Come si misura ciò che scorre dentro una tubazione senza entrare nella tubazione?
Due trasduttori appoggiati all'esterno possono ricavare la velocità del liquido facendo attraversare gli ultrasuoni alla parete del tubo e al fluido. Nessun foro, nessuna parte bagnata, nessuna perdita di carico. Ma proprio perché il misuratore non vede direttamente il liquido, tubazione, installazione e profilo di velocità diventano parte della misura.
Misurare dentro
restando fuori.
Il segnale deve attraversare accoppiamento, parete, eventuale liner e liquido prima di tornare a raccontarci quanto velocemente scorre il processo.
Controcorrente il suono impiega più tempo. A favore di corrente, meno.
Nel metodo transit-time due trasduttori si scambiano impulsi ultrasonici lungo un percorso obliquo. Il moto del liquido modifica leggermente il tempo di propagazione nelle due direzioni. È questa piccola differenza, non un organo meccanico immerso nel fluido, a contenere l'informazione sulla velocità.
Il flusso “aiuta” il segnale
Il tempo di transito nella direzione del moto risulta leggermente più breve.
Il flusso “contrasta” il segnale
Nella direzione opposta il tempo di transito risulta leggermente più lungo.
Non misuriamo litri. Misuriamo prima una differenza di tempo.
Da Δt si ricava una velocità lungo il cammino acustico; da questa, con geometria e modello del profilo, si determina la portata.
Il tubo, che normalmente contiene la misura, qui diventa parte dello strumento.
Nel clamp-on l'ultrasuono deve attraversare materiali che un misuratore in-line non incontra nello stesso modo. Diametro esterno, spessore, materiale, liner e qualità dell'accoppiamento influenzano il percorso acustico e quindi devono essere conosciuti o determinati correttamente.
Il trasduttore deve trasferire energia acustica alla parete senza un'interfaccia d'aria indesiderata.
Materiale e spessore determinano parte del percorso e della rifrazione.
Un rivestimento interno aggiunge un altro materiale che il segnale deve attraversare.
Solo dopo questi strati il segnale attraversa il mezzo di cui vogliamo conoscere la portata.
La distanza fra i due sensori non è un dettaglio di montaggio.
La geometria del percorso dipende da diametro, spessore della parete, proprietà acustiche dei materiali e configurazione scelta. Una posizione errata dei trasduttori modifica il cammino che il sistema presume di misurare.
Il clamp-on è non invasivo, non “senza installazione”.
La qualità del montaggio esterno sostituisce parte delle criticità meccaniche tipiche di un misuratore in-line.
Una bolla può essere un disturbo per un principio e contemporaneamente fornire informazione a un altro.
Bolle, solidi sospesi, depositi e forti attenuazioni possono rendere più difficile un transit-time convenzionale. Alcune discontinuità, però, possono diventare riflettori utili per una misura Doppler.
Seguire il tempo del suono
Utilizza la differenza dei tempi di propagazione nelle due direzioni.
Seguire ciò che riflette il suono
Elementi riflettenti in movimento possono produrre uno shift di frequenza collegato alla loro velocità.
Il sensore attraversa una linea. La portata attraversa un'intera area.
La velocità ricavata dal percorso ultrasonico non è automaticamente la velocità media dell'intera sezione. Occorre passare dall'informazione lungo il cammino alla media areale necessaria per Q = v̄ × A.
Il punto più comodo per montare i sensori può essere il punto peggiore per misurare.
Curve, pompe, valvole, riduzioni e altre perturbazioni deformano il profilo di velocità e possono introdurre swirl o componenti trasversali. Il tubo esterno può apparire perfettamente uniforme mentre all'interno il campo di velocità è fortemente asimmetrico.
Gli studi metrologici sugli ultrasonici mostrano quanto gli effetti d'installazione e i profili non ideali possano modificare la risposta del misuratore. Per questo i tratti rettilinei e la scelta della posizione fanno parte dell'incertezza reale della misura.
Dentro il tubo il flusso può essere inclinato, ruotare o concentrarsi su un lato.
Il vantaggio di poter installare dall'esterno non significa che ogni posizione abbia lo stesso valore metrologico.
Il vero vantaggio non è soltanto evitare un foro.
Non toccare il fluido elimina alcuni problemi, ma rende più importanti informazioni che prima potevamo ignorare.
Il misuratore conosce direttamente il proprio diametro interno e la propria geometria.
Il sistema deve conoscere correttamente la tubazione sulla quale viene montato.
OD, wall thickness, materiale e liner diventano dati metrologici, non semplici dati meccanici.
Due principi per adattarsi a condizioni acustiche differenti.
La serie HIKMICRO FU00 è un misuratore ultrasonico clamp-on installato all'esterno della tubazione. HIKMICRO dichiara misura non a contatto, nessuna necessità di interrompere il processo e nessuna perdita di pressione introdotta dal misuratore.
Un elemento distintivo è la commutazione adattiva fra metodo della differenza di tempo e metodo Doppler. La documentazione HIKMICRO indica inoltre misura bidirezionale, configurazione Bluetooth e valutazione automatica della qualità del punto d'installazione.
Fino a ±0,5% su acqua nelle condizioni specificate dal costruttore.
Il flyer HIKMICRO indica ±0,5% su acqua a velocità di 1–10 m/s e ripetibilità ≤0,1%. È una prestazione dichiarata nelle relative condizioni, non un'accuratezza universale per qualsiasi tubo, fluido o installazione.
La domanda commerciale diventa: “possiamo misurarlo senza modificare la linea?”
Per il clamp-on, prima dello strumento dobbiamo conoscere il tubo.
Baggi può verificare applicazione, geometria, materiale, liner, condizioni del liquido, posizione disponibile, perturbazioni a monte e a valle e obiettivo della misura prima di definire sensori e configurazione.
OD, spessore, materiale, liner e stato superficiale.
Tipo di liquido, T, bolle, solidi e condizioni operative.
Portata, velocità, curve, pompe, valvole e tratti rettilinei.
Totalizzazione, 4–20 mA, comunicazione e integrazione PLC/DCS.
“DN100, acqua” non è ancora una specifica clamp-on.
| Dato | Perché serve |
|---|---|
| Diametro esterno e spessore | Definiscono geometria e percorso acustico. |
| Materiale tubo e liner | Influenzano propagazione e attenuazione del segnale. |
| Liquido e temperatura | Determinano proprietà acustiche e campo applicativo. |
| Bolle / solidi | Possono modificare il comportamento dei diversi principi ultrasonici. |
| Portata min-norm-max | Permette di verificare velocità e campo operativo reale. |
| Curve, pompe, valvole vicine | Servono a valutare profilo, swirl e posizione di installazione. |
Quattro domande prima di stringere i trasduttori sul tubo.
Misurare dall'esterno richiede conoscere ciò che accade all'interno.
- HIKMICRO — FU00 Series Clamp-on Ultrasonic Flow Meter, specifiche, flyer e manuale.
- NIST — studi sulla tecnologia ultrasonic travel-time e sugli effetti del profilo di velocità.
- NIST — studi su swirl, cross-flow e condizioni d'installazione dei misuratori ultrasonici.
- Letteratura di metrologia della portata — relazione fra velocità lungo il percorso acustico e velocità media di sezione.
La misura continua oltre questa pagina.
Questo problema è collegato ad altre grandezze, fenomeni e tecnologie. Prosegui dagli approfondimenti più vicini all'applicazione.
Prima di scegliere il misuratore, guardiamo il tubo dall'esterno e il flusso dall'interno.
Diametro, spessore, materiale, liner, liquido e posizione d'installazione permettono di verificare se e come realizzare una misura clamp-on affidabile.