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Gli estensimetri nella tecnica di misurazione della pressione

Gli estensimetri nella tecnica di misurazione della pressione

by | 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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Lo sporco come causa di deriva nei sensori di pressione

Lo sporco come causa di deriva nei sensori di pressione

by | 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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Misurazione della pressione ad alta precisione a temperature elevate

Misurazione della pressione ad alta precisione a temperature elevate

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

In alcune applicazioni, i trasmettitori di pressione devono funzionare in modo affidabile anche quando sono esposti a temperature molto elevate. Le autoclavi utilizzate nell’industria chimica e in quella alimentare per la sterilizzazione degli attrezzi e degli strumenti rientrano sicuramente tra queste applicazioni esigenti.

Un’autoclave è una camera di pressione impiegata in una vasta gamma di settori per numerose applicazioni. Le autoclavi sono caratterizzate da alte temperature e da una pressione diversa dalla pressione dell’ambiente circostante. Le autoclavi mediche, per esempio, sono utilizzate per sterilizzare gli strumenti, per via della loro capacità di distruggere i batteri, i virus e i funghi a 134 °C. L’aria imprigionata all’interno della camera di pressione viene rimossa e sostituita con vapore bollente. Il metodo più diffuso per farlo è chiamato “spostamento verso il basso”: il vapore entra nella camera e riempie la parte superiore spingendo l’aria più fredda verso il fondo. Qui l’aria fredda viene espulsa tramite uno scarico dotato di un sensore di temperatura. Il processo termina quando tutta l’aria è stata espulsa e la temperatura all’interno dell’autoclave raggiunge i 134 °C. 

Misurazioni estremamente accurate a temperature elevate 

I trasmettitori di pressione sono utilizzati nelle autoclavi per il monitoraggio e la convalida. Essendo normalmente calibrati a temperatura ambiente, non sono in grado di fornire la migliore accuratezza nelle condizioni di caldo elevato e umidità presenti nelle autoclavi. Di recente, la STS è stata contattata da un cliente nell’industria farmaceutica che richiedeva un errore totale dello 0,1% a 134 °C per un campo di misura della pressione da -1 a 5 bar. 

I sensori di pressione piezoresistivi sono molto sensibili alla temperatura. Tuttavia, gli errori di temperatura possono essere compensati in modo tale che i dispositivi siano ottimizzati per le temperature che si verificano nelle specifiche applicazioni. Per esempio, se a temperatura ambiente un trasmettitore di pressione standard può raggiungere lo 0,1% di accuratezza, lo stesso sensore non sarà in grado di fornire lo stesso grado di accuratezza se usato in un’autoclave con temperature che arrivano fino a 134 °C. 

Gli utenti che sanno di aver bisogno di un sensore di pressione che raggiunga un alto grado di accuratezza a temperature elevate, necessitano quindi di un dispositivo adeguatamente calibrato. Calibrare un sensore di temperatura per determinati campi di temperatura è una cosa, ma il nostro cliente dell’applicazione per l’autoclave con richieste di accuratezza molto alta aveva un’altra sfida per noi ancora più problematica da realizzare rispetto a calibrare correttamente un sensore: non si doveva trovare solo l’elemento del sensore all’interno dell’autoclave a 134 °C, ma doveva starci dentro l’intero trasmettitore comprensivo di tutta l’elettronica. Purtroppo non possiamo entrare nei dettagli su come siamo riusciti ad assemblare un trasmettitore digitale non solo in grado di fornire l’accuratezza desiderata di meno dello 0,1% dell’errore totale a 134 °C, ma anche i cui componenti fossero in grado di resistere alle condizioni di caldo elevato e umidità. 

In breve: i sensori di pressione piezoresistivi sono sensibili alle variazioni di temperatura. Tuttavia, con il giusto know-how, possono essere ottimizzati per i requisiti delle singole applicazioni. Inoltre, non solo è possibile calibrare l’elemento del sensore, ma l’intero trasmettitore può essere assemblato in modo da resistere anche alle condizioni di caldo elevato e umidità.

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Interpretare correttamente i dati di accuratezza nei sensori di pressione

Interpretare correttamente i dati di accuratezza nei sensori di pressione

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

Nella ricerca del giusto trasmettitore di pressione più adatto entrano in gioco diversi fattori. Mentre alcune applicazioni richiedono un campo di misurazione della pressione particolarmente elevato o un’elevata resistenza alla temperatura, in altri casi è l’accuratezza ad essere decisiva. L’accuratezza, però, non è definita da uno standard. Forniamo qui una panoramica con le varie informazioni.

Anche se la ‘accuratezza’ non ha una normativa che la definisca , può comunque essere verificata dai valori rilevanti richiesti per la misura della precisione, dal momento che questi sono invece definibili da uno standard. Tuttavia, in che modo questi dati siano specificati nelle schede tecniche dei vari produttori è a loro discrezione. Questo rende il confronto tra i vari produttori difficile per gli utilizzatori. E’ fondamentale allora conoscere   come questa viene indicata l’accuratezza nelle schede tecniche per poi interpretarla in modo corretto. Perché errori dello 0,5% possono alla fine essere accurati tanto quanto errori dello 0,1% – è tutta una questione di metodo impiegato per stabilire l’accuratezza.

Dati di accuratezza dei trasmettitori di pressione: una panoramica

Il dato di accuratezza più utilizzato è la non-linearità. La non-linearità descrive la massima deviazione della curva caratteristica da una linea retta di riferimento. Per ricavare quest’ultima esistono tre metodi: la regolazione del punto limite, la regolazione del valore minimo (BFSL) e la regolazione del punto iniziale. Ogni metodo porta a risultati diversi.

Il metodo più facile da capire è la regolazione del punto limite. Qui la retta di riferimento passa attraverso l’inizio e la fine della curva caratteristica. La regolazione del valore minimo, invece, è il metodo che dà il valore di errore minore. In questo caso la retta di riferimento è impostata in modo che la massima discrepanza positiva e negativa siano uguali.

La regolazione del punto iniziale

Dal punto di vista del risultato, la regolazione del punto inziale si può collocare a metà tra gli altri due metodi. Per sapere quale dei tre metodi viene utilizzato bisogna solitamente chiederlo direttamente al produttore, poiché questa informazione spesso non viene inserita nelle schede tecniche. Per i propri prodotti la STS di norma utilizza l’indicazione della curva caratteristica secondo la regolazione del punto iniziale.

I tre metodi a confronto:

Per gli utilizzatori l’errore di misurazione è tra tutti il dato probabilmente più indicativo circa l’accuratezza di un sensore, dato che si deduce direttamente dalla curva caratteristica e include i fattori rilevanti di errori a temperatura ambiente (la non-linearità, l’isteresi, la non-ripetibilità ecc). Con l’errore di misurazione si descrive la massima deviazione della curva caratteristica reale da quella ideale. Poiché l’errore di misurazione dà un valore maggiore rispetto alla non-linearità, non è un dato che viene inserito così spesso dai produttori nelle schede tecniche.

Un altro dato di accuratezza utilizzato è l’accuratezza tipica. Gli strumenti di misurazione individuali non sono identici tra loro, così i produttori indicano un valore massimo che non viene superato. L’accuratezza tipica indicata, quindi, non riguarda tutti i dispositivi, ma si deve supporre che la distribuzione di questi dispositivi corrisponda al valore 1 Sigma secondo la distribuzione normale di Gauss (dunque circa due terzi). Questo significa anche che una parte dei sensori è più accurata di quanto indicato e un’altra parte è meno accurata (senza tuttavia superare un determinato valore massimo).

Può sembrare un paradosso: i dati di accuratezza possono essere accurati in modo diverso. In pratica un sensore di pressione con errore dello 0,5% secondo la non-linearità massima seguendo la regolazione del punto limite è accurato tanto quanto un sensore con errore dello 0,1% secondo la non-linearità tipica seguendo la regolazione del valore minimo.

Errore di temperatura

I dati di accuratezza di non-linearità, accuratezza tipica e errore di misura si riferiscono al comportamento del sensore di pressione a temperatura di riferimento, che, in genere, è di 25°C. Naturalmente ci sono anche applicazioni in cui possono verificarsi temperature molto basse o molto alte. Poiché le condizioni della temperatura influenzano l’accuratezza del sensore, bisogna tenere conto anche dell’errore di temperatura. Per saperne di più sul comportamento termico dei sensori di pressione piezoresistivi clicca qui.

Accuratezza nel tempo: stabilità a lungo termine

I dati sull’accuratezza nelle schede tecniche dei prodotti forniscono informazioni sullo strumento al termine del processo di produzione. Da questo momento in poi l’accuratezza del dispositivo può cambiare. È del tutto normale. Il cambiamento che sorge nel corso del ciclo di vita del sensore viene normalmente indicato come stabilità a lungo termine. Anche in questo caso i dati si riferiscono alle condizioni di laboratorio e di riferimento. Questo significa che pur con estesi test condotti in laboratorio la stabilità a lungo termine indicata non può essere necessariamente determinata in modo preciso per le condizioni di utilizzo reali. Infine, bisogna fare attenzione ad una serie di fattori: le condizioni di temperatura, le vibrazioni o le pressioni stesse sopportate dal sensore, influenzano l’accuratezza nel corso del ciclo di vita del prodotto.

Per questi motivi consigliamo di controllare una volta all’anno i sensori di pressione per garantirne la conformità alle specifiche previste. Occorre esaminare i cambiamenti del dispositivo in termini di accuratezza. Di solito è sufficiente monitorare il punto zero in assenza di pressione. Se si osservano dei cambiamenti maggiori di quelli indicati dal produttore è probabile che il dispositivo sia guasto.

L’accuratezza di un sensore di pressione può essere influenzata da una molteplicità di fattori. È, pertanto, altamente consigliabile chiedere prima una consulenza completa presso il produttore: in quali condizioni si impiega il trasmettitore di pressione? Quali eventuali fonti di errore si possono presentare? Qual è il modo migliore di integrare lo strumento nell’applicazione? Come è stata determinata l’accuratezza indicata nella scheda tecnica? Così facendo puoi finalmente essere sicuro che, in qualità di utilizzatore, riceverai il trasmettitore di pressione che rispecchia in modo ottimale le tue esigenze in termini di accuratezza.

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Compensazione della temperatura: la chiave dell’accuratezza

Compensazione della temperatura: la chiave dell’accuratezza

by | Tuesday, 30 June, 2020 | Tecnologia del sensore di pressione

Nella scelta del giusto trasmettitore di pressione è di estrema importanza conoscere le temperature che entreranno in gioco. Se la tecnica di misurazione impiegata non è adeguatamente compensata in funzione della temperatura si verificano gravi imprecisioni e altri rischi.

Per questo gli utenti devono conoscere già in anticipo quali temperature sono previste nel caso specifico della loro applicazione. Stiamo parlando di due valori: la temperatura del fluido e la temperatura ambientale. Entrambi i valori sono importanti. La temperatura del fluido è il valore con cui entra in contatto la connessione di pressione. La temperatura ambientale è il valore che si verifica nell’ambiente di applicazione e riguarda, infine, i collegamenti elettrici. Questi due valori possono differire molto tra loro e avere conseguenze diverse. 

Perché la temperatura è un fattore importante? 

I materiali utilizzati nei trasmettitori di pressione piezoresistivi presentano una certa dipendenza dalla temperatura (Qui potete leggere maggiori informazioni sul comportamento termico dei sensori di pressione piezoresistivi). Il comportamento della misura dei trasmettitori di pressione varia, quindi, in base alla temperatura. Di conseguenza, si verificano offset del punto zero legati alla temperatura ed errori di intervallo. In parole semplici,se si applica una pressione di 10 bar a 25°C e, una seconda volta, a 100 °C si otterranno valori diversi. Nell’analisi di una scheda tecnica per gli utenti, questo significa che valori di accuratezza eccellenti in realtà servono a poco se la compensazione della temperatura non è adeguata. 

Oltre ad evitare gravi errori di misura, la funzionalità meccanica dello strumento di misura dipende dalla temperatura presente. Questo riguarda in prima linea i componenti come i collegamenti elettrici e i cavi utilizzati per la trasmissione dei valori misurati. In questo ambito pochissimi materiali standard sopportano temperature intorno o addirittura superiori a 100 °C. Le prese e i cavi stessi possono sciogliersi o prendere fuoco. Insomma, oltre che sulla precisione delle misurazioni, la temperatura incide anche sulla sicurezza operativa. 

Fortunatamente gli utenti non devono convivere con questi rischi, dal momento che i trasmettitori di pressione possono essere ottimizzati per varie condizioni di temperatura: da un lato grazie alla compensazione della temperatura, dall’altro grazie all’aggiunta di elementi di raffreddamento e all’utilizzo di materiali particolarmente resistenti al calore. 

Gli errori di temperatura possono essere evitati 

I produttori dei sensori di pressione lavorano con la compensazione della temperatura. I prodotti della STS, ad esempio, di default sono ottimizzati per temperature di funzionamento comprese tra 0 °C e 70 °C. Più la temperatura di applicazione si allontana da questi valori, maggiore sarà l’incertezza della misurazione. Uno strumento di misura ottimizzato per un intervallo da 0 °C a 70 °C, ma impiegato a temperature intorno a 100 °C, non raggiunge i valori di accuratezza indicati. In questo caso bisogna utilizzare un sensore che sia compensato per temperature intorno a 100 °C. 

Esistono due tipi di compensazione della temperatura: 

  • la compensazione passiva: si collegano dei resistori dipendenti dalla temperatura al ponte di Wheatstone
  • la compensazione attiva (compensazione polinomiale): in un armadio riscaldato si applicano diverse pressioni a temperature crescenti. Queste pressioni vengono confrontate con i valori di un campione di calibrazione. I coefficienti di temperatura così ottenuti vengono inseriti nell’elettronica del trasmettitore di pressione in modo che gli errori di temperatura possano in pratica essere compensati “attivamente”.

La compensazione della temperatura attiva è il metodo da preferire, poiché dà risultati più precisi. 

In ogni caso, la compensazione della temperatura ha i suoi limiti. Come già accennato, la temperatura non influisce solo sulla precisione dei trasmettitori di pressione. A partire da temperature di 150 °C anche i componenti meccanici della cella di misura soffrono. A tali temperature i contatti e i collanti possono staccarsi, danneggiando il sensore. Nel caso in cui si prevedano delle temperature del mezzo molto elevate servono degli elementi di raffreddamento aggiuntivi per garantire la funzionalità del sensore. 

Elementi di raffreddamento a temperature del mezzo molto elevate 

Per proteggere il trasmettitore di pressione dalle temperature molto elevate esistono quattro varianti che, a seconda dell’applicazione e della temperatura, è possibile adottare. 

Variante A: Temperature del mezzo fino a circa 150 °C 

Questa variante prevede l’integrazione di un elemento di raffreddamento ad aletta tra la cella di misura e l’amplificatore. Lo scopo è separare l’elettronica dall’applicazione così che questa non venga danneggiata dalle temperature elevate. 

Variante B: Temperature superiori a 150 °C 

Se il fluido è estremamente caldo, già prima della connessione di pressione viene avvitato un elemento di raffreddamento (ad esempio alette di raffreddamento avvitate su entrambi i lati). La connessione di pressione entra così in contatto solo con il mezzo raffreddato. Queste alette di raffreddamento non hanno alcun tipo di influenza sull’accuratezza del sensore. Se il mezzo è un vapore molto caldo, come elemento di raffreddamento si utilizza un tubo dell’acqua ad estremità chiusa o un sifone. 

Variante C: Temperature particolarmente elevate (fino a 250 °C) 

Quando la temperatura del fluido è molto alta, può essere utilizzato un sistema di isolamento anteriore dotato di una sezione di raffreddamento. Questa variante, però, è piuttosto ingombrante e influenza negativamente l’accuratezza.

Trasmettitore di pressione con separatore anteriore dotato di una sezione di raffreddamento per temperature del mezzo fino a 250 °C

Variante D: Caso particolare di armadio riscaldato o camera climatica 

Quando è necessario effettuare delle misure della pressione in un armadio riscaldato con temperature ambientali fino a 150 °C, non è possibile esporre l’elettronica del trasmettitore di pressione a tali temperature senza danneggiare il dispositivo. In questo caso solo la cella di misura (con connettore di pressione e corpo in acciaio inossidabile) si trova all’interno dell’armadio, mentre un cavo FEP resistente alle alte temperature collega la cella con l’elettronica (comunque alloggiata in un corpo in acciaio inossidabile) all’esterno dell’armadio. 

Conclusioni: la chiave è la consulenza 

La precisione dei sensori di pressione è influenzata dalle condizioni di temperatura. Per far sì che il sensore di pressione utilizzato soddisfi le esigenze di accuratezza per l’intervallo di temperatura previsto, le temperature che agiscono sulla connessione di pressione possono essere compensate passivamente o attivamente. Inoltre, bisogna considerare anche l’influenza che ha la temperatura ambientale sui componenti meccanici dello strumento di misura. Grazie agli elementi di raffreddamento montati anteriormente e ai materiali resistenti al calore è possibile tenere sotto controllo anche questo aspetto. Gli utenti dovrebbero quindi affidarsi ad una profonda consulenza da parte del produttore, assicurandosi che i trasmettitori di pressione proposti possano essere ottimizzati per le proprie specifiche applicazioni.

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