Misuratori di portata elettromagnetici | Utilizzo della forza magnetica per rilevare il flusso dei fluidi

Un misuratore di portata elettromagnetico, spesso chiamato «misuratore magnetico», è un dispositivo utilizzato per misurare la portata di liquidi conduttivi in un tubo. I misuratori magnetici offrono diversi vantaggi, dovuti soprattutto al loro elevato livello di accuratezza combinato con l’assenza di parti mobili. Grazie all’assenza di parti mobili e alla natura minimamente invasiva, possono essere utilizzati per materiali corrosivi, materiali a movimento lento, liquidi non omogenei e acque reflue. L’unica limitazione è che il liquido misurato deve essere elettricamente conduttivo.

 

In che modo le forze magnetiche creano una tensione misurabile?

Tutti i misuratori di portata magnetici si basano sul principio guida della legge dell’induzione di Faraday, secondo cui esiste una «relazione quantitativa che esprime il fatto che un campo magnetico variabile induce una tensione in un circuito».

Questa legge dell’induzione può essere utilizzata per misurare la velocità di liquidi conduttivi, come l’acqua, senza la necessità di parti mobili. Ciò aumenta notevolmente la robustezza dei sensori di portata rispetto ad altri tipi di misuratori.

Esistono due tipi principali di misuratori di portata magnetici: a passaggio integrale e a immersione. Ognuno presenta vantaggi e svantaggi specifici. Ma come funzionano realmente?

 

Come funziona un misuratore di portata magnetico con montaggio esterno?

In un misuratore di portata magnetico, gli elettromagneti sono posizionati all’esterno o all’interno di un tubo. Per prima cosa ci concentreremo sul tipo che circonda il tubo, spesso chiamato misuratore con montaggio esterno, non invasivo o a passaggio integrale magnetico. A differenza dei misuratori di portata a inserzione, misurano l’intera sezione trasversale del tubo, offrendo un livello di accuratezza superiore.

 

Figura 1. I misuratori magnetici a passaggio integrale sono progettati per misurare l’intera area della sezione trasversale di un tubo. Immagine per gentile concessione di McCrometer

 

I misuratori di portata magnetici a passaggio integrale utilizzano bobine elettromagnetiche esterne per generare un campo magnetico intorno al tubo, consentendo di misurare la portata senza contatto diretto con il fluido. Questo design è vantaggioso nelle applicazioni in cui i tradizionali misuratori magnetici in linea non sono praticabili o in cui si desidera ridurre al minimo il contatto con il fluido. Sono comunemente utilizzati nel trattamento delle acque, nei processi chimici e nei settori alimentare e delle bevande.

Un misuratore di portata è costituito da elettromagneti che circondano un segmento di tubo non conduttivo e generano un campo magnetico perpendicolare alla direzione del flusso del fluido che attraversa il tubo.

Inoltre, gli elettrodi di rilevamento misurano la tensione indotta generata dal fluido in movimento.

L’ultimo elemento è costituito da un tubo di misura non conduttivo, necessario per creare le condizioni adeguate a una misurazione accurata della portata.

Il processo di misurazione magnetica della portata è il seguente:

1. Gli elettromagneti generano un campo magnetico attraverso il tubo di misura.
2. Quando un fluido conduttivo attraversa il tubo, interseca le linee del campo magnetico, separando le particelle cariche e inducendo una tensione.
3. Gli elettrodi rilevano questa tensione indotta, direttamente correlata alla velocità di flusso del fluido.

La tensione indotta generata dal fluido può quindi essere convertita in una lettura della portata utilizzando una curva di calibrazione, generalmente fornita dal produttore per adattarsi ai singoli misuratori di portata. (Vedere le equazioni riportate di seguito)

 

Come funziona un misuratore di portata magnetico a immersione?

I misuratori di portata a immersione differiscono dai misuratori a passaggio integrale perché richiedono l’inserimento nel tubo per garantire una misurazione accurata. Sono spesso più economici e richiedono meno spazio rispetto ai misuratori a passaggio integrale, il che significa che possono essere installati in punti in cui sarebbe difficile collocare un misuratore a passaggio integrale.

I misuratori di portata magnetici a inserzione possono essere installati con un’invasività minima nel sistema e consentono la manutenzione e la rimozione della sonda senza dover arrestare il sistema.

 

Figura 2. I misuratori magnetici a inserzione misurano solo una porzione dell’area della sezione trasversale di un tubo. Immagine utilizzata per gentile concessione di McCrometer

 

Lo stesso principio guida viene utilizzato per i misuratori di portata a inserzione e si applicano le stesse equazioni di portata, valide anche per i sensori a passaggio integrale. La differenza è che i misuratori a inserzione misurano solo una determinata porzione dell’area della sezione trasversale del tubo. La sonda è costituita da elettrodi alle estremità opposte della parte sensibile del dispositivo. Questi elettrodi generano tra loro un campo magnetico che può quindi essere utilizzato per misurare la portata secondo i principi guida.

Per l'installazione in tubi di plastica, i misuratori di portata necessitano spesso di anelli o sonde di messa a terra da inserire nel tubo. Questo garantisce una corretta messa a terra dei misuratori per misurare con precisione il liquido. Per rimuovere il misuratore dal tubo mentre il sistema è ancora in funzione, è possibile utilizzare una valvola di isolamento o di bypass, che mantiene il liquido pressurizzato nel tubo durante la rimozione del misuratore per le ispezioni periodiche. I misuratori di portata a inserzione richiedono una certa manutenzione poiché sono a contatto con il fluido che scorre nel tubo, mentre i modelli a passaggio integrale hanno una durata operativa piuttosto lunga.

 

Equazioni utili per la portata

La equazione fondamentale di un misuratore di portata magnetico deriva dalla legge di Faraday dell'induzione elettromagnetica. Può essere espressa come:

$$V=k\cdot B\cdot D\cdot v$$

 

Dove:

$V=InducedVoltage$

$k=CalibrationConstant$

$B=MagneticFieldStrength$

$D=PipeDiameter,DistanceBetweenElectrodes$

$v=FluidFlowVelocity$

 

Una volta calcolata la velocità del fluido a partire dalla tensione misurata, è possibile determinare la portata Q utilizzando l'equazione:

$$Q=A\cdot v$$

 

Oppure, in alternativa, utilizzando il diametro del tubo per determinare A:

$$Q=\frac{\pi D^2}{4}\cdot v$$

 

La combinazione di queste relazioni consente di determinare la portata in base alla tensione indotta misurata dagli elettrodi. La costante di calibrazione k è essenziale per convertire la tensione misurata in una portata accurata.

 

Misurazione della portata con misuratori magnetici

Tutti i misuratori di portata magnetici funzionano secondo i principi descritti dalla legge di Faraday, indipendentemente dal tipo di costruzione. I diversi tipi di misuratori di portata magnetici sono utili in scenari differenti, a seconda delle esigenze dell'applicazione. I misuratori magnetici a morsetto o a passaggio integrale sono i tipi meno invasivi, mentre i misuratori magnetici a immersione vengono spesso utilizzati in aree in cui è difficile installare un misuratore a passaggio integrale o in cui il costo aggiuntivo di quest'ultimo è proibitivo. I misuratori a passaggio integrale misurano l'intera area della sezione trasversale del tubo, mentre i misuratori a inserzione sono in grado di misurare la portata solo in una parte dell'area della sezione trasversale del tubo.

Indipendentemente dal tipo, i misuratori di portata elettromagnetici sono utili in molti settori e possono offrire agli utenti un metodo a bassa manutenzione per misurare le portate di liquidi conduttivi.

 

Immagine in evidenza utilizzata per gentile concessione di Adobe Stock