Misure di livello tramite rilievo piezometrico

Generalità

Una delle possibili applicazioni dei sensori di pressione, è costituita dalle misure di livello in liquidi compiute attraverso il rilievo dell'altezza piezometrica, determinata considerando la pressione idrostatica agente sul punto immerso.

Considerando infatti i principi basilari dell'idrostatica, e riferendoci al contenitore raffigurato in Figura 1, possiamo osservare che se il punto A viene pensato isolato, esso non sprofonda rispetto alla sua attuale altezza piezometrica (h), perché la pressione dovuta all'azione del suo peso e di quello dei punti a lui sovrastanti (peso P), viene controbilanciata da una pressione P. Volendo quindi determinare il peso della colonna puntiforme di base A, sarà sufficiente:

dove rappresenta il peso specifico della sostanza in esame.
Come noto, la pressione è definita come forza agente sulla superficie, e quindi:

dalla quale possiamo dedurre che la pressione idrostatica agente su un punto qualunque di una massa liquida, è proporzionale alla profondità misurata dal pelo libero O eff., e dipende dal peso specifico del liquido. É interessante osservare che in condizioni stabili (temperatura, etc.), il peso specifico può essere ritenuto costante, e quindi se ne deduce che ad ogni pressione rilevata, corrisponde un'altezza piezometrica h, e pertanto risulta possibile esprimere il livello direttamente in metri di colonna di liquido (in particolare, in metri di colonna d'acqua = m H20).

Misura di livello tramite il rilievo dell'altezza piezometrica

Per quanto sopra accertato, e supponendo di compiere il rilevamento dell'altezza piezometrica (livello) con l'ausilio di un sensore di pressione, è necessario analizzare alcuni aspetti tecnologici, trascurando i quali, si rischia di penalizzare la qualità della misura stessa. Infatti, poiché il livello viene indirettamente rilevato e misurato attraverso la pressione, quest'ultima deve necessariamente essere valutata specificandone il valore di riferimento, e determinando quindi l'idonea tipologia di sensore in funzione del riferimento prescelto, sia esso il vuoto assoluto (sensore di pressione assoluta), la pressione ambientale (sensore di pressione relativa), oppure una pressione scelta arbitrariamente (sensore di pressione differenziale).
Osservando nuovamente l'esempio proposto precedentemente in Figura 1,
è possibile notare che sul pelo libero (O eff.) di un contenitore a cielo aperto, è agente la pressione atmosferica e pertanto, sull'elemento sensibile del sensore di pressione (Figura 2), verrà ad agire un modulo di pressione, risultante della sommatoria della pressione atmosferica con quella imputabile alla massa liquida in misura.  Per tale ragione, onde annullare gli effetti di tale componente (errore di misura), è necessario impiegare un sensore di pressione relativa, poiché essendo riferito alla pressione atmosferica sull'altro lato del suo elemento sensibile, questa verrà a controbilanciare l'analoga componente agente sul lato misura, permettendo quindi la misura della sola pressione piezometrica (vedasi anche Fig. 3). Similmente a quanto osservato per le misure piezometriche operate in contenitori a cielo aperto, la medesima correzione può essere operata anche per contenitori chiusi e pressurizzati, provvedendo a riferire il sensore di pressione alla pressurizzazione interna agente nel contenitore chiuso. Per tali evenienze si preferisce comunque impiegare sensori di pressione differenziale, poiché dotati di un ulteriore attacco di pressione sul lato bassa pressione, che rende notevolmente più semplice la connessione con la zona pressurizzata del contenitore.

I settori applicativi ove sia possibile attuare il rilievo piezometrico sono praticamente illimitati, e per ognuno di essi esiste una gamma di sensori particolarmente specializzata per il proprio compito, ognuna delle quali è dotata degli opportuni accessori di montaggio (es. attacchi flangiati igienici, attacchi per elevate temperature, etc.).
Nei casi in cui non risulti possibile ottenere degli attacchi flangiati sulle pareti dei contenitori o per l'evidente impossibilità nel raggiungere il fondo o la base delle loro pareti (si pensi ad esempio a "contenitori" quali bacini naturali, dighe, pozzi, falde etc.), si può comunque procedere con il rilievo piezometrico, avvalendosi di sensori di pressione totalmente immergibili, per i quali valgono le considerazioni già effettuate in precedenza (riferirsi alle Figure 4 e 5). Infatti, tale specializzazione di prodotto, presenta il significativo vantaggio di non richiedere alcuna foratura, poiché risulta sufficiente calare il trasduttore entro il liquido in misura (evitando per quanto possibile importanti shocks meccanici), posizionandolo poi alla opportuna quota di misura (il sensore resterà quindi "sospeso" nel liquido), e fissandolo in loco attraverso il proprio cavo autoportante. Solitamente il cavo immergibile viene fissato con pressacavi (cable glands), a loro volta passanti attraverso strutture di sostegno o attraverso le pareti del contenitore del sistema di misura; nell'eventualità che la profondità di misura richieda lunghe tratte di cavo immergibile, esistono opportuni accessori capaci di sostenere pesi (dovuti al cavo e al sensore) più rilevanti (peso del cavo: circa 50 g/metro). Le minime dimensioni (Ø minimo 25 mm), permettono inoltre ai sensori immergibili di proporsi quale perfetta soluzione per rilievi in falde, pozzi naturali o artificiali, applicazioni tipicamente difficoltose da risolvere con altre tecniche di misura. Onde soddisfare quanto già osservato, e a dispetto della sua immergibilità, anche tale tipologia di sensore viene ad essere compensata alla pressione atmosferica, attraverso un tubetto in poliammide, contenuto all'interno del cavo immergibile. Per tale ragione, particolare attenzione va rivolta alla installazione del cavo immergibile, poiché il suo tubetto interno deve essere salvaguardato dall'eventuale penetrazione di umidità o di agenti estranei (che potrebbero occluderlo), e da pieghe di percorso tali da far "chiudere" il tubetto su sé stesso; a tale scopo, si suggerisce di non effettuare pieghe con raggi di curvatura inferiori a 40 mm (vedasi Figura 6). Ovviamente, installare il sensore di pressione raggiungendo il sito di acquisizione direttamente con il cavo immergibile, rappresenta la soluzione ideale ai problemi evidenziati, ma considerando situazioni applicative ove il sito di misura possa risultare particolarmente distante da quello di acquisizione, un collegamento compiuto integralmente con cavo immergibile può risultare antieconomico e d'altra parte inutile visto che il collegamento di superficie (non immerso), può essere effettuato con cavo convenzionale più economico.

Per attuare tale evenienza nel rispetto delle necessità descritte, è possibile ricorrere all'impiego della junction box per esterni JB6, grazie alla quale è possibile realizzare una valido collegamento tra le due tipologie di cavo, garantendo comunque un corretto riferimento atmosferico. Per ulteriori informazioni, riferirsi alla specifica documentazione (Product Note 01 per il cavo immergibile, e bollettino commerciale Junction Box JB6) oppure contattare Spare sas o i suoi collaboratori commerciali.

Osservazioni sulla definizione del campo di misura del sensore di pressione

Per definizione, il livello rappresenta la distanza (h) fra il pelo libero (O eff. negli esempi precedenti) ed una quota di riferimento che generalmente (ma non necessariamente) è il fondo dello stesso contenitore. Qualora tale quota di riferimento non sia coincidente con il fondo (riferirsi alla Figura 1), l'altezza del liquido sottostante (h1) considerata dal fondo del contenitore, andrà a costituire il cosiddetto "livello statico" solitamente non interessante ai fini della misura poiché noto, mentre la variazione di livello compresa tra il massimo livello raggiungibile dal pelo libero e la quota di riferimento, andrà a definire quello che tipicamente viene denominato "livello dinamico". Nella scelta del campo di misura del sensore di pressione, è importante considerare il solo livello dinamico, onde sfruttare al massimo la risoluzione e l'accuratezza di misura offerta dal sensore, evitando quindi zone morte (perché mai raggiungibili dal livello dinamico) del suo segnale di trasduzione. Oltre alla naturale vocazione per impieghi finalizzati a misure capaci di una rilevante accuratezza, i sensori dotati di una risposta analogica, possono non solo supplire ai normali compiti di controllo on/off (attuabili anche dai non sempre più economici pressure switches), ma permettono anche di agire sul processo in regolazione con correzioni sempre proporzionali alle variazioni rilevate. Nonostante alcune limitazioni (del resto nessuna tecnologia di trasduzione e misura può ritenersi totalmente esente da svantaggi), per determinate applicazioni il rilievo piezometrico diventa virtualmente l'unica soluzione possibile, mentre per la totalità di quelle risolvibili con questo sistema, viene garantita una relativa semplicità di montaggio, con indubbi vantaggi economici.