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Effetto dell’idrogeno sui trasduttori piezo (bio fouling)

by STS | Wednesday, 5 May, 2021 | Idrologia, Marino, Misurazione della pressione

BIOFOULING

Il biofouling o fouling biologico è l’accumulo di microrganismi, piante, alghe o animali su superfici bagnate, dispositivi come prese d’acqua, tubature, griglie, vasche e naturalmente sugli strumenti di misura, causando la degradazione dello scopo primario di questi elementi.

ANTIFOULING

L’antivegetativa è il processo di rimozione o prevenzione di questi accumuli. Esistono diverse soluzioni per ridurre/prevenire i processi di fouling sugli scafi delle navi e nei serbatoi di acqua marina o salmastra.

Rivestimenti tossici speciali che uccidono gli organismi biofouling; con la nuova direttiva UE sui biocidi molti rivestimenti sono stati vietati per motivi di sicurezza ambientale.

Rivestimenti antiaderenti non tossici che impediscono l’attaccamento dei microrganismi sulle superfici. Questi rivestimenti sono di solito basati su polimeri organici. Si basano su un basso attrito e su basse energie di superficie.
Antivegetativa a ultrasuoni. I trasduttori a ultrasuoni possono essere montati all’interno o intorno allo scafo su barche di piccole e medie dimensioni. I sistemi sono basati su una tecnologia collaudata per controllare le fioriture di alghe.
Irradiazione laser pulsata. La tecnologia degli impulsi al plasma è efficace contro le cozze zebrate e funziona stordendo o uccidendo gli organismi con una durata di microsecondi, energizzando l’acqua con impulsi ad alta tensione.
Antifouling tramite elettrolisi
Gli organismi non possono sopravvivere in un ambiente con ioni di rame.
Gli ioni di rame si formano per elettrolisi con un anodo di rame.
Nella maggior parte dei casi, l’alloggiamento del serbatoio o lo scafo della nave serve da catodo.
Un anodo di rame installato nella configurazione genera un’elettrolisi tra l’anodo e il catodo.

L’elettrolisi può apparire a causa di sistemi di trattamento dell’acqua di zavorra (elettrolisi e sistemi UV), processi di corrosione o differenze di potenziale elettrico tra diversi materiali.

EFFETTO DELL’ELETTROLISI SUL TRASDUTTORE PIEZORESISTIVO

Un risultato dell’elettrolisi sono ioni idrogeno positivi
A causa della loro polarizzazione, gli ioni di idrogeno si muovono verso il catodo (alloggiamento del serbatoio o scafo della nave) dove è installato il trasduttore.
In caso di contatto diretto tra serbatoio e trasduttore, gli ioni di idrogeno permeano attraverso la componente più sottile dell’anodo, che è il diaframma del trasduttore.
Dopo la permeazione degli ioni di idrogeno attraverso il diaframma, gli ioni di idrogeno afferrano un elettrone e si trasformano in idrogeno molecolare (H2). L’idrogeno si accumula nel fluido di riempimento del trasduttore.
Se questo effetto dura per un periodo più lungo, la concentrazione di idrogeno nel fluido di riempimento aumenterà e il diaframma si gonfierà. di conseguenza, il sensore va alla deriva ed emette un valore errato.

RISULTATI

I trasduttori di pressione in acciaio inossidabile in servizio per 2-3 anni nelle cisterne di zavorra delle navi sono stati analizzati e la ricerca ha dato i seguenti risultati:

La formazione di depositi sulle membrane di acciaio inossidabile non può essere impedita nella pratica. Finché i processi di corrosione possono avere luogo sulla membrana in condizioni anaerobiche, la formazione di idrogeno e la sua penetrazione nel sensore devono sempre essere previste.

Per questo motivo, in tali condizioni, la membrana dovrebbe essere fatta di un materiale più resistente alla corrosione come il titanio.

La corrosione delle fessure si verifica su parti metalliche in presenza di un mezzo corrosivo in fessure strette e non sigillate come le sovrapposizioni e nelle saldature non passanti. La forza motrice è la differenza di concentrazione tra il mezzo nella lacuna e l’area esterna alla lacuna, che è causata dalla diffusione inibita dei reagenti nella lacuna. La differenza di potenziale associata alla differenza di concentrazione porta alla corrosione elettrochimica nella lacuna (tipo idrogeno) o nelle sue immediate vicinanze (tipo ossigeno).

Per questo motivo, la membrana deve essere saldata all’alloggiamento.

RACCOMANDAZIONE

In base a questi risultati, la STS Sensor Technik Sirnach AG utilizza con successo da oltre 10 anni sensori piezoresistivi senza elastomeri con custodia e membrana in titanio per applicazioni in acque marine, salmastre e di mare.

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Gli estensimetri nella tecnica di misurazione della pressione

by STS | Tuesday, 30 June, 2020 | Misurazione della pressione

Gli estensimetri – spesso denominati con l’abbreviazione inglese SG (strain gage) – sono dispositivi di misura che modificano la loro resistenza elettrica a seguito di deformazioni meccaniche. Sono utilizzati in una varietà di strumenti di misura: oltre a bilance e celle di carico troviamo anche i sensori di pressione.

Gli strumenti di misura della pressione utilizzano diverse grandezze fisiche, tra cui l’induttanza, la capacità o la piezoelettricità. La grandezza fisica più comune con cui funzionano i trasmettitori di pressione, però, è la resistenza elettrica, che si osserva negli estensimetri metallici o negli estensimetri a semiconduttore a effetto piezoresistivo. La pressione è determinata da una deformazione meccanica. Gli estensimetri vengono applicati su un supporto elastico. Qui è importante che gli estensimetri possano seguire i movimenti del supporto. Se sul supporto agisce una pressione, la deformazione che ne deriva provoca una variazione della sezione trasversale della pista conduttiva e questa, a sua volta, provoca una variazione della resistenza elettrica. È quest’ultima variazione ad essere rilevata da un sensore di pressione ed è attraverso questa variazione che si rileva la pressione.

Immagine 1: estensimetri che si deformano sotto pressione

Si modifica così la lunghezza L per via della deformazione che agisce sul supporto (Δl). Poiché il volume rimane lo stesso, la sezione trasversale e quindi, la resistenza ohmica R, cambiano:

ΔR/R = k • ΔL/L

La variazione di resistenza ΔR è proporzionale alla variazione della lunghezza _^L. La costante di proporzionalità k dipende dalla geometria e dalle proprietà del materiale. Mentre nel caso dei conduttori metallici k è uguale a 2, nei semiconduttori la costante di proporzionalità può essere molto elevata. A causa della costante k relativamente alta dei semiconduttori, questi risultano essere più sensibili e possono pertanto misurare anche le più piccole variazioni di pressione. Di conseguenza, però, la dipendenza dalla temperatura è altrettanto maggiore.

La variazione di resistenza negli estensimetri metallici deriva dai cambiamenti dimensionali (geometria). Negli estensimetri a semiconduttore la variazione è dovuta ai cambiamenti della struttura cristallina (effetto piezoresistivo).

La valutazione della variazione di resistenza a seguito di una deformazione causata dalla pressione avviene tramite un circuito a ponte. A tale scopo gli estensimetri vengono collegati a un ponte di Wheatstone (immagine 2). Due estensimetri vengono posti in direzione radiale, due in direzione tangenziale. In questo modo, durante una deformazione due estensimetri si dilatano e due si comprimono. Per fare in modo che gli effetti della temperatura possano essere compensati e avere un segnale il più possibile lineare, è importante che gli estensimetri abbiamo le stesse resistenze e che siano disposti con una geometria precisa.

Immagine 2: circuito a ponte

Estensimetri metallici

Per quanto riguarda gli estensimetri metallici occorre distinguere tra estensimetri a lamina e estensimetri a film sottile.

Gli estensimetri a lamina sono costituiti da un foglio laminato spesso solo pochi micrometri. Come materiale si utilizza solitamente la costantana, ma sono utilizzati anche il karma e il modco, soprattutto se è necessario un intervallo di temperatura più ampio o se si presentano temperature inferiori a -150 °C. La costantana ha una costante k di 2,05 molto bassa e, quindi, non è molto sensibile. In cambio, questo materiale risulta essere poco dipendente dalla temperatura, motivo per cui viene utilizzato maggiormente per gli estensimetri a lamina.

Gli estensimetri a lamina vengono utilizzati principalmente per le celle di carico. Per i sensori di pressione spesso non sono abbastanza sensibili. Infatti, non registrano valori inferiori a 1 bar. Anche l’intervallo di temperatura è relativamente limitato, tanto che a seconda del modello non è possibile superare già temperature di 80 °C.

Gli estensimetri a film sottile sono realizzati con la cosiddetta tecnica a film sottile, come ad esempio la deposizione da vapore o la polverizzazione catodica. Il processo di produzione è un po’ più dispendioso e, quindi, anche più costoso rispetto agli estensimetri a lamina. In compenso è possibile raggiungere un intervallo di temperatura di 170 °C e anche la stabilità a lungo termine è molto buona.

Gli estensimetri metallici a film sottile permettono di creare strumenti di misura stabili a lungo, ma per lo più davvero costosi: minore è la pressione da misurare, maggiore è il prezzo di produzione. Basse pressioni al di sotto di 6 bar vengono rilevate con scarsa precisione.

Estensimetri a semiconduttore

Gli estensimetri a semiconduttore funzionano con l’effetto piezoresistivo. Come materiale nella maggior parte dei casi si utilizza il silicio. Gli estensimetri a semiconduttori tendono ad essere più sensibili degli estensimetri metallici. Sono solitamente separati dal fluido tramite una membrana di separazione, pertanto la pressione viene trasmessa mediante un fluido di trasmissione.

Immagine 3: unità di misura piezoresistiva

Nei materiali semiconduttori l’effetto piezoresistivo è circa 50 volte maggiore che negli estensimetri metallici. Gli estensimetri a semiconduttore vengono incollati su un supporto oppure vengono direttamente polverizzati. Quest’ultima opzione consente un collegamento intensivo e permette libertà dall’isteresi, nonché resistenza all’invecchiamento e alla temperatura. Sebbene l’effetto piezoresistivo non sia limitato ai soli estensimetri a semiconduttore, viene comunemente utilizzato il termine “sensore di pressione piezoresistivo” per indicare quegli strumenti di misura la cui struttura elastica che si deforma sotto pressione e i cui resistori sono integrati in un unico chip. I sensori di pressione piezoresistivi possono essere realizzati di piccole dimensione e (a parte la membrana) possono essere realizzati senza parti mobili. La loro produzione si basa sui normali metodi di fabbricazione dei semiconduttori. Allo stesso tempo si ha la possibilità di integrare in un unico chip i resistori e la membrana elastica che si deforma sotto pressione, realizzando così una cella di misura della pressione dalle dimensioni di un chip.

Qui puoi trovare ulteriori informazioni sulla costruzione dei trasmettitori di pressione della STS.

Gli estensimetri piezoresistivi a film sottile vengono applicati su un supporto in silicio e vengono separati dal supporto stesso attraverso uno strato isolante. Questo fa aumentare i costi di produzione e, di conseguenza, anche il prezzo. In cambio è possibile coprire intervalli di temperatura che vanno da -30 °C a 200 °C. Grazie al comportamento molto elastico del silicio, bisogna solo tenere conto di un’isteresi minima. L’elevata costante k causa una forte sensibilità. Per questo motivo i sensori di pressione piezoresistivi rappresentano la scelta migliore in caso di campi di pressione molto bassi nella gamma dei millibar. Inoltre, è possibile produrre dispositivi di misure molto ridotte, cosa che influenza positivamente le possibili applicazioni. La stabilità a lungo termine è buona, così come lo è la compatibilità elettromagnetica. Ovviamente, quest’ultima dipende dal materiale con cui è fatto il supporto. A tal proposito la compensazione della temperatura richiede un po’ più di sforzo. Tuttavia, anche questa sfida può essere ben gestita. Qui trovi maggiori informazioni sul tema della compensazione della temperatura.

Gli estensimetri a film spesso vengono stampati su membrane ceramiche o metalliche. Con uno spessore di 20 micrometri questi estensimetri sono fino a 1000 volte più spessi degli estensimetri a film sottile. Per via dei costi di produzione bassi hanno un prezzo più economico, ma con il tempo non sono molto stabili a causa dell’invecchiamento dello spessore.

Conclusioni: il tipo di estensimetro ha una grossa influenza sullo strumento di misura. Fattori come il prezzo, l’accuratezza e la stabilità a lungo termine svolgono un ruolo importante nella scelta del giusto sensore di pressione. In base alla nostra esperienza i trasmettitori di pressione con estensimetri piezoresistivi a film sottile hanno dimostrato di essere i più efficienti, poiché grazie alla loro sensibilità riescono a rilevare con alta precisione ampi intervalli di temperatura e offrono una buona stabilità a lungo termine.

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Simulazione meccanica nella fase iniziale di progetti di misurazione delle pressioni complesse

by STS | Tuesday, 30 June, 2020 | Misurazione della pressione

I metodi ingegneristici e le tecnologie moderne consentono ai produttori di costruire trasmettitori di pressione tali da soddisfare i requisiti richiesti dai casi pratici. Questo è indispensabile soprattutto quando si considerano le applicazioni più complesse.

Durante lo sviluppo dei giacimenti petroliferi offshore le condizioni sono estremamente difficili. Lontano dalla terraferma e a grande profondità, i trasmettitori di pressione sono sottoposti a carichi elevati. Un guasto funzionale è estremamente costoso, poiché in tal caso il modulo deve essere recuperato dalle acque profonde per poi essere nuovamente installato. È essenziale fare in anticipo valutazioni affidabili riguardo al funzionamento sulla base delle condizioni che si prevedono. Per questo motivo, nella fase iniziale i singoli componenti del trasmettitore di pressione vengono sottoposti ad una simulazione meccanica delle condizioni ambientali presenti nelle profondità marine.

Immagine 1: Simulazione FEM del corpo di un sensore

Nell’ambito della simulazione meccanica si utilizza il metodo degli elementi finiti (FEM, dall’inglese Finite Element Method). Si tratta di una tecnica numerica comune volta a studiare la resistenza dei corpi che hanno una forma geometrica complessa. Il solido da esaminare, ad esempio il corpo di un trasmettitore di pressione, viene suddiviso in elementi finiti, vale a dire corpi parziali. Si tratta, dunque, di una modellazione fisica mediante un software di calcolo intensivo, in base al quale si stabilisce se gli elementi finiti e, di conseguenza anche la costruzione nel suo insieme, siano in grado di resistere alle forze previste. Nell’ambito della prospezione petrolifera queste forze sono principalmente le pressioni molto elevate. Ad una profondità marina di 2.500 metri – non affatto rara in questo campo di applicazione – sul corpo del trasmettitore viene esercitata una pressione di 250 bar. Oltre a questa pressione esterna bisogna tener conto anche della pressione di processo, che può essere considerevolmente più elevata (si possono ad esempio verificare picchi di pressione).

Con il metodo degli elementi finiti, quindi, non si esamina già la resistenza dei trasmettitori di pressione finiti, ma le modellazioni più realistiche possibili. Se si trova una soluzione che rispecchia le specifiche dell’utente, il prodotto viene testato con un esperimento – questo esperimento non viene più svolto virtualmente. In caso di soluzione per la misurazione della pressione personalizzata per gli utenti nel campo dell’estrazione offshore di petrolio, l’esperimento nella camera di pressione è di primaria importanza. Attraverso questi testi iperbarici si convalidano i risultati del metodo degli elementi finiti e si stabilisce il limite di carico dei componenti o dell’intero sistema. Così facendo è possibile garantire che gli utenti con requisiti particolari in termini di sensori ricevano un prodotto in grado di svolgere il proprio compito in modo affidabile.

Immagine 2: micrografie di due corpi di sensori. A sinistra: senza pressurizzazione. A destra: dopo un test iperbarico a 1.500 bar. Non ci sono stati cambiamenti, il corpo è pertanto stabile.

Nell’immagine 2 si vedono le micrografie di due corpi di sensori identici. Al corpo a sinistra non è stata applicata nessuna pressione, mentre a quello a destra è stato applicata una pressione di 1.500 bar. Questa pressione corrisponde ad una colonna d’acqua di 15 chilometri e, quindi, molto più del punto più profondo del mare. Ottimizzando il componente con il metodo degli elementi finiti è stato possibile modellarlo in modo tale che resista a questa enorme pressione. Per fare un confronto: la fossa delle Marianne, punto più profondo del mare, è profonda 11 chilometri, pertanto misurare la pressione nella fossa delle Marianne non dovrebbe costituire un problema. Il margine di sicurezza per la maggior parte delle applicazioni è quindi molto elevato e si garantisce un funzionamento affidabile.

Altri casi di applicazione del metodo degli elementi finiti

Le simulazioni meccaniche non sono utili solo nel caso di applicazioni ad alta pressione. Come già descritto in altri articoli, la temperatura è un importante fattore determinante per la misura della pressione piezoresistiva. Prendiamo come esempio il tubo di scarico di un veicolo. Qui si verificano pressioni molto elevate che possono superare i limiti di un trasmettitore di pressione. In questo tipo di applicazione attraverso il metodo degli elementi finiti si studia come deve essere costruito il trasmettitore di pressione, in modo tale che sulla cella di misura non agiscano più di 150 °C.

Anche nel campo della bassa pressione possono essere utili le simulazioni meccaniche. I cambiamenti meccanici, infatti, hanno effetti molto maggiori a bassa pressione: mentre in un’applicazione ad alta pressione le deviazioni di misura nella gamma dei millibar possono essere quasi ininfluenti, in un campo di misura inferiore a 1 bar queste sono già significative. Un esempio: l’elemento di collegamento tra il chip di misurazione e il corpo è solitamente una colla. Se durante l’installazione del trasmettitore di pressione il momento torcente è molto alto, questo collegamento potrebbe staccarsi o anche essere leggermente alterato, e verrebbero trasmesse delle distorsioni alla cella di misura. Già questo può causare gravi errori di misura. Anche le caratteristiche della colla utilizzata possono essere modellate ricorrendo al metodo degli elementi finiti. Naturalmente, in questo caso lo scopo non deve essere quello di scoprire il limite di carico dell’elemento di collegamento e riferirlo all’utente, ma deve essere quello di trovare una soluzione che possa facilmente resistere a tutti i possibili momenti torcenti di un’installazione.

Il costo delle simulazioni meccaniche viene ripagato nel lungo termine. Non solo è possibile costruire i prodotti in modo che rispecchino le specifiche richieste. In questo modo è anche possibile ottimizzare il design in modo che i prodotti siano il più intuitivi possibile.

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Lo sporco come causa di deriva nei sensori di pressione

by STS | Tuesday, 30 June, 2020 | Misurazione della pressione

Tutti conoscono il detto “non si può fare la frittata senza rompere le uova”. Nello sviluppo dei nuovi motori a combustione interna questo significa che particelle di fuliggine o depositi oleosi possono contaminare i sensori utilizzati.

La conseguenza di questo tipo di contaminazioni sono misurazioni sempre più imprecise. Se ad esempio il sistema di scarico di un nuovo motore a combustione interna viene monitorato con dei trasmettitori di pressione, nel corso del tempo sulla membrana del sensore si depositerà sempre più particolato. Le membrane dei sensori di pressione piezoresistivi sono molto sottili per poter fornire misurazioni di alta precisione. Se, però,col tempo su di esse si va a formare uno strato di fuliggine, questo riduce la sensibilità del sensore stesso.

Proteggere i trasmettitori di pressione dal particolato

Gli utenti notano questa deriva del sensore durante le misurazioni della pressione di riferimento: le differenze tra i valori del manometro di riferimento e quelli del sensore sono considerevoli. Spesso, poi, già i valori ottenuti degli utenti indicano quando i segnali misurati si allontano troppo dai risultati attesi. Anche delle forti oscillazioni nei valori misurati possono essere un indicatore di contaminazione.

In linea generale, quando si utilizza un sensore che entra in contatto con lo sporco, la STS consiglia ai suoi clienti di eseguire un controllo dopo massimo 100 ore di utilizzo. Inoltre, si può provare a proteggere il più possibile il sensore dallo sporco. A tale scopo esistono due metodi comuni.

Metodo 1: pellicola protettiva

Il primo metodo non sostituisce la manutenzione del sensore dopo massimo 100 ore, ma ne facilita la pulizia e preserva la membrana. Basta applicare una pellicola protettiva metallica molto sottile sulla membrana per proteggerla dallo sporco. Dopo 100 ore di funzionamento si toglie questa pellicola e se ne applica una nuova.

Metodo 2: adattatore di raffreddamento

Questo metodo permette agli utenti di prendere due piccioni con una fava. Avvitando sul connettore di pressione un adattatore di raffreddamento o una valvola climatica, la membrana risulta ampiamente protetta dallo sporco. La valvola climatica si apre solo quando c’è realmente qualcosa da misurare. Quindi nei casi in cui non è richiesto un monitoraggio fisso della pressione, questo può essere un buon metodo per mantenere al minimo il grado di contaminazione del sensore impiegato.

Allo stesso tempo, questo elemento di raffreddamento è in grado di garantire anche una temperatura del sensore costante. Oltre allo sporco sulla membrana, infatti, anche la temperatura influisce sulla precisione di misurazione dei trasmettitori di pressione piezoresistivi (Qui è possibile trovare maggiori informazioni sull’influenza della temperatura sull’accuratezza dei sensori di pressione).

Pulizia dei sensori di pressione in caso di contaminazione con oli

Soprattutto nello sviluppo dei motori navali si verificano contaminazioni con olio combustibile pesante. In particolare, gli additivi utilizzati si depositano sulla membrana, arrivando persino a danneggiarla. Queste sedimentazioni riducono la sensibilità del trasmettitore di pressione. Bisogna pertanto effettuare anche in questo caso dei controlli periodicamente.

Al fine di minimizzare il più possibile le contaminazioni e le conseguenze che ne derivano, già al momento di scegliere il sensore di pressione è necessario fare attenzione alle sue caratteristiche. Si consiglia un dispositivo che sia dotato di una membrana in acciaio inossidabile montata frontalmente e che non abbia canali nei quali si potrebbero formare piccoli depositi. Vale anche la regola per cui “più è liscio, meglio è”, poiché su una membrana ruvida si depositano più velocemente le particelle indesiderate. Tra l’altro, una superficie ruvida è anche più difficile da pulire.

Per pulire un sensore di pressione sporco, bisogna prima rimuoverlo dall’applicazione. Come detergente è consigliato l’isopropanolo (IPA).Mentre il corpo del sensore non necessita di particolari attenzioni, la membrana, invece, va pulita senza applicare una forte pressione, aiutandosi ad esempio con dei bastoncini di ovatta. Non utilizzare l’aria compressa in alcun caso. Le membrane sono molto sottili e se si applica troppa pressione si deformano.

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Vibrazioni: il sensore di pressione ne risente

by STS | Tuesday, 30 June, 2020 | Misurazione della pressione

In quasi tutte le applicazioni che hanno a che fare con compressori, turbine e motori si generano delle vibrazioni che ovviamente si ripercuotono anche sui sensori di misurazione. Senza le dovute precauzioni questo può pregiudicare la funzionalità dei trasmettitori di pressione utilizzati.

Le ripercussioni delle vibrazioni sui sensori di pressione possono essere gravi. Da un lato il segnale di misura può essere disturbato dalla sovrapposizione. Se la vibrazione si propaga al segnale di uscita, gli utenti otterranno misurazioni non utilizzabili. Questo effetto si nota subito senza ritardo. Inoltre, un carico continuo può portare a una fatica dei materiali. Le saldature possono rompersi e le viti allentarsi. Che provochino misure falsate o che facciano rompere i collegamenti meccanici, le vibrazioni posso rendere i sensori di pressione inutilizzabili. Per fortuna, è possibile ridurre al minimo questi effetti indesiderati.

Tecnica di misura della pressione: prevenire i danni causati dalle vibrazioni

La prevenzione è il miglior provvedimento possibile. Questo prevede che gli utenti siano a conoscenza delle vibrazioni che avvengono all’interno della loro specifica applicazione. Dunque, come primo passo è necessario determinare la frequenza di vibrazione di un’applicazione. Le vibrazioni di per sé non causano danni. Nelle schede tecniche fornite dai produttori viene spesso indicato sotto “verifiche” in quale gamma di frequenza non compaiono guasti. Per stabilirlo si applica la norma DIN EN 60068-2-6. Nella procedura di prova descritta il campione viene sottoposto ad una determinata gamma di frequenza per un tempo prestabilito. L’obiettivo è definire le frequenze caratteristiche del campione. La procedura di prova è illustrata nell’immagine.

Immagine 1: qualificazione di un prototipo:il sensore di pressione è avvitato ad un blocco di alluminio che viene sottoposto ad un carico meccanico (vibrazione, accelerazione).

Se si registrano forti vibrazioni che superano le specifiche del sensore di pressione, si prendono in considerazione innanzitutto due approcci. Il primo approccio riguarda la dimensione spaziale: quanto è grande il trasmettitore di pressione e dove va montato? Più il trasmettitore di pressione è pesante e grande, maggiore è l’effetto delle vibrazioni e minore la resistenza. Nelle applicazioni interessate da forti vibrazioni può quindi essere vantaggioso utilizzare un sensore di pressione piccolo, come ad esempio l’ATM.mini che,per via della sua massa ridotta, viene poco condizionato dalle vibrazioni.

Oltre alle dimensioni del trasmettitore di pressione conta anche la sua posizione nell’applicazione. Se, ad esempio, il sensore si trova sull’asse delle vibrazioni, subisce meno vibrazioni. Se, però, viene montato trasversalmente all’asse delle vibrazioni, deve reggere l’intero carico di vibrazioni.

In aggiunta, è possibile equipaggiare il trasmettitore di pressione stesso in modo tale che resista meglio alle vibrazioni. In questo caso il sensore viene impregnato di un composto morbido che ammortizza le vibrazioni, proteggendo così le parti meccaniche. Nell’immagine 2 si può vedere questo composto trasparente e lucido.

Immagine 2: Sensore di pressione con il composto

In sintesi possiamo affermare che le forti vibrazioni possono danneggiare i sensori di misura. Scegliendo un sensore di pressione adatto all’applicazione specifica (gamma di frequenza, dimensioni) e un montaggio ottimale (ad es. sull’asse delle vibrazioni) è possibile ridurre gli effetti delle vibrazioni. Un’ulteriore protezione è offerta dal composto ammortizzante con cui si può bagnare il sensore (vedi immagine 2).

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I principi fondamentali della misura della pressione in applicazioni con necessità di igiene

by STS | Tuesday, 30 June, 2020 | Misurazione della pressione

Nell’industria alimentare e farmaceutica, nonché nelle biotecnologie e nelle industrie ad essa collegate (ad es. l’industria di confezionamento e di imbottigliamento) i requisiti richiesti ai trasmettitori di pressione sono particolarmente alti. Nel seguente articolo descriviamo di cosa devono tener conto gli utenti di questi settori industriali nella scelta del trasmettitore di pressione adatto alla loro applicazione.

Durante la misura della pressione nelle industrie sopra indicate, particolare attenzione è posta, naturalmente all’igiene : bisogna evitare la contaminazione dei prodotti e la proliferazione dei germi per proteggere l’uomo e l’ambiente. I sensori di pressione utilizzati in ambienti sensibili devono quindi essere conformi alle regolamentazioni delle autorità competenti (Europa: EHEDG; Stati Uniti: FDA). Oltre ai materiali utilizzati bisogna tener conto anche della costruzione del trasmettitore di pressione.

Struttura del trasmettitore di pressione

I trasmettitori di pressione per applicazioni igieniche devono poter essere puliti facilmente e offrire ai germi poca superficie d’attacco. Tutto questo parte dalla costruzione dello strumento di misura. Spazi morti, fessure e spigoli sono, pertanto, da evitare, poiché rendono più difficile la pulizia e permettono ai germi di accumularsi in questi punti.

Un aspetto altrettanto importante è il collegamento. I trasmettitori di pressione devono poter essere smontati velocemente, dal momento che nelle applicazioni sensibili viene effettuata spesso la pulizia e vengono sostituite regolarmente le guarnizioni. Queste condizioni di norma escludono le filettature a vite. C’è, poi, un altro motivo che non dipende dallo smontaggio: le filettature offrono alle impurità più superficie di attacco. Per questi motivi, i trasmettitori di pressione per applicazioni igieniche dispongono solitamente di flange latte, flange a morsetto e flange DIN.

È dunque necessario che tutti i componenti siano ben collegati tra loro e che sia garantito un montaggio/smontaggio efficiente.

Materiali del trasmettitore di pressione

Anche per quanto riguarda i materiali l’aspetto della pulizia è in primo piano, a cominciare dalle superfici dei materiali scelti. Sia la membrana che gli altri elementi del trasmettitore di pressione in contatto con la sostanza devono disporre di una ruvidezza minima possibile. Più un materiale è ruvido, infatti, più i germi possono attaccarsi e, di conseguenza, più è difficile la pulizia. Nelle applicazioni igieniche lo standard è una ruvidezza di 0,8 μm, sebbene non sia ideale per ogni processo. Per rispondere ad esigenze più elevate, bisognerebbe considerare una ruvidezza di ≤ 0.4 μm.

Naturalmente, la ruvidezza si forma anche per via della corrosione. A tal proposito, il materiale esterno dei trasmettitori di pressione per applicazioni igieniche svolge un ruolo importante. Per evitare il più possibile la corrosione, bisognerebbe utilizzare soltanto acciaio inossidabile di alta qualità con un basso contenuto di ferrite. Un esempio è il materiale 1.4404, noto anche come acciaio V42, che, grazie al suo 2% di contenuto di molibdeno soddisfa i requisiti più elevati in termini di resistenza alla corrosione. L’EHEDG fornisce le linee guida sull’idoneità dei materiali di costruzione per ogni singolo processo.

Il requisito di avere una superficie liscia si applica, ovviamente, anche ai materiali di tenuta, che devono essere chimicamente e termicamente resistenti. Se non lo fossero, con il tempo diventerebbero porosi e offrirebbero quindi ai germi una superficie ideale d’attacco. Per i propri trasmettitori di pressione per applicazioni igieniche la STS utilizza il Viton, un fluoroelastomero ad alta resistenza termica e chimica, in grado di resistere agli idrocarburi persino a temperature più elevate senza gonfiarsi o diventare poroso.

I requisiti dei materiali utilizzati derivano dai processi di pulizia nell’industria alimentare e farmaceutica e nelle biotecnologie: i trasmettitori di pressione utilizzati negli impianti chiusi devono resistere ai processi di pulizia Cleaning in Place (CIP) e Sterilisation in Place (SIP). Durante questi processi gli impianti vengono puliti senza effettuare ulteriori smontaggi. Per rendere chiaro a cosa sono sottoposti i materiali, descriviamo brevemente il processo CIP:

Come primo passo vengono rimosse le impurità grossolane con un prelavaggio con acqua.
Successivamente viene utilizzato un agente alcalino.
Il detergente alcalino viene poi risciacquato via con l’acqua.
Per rimuovere il calcare e altri depositi simili gli impianti vengono puliti con un acido.
L’acido viene poi risciacquato via con l’acqua.
Per uccidere i microrganismi viene utilizzato un disinfettante.
Infine si procede a un risciacquo con acqua ultrapura.

Durante il processo SIP l’impianto viene inondato di vapore acqueo ad una temperatura media di 140 gradi Celsius. Pertanto, i trasmettitori di pressione devono resistere alle temperature corrispondenti senza subire danni.

Un ultimo aspetto per quanto riguarda la scelta dei materiali è il fluido di trasferimento di pressione. Con i trasmettitori di pressione “normali” si utilizzano spesso gli oli di silicone. Questi oli, però, in caso di danneggiamento del trasmettitore di pressione, potrebbero contaminare i mezzi di processo. Solo per citare un esempio relativamente innocuo dell’industria alimentare, la birra, ad esempio, non farebbe più la schiuma. Nelle applicazioni igieniche possono essere utilizzati solo i fluidi elencati dalle autorità.

ATM/F – Trasmettitore di pressione per applicazioni igieniche

Ulteriori aspetti / Casi particolari

Mentre gli aspetti fin ora menzionati appartengono alla misura della pressione nelle applicazioni igieniche, ci sono ancora due punti che potrebbero essere importanti per alcuni utenti. Tra questi rientra sicuramente la sicurezza contro le esplosioni con certificazione ATEX. Inoltre, anche la possibilità di una nuova regolazione – cosa che la maggior parte dei trasmettitori di pressione non ha più – può essere un importante fattore di costi. Nei processi particolarmente critici delle biotecnologie o dell’industria farmaceutica gli strumenti di misura utilizzati devono essere convalidati ogni tre mesi. Se quindi possono essere nuovamente regolati in un laboratorio di calibrazione, si tratta di un vantaggio innegabile.

Un altro caso particolare può essere la combinazione della misura della pressione con quella della temperatura. Un cliente della STS, ad esempio, oltre a misurare la pressione ha avuto bisogno di controllare la temperatura in un macchinario di imballaggio per aghi da siringa. Se entrambe le applicazioni possono essere combinate in un unico strumento conforme alle applicazioni igieniche, non solo si riduce lo spazio necessario richiesto, ma si riducono anche le operazioni di pulizia.

Questo caso particolare è, infine, esemplare anche per la misura della pressione in ambienti sensibili: gli utenti devono attenersi a rigidi regolamenti, che possono differire da processo a processo (ad esempio in termini di materiali ammessi). Grazie al principio di costruzione modulare della STS, i trasmettitori di pressione per applicazioni igieniche possono essere adattati alle esigenze individuali in poco tempo.

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