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Ottobre 2015
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Automazione e Strumentazione
MISURE DI LIVELLO
speciale
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viene ricavata dall’intervallo di tempo tra la tra-
smissione del fascio e la ricezione dell’eco. Il sen-
sore converte l’intervallo di tempo in un segnale
digitale che è utilizzato internamente per calcolare
la distanza dell’oggetto da rilevare. L’uscita del
sensore può essere digitale o analogica. Nel primo
caso l’informazione fornita indica se la distanza
rilevata è compresa o meno in una soglia d’in-
tervento prestabilita, attivando un uscita digitale.
Nel secondo è possibile risalire ai valori intermedi
compresi entro il range di misura in corrispon-
denza dei valori di acquisizione in tensione (es.
0-10 V) o corrente (0-20, 4-20 mA).
Proprio a causa del suo principio di funziona-
mento, un sensore ad ultrasuoni prevede una
banda d’interdizione, cioè una distanza iniziale
minima, sotto la quale il segnale non è apprez-
zabile. Importante distinzione negli ecoscandagli
ultrasonori è il range di frequenza del mezzo di
propagazione: da 20 a 100 kHz nei gas, da 200 a
1.000 kHz nei solidi e nei liquidi.
Sensori di livello radar o a microonde
A differenza dei misuratori a ultrasuoni, i sistemi
di misura radar (acronimo di Radio Detecting and
Ranging) si fanno apprezzare per il fatto di essere
praticamente insensibili a forti variazioni di tem-
peratura, pressione e alla presenza di polveri e
vapore. Essi sfruttano impulsi a microonde che
viaggiano alla velocità della luce e non subiscono
variazioni dovute alle proprietà dei vapori.
Inoltre, i livelli di radiazione in gioco sono piut-
tosto bassi (potenze irradiate di pochi decimi di
milliwatt), per cui questi sensori possono essere
installati sia in serbatoi metallici che non metallici,
senza comportare rischi per ambienti e persone,
né sottostare a licenze e regolamentazioni. In una
installazione ideale, il segnale a
microonde dovrebbe pervenire
sulla superficie del prodotto
senza incontrare ostacoli e in
modo da risultare parallelo alla
parete del serbatoio. Va anche
notato che, rispetto ai misura-
tori a ultrasuoni, quelli a micro-
onde ottimizzano l’assenza di
contatto, utilizzando l’energia
elettromagnetica riflessa in cor-
rispondenza di una variazione di
impedenza (costante dielettrica
del prodotto).
Il principio di funzionamento di un sensore di
livello radar consiste nell’emissione e succes-
siva ricezione in feedback di onde elettroma-
gnetiche riflesse dall’oggetto da identificare.
Nella
misura dei fluidi
, in un serbatoio o in un
silos, i trasmettitori di livello radar misurano il
tempo di volo
(time of flight), ovvero il tempo
di percorrenza degli impulsi a microonde gene-
rati dallo strumento e direzionati verso il prodotto
per mezzo di un’antenna a tromba o ad asta. Gli
impulsi vengono poi riflessi dalla superficie del
liquido, rilevati dallo stesso strumento che funge
da ricevitore ed eventualmente convertiti in
segnali analogici e seriali. La distanza dalla super-
ficie del prodotto è proporzionale al tempo di per-
correnza dell’impulso, sicché il livello è determi-
nato dalla differenza tra la distanza totale (altezza
del serbatoio) e la distanza misurata.
Nella
misura dei solidi
invece l’impulso radar
viene guidato da una sonda a fune singola sospesa
all’interno del serbatoio. In questo caso si adotta
in genere il
metodo TDR
(Time Domain Reflec-
tory, riflessione nel dominio del tempo). La tec-
nica TDR sfrutta dei microimpulsi con ampio
range di frequenze, i quali si propagano lungo la
guida d’onda, permettendo il calcolo del tempo di
percorrenza del segnale di ritorno e ricavando (da
tale tempo) la distanza alla quale si è verificato il
cambiamento di impedenza (ovvero della costante
dielettrica).
Gli strumenti a microonde vengono utilizzati nelle
situazioni in cui gli apparecchi di misura senza
contatto offrono evidenti vantaggi di installazione
e utilizzo, oppure nei casi in cui non sono impiega-
bili gli indicatori a ultrasuoni a causa di condizioni
di ambientali e di processo critiche (alta pressione,
bassa pressione o vuoto, alta temperatura, compo-
sizione dell’aria, distorsione della superficie del
fluido). Tipicamente le microonde sono impiegate
per misure di livello in processi chimici di stoc-
caggio e in qualunque silos, container o serbatoio
contenente materiali solidi o materie prime anche
in polvere, granuli o fiocchi.
n
Figura 1 - Applicazione
di misura a ultrasuoni
(fonte Endress + Hauser)
Figura 2 - Applicazione
di misura radar (fonte
Endress +Hauser)
Ultrasuoni
Radar
Principio di misura
La distanza di un oggetto viene
determinata inviando un treno
di impulsi acustici ad alta fre-
quenza e analizzando il tempo
di ritardo nella ricezione degli
impulsi riflessi dall’oggetto.
Il calcolo del livello viene ricavato
dall’emissione e successiva ricezione
in feedback di onde elettromagnetiche
riflesse dall’oggetto da identificare.
Misura del tempo di volo nei fluidi.
Misura TDR nei solidi.
Tipo di contatto
Assente
Assente tranne tecnica TDR
Installazione del sensore
Dall’alto
Dall’alto
Condizioni ambientali
Standard e critiche ma non
estreme
Elevatissimi range di pressione e tem-
peratura
Distorsione della superficie del fluido.
Formazioni di polveri, schiuma, vapori
e superfici agitate.
Costo
Relativamente contenuto
Elevato
Applicazioni tipiche
Serbatoi, vasche, cisterne di
stoccaggio
Trattamento acque
Bordo macchina
Industria chimica
Depurazione
Lavorazioni delle materie prime