La grandezza fisica della pressione e i diversi tipi di pressione

La grandezza fisica della pressione e i diversi tipi di pressione

Insieme alla temperatura, la pressione rientra tra le grandezze fisiche più misurate nelle applicazioni industriali. Esistono, però, varie unità di misura per i diversi tipi di pressione. Di seguito spieghiamo i concetti fondamentali.

La pressione descrive la forza (F) che agisce su una superficie (A) e viene indicata con il simbolo p: 

p= F/A 

Secondo il sistema internazionale di unità di misura, l’unità SI della pressione è denominata pascal (Pa). Questo termine prende il nomedal matematico francese Blaise Pascal (1623 – 1662) e deriva dalle unità di misura SI metro e newton come segue: 1 Pa = 1 N/m2. 

Il pascal è un’unità di pressione molto piccola. Per questo, di norma, nelle applicazioni industriali si ricorre all’unità bar. Le unità utilizzate per indicare la pressione variano a seconda dell’ambito di applicazione. Il Pa, ad esempio, è usato per le misurazioni della pressione nelle camere bianche. La meteorologia fa riferimento all’unità hPa. La pressione sanguigna, invece, viene misurata in mmHg. La tabella di conversione sottostante mostra il rapporto tra le varie unità di misura.

Immagine 1: tabella di conversione delle unità di misura della pressione

I tipi di pressione 

Per gli utenti è importante essere in grado di distinguere i diversi tipi di pressione per scegliere il trasmettitore ideale per la propria applicazione. 

Per la misura della pressione è decisiva la suddivisione tra pressione assoluta, pressione differenziale e pressione relativa. 

Pressione assoluta 

La pressione assoluta si riferisce alla pressione zero. Con questo termine s’intende un vuoto, come quello che c’è ad esempio nella vastità dell’universo o un vuoto ideale. La pressione di misura è dunque sempre maggiore della pressione di riferimento. Per una migliore distinzione rispetto agli altri tipi di pressione, la pressione assoluta è indicata con l’indice abs: Pabs 

I trasmettitori di pressione assoluta utilizzano come pressione di riferimento un vuoto racchiuso nell’elemento del sensore. Questo vuoto si trova sul lato secondario della membrana. Oltre che per le applicazioni meteorologiche, i sensori di pressione assoluta vengono spesso impiegati nell’industria di confezionamento (ad esempio per la realizzazione di confezioni sottovuoto).

Figure 2: Summary of various pressure forms

Pressione relativa 

La pressione relativa si riferisce alla pressione atmosferica. La pressione atmosferica è indicata con l’indice amb. Si tratta della pressione che agisce attraverso lo strato d’aria che avvolge la terra. Questa pressione diminuisce in modo costante fino ad un’altezza di circa 500 chilometri (da questa altezza in poi regna la pressione assoluta). A livello del mare la pressione atmosferica corrisponde a circa 1013 mbar e oscilla ad alte e basse pressioni di circa il 5 percento. 

Diversamente da un sensore di pressione assoluta, il lato secondario di un sensore di pressione relativo è aperto al fine di garantire una compensazione della pressione atmosferica. Oltre al termine “pressione relativa” si usa anche il termine “sovrapressione”. Si parla di sovrapressione positiva quando la pressione assoluta è maggiore della pressione atmosferica. In caso contrario si parla di sovrapressione negativa (in passato si utilizzava anche il termine “sottopressione”). 

La pressione degli pneumatici di un veicolo può servire come esempio pratico di misurazione della pressione relativa: se a pressione atmosferica di 1 bar vengono applicati 2 bar di pressione relativa su un pneumatico, la pressione assoluta è di 3 bar. 

Pressione differenziale 

Nella pressione differenziale viene indicata la differenza di pressione tra due pressioni qualsiasi. Per questo motivo i sensori di pressione differenziale dispongono di due connettori di pressione. 

Un esempio di applicazione per la misura della pressione differenziale è la misura della pressione idrostatica nei serbatoi chiusi.

Installazione dei sensori di pressione: il fluido è decisivo per la posizione

Installazione dei sensori di pressione: il fluido è decisivo per la posizione

La situazione ideale è quando i trasmettitori di pressione vengono installati direttamente nel processo da monitorare. Se ciò non è possibile, il fluido/gas di processo da monitorare decide sul posizionamento del sensore.

Esistono diversi motivi per cui i trasmettitori di pressione non possono essere montati direttamente nel processo:

  • nell’applicazione c’è troppo poco spazio per il montaggio
  • il sensore di pressione è installato successivamente
  • non è auspicabile il contatto diretto tra il fluido/gas di processo e il sensore di misura (ad esempio a causa delle temperature elevate).

Quando non è possibile installare il trasmettitore di pressione direttamente nel processo, il collegamento tra il processo e lo strumento di misura avviene tramite una linea di bypass (detta anche linea di raccordo o di diramazione). A seconda del tipo di applicazione questa linea di collegamento viene riempita con un gas o un liquido. Solitamente sulla linea di bypass c’è una valvola di chiusura vicino al processo e una vicino al trasmettitore di pressione. In questo modo è possibile smontare o modificare lo strumento di misura (o parti di esso) senza dover interrompere il processo.

Ciò risulta particolarmente utile quando il trasmettitore di pressione viene sottoposto a lavori di manutenzione come le ricalibrazioni. Grazie alla ventola di chiusura dello strumento di misura, infatti, il fluido di misura resta nella linea di bypass.

Durante la posa delle linee di bypass occorre osservare alcuni punti importanti. La linea di bypass deve essere la più corta possibile, deve avere curve arrotondate, deve essere priva di contaminazioni e le discese o le salite devono essere il più possibile ripide (non inferiori all’8%). Ci sono poi requisiti specifici per il fluido. Nel caso di fluidi è necessario garantire una ventilazione completa. Nel caso di misure di pressione relativa e assoluta si utilizza una linea di bypass, mentre nel caso di misure di pressione differenziale se ne utilizzano due. In quest’ultimo caso a seconda del processo occorre osservare ulteriori istruzioni per l’installazione.

Posizionamento del trasmettitore di pressione per il processo 

In base al tipo di processo è importante discriminare se il trasmettitore di pressione è montato sopra o sotto il processo. Di seguito analizzeremo le più importanti differenze tra le tubature che trasportano fluidi, gas e vapore.

Fluidi 

Per le misurazioni di fluidi/gas nelle tubature il trasmettitore di pressione deve essere installato sotto il processo, così da consentire a eventuali bolle di gas di ritornare indietro nel processo. Occorre, inoltre, fare attenzione che a temperature elevate il mezzo di processo sia sufficientemente raffreddato. Qui la linea di bypass funziona anche da percorso di raffreddamento.

Gas 

Per le misure di gas nelle tubature il trasmettitore di pressione deve essere, se possibile, montato sopra il processo. In questo modo l’eventuale condensato che si forma può scorrere e tornare indietro nel processo senza compromettere le misure. 

Vapore

Le misure di vapore sono un po’ più complicate per via delle temperature elevate e della formazione di condensato. Questi due aspetti sono strettamente collegati: se il vapore si raffredda nel percorso verso il trasmettitore di pressione si forma il condensato. Se il condensato si raccoglie all’interno dello strumento di misura può influenzare il risultato della misura. 

Quando si misura il vapore, dunque, bisogna fare attenzione che la temperatura del mezzo sia adeguatamente raffreddata e che il condensato che si forma non arrivi nel trasmettitore di pressione. Per questo bisogna stabilire in anticipo fino a quale altezza si può raccogliere il condensato, tenendone poi conto nella progettazione del campo di misura. A tale scopo nel caso di misurazioni della pressione assoluta e relativa, la linea di bypass ha una curva a S: dal tubo che trasporta il vapore va rapidamente verso l’altro prima di scendere nuovamente. Il condensato si raccoglie in questa prima curva e può poi ritornare indietro nel processo. 

In caso di misurazioni della pressione differenziale il tutto è ancora un po’ più complesso. Nelle due linee di bypass devono esserci le stesse condizioni. Questo significa che la colonna di condensato è uguale sia sul lato di alta pressione che su quello di bassa pressione. A tale scopo, quando si misura il vapore con trasmettitori di pressione differenziale, si utilizzano serbatoi di condensato che si trovano davanti alla valvola di chiusura della linea di bypass. Il condensato eccedente viene ricondotto nel processo tramite questi serbatoi. Sul lato del trasmettitore di pressione occorre inoltre lavorare con una valvola di chiusura a 5 vie, in modo che il sensore non venga compromesso dal mezzo caldo durante la fase di svuotamento della linea di bypass.

La posizione può influenzare l’accuratezza dei trasmettitori di pressione

La posizione può influenzare l’accuratezza dei trasmettitori di pressione

La precisione di una misurazione della pressione può essere sicuramente influenzata dalla posizionamento del trasmettitore. Bisogna prestare attenzione soprattutto nel campo della bassa pressione.

Quando si parla di dipendenza dalla posizione si possono verificare delle imprecisioni se nell’applicazione la posizione del trasmettitore di pressione è diversa dalla posizione durante la calibrazione da parte del produttore. Di norma alla STS i trasmettitori di pressione vengono calibrati in posizione verticale rivolti verso il basso (vedi l’immagine di copertina in alto). Se gli utenti montano uno di questi sensori di pressione calibrati in questo modo nella posizione opposta, ossia in verticale rivolto verso l’alto, durante la misura della pressione possono verificarsi delle imprecisioni. 

Il motivo è semplice: in quest’ultima posizione il peso del trasmettitore di pressione influenza la sua precisione. Le membrane, il corpo di riempimento e il fluido di trasmissione agiscono sul chip del sensore per la forza di gravità. Questo comportamento è comune a tutti gli strumenti di misura della pressione piezoresistivi, ma è significativo solo nel campo della bassa pressione. 

Installazione dei trasmettitori di pressione: attenzione nel campo della bassa pressione 

Inferiore è la pressione da misurare, maggiore è l’errore di misura. In un sensore da 100 mbar l’errore di misurazione è dell’1 percento. Maggiore è il campo di misura, minore è l’effetto. Già a partire da una pressione di 1 bar l’errore è trascurabile. 

L’imprecisione della misurazione è facilmente riconoscibile da parte degli utenti, soprattutto quando si utilizza un sensore di pressione relativa. Se gli utenti lavorano nel campo della bassa pressione e non è possibile installare lo strumento di misura nella posizione in cui è stato calibrato in fabbrica, allora deve essere ricalibrato nella posizione corretta. In alternativa, gli utenti possono anche compensare matematicamente l’errore di misurazione nell’unità di controllo. 

Ovviamente, questo sforzo aggiuntivo per gli utenti può essere facilmente evitato grazie ad una consulenza competente per l’applicazione. I trasmettitori di pressione della STS,  di standard vengono calibrati perpendicolari verso il basso, ma è altresì possibile eseguire la calibrazione in un’altra posizione. Da qui il nostro consiglio: comunicarci in anticipo la posizione di installazione del proprio trasmettitore di pressione per poi ricevere uno strumento di misura perfettamente adatto alla propria applicazione.