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Ottobre 2015
n
Automazione e Strumentazione
MISURE DI LIVELLO
speciale
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Nelle prossime pagine la rassegna di prodotti e soluzioni
L’attuale offerta tecnologica vede protagoniste oltre 20 tecniche di misura di livello. Sulle
due soluzioni senza contatto più innovative, a ultrasuoni e radar, sono concentrati l’interesse
del mercato e un’ampia casistica di applicazioni. Analizziamone le caratteristiche distintive.
Ultrasuoni vs Radar,
tecniche di misura a confronto
Nel 1880
Pierre Curie
e il fratello Jacques sco-
prirono l’
effetto piezoelettrico
di alcuni cristalli.
Essi osservarono che quando veniva esercitata
una pressione meccanica su un cristallo di quarzo
veniva prodotto un potenziale elettrico e che l’ap-
plicazione di una carica elettrica produceva una
deformazione del cristallo facendolo vibrare. Tale
effetto è ancora utilizzato per la generazione e la
riproduzione di ultrasuoni nei misuratori di livello.
Oggi la misura del livello è una rilevazione fonda-
mentale in numerosi processi industriali per tutte
le operazioni di esercizio di impianto, analisi dati,
manutenzione, regolazione e allarmistica.
La rilevazione del livello consiste nel determi-
nare la posizione, rispetto a un piano di riferi-
mento, dell’interfaccia tra due fluidi separati
per la forza di gravit
à
.
Il mercato offre una vasta scelta di sensori, dettata
principalmente dalle necessità applicative: tipo
di materiale, controllo di soglia, continuità della
misura, condizioni ambientali e di processo, costi,
installazione, interfacce di comunicazione.
Nell’ambito di questi parametri l’utente può
optare tra svariati principi di misura:
capacitivo,
conduttivo, a vibrazione, radiometrico, pie-
zoelettrico, a infrarosso, a diaframma, pneu-
matico, a tasteggio, a spinta idrostatica ecc.
Quando il processo lo richiede è anche possibile
la scelta di misuratori di grandezze complementari
quali volume, pressione e densità.
Tra i metodi di misura senza contatto quello ultra-
sonico e quello radar (a microonde) sono i più
popolari e su questi ci soffermeremo.
Sensori a ultrasuoni
Il sensore ultrasonoro è in linea di principio un
ecoscandaglio ultra-acustico, ovvero uno stru-
mento che sfrutta la capacità di un materiale di
riflettere il suono. I misuratori a ultrasuoni sono
apprezzati per la versatilità e l’efficacia nel con-
trollo di processo, nel monitoraggio ambientale,
nelle applicazioni predittive a bordo macchina.
Il sensore a ultrasuoni e in grado di rilevare la
distanza di un oggetto indipendentemente dalle
caratteristiche del materiale di cui e costitu-
ito.
Il metodo di misura a ultrasuoni offre anche
l’indiscutibile vantaggio di evitare il contatto con
l’oggetto di riferimento e di conseguenza l’eli-
minazione dal processo di misura di parti mec-
caniche in movimento soggette a usura, l’analisi
di materiali delicati. In questo modo sono evitati
danni dovuti a strisciamenti o pressioni localiz-
zate, ed è garantita la possibilità di funzionamento
in presenza di fluidi corrosivi, infiammabili e ad
alta pressione.
La dinamica di funzionamento rende possibile la
segnalazione del raggiungimento di un determi-
nato livello o l’effettuazione di una misura con-
tinua tramite le uscite analogiche del sensore.
La distanza di un oggetto viene determinata
inviando un treno di impulsi acustici ad alta
frequenza e analizzando il tempo di ritardo
nella ricezione degli impulsi riflessi dall’og-
getto.
L’emissione di impulsi acustici si basa sull’effetto
piezoelettrico inverso: ad un elemento di mate-
riale cristallino (risuonatore) viene applicato un
segnale elettrico alternato, alla frequenza di riso-
nanza tipica dell’elasticità meccanica del mate-
riale. La ricezione degli impulsi, invece,
si basa
sull’effetto piezoelettrico diretto
, grazie al quale
un cristallo dello stesso materiale del risuonatore
produce un segnale elettrico analogo a quello di
alimentazione del trasmettitore. Il sensore emette
un fascio impulsivo di suoni a frequenza elevata
(40-200 kHz). Il fascio è composto da una o più
onde pulsanti che si espandono a partire dalla
membrana di emissione. Il fascio ultrasonoro si
espande in forma conica alla velocità del suono
nell’aria (340 m/s), con un angolo tipico che
dipende dalla geometria della testa del sensore e
dalla presenza di eventuali lenti acustiche o guide
d’onda. L’eco riflesso dal bersaglio ritorna al tra-
sduttore. La distanza tra il bersaglio e il sensore
►
Armando Martin
@armando_martin
Pierre Curie, scopritore
dell’effetto piezolettrico