La misura della portata di massa di una sostanza, sia essa in forma liquida, aeriforme oppure solida, è importante in un’infinità di situazioni legate ad esempio alla produzione, miscelazione, trasporto, stoccaggio, consumo, utilizzo, commercio di questa sostanza. Può essere calcolata o misurata con diversi sistemi che verranno scelti a seconda della natura della sostanza e delle sue caratteristiche peculiari ma anche dello scopo per il quale la portata deve essere conosciuta.
La misura della portata di una sostanza è sempre definita come una quantità in transito riferita a un’unità di tempo; è fondamentale comprendere come la quantità sia riferibile al volume (ad esempio litri/sec oppure m³/h o qualsiasi altra combinazione di volume nell’unità di tempo) oppure alla massa (ad esempio gr/sec oppure Kg/h o anche in questo caso qualsiasi altra combinazione).
La misura della portata di massa
Se, soprattutto per liquidi noti, la misura della portata è spesso effettuata in volume, in moltissime altre applicazioni è necessario quantificare la portata in massa, in particolare quando la densità della sostanza varia in maniera consistente, come nel caso dei gas che per loro natura, essendo comprimibili, variano la loro densità in funzione delle variazioni di pressione oltre che di temperatura.
Il misuratore di portata massico, detto anche misuratore di portata ponderale, è lo strumento che consente la corretta quantificazione del transito di una sostanza indipendentemente dalla sua densità e quindi indipendentemente dalle eventuali variazioni di pressione e temperatura, quindi è uno strumento molto spesso necessario sia per il controllo accurato dei processi industriali produttivi che per la corretta determinazione dei costi di acquisto e vendita.
Come si calcola la portata di una massa?
È possibile calcolare la portata in massa partendo dalla portata in volume e inserendo la densità della sostanza. Ad esempio, se la portata volumetrica di un flusso di acqua è di 50 l/min, la sua portata massica nel caso che la densità sia pari a 1 Kg/dm³ sarà di 50 Kg/min, ma solo se la densità dell’acqua rimane costante, quindi se la sua temperatura rimane quella di riferimento alla quale la densità è stata considerata. Se la temperatura cambia allora anche la densità cambia e di conseguenza cambia la portata di massa calcolata. Se dobbiamo calcolare la portata di massa di un gas partendo dal volume, la densità del gas non cambierà solo in base alla sua temperatura ma anche alla sua pressione. Pertanto, ove possibile, in situazione di condizioni operative variabili, è opportuno utilizzare direttamente un misuratore massico.
Come funziona un misuratore di portata massico?
Esistono diverse tipologie di misuratori di portata massica, impiegati per la contabilizzazione (contatore massico) che ha lo scopo di quantificare la massa transitata, e la misura istantanea (flussimetro massico) il cui scopo è invece quello di controllare, ed eventualmente regolare, la portata in tempo reale.
Sintetizziamo a seguire le quattro tecniche di misura di portata massica principali, definendone i principi di funzionamento e l’impiego primario in base alla natura e alle caratteristiche delle sostanze da misurare.
Misuratore di portata massico a effetto Coriolis
I misuratori di portata massica Coriolis sono i misuratori massici per eccellenza, il principio è basato sulla modifica della fase di oscillazione del sensore generata dalla massa in transito. I misuratori di portata massica a effetto Coriolis hanno la peculiarità di consentire la misura della portata di qualsiasi fluido, sia liquido che gas, direttamente in massa. Non si tratta di compensare le variazioni di pressione e temperatura né tantomeno di conoscere il fluido in transito: la tecnica basata sul controllo delle forze di Coriolis, applicate a una tubazione posta in vibrazione, consente di misurare direttamente la quantità in peso del fluido in transito.
Il vantaggio di questa tecnica di misura, oltre che consentire la misura ponderale del flusso, è anche quello di garantire precisioni eccezionali. Il Coriolis è la scelta migliore possibile quando la misura da effettuare deve essere molto accurata, come nel caso del trasferimento di fluidi commerciali, anche per scopi fiscali.
Misuratore termico di portata massica
I flussimetri termici sono basati sulla misura della capacità di dispersione termica del flusso e quindi, pur utilizzabili sia con liquidi che con gas, è proprio sui gas che trovano le principali applicazioni. I misuratori di portata termici utilizzano sensori che possono avere diverse configurazioni, sia a inserzione che per montaggio in linea; sono basati sulla misura della capacità di raffreddamento di un sensore opportunamente riscaldato, da parte del fluido in transito. La capacità di raffreddamento dipende dalle proprietà termiche del fluido e dalla quantità che investe il sensore, pertanto conoscendo la natura del fluido sarà possibile misurarne la portata ponderale, indipendentemente da pressione e temperatura.
I vantaggi nell’utilizzo di misuratori massici termici sono diversi: molto impiegati per la misura di ogni tipo di gas, forniscono affidabilità e prestazione per campi di misura enormi, essendo in grado di misurare anche velocità di flusso prossime allo zero; inoltre la misura della portata direttamente in massa non necessita di sensori esterni per compensare le variazioni di pressione e temperatura.
Misuratore di portata massico a microonde
I misuratori di portata massica a microonde sfruttano le proprietà di assorbimento e modifica di frequenza dovute dal transito di sostanze allo stato solido. I misuratori di portata a microonde utilizzano una moderna tecnica di misura sviluppata per il controllo del moto di prodotti solidi di qualsiasi natura e granulometria: polveri, granaglie, pellets ma anche scaglie e truciolati di qualsiasi pezzatura. Il sensore di misura, montato a filo parete del condotto, emette un segnale a microonde all’interno della tubazione dove transita il materiale da misurare che rifletterà il segnale, modificandone l’ampiezza e la frequenza in maniera proporzionale alla portata in massa che sta transitando.
Il vantaggio principale nell’utilizzo degli indicatori di portata a microonde è costituito dalla misura precisa del flusso di materiale in caduta libera o in trasporto pneumatico. Esistono anche sensori semplificati che in tempo reale allertano l’operatore nel caso il flusso si interrompa per mancanza di materiale o per un intasamento della linea di trasporto.
Misuratore di portata multivariabile
È una gamma di prodotti ampia, che tipicamente si basa su una tecnica di misura volumetrica, come ad esempio il misuratore vortex, ma con integrati i sensori di temperatura e pressione e il calcolo automatico della massa, tecnica questa particolarmente versata alla misura del vapore sia saturo che surriscaldato.
I misuratori di portata Vortex si basano sul principio osservato da Theodore Von Karman già nel 1911: il flusso che incontra un ostacolo genera a valle dell’ostacolo stesso una sequenza di vortici direttamente proporzionale alla velocità di transito. Il Vortex è quindi un misuratore di portata che integra sia l’asta che il sensore di misura dei vortici, ed è impiegabile per misurare la portata di liquidi, gas e anche vapore.
I vantaggi dei misuratori di tipo Vortex sono numerosi. Innanzitutto la possibilità di realizzare sia strumenti per montaggio in linea che a inserzione, quindi molto vantaggiosi per tubi di grande diametro; ma anche la possibilità di “integrazione” che in un unico sensore consente non solo la misura della portata, ma anche della pressione e temperatura del fluido, con addirittura la possibilità di misurare l’energia termica trasportata dal fluido vettore.
Cosa posso misurare con un flussimetro massico?
Con un flussimetro massico possiamo misurare liquidi, gas, vapore e solidi. Infatti la gamma delle tecnologie e quindi degli strumenti oggi disponibili sul mercato mondiale per effettuare la misurazione della portata di massa di una sostanza in transito è ampia e differenziata.
Non sempre è facile definire quale sia il misuratore massico migliore e più adatto alle nostre specifiche esigenze, ma una scelta competente e oculata si rivelerà nel tempo vincente, per precisione, affidabilità ed efficienza operativa. Vale quindi sempre la pena approfondire esigenze e obiettivi prima di scegliere la tecnologia.
In ogni caso oggi le tecniche disponibili consentono di misurare direttamente la portata massica di qualsiasi liquido, anche miscelato, aggressivo e in condizioni operative estreme, la stessa cosa vale per ogni tipo di gas e per il vapore, senza dimenticare la possibilità di misurare flussi di prodotti solidi di qualsiasi natura e granulometria.