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Principi tecnici e vantaggi ingegneristici dei misuratori di portata a ultrasuoni a tempo di transito e dei rilevatori di bolle a ultrasuoni

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Partendo dal principio di misurazione, comprendere i limiti delle prestazioni dei misuratori di portata a ultrasuoni e dei rilevatori di bolle

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Nell’ingegneria dei fluidi moderna, poiché i processi richiedono livelli sempre più elevati di sterilità e resistenza alla corrosione, nonché costi di manutenzione ridotti, le tecnologie di rilevamento non invasive sono passate gradualmente dalla ricerca di laboratorio alle applicazioni industriali su larga scala. Tra i vari approcci alla misurazione della portata, il rilevamento a ultrasuoni si distingue per le sue caratteristiche fisiche favorevoli. Consente sia la misurazione di base della portata sia il monitoraggio in tempo reale delle condizioni del fluido, come la presenza di bolle, garantendo protezione ai sistemi di tubazioni sia dal punto di vista della misurazione della portata che del rilevamento delle anomalie del fluido. Una solida comprensione dei principi alla base della misurazione della portata a tempo di transito e del rilevamento delle bolle fornisce agli ingegneri delle apparecchiature importanti indicazioni per l’integrazione e la selezione dei sensori in condizioni operative complesse.

1. Principio di funzionamento dei misuratori di portata a ultrasuoni a tempo di transito

Il principio di misurazione di un misuratore di portata a ultrasuoni non è complicato. Nel metodo a tempo di transito, una coppia di trasduttori a ultrasuoni è montata sulla tubazione, uno a monte e uno a valle, che trasmettono e ricevono alternativamente impulsi ultrasonici. Quando il fluido è in movimento, l’impulso ultrasonico che viaggia a valle si propaga più velocemente, mentre quello che viaggia a monte si propaga più lentamente, creando una differenza di tempo tra le due direzioni. Questa differenza di tempo è proporzionale alla velocità media di flusso e la portata può essere calcolata misurandola.

Nella pratica ingegneristica, il metodo del tempo di transito non dipende dalla conduttività elettrica né dalla concentrazione del fluido. Purché il mezzo sia in grado di trasmettere onde acustiche, è possibile ottenere misurazioni stabili per acqua deionizzata, solventi organici o terreni di coltura utilizzati nella produzione biofarmaceutica. Il vantaggio fondamentale del metodo del tempo di transito è che nessun componente interferisce con il percorso del fluido, garantendo una perdita di pressione estremamente bassa e un'usura meccanica minima. Per fluidi puliti, mezzi corrosivi o processi in cui la contaminazione non è accettabile, questo approccio non invasivo offre un chiaro vantaggio.

2. Principio del rilevamento delle bolle tramite ultrasuoni

Il principio del rilevamento delle bolle è più semplice. Un trasduttore emette un impulso ultrasonico, mentre un altro trasduttore riceve il segnale trasmesso. Quando la tubazione è piena di liquido, le onde ultrasoniche si propagano attraverso il liquido con un’attenuazione relativamente bassa e il segnale ricevuto è forte. Quando bolle o aria entrano nel tubo, le onde ultrasoniche subiscono una forte riflessione e dispersione all’interfaccia gas-liquido e il segnale ricevuto si attenua in modo significativo. Monitorando la variazione dell’ampiezza del segnale ricevuto, è possibile determinare se nella linea siano presenti bolle, gas o un tubo vuoto.

Diverse questioni pratiche richiedono attenzione. Le dimensioni e la densità di distribuzione delle bolle, così come le proprietà acustiche del liquido stesso, influenzano il grado di attenuazione del segnale; pertanto, la soglia di rilevamento deve essere regolata in base al mezzo specifico. Inoltre, occorre considerare l’effetto del materiale del tubo sull’attenuazione ultrasonica; materiali diversi richiedono frequenze del trasduttore e guadagno del segnale adeguati. Il valore ingegneristico del rilevamento ultrasonico delle bolle risiede nella sua capacità di monitorare in tempo reale i cambiamenti del fluido all’interno della tubazione senza entrare in contatto con esso. Per applicazioni che richiedono la protezione delle pompe, la prevenzione dell’ingresso di gas nei processi a valle o la verifica dello stato di riempimento delle tubazioni, questo metodo offre una soluzione semplice ed efficace.

3. Vantaggi del rilevamento a ultrasuoni rispetto ad altri principi di misurazione

Ogni principio di misurazione della portata presenta i propri limiti applicativi. I vantaggi della tecnologia a ultrasuoni si riflettono principalmente nei seguenti aspetti.

→ Rispetto ai misuratori di portata meccanici, come quelli a turbina e a ingranaggi, i misuratori di portata a ultrasuoni non presentano parti in movimento. Dopo un funzionamento prolungato, l’usura dei cuscinetti e l’incrostazione della girante causano una deriva di misura nei misuratori di portata meccanici, richiedendo manutenzione e ricalibrazione periodiche. Al contrario, i sensori dei misuratori di portata a ultrasuoni non hanno alcun contatto meccanico con il fluido, quindi non si verifica usura, con conseguente migliore stabilità a lungo termine e requisiti di manutenzione significativamente inferiori.

→ Rispetto al rilevamento ottico a bolle, il rilevamento a ultrasuoni non è limitato dal colore o dalla trasparenza del liquido. Nelle applicazioni biofarmaceutiche e della chimica fine, molti fluidi sono di colore scuro o contengono particelle solide, casi in cui il rilevamento ottico può facilmente fallire. Le soluzioni a ultrasuoni non sono influenzate dalla trasparenza ottica, sebbene i fluidi con un’attenuazione acustica estremamente elevata possano comunque presentare delle limitazioni.

→ Rispetto ai misuratori di portata elettromagnetici, i misuratori di portata a ultrasuoni non richiedono che il fluido sia elettricamente conduttivo. I misuratori di portata elettromagnetici possono misurare solo liquidi conduttivi e non sono in grado di gestire fluidi non conduttivi come l’acqua deionizzata, i solventi organici e gli oli. I misuratori di portata a ultrasuoni possono essere utilizzati con la maggior parte dei fluidi che trasmettono onde acustiche, offrendo un campo di applicazione più ampio, ad eccezione dei fluidi altamente attenuanti o che causano una forte dispersione.

→ Inoltre, i sensori a ultrasuoni di tipo clamp-on non richiedono alcuna modifica alla struttura delle tubazioni esistenti durante l’installazione. Questo rappresenta un vantaggio pratico per i progetti di retrofit. Non è necessario arrestare la linea per il taglio o la risaldatura delle tubazioni; il sensore può essere semplicemente fissato a morsetto sulla parete esterna del tubo.

Nella linea di prodotti XY-TEK, i misuratori di portata a ultrasuoni a tempo di transito coprono una varietà di tipi di installazione, da quelli a morsetto a quelli in linea. I sensori a fissaggio a morsetto sono adatti per l’adeguamento di condotte esistenti, poiché non entrano in contatto con il fluido e sono comodi da installare e mantenere. I sensori in linea sono adatti per l’integrazione in nuove apparecchiature, offrendo una maggiore stabilità di misura e un prezzo più competitivo. Il rilevamento delle bolle può anche essere integrato nella logica di elaborazione del segnale del sensore, consentendo la misurazione simultanea della portata e l’allarme di presenza di bolle in un unico dispositivo.

Comprendere i principi di funzionamento dei sensori significa essenzialmente comprendere i limiti della misurazione. Solo quando gli ingegneri hanno ben chiari l’ambito di applicazione, le condizioni operative affidabili e le modalità di guasto di una tecnologia di rilevamento, possono effettuare scelte oculate e utilizzare le apparecchiature in modo coerente. Il rilevamento a ultrasuoni non è adatto a tutte le condizioni operative. Tuttavia, grazie alla misurazione non invasiva, all’assenza di usura meccanica e all’ampia compatibilità con i fluidi, occupa un posto di rilievo nel monitoraggio dei fluidi industriali — un ruolo difficile da sostituire in molti ambienti di processo puliti e resistenti alla corrosione.