Misurazione della conducibilità in acque naturali e altri liquidi

Misurazione della conducibilità in acque naturali e altri liquidi

Quando si misura la conducibilità bisogna considerare alcune cose a seconda del liquido da esaminare. Particolare attenzione è data alla temperatura essendo il maggiore fattore determinante.

La conducibilità come grandezza si esprime in microsiemens e indica la capacità di una sostanza di condurre la corrente elettrica. La conduttanza è il reciproco della resistenza, che viene espressa in ohm. Di conseguenza, maggiore è la conduttanza, minore è la resistenza.

L’acqua pura è praticamente un non conduttore (0,055 µS/cm rispetto a 500 µS/cm dell’acqua potabile). Diventa conduttiva solo tramite sostanze disciolte al suo interno come i cloruri, i solfati e altre sostanze. Attraverso la misurazione della conducibilità è pertanto possibile determinare la purezza di un’acqua: più la conducibilità è maggiore, più ci sono sostanze disciolte nell’acqua. I tipici casi di applicazione della misurazione della conducibilità sono, ad esempio, le discariche con lo scopo di verificare l’inquinamento delle acque sotterranee. Il monitoraggio della presenza di acqua salata nelle fonti di acque sotterranee è un’altra tipica applicazione. Ciò fa della conducibilità un importante fattore per le attività di controllo nelle tecnologie ambientali al fine di trarre conclusioni sulle possibili impurità. Tuttavia, la conducibilità è solo un indicatore di inquinamento. La composizione delle sostanze presenti nell’acqua deve essere poi analizzata chimicamente. Inoltre, non tutte le sostanze che possono essere disciolte in acqua sono conduttive (ad esempio gli ormoni o i fungicidi).

Un’altra comune applicazione è il rilevamento della direzione di flusso, nonché della sua velocità. A questo scopo si aggiunge del sale all’acqua, aumentandone così la conducibilità. Attraverso misurazioni puntuali della conduttanza è possibile determinare con precisione la velocità e la direzione del flusso.

Come già accennato, la conducibilità di una sostanza dipende fortemente dalla temperatura. A temperature diverse, quindi, due campioni di una stessa sostanza possono dare valori di conducibilità diversi. Senza una compensazione della temperatura non c’è praticamente possibilità di comparare due sostanze, se queste non sono o non possono essere esaminate esattamente alla stessa temperatura. Per questo motivo, la misurazione della conducibilità e il rilevamento della temperatura sono strettamente collegati. Solitamente, infatti, durante una misurazione della conducibilità si misurano sia la conduttanza che la temperatura. Mediante la compensazione della temperatura la conduttanza viene calcolata su una temperatura di riferimento, quasi sempre di 25 °C.

Funzione di compensazione della temperatura: la sostanza è decisiva

Quale funzione di compensazione della temperatura viene utilizzata per rilevare la conducibilità alla temperatura di riferimento dipende interamente dal liquido da esaminare. Per le acque naturali si utilizza la funzione non lineare secondo la norma DIN EN 27888 sulla qualità dell’acqua.

Per soluzioni saline, acidi e alcali si utilizzano funzioni lineari. Per poter calcolare la variazione percentuale della conducibilità K per °C sulla variazione di temperatura ∆T si utilizza la seguente formula:

α = (∆K(T)/∆T)/K(25°C)*100

∆K(T) = variazione della conducibilità nell’intervallo di temperatura selezionato

∆T = variazione della temperatura nell’intervallo di temperatura selezionato

K(25°C) = conducibilità a 25°C

Infine, esaminiamo un esempio di calcolo per determinare la conducibilità di un anticalcare rapido: per ottenere i dati necessari al calcolo vengono effettuate tre misurazioni:

 

122.37 mS/cm a 20°C

133.10 mS/cm a 25°C

135.20 mS/cm a 26°C

∆K(T) = 135.20 mS/cm -122.37 mS/cm = 12.83 mS/cm

∆T = 26°C – 20°C = 6°C
K(25°C) = 133.10 mS/cm

α = ((135.20 – 122.37)/(26 – 20))/133.10*100 = 1.60 %/°C

Misurazione della pressione ad alta precisione a temperature elevate

Misurazione della pressione ad alta precisione a temperature elevate

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.

Compensazione della temperatura: la chiave dell’accuratezza

Compensazione della temperatura: la chiave dell’accuratezza

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.

Il funzionamento affidabile dei trasmettitori di pressione  con il freddo

Il funzionamento affidabile dei trasmettitori di pressione con il freddo

Le temperature ambientali hanno una forte influenza sulla funzionalità e sull’accuratezza dei sensori di pressione. Le temperature artiche, in particolare, ad esempio rappresentano una bella sfida.

Nella misurazione della pressione su base piezoresistiva, i semiconduttori diffusi sulla membrana di silicio funzionano da estensimetri. Quando una pressione agisce sulla membrana, gli estensimetri si deformano e si verifica una variazione di resistenza. Questa variazione genera infine la pressione rilevata. I resistori, però, dipendono anche dalla temperatura, per cui la sensibilità del sensore di pressione diminuisce al diminuire della temperatura. Il trasmettitore di pressione, in queste condizioni quindi, non è più preciso come lo è a temperatura ambiente. 

A causa di questa caratteristica i produttori di trasmettitori di pressione indicano sempre anche il comportamento del prodotto a determinate condizioni di temperatura. Per ottenere un comportamento il più possibile lineare, i trasmettitori di pressione vengono oggi compensati elettronicamente per un intervallo di temperatura relativamente ampio (compensazione della temperatura). Questo significa che gli errori di temperatura vengono calcolati automaticamente, permettendo ai trasmettitori di pressione di fornire misurazioni precise per un intervallo di temperatura relativamente ampio. Tuttavia, non è possibile eliminare del tutto gli effetti della temperatura. Per questo motivo, nelle schede tecniche dei produttori sono solitamente indicati i dati di accuratezza per diversi campi di temperatura. 

Freddo estremo: trasmettitori di pressione senza O-ring 

Il freddo non influisce solo sui resistori dei semiconduttori utilizzati. Esistono altri quattro fattori a cui va prestata attenzione quando si cerca uno strumento di misurazione adatto alle applicazioni all’esterno nelle regioni fredde. Tra questi rientra l’utilizzo degli anelli di tenuta. Temperature inferiori a -20 gradi Celsius fanno diventare fragili i materiali di tenuta tra il connettore di pressione e la membrana. La conseguenza , per via delle perdite, è che il sensore diventa inutilizzabile. Per questo motivo, nelle regioni con freddo estremo non bisogna utilizzare i trasmettitori di pressione con O-ring montati. In questi casi la scelta giusta è un trasmettitore di pressione compatto, in cui il connettore di pressione e la cella di misura sono direttamente saldati insieme. 

Formazione di ghiaccio: attenzione alla pressione di sovraccarico 

Anche il congelamento può influenzare la funzionalità di un sensore. Prendiamo ad esempio i pozzi di gas naturale nelle regioni artiche: all’interno dei tubi che trasportano il gas può trovarsi anche dell’acqua. Quando l’acqua gela, la pressione che agisce sul trasmettitore di pressione potrebbe aumentare ad una misura per cui il sensore non è stato costruito. La conseguenza può essere la lacerazione della membrana. Quando esiste il pericolo che il sensore si congeli, bisogna quindi prestare attenzione ad una pressione di sovraccarico corrispondente. 

Nella misura di pressione piezoresistiva la pressione viene applicata indirettamente alla membrana di silicio attraverso un mezzo di trasferimento. Solitamente si tratta di un olio. Con il diminuire delle temperature aumenta la viscosità dell’olio. A seconda dell’olio e della temperatura, l’olio può congelarsi o indurirsi. Anche questo cambiamento influenza in modo negativo il funzionamento del trasmettitore di pressione. 

Bisogna inoltre prendere in considerazione anche la resistenza alla condensa: se all’interno del trasmettitore di pressione si trova dell’aria mista a vapore acqueo, a temperature ambientali fredde si forma la condensa, che può danneggiare l’elettronica, rovinando il sensore. 

Conclusioni 

Gli utenti che utilizzano i sensori di pressione a temperature basse devono assicurarsi che i singoli componenti siano saldati direttamente senza O-ring e che siano resistenti alla condensa. Inoltre, è importante valutare se il trasmettitore di pressione può ghiacciare, entrando ad esempio in contatto con l’acqua. In questo caso è necessario scegliere un trasmettitore con una pressione di sovraccarico corrispondente. Ovviamente, come in ogni applicazione, il trasmettitore di pressione deve essere compensato per l’intervallo di temperatura previsto.