bar
• Trasduttori a capacità variabile da 10-8 a 103 bar
• Trasduttori piezoelettrici da 10-5 a 104 bar
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1. Trasduttori a resistenza variabile:
1a. Trasduttori potenziometrici (sensibile variazione della resistenza elettrica)
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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1b 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
Tipologie di Sensori di Pressione
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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)
Tipologie di Sensori di Pressione
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Alcuni schemi di Trasduttori estensimetrici
Tipologie di Sensori di Pressione
lR
Sr
Gli elementi 1 e 2 sono sottoposti a trazione, quindi l aumenta ed S diminuisce, di conseguenza R aumenta
Gli elementi 3 e 4 viceversa sono in compressione, per cui R diminuisce.
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2. Trasduttori a riluttanza variabile
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.
Tipologie di Sensori di Pressione
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3. 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 misura
Vantaggi
- 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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C =s
d
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
Università degli Studi di Cassino Corso di Misure Meccaniche e Termiche
C =s
d
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
4. 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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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
Tipologie di Sensori di Pressione
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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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TIPO DI
TRASDUTTORE RANGE
Accuratezza
Tipica
(% F.S.)
VANTAGGI SVANTAGGI
estensimetrici
fino a 1 GPa
0.2
buona compensazione
termica
buona stabilità a lungo
termine
alimentazione. c.a o in c.c.
basso segnale di uscita
alta sensibilità ad urti e vibrazioni
potenziometrici 100 kPa 1 alto segnale di uscita
costo limitato
vita limitata
elevata isteresi
induttivi 100 MPa 0.2 alto segnale di uscita
bassa isteresi
alimentazione in c.a.
sensibiltà ai campi magnetici
capacitici 200 kPa 0.1 tempo di risposta basso alimentazione in c.a.
sensibiltà alla temperatura
piezoelettrici 100 MPa 0.1 piccole dimensioni
alta risposta in frequenza
adatto solo per misure dinamiche
a struttura risonante
1 MPa
0.2
ottima risoluzione
segnale di uscita non lineare
sensibilità alla temperatura
sensibilità agli urti
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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• 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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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 contatti
con ambienti corrosivi
Montaggio ed Installazione dei Misuratori di Pressione
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Protezione da fenomeni di condensa
montaggio sopra il punto di attacco
tubazione con adeguata inclinazione (~8%) per il
drenaggio della condensa.
montaggio sotto il punto di attacco
pendenza del tubo di collegamento + tratto
verticale con pozzetto di raccolta della condensa
(con scarico). In questa configurazione deve
essere tenuta in considerazione la sovrapressione
determinata 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 attacco
deve essere previsto un giunto di dilatazione (pig
tail); la pendenza della tubazione ha l’effetto di
drenare la condensa verso il condotto di processo
montaggio sotto il punto di attacco
In questa configurazione i misuratori sono protetti
dalla condensa stessa che funge da “tenuta
termica”. Si desidera quindi presenza di 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 (correzione della
misura).
Montaggio ed Installazione dei Misuratori di Pressione