Come funziona la misura di livello idrostatica
Una colonna di liquido preme sul fondo di un serbatoio con una pressione che dipende solo dalla sua altezza e dalla sua densità, non dalla forma né dal volume del serbatoio. Un trasmettitore di pressione sul fondo, o una sonda a immersione sospesa nel liquido, misura quindi il livello:
p = ρ × g × h
ρ è la densità in kg/m³, g l’accelerazione di gravità e h l’altezza del liquido sopra la membrana. Con la gravità normale, un metro d’acqua a 20 °C dà 9,789 kPa, cioè 97,89 mbar.
Scegliere il campo del trasmettitore
Il trasmettitore viene tarato in modo che 4 mA corrispondano al livello più basso da misurare e 20 mA al più alto:
LRV = ρ × g × (hmin + h0) URV = ρ × g × (hmax + h0)
h0 è l’altezza del livello zero sopra il trasmettitore. Un trasmettitore montato su un tronchetto 0,3 m sotto il fondo del serbatoio vede sempre 0,3 m di liquido in più; l’LRV è quindi sopra lo zero («zero elevato»). Il campo resta invariato.
Scegliete un trasmettitore con limite superiore di campo pari all’URV o poco superiore, così che il campo tarato sfrutti buona parte del campo del sensore. Un sensore con campo molto più ampio viene ridotto di più e i suoi errori, di solito espressi in percentuale del limite superiore, diventano grandi rispetto al campo; verificatelo con il calcolatore di precisione dei trasmettitori.
Esempio di calcolo
Un serbatoio d’acqua a circa 20 °C, livello da 0 a 5 m, trasmettitore sul fondo:
- Densità 998,21 kg/m³, pressione per metro 9,789 kPa
- LRV 0 bar, URV 0,48945 bar (489,45 mbar)
- Un livello di 3 m dà 0,29367 bar, 60 % del campo, 13,6 mA
Se lo stesso trasmettitore si trova 0,5 m sotto il fondo, il campo diventa 0,04895–0,53840 bar; l’ampiezza non cambia.
Densità e temperatura
La densità è la principale fonte di errore nella misura idrostatica. L’acqua ha 999,97 kg/m³ a 4 °C, 998,21 kg/m³ a 20 °C e 983,20 kg/m³ a 60 °C: un serbatoio tarato a freddo legge l’1,5 % in meno con acqua a 60 °C. Salamoie, oli, acidi e fanghi si discostano molto di più, e la loro densità può variare con la concentrazione. Usate la densità alla temperatura di esercizio indicata nella scheda di processo, oppure misuratela.
Serbatoi aperti, chiusi e in pressione
Serbatoi aperti o ventilati. Un trasmettitore di pressione relativa o una sonda a immersione ventilata misura direttamente la colonna di liquido; il tubo di ventilazione nel cavo deve restare aperto e asciutto.
Serbatoi chiusi con gas o vapore sopra il liquido. La pressione del gas si somma alla lettura. Usate un trasmettitore di pressione differenziale con il lato basso collegato allo spazio gassoso: la pressione del gas agisce su entrambi i lati e si annulla. Con una gamba di riferimento asciutta, il calcolo di questa pagina vale invariato.
Gambe di riferimento umide. Se la linea del lato basso si riempie di condensa o di un liquido di riempimento, aggiunge una colonna costante sul lato basso. Il campo si sposta allora verso valori negativi (soppressione dello zero) e va calcolato con l’altezza della gamba e la sua densità.
Errori frequenti
Tarare in metri d’acqua per un altro liquido. Un trasmettitore impostato su 0–5 mH₂O legge il 15 % in meno con un liquido da 850 kg/m³.
Dimenticare l’offset di montaggio. Un trasmettitore sotto il fondo del serbatoio indica l’altezza del tronchetto anche a serbatoio vuoto.
Misurare un serbatoio in pressione con un trasmettitore relativo. Ogni variazione della pressione di polmonazione sembra una variazione di livello.
Ridurre troppo il campo. Un trasmettitore 0–10 bar impostato su 0–0,5 bar funziona, ma il suo effetto della temperatura e la sua stabilità, riferiti al limite superiore, sono venti volte maggiori rispetto al campo.
Domande frequenti
Quali unità posso usare?
Lunghezze in m, cm, mm, ft e in; pressione in bar, mbar, kPa, psi, mH₂O e inH₂O. Le colonne d’acqua sono riferite a 4 °C, come nel convertitore di unità di pressione.
Come converto il livello in volume?
Dipende dalla geometria del serbatoio: lineare per i cilindri verticali, non lineare per i cilindri orizzontali e le sfere. Il trasmettitore misura un’altezza; la tabella di taratura del serbatoio si applica nel sistema di controllo.
L’uscita 4–20 mA è proporzionale al livello?
Sì, linearmente. La corrente per qualsiasi livello compare sotto «A»; il convertitore 4–20 mA converte le letture in campo.