Misure Meccaniche e Collaudi

T

ℎ

diretta di in termini di pressione relativa. Si noti

come non dipenda dalla sezione trasversale del

tubo. 100 Pa hh

Acqua e mercurio sono i fluidi più comunemente

20000 Pa h

impiegati; l’utilizzo di acqua è raccomandabile nel campo da (10 di

13,6.

colonna d’acqua) a (2 di colonna d’acqua). Il ricorso al mercurio

consente di moltiplicare tali limiti per 95 ℎ,

-

La non perfetta verticalità dei tubi, la presenza del menisco per la lettura di

Errori:

la variazione di con la temperatura e la variazione tra le gradazioni della scala per

effetto della temperatura sono errori di cui dobbiamo tener conto quando

eseguiamo la misura.

Manometro a Pozzetto: Il manometro a pozzetto, chiamato

anche manometro idrostatico a

colonna di liquido, ha una sola colonna

che termina in un pozzetto con una

sezione molto maggiore di quella del

tubo; in questo modo il suo livello di

zero si sposta pochissimo quando viene

applicata la pressione.

Il misura la pressione

barometro

assoluta: la pressione nel volume del

0,7 Pa.

tubo lasciato libero dal fluido non è effettivamente lo zero assoluto, ma quella del

vapore di mercurio alla temperatura ambiente; essa vale circa

Manometro a tubo inclinato: Per aumentare la sensibilità, il manometro può

essere inclinato rispetto alla direzione della

gravità, così da produrre un maggiore

spostamento del liquido manometrico a parità di

variazione di quota in direzione verticale.

Micromanometro: La misura accurata di differenza di pressione

estremamente piccola si realizza con i

micromanoemtri.

B = B

Lo strumento viene inizialmente regolato in modo

T U

che, quando il menisco nel tubo inclinato

risulti situato in un punto di riferimento, dato da una

linea molto sottile prefissata, osservabile attraverso

una lente di ingrandimento. L’applicazione della

differenza di pressione incognita causa lo

ℎ

spostamento del menisco dalla linea di riferimento. La differenza tra le lettura finale

e la lettura inziale fornisce la variazione di altezza e quindi la pressione. Il menisco

96

può infine essere riportato sulla linea di riferimento alzando od abbassando il

serbatoio con il micrometro. Il menisco è una conca

superficiale di un liquido

presente in qualsiasi

contenitore.

ê:

ë:

Figura Menisco concavo.

Figura Menisco convesso.

Tubo di Bourdon:

L’elemento di base in tutte le varianti del tubo di

Bourdon è un tubo a sezione non circolare; una

differenza di pressione tra l’interno e l’esterno del

tubo (all’interno del tubo si ha la pressione più alta) fa

si che il tubo tenda ad assumere una sezione circolare.

Questo si traduce in deformazioni che portano ad un

movimento secondo una traiettoria curvilinea dell’estremità libera della forma a .

Tale spostamento (di tipo elastico) viene convertito da un meccanismo nello

spostamento di un ago su di un quadrante graduato.

Q0,1 %S,

In alto a destra è raffigurato un tubo di Bourdon con forma a con elevata

accuratezza prende il nome di manometro di pressione.

I sono strumenti capaci di convertire la pressione applicata

trasduttori di pressioni

in un segnale elettrico in tensione od in corrente. In genere la pressione viene fatta

agire su di una superficie sensibile, generando una forza che a sua volta produce la

deformazione di un elemento elastico.

Il costo di un trasduttore è legato a più fattori: qualità dell’elettronica impiegata,

dalla compatibilità con i liquidi che possono anche essere corrosivi e dal grado di

miniaturizzazione. 97 1 Z 2

La taratura viene fatta in laboratorio riproducendo il principio fisico che genera il

fenomeno, con una strumentazione certificata per la durata di anni e che è

molto più precisa, almeno quattro volte, del trasduttore che vogliamo tarare.

Per la misura della deformazione o dello spostamento esistono vari modi:

1. Trasduttori estensimetrici:

Sono i più vecchi e facili da

costruire di cui disponiamo.

La relazione tra la deflessione

(segnale di uscita) e la

pressione applicata è di tipo

lineare.

Solitamente i traduttori di pressione, basati su estensimetri a resistenza elettrica,

hanno gli estensimetri direttamente applicati su di una sottilissima membrana liscia

di metallo che prende il nome di diaframma.

La fragilità di questi strumenti è dovuta proprio al diaframma, affinché infatti lo

strumento abbia una buona precisione, la lamiera metallica dovrà essere

estremamente sottile; più sottile sarà la lamiera, maggiore sarà la precisione dello

strumento, ma minore sarà il range di misura.

B;

La membrana è vincolata agli estremi e soggetta ad una differenza di pressione

uniforme in ogni punto della superficie del lato della pressione minore è presente

sia uno sforzo radiale che uno sforzo tangenziale. Abbiamo a che fare con sforzi di

trazione e sforzi di compressione contemporaneamente, questo ci consente di

2 4

utilizzare un ponte estensimetrico intero così da poter misurare la somma di tutti gli

effetti. Gli estensimetri e stanno il più possibile vicino al centro e sono orientati

in modo da poter leggere le deformazioni tangenziali, poiché in questo si ha il loro

98

1 3

valore massimo. Gli estensimetri e sono orientati per leggere le deformazioni

radiali e sono posizionati il più possibile vicino agli estremi, dal momento che gli

sforzi in questo punto raggiungono il loro valore massimo negativo. Le leggi del

circuito a ponte mostrano che gli effetti della pressione su quattro estensimetri si

sommano.

Al fine di facilitare la costruzione e la miniaturizzazione di tali trasduttori di

pressione, i singoli estensimetri possono essere rimpiazzati da una rosetta

estensimetrica. 0 Pa

Presentano particolari difficoltà nel progetto; poiché

2. Trasduttori capacitivi:

1250 Pa) 13,8 MPa)

richiedono spesso di essere sensibili a piccole differenze di pressione (da a

ed elevate pressioni, resistere a sovraccarichi (anche pari a ed

interfacciarsi con liquidi difficili da

trattare.

In figura sono mostrati sezioni

differenziali di tipo capacitivo.

La membrana sensibile costituisce

l’armatura mobile di una capacità

L

differenziale: = X

V

= chh e.

= U

Capacità. che,

V = Area dell’armatura

Distanza fra le armature è

× =

variabile.

X = Costante dielettrica del mezzo.

Costante geometrica.

Il movimento viene

convertito in una corrente

continua proporzionale alla

sollecitazione.

Membrane isolanti in acciaio

inossidabile proteggono il

sensore dai fluidi e nel

contempo trasmettono le

pressioni misurate ai

diaframmi sensibili attraverso fluido siliconico di riempimento.

99

Si divino in due categorie.

3. Trasduttori induttivi:

3.1 A Trasformatore: Consiste in due o più avvolgimenti (uno

primario ed uno o più secondari) ed ha un

funzionamento del tutto simile a quello

che ha un trasformatore.

Un nucleo di materiale magnetico si sposta

per effetto della pressione applicata,

quando il nucleo è in posizione di

zero, l’induttanza dei due

avvolgimenti è la stessa, uno

spostamento del nucleo provoca una

variazione di induttanza, generando

una tensione di uscita.

Si dividono a loro volta in piezoelettrici e piezoresistitvi.

3.2 A singolo avvolgimento: Funzionano secondo il principio della

3.2.1 Trasduttori piezoelettrici:

piezoelettricità, questa è la proprietà di alcuni cristalli di generare una differenza di

potenziale quando sono soggetti ad una deformazione meccanica.

Alcuni cristalli, quando viene applicata una pressione esterna si posizionano, sulle

facce opposte, cariche di segno

opposto.

Se le due facce vengono collegate

tramite un circuito esterno viene

quindi generata una corrente

detta corrente piezolettrica.

J

La misurazione della differenza di

J

potenziale associata ci permette di risalire quindi alla forza agente sull’elemento;

B.

conoscendo ed (la superficie su cui viene applicata la forza) si può risalire alla

pressione Le due pareti sono due armature metalliche.

Questo tipo di trasduttore è molto robusto, dal momento che la parte

Pregi: hh)

sensibile è composta da cristallo (rigidezza paragonabile a quella dell’acciaio), hanno

dimensioni estremamente ridotte (qualche che gli permettono di non

100

0,0001 h// 100 h//

U U

disturbare il flusso e permettono misurazioni di accelerazioni che vanno da

a .

Nella maggior parte dei casi l’elemento sensibile del trasduttore è inscatolato e

precaricato in una struttura rigida; questo non solo conferisce ai sensori la proprietà

di un tempo di risposta brevissimo (qualche microsecondo) e di una frequenza di

Lqr

risonanza dell’ordine di

centinaia di (che ci

consente di fare misure

ad alta frequenza), ma

anche un facile impiego

a livello industriale.

Un problema

Difetti:

importante che affligge

questi strumenti è

quello legato alla corrente di scarica; quando la variazione di sollecitazione non è

presente, la carica tende ad annullarsi secondo una legge con andamento

37%

esponenziale. Il tempo necessario al sistema di misura per attenuare il segnale, fino

al del valore originario prende il nome di oppure

discharge time costant DTC

costante di scarica. Tale effetto aumenta all’aumentare

della grandezza del cristallo, quindi è

necessario che il dispositivo sia molto

piccolo.

Per questo motivo i sensori di tipo

piezoelettrico non possono essere

utilizzati per misure di pressione

costante.

Il ci dice che non posso fare

DTC

misure che sono più lente della

costante di scarica, altrimenti hanno il tempo al condensatore di scaricarsi. Devo

dunque fare in modo di prendere un il più grande possibile rispetto al segnale

DTC

che vogliamo misurare.

Il quarzo ed i sali di Rochelle sono i cristalli più utilizzati, possiamo però ricorrere

anche a cristalli sintetici od a ceramiche ferroelettriche polarizzate artificialmente

tramite l’applicazione di un forte campo magnetico.

Funzionano secondo il principio fisico della

3.2.2 Trasduttori piezoresistivi:

piezoresistività. Questa è la caratteristica che hanno tutti i materiali di variare la

propria resistenza elettrica, se sottoposti all’azione di una forza esterna.

101

Questo effetto è però apprezzabile solo in alcuni di essi (su tutti i crista