La calibrazione di misuratori di portata massici termici con gas reale: perchè è importante e come affrontarla al meglio.

La calibrazione dei misuratori di portata non deve mai essere sottovalutata, e anche i misuratori di portata massici termici non fanno eccezione.

I misuratori di portata possono essere realizzati con i massimi livelli di sicurezza, le migliori caratteristiche e funzioni e la tecnologia dei sensori più resistente dal punto di vista industriale, ma se la calibrazione è imprecisa o soggetta a incertezza perché basata sull’equivalenza o su metodi di simulazione anziché su un fluido “reale”, il dispositivo potrebbe presentare problemi legati a prestazioni insoddisfacenti. Cattive pratiche di calibrazione possono generare una serie di conseguenze, tra cui possibili esposizioni alla sicurezza e inefficienze processuali che potrebbero non essere rilevate fin quando il processo non è in corso e si verifica qualche malfunzionamento. Processi inefficienti spesso comportano una scarsa qualità del prodotto e costi eccessivi che incidono negativamente sui profitti e sulla competitività.

Il Principio operativo alla base della calibrazione di misuratori di portata massici termici.

Tutti i misuratori di portata massici termici funzionano misurando l’effetto di raffreddamento di un gas in movimento lungo una tubazione. Gli effetti di raffreddamento rappresentano principalmente una funzione delle proprietà del gas, quali: conducibilità termica, calore specifico, densità e viscosità. Questo principio vale per i misuratori di portata massici termici, indipendentemente dalla loro tecnica di misurazione. Ulteriori variazioni avvengono nei sensori stessi e nelle modalità in cui ciascun sensore viene condizionato per l’intero intervallo di portata.

Laboratorio di calibrazione con apparecchiature tracciabili.

L’investimento di capitale e l’infrastruttura necessari per sviluppare e mantenere supporti della portata dei gas effettivi e tracciabili sono considerevoli, in particolare per i gas pericolosi o infiammabili. Inoltre, la portata del gas specifico stesso, oltre all’energia necessaria per farlo scorrere a specifiche condizioni di temperatura e pressione, comporta un costo ricorrente molto elevato. Molti produttori di misuratori di portata massici termici semplicemente evitano questo investimento ed eludono il costo più elevato di una calibrazione del gas reale eseguendone una simulata o “equivalente”.

Non tutte le “equivalenze” sono realmente uguali. I produttori che eseguono le calibrazioni equivalenti usano un fluido di riferimento o surrogato, di solito l’aria, a condizioni ambiente. Alle letture del flusso d’aria applicano parametri di calibrazione su base empirica utilizzando calcoli con formule teoriche per impostare la propria calibrazione del gas dello strumento. Nel migliore dei casi, questa procedura desume semplicemente gli effetti di raffreddamento del fluido dalle proprietà del gas come viscosità, densità, calore specifico, conducibilità termica e intervalli dei numeri di Reynolds.

A differenza di una calibrazione del gas reale, questo metodo di equivalenza basato sulla deduzione non replica in modo accurato la vera dissipazione del calore termico del gas reale. Le correzioni richieste per le condizioni di processo, come variazioni di pressione e temperature estreme, creano un’incertezza ancora maggiore. Come enunciato e confermato dalla norma ISO 14511, Sezione 8:

“…la migliore pratica per la calibrazione dei misuratori di portata massici termici consiste nell’eseguire una calibrazione con gas reale e a condizioni di processo effettive, quando praticabile”.

Per applicazioni critiche in cui i calcoli stechiometrici sono difficili o quando la portata del gas misurata è essenziale per la sicurezza o l’efficienza, non è necessario attuare un metodo di calibrazione simulato per i misuratori di portata termici se è disponibile una calibrazione del fluido “vera”ed effettiva. Inoltre, si sconsiglia l’esecuzione di una calibrazione simulata con equivalenza dell’aria nei casi in cui le condizioni di processo sono moderatamente instabili, i profili di velocità della portata rientrano potenzialmente nell’intervallo di transizione o esiste una potenziale relazione non lineare tra il fluido di calibrazione e il fluido di servizio effettivo. Quindi, le calibrazioni teoriche o equivalenti rappresentano una gamma molto limitata di applicazioni. Numerosi intervalli di portata con turndown maggiori di 10:1 si estendono ben oltre un semplice intervallo di correzione lineare e la correzione a fattore singolo applicata da molti produttori è inefficace a causa delle relazioni non lineari tra i fluidi. Questo concetto vale soprattutto per i misuratori di portata massici termici che si avvalgono della conducibilità termica e degli effetti di raffreddamento come misura essenziale.

Il problema con le calibrazioni simulate.

Per illustrare graficamente l’incertezza della misurazione delle calibrazioni simulate, vanno considerate le curve delle prestazioni di accuratezza mostrate nella Figura 1. Queste curve sono state ottenute da un misuratore di portata massico termico prodotto da un fabbricante leader a livello mondiale di misuratori di portata multi-tecnologici, dotato di un menu dei gas selezionabile dall’utilizzatore integrato. È preoccupante vedere la quantità di errori presenti. Ovviamente, questo strumento non è calibrato direttamente in ciascuna di queste composizioni di gas base, ma si limita ad applicare un fattore di correzione dell’algoritmo di equivalenza impreciso. Gli errori maggiori sembrano indicare la semplice correzione di un singolo ordine e il produttore non tenta nemmeno di utilizzare una correzione polinomiale per correggere le non linearità. In gran parte dell’intervallo di portata si nota che queste correzioni, sebbene estremamente ampie nella loro estensione, hanno una certa linearità. Come previsto, le curve di aria e azoto sono relativamente vicine all’offset zero, perché il fluido usato per la calibrazione è l’aria. Quando però lo strumento fa selezionare uno degli altri gas, l’errore di misurazione aggiuntivo dopo l’applicazione del fattore di correzione teorico può arrivare fino a ± 100%! Si può rilevare anche l’incapacità dell’algoritmo di correggere la non linearità per alcuni gas che fluiscono a temperature leggermente elevate. Questo intervallo di non linearità può variare fino al 30%; di conseguenza, un approccio con fattore di correzione, seppur accurato, non verrà applicato all’intero intervallo di portata del fluido.

A dimostrazione del notevole miglioramento delle prestazioni ottenuto utilizzando una calibrazione con gas reale, consultare la Figura 2 che mostra l’accuratezza di un modello FCI ST100 che impiega una calibrazione con gas reale per il gas naturale. Si può quindi confrontare questo risultato con la linea del grafico del gas naturale nella Figura 1, che utilizzava una calibrazione di equivalenza. Il miglioramento conseguente è eccezionale.

Cosa chiedere e sapere prima di procedere con  la calibrazione di misuratori di portata massici termici.

La persona responsabile delle prestazioni del misuratore di portata in processi critici, della sicurezza dell’impianto o della conformità ambientale ha diritto di chiedere ai produttori quali siano le loro procedure di calibrazione,  e questi devono essere in grado di spiegare e dimostrare come vanno calibrati i nuovi misuratori del cliente, su quali tipi di apparecchiature tracciabili, con quali metodi e in quali condizioni e secondo quali specifici standard meccanici, elettrici e di sicurezza. Si deve anche chiedere di visitare il laboratorio di calibrazione dove verrà eseguito il lavoro e di incontrare gli ingegneri e i tecnici responsabili dell’operazione. Inoltre, un rappresentante della fabbrica del misuratore di portata deve essere messo a disposizione del cliente nei casi in cui sia necessario sottoporre a revisione i requisiti dell’applicazione e ispezionare l’effettiva posizione del misuratore per garantire un’installazione corretta.

Conclusioni.

Fluid Components International (FCI) è da decenni leader indiscusso del mercato dei misuratori di portata massici termici grazie all’integrità e all’affidabilità delle prestazioni fornite tramite calibrazioni con fluidi reali e autentiche. FCI ha effettuato investimenti per istituire e mantenere oltre 20 impianti di calibrazione sparsi in tre diversi continenti. Questi supporti di portata, in vari diametri di tubo, possono far fluire aria, gas inerti puri, gas idrocarburici e composizioni di gas misti di precisione con un massimo di 20 componenti di gas effettivi. Tutti questi supporti hanno la capacità di eseguire la calibrazione a temperature reali fino a 454°C e a intervalli di pressione reali, da quella ambiente a 34 bar.

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