Misura di livello industriale

Disambiguazione – Se stai cercando lo strumento di misura della pendenza di una superficie, vedi Livella.

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Il livello^[1] è un importante parametro misurato nei processi industriali.

I sistemi di misura di livello e gli strumenti relativi dipendono dal tipo di apparecchiatura nella quale si vuol misurare il livello, dal fluido contenuto, dalle condizioni di esercizio.

L'indicazione del valore del livello può essere solamente locale (in loco o in situ), ma il più delle volte il segnale è trasmesso in sala controllo, dove sarà utilizzato per indicazione, registrazione, allarme, regolazione.
I sistemi sono perciò molto numerosi, e qui di seguito ne indichiamo alcuni fra i tanti utilizzati.

Composte da un supporto verticale contenente un certo numero di vetri temperati ad alto spessore. È installato sui fianchi del serbatoio tramite due valvole di intercettazione e spurgo. Il liquido di processo penetra all'interno della livelletta per il principio dei vasi comunicanti, ed il suo livello viene visualizzato per trasparenza.
Questa è una misura di livello solo locale, ed è adatta anche per serbatoi pressurizzati e ad alta temperatura. Il liquido non deve essere incrostante o sporcante.

Lo strumento, usato normalmente come trasmettitore di livello, è installato sul fianco del serbatoio del quale si vuole misurare il livello tramite attacchi flangiati e valvole di intercettazione e spurgo.
Le valvole permettono, per il principio dei vasi comunicanti, l'ingresso del liquido di processo all'interno di una camera cilindrica verticale. All'interno di questa camera c'è un cilindro di metallo la cui lunghezza è maggiore del campo di misura del livello. Il cilindro, impropriamente chiamato galleggiante^[3], è appeso tramite un braccio posizionato a 90° ad una barra che fa parte del corpo dello strumento di misura. Questa barra sigilla il processo verso l'ambiente. La barra è cava, e nella sua parte terminale interna lato processo ha fissato un alberino che fuoriesce all'interno della cassa dello strumento.

Quando il livello è basso, e non interessa ancora il galleggiante, il peso di questi provoca una rotazione elastica della barra (detta appunto barra di torsione). L'alberino risulta posizionato alla sua minima posizione di rotazione.
Man mano che il livello sale ed il galleggiante risulta sempre più immerso nel liquido, nasce una spinta idrostatica funzione diretta del livello e della densità del liquido. Questa spinta provoca uno spostamento verso l'alto del galleggiante con conseguente rotazione della barra di torsione e dell'alberino ad essa connesso.
Quando il livello raggiunge la parte terminale superiore del galleggiante, c'è la massima spinta idrostatica, e la minima rotazione della barra di torsione. L'alberino avrà effettuato la sua massima rotazione.
La posizione angolare dell'alberino è quindi funzione del livello (essendo la densità del fluido costante). Si tratta quindi solamente di misurare la sua rotazione e ciò viene fatto in diversi modi, a seconda della realizzazione costruttiva dello strumento. Nel caso di trasmettitore pneumatico, sarà presente un sistema modulante lamina-ugello. Nel caso di trasmettitore elettrico, sarà presente un circuito elettronico di conversione rotazione angolare-corrente elettrica 4-20 mA.

Il trasmettitore a barra di torsione è uno strumento robusto e adatto a processi gravosi sia in pressione che in temperatura. Il liquido tuttavia non deve essere incrostante.

Si abbia un serbatoio aperto all'atmosfera e contenente liquido del quale si vuole misurare il livello. Se nella parte inferiore del serbatoio si realizza una presa di pressione e si installa un manometro, questi indicherà un valore di pressione funzione diretta del livello e della densità del liquido. Conoscendo la densità (supposta costante), la scala del manometro può essere graduata direttamente in metri di colonna di liquido. Similmente esistono dei trasmettitori di livello con sensore immergibile per la misura del livello idrostatico, immersi dall'alto per il tramite di un cavo sigillato contenente un capillare di compensazione essi trasmettono elettricamente il valore misurato ad un display oppure ad altro sistema di acquisizione e controllo.
Se il serbatoio non è aperto all'atmosfera ma è pressurizzato, questo sistema non è adatto in quanto il manometro misurerebbe la somma delle due pressioni colonna liquida e pressione statica al di sopra del liquido.
In questo caso si può usare un manometro differenziale la cui presa positiva è connessa nella parte bassa del serbatoio, e la presa negativa nella parte alta del serbatoio.
Naturalmente il manometro dà solo un'indicazione locale. Dovendo avere il segnale in sala controllo si useranno trasmettitori di pressione o di pressione differenziale.

Se il liquido è sporcante occorre usare strumenti la cui presa di pressione sia dotata di una membrana di separazione col processo per evitare intasamenti.
Nel caso di misure di pressione differenziale, è indispensabile che il tubo di pressione negativa sia sempre svuotato di possibili condensazioni oppure (se ciò non dovesse essere possibile), sempre pieno di un opportuno liquido. In quest'ultimo caso si dovrà tenere conto, in fase di taratura dello strumento, di tale colonna liquida costante.
Mantenere sempre vuota la colonna negativa si può realizzare ad esempio scaldando con una camicia di vapore tale tubo. Eventuali condense evaporeranno lasciando il tubo vuoto. Se invece si vuole tenerlo sempre pieno, si può riempirlo come detto con un apposito liquido, oppure permettere che si riempia da solo attraverso la condensazione spontanea dei vapori esistenti nella parte superiore (esempio nei serbatoi contenenti vapor d'acqua).

Una variante adatta in generale solo per serbatoi non pressurizzati, è il sistema a gorgogliamento.
Lo strumento usato è ancora un trasmettitore di pressione, che viene però installato in alto, al di sopra del massimo livello raggiungibile.
Nel serbatoio viene immerso un tubo metallico (sonda) con diametro interno di circa 10 mm, la cui lunghezza arriva fino al punto più basso del minimo livello che si vuole misurare. Il tubo nella sua parte superiore è connesso alla presa di pressione del trasmettitore. Nello stesso punto viene applicata una iniezione di aria attraverso una restrizione calibrata costituita da un sottile tubicino capillare.
La pressione di aria che alimenta il tubicino deve essere superiore a quella che può generare la spinta idrostatica della massima colonna liquida che si vuole misurare.
Per effetto di questa iniezione di aria nella sonda, il liquido che dovesse penetrare al suo interno è costretto a fuoriuscire completamente. All'interno della sonda si genera quindi una pressione di aria pari a quella generata dalla colonna liquida. Il trasmettitore di pressione invierà un segnale proporzionale a tale pressione e quindi al livello.
Per avere la massima precisione viene usato un tubicino capillare per ridurre al minimo la caduta di pressione all'interno della sonda dovuta alla portata di gorgogliamento.

Questo sistema misura il tempo che intercorre tra l'emissione di un impulso ultrasonico ed il suo ritorno dopo essere stato riflesso da una superficie.
Questo tempo è funzione diretta della distanza tra strumento e superficie riflettente, ed è adatta perciò alla misura di livello in una grande varietà di applicazioni.
Possono essere ad esempio silo contenenti polveri o granulati, serbatoi di stoccaggio di prodotti petroliferi, bacini idrici. La testina contenente l'emettitore/ricevitore, è posizionata in alto, ed emette verso il basso il fascio di onde ultrasoniche. L'elettronica interna converte il tempo misurato in un segnale rappresentativo del livello (e non della distanza tra emettitore e superficie riflettente).

Ci sono processi 'difficili' dal punto di vista della strumentazione. Un esempio può essere un serbatoio contenente polimeri fusi ad alta temperatura. In questo caso non è possibile usare strumenti tradizionali, perché andrebbero subito fuori servizio.

Alcune possibili soluzioni possono essere le seguenti:

• Livelli a sonda capacitiva
• Livelli a misura di peso
• Livelli con sorgente radioattiva

All'interno del serbatoio è installato un tubo metallico verticale, tramite attacco flangiato sottostante.
La parte terminale superiore interna del tubo è ricoperta con un materiale isolante (esempio teflon caricato in vetro) e infilata in apposito alloggiamento staffato all'interno del serbatoio.
Nell'attacco flangiato inferiore il tubo è isolato elettricamente dalla massa metallica del serbatoio. È presente una testina di giunzione elettrica, connessa con la parte terminale del tubo. Da qui, un collegamento elettrico giunge ad uno strumento locale misuratore di capacità elettrica.
Il sistema funziona perché esiste una capacità elettrica tra il tubo-sonda e la superficie dell'apparecchiatura. Quando il livello del prodotto fuso interessa la sonda, si ha una variazione della costante dielettrica e quindi del valore di capacità. Lo strumento rileva e misura la variazione di capacità e dà un'uscita standardizzata (pneumatica o elettrica) funzione del livello. Vengono comunemente usati anche per la misura di livello dell'olio nei serbatoi delle centrali oleodinamiche

Vengono utilizzate le celle di carico che misurano il peso del serbatoio. Naturalmente per avere la massima precisione è indispensabile che sul serbatoio non agiscano forze variabili verticali come ad esempio, spinte determinate da dilatazioni termiche di tubazioni. Si dovrà avere cura che eventuali sollecitazioni esterne siano sempre rivolta in direzione orizzontale.

Questo è un tipo di misura da utilizzare esclusivamente dove non siano possibili altri tipi di rilevazione livello, e da impiegare in ambienti protetti contro il rischio di radiazioni ionizzanti.
Una sorgente radioattiva puntiforme o filiforme di cobalto 60^[4] è inserita verticalmente in una guaina infilata all'interno del serbatoio. All'esterno di questo è installato un rilevatore di radioattività a scintillazione, la cui uscita dipende dall'assorbimento che il livello del fluido provoca nelle radiazioni. Quindi il segnale di uscita è funzione del livello. Viene usato tipicamente in colata continua di acciaio, in quanto l'acciaio fuso è amagnetico. quindi per misurarne il livello in lingottiera viene usato il misuratore radioattivo. Esistono sensori elettromagnetici ma sono più costosi.

• Strumento di misura
• Strumentazione di controllo
• Pelo libero

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