1. Obiettivi delle misure di portata

Gli strumenti di portata sono probabilmente i più diffusi nel panorama della strumentazione. Nella pratica corrente utilizziamo solitamente misure in massa/tempo (es kg/h) o volume/tempo (es m3/h).

Le finalità reali delle misure possono ricadere tipicamente in uno di questi casi:

• Misurare la portata in moli per l’utilizzo di un reagente in una reazione chimica
• Misurare la portata in valore economico ai limiti di batteria con clienti/fornitori
• Misurare la portata di energia per riscaldare/raffreddare

Nessuna delle grandezze considerate è facilmente misurabile in maniera diretta, e ci troviamo quindi costretti ad una serie di approssimazioni. Approssimazioni sicuramente motivate ma di cui non sempre siamo pienamente consapevoli.

Per valutare le moli ricorriamo tipicamente a portate in volume/tempo, o in massa/tempo.

Le moli sono effettivamente proporzionali alla massa se, e solo se, la composizione rimane costante (la stragrande maggioranza di fluidi di processo sono miscele).

Le moli possono essere spesso ragionevolmente considerate proporzionali al volume, se non cambiano la composizione e la densità. La densità a sua volta varia poco con le condizioni per i liquidi (“incomprimibili”), ma per gas e vapori è fortemente dipendente da temperatura e pressione di esercizio.

Per valutare le portate dal punto di vista economico in maniera rigorosa dovremmo utilizzare ancora una volta le moli. Ma queste sono difficili da misurare senza strumenti sofisticati, e ricorriamo dunque comunemente a misure in massa o in volume, con assunzioni simili a quelle citate sopra. Per questo settore si aggiungono anche motivazioni di carattere storico, che ci vincolano spesso ad unità tradizionali, entrate in uso per la loro accessibilità in tempi anche remoti, anche se non sempre scientificamente rigorose.

Ad esempio, misuriamo il petrolio in barili e la benzina in litri, anche se sarebbe più corretto misurare la loro massa legata al potere calorifico. Ancora meglio sarebbe misurarne il contenuto in carbonio. Ma è molto più facile misurare un liquido in volume, con barili, o bottiglie.

E se pensate di fare il pieno alla vostra auto solo nelle ore più fresche della giornata, per ottenere una massa maggiore, a parità di volume, il vantaggio che otterreste in km di percorrenza sarebbe trascurabile.

(acquistando 100 litri di benzina, otterreste circa 74,4 kg di benzina acquistandola a 0 °C, e solo 71,6 kg acquistandola a 30 °C).

Anche la misura del flusso energetico è entro certi limiti proporzionale al flusso in massa, ma risponde a quanto detto sopra (dipendenza da composizione, pressione, temperatura), ed a seconda delle applicazioni ulteriori fattori che possono variare significativamente (calore specifico, differenza di temperatura tra ingresso e uscita dell’apparecchiatura di scambio, calore latente, etc.,).

Se consideriamo una portata di acqua di raffreddamento una misura in volume/tempo può essere quasi sempre affidabile se abbiamo un campo operativo di temperatura abbastanza limitato, grazie all’ incomprimibilità del fluido. Ma per un riscaldamento con vapore avremo invece una grandissima variabilità’ del contenuto energetico (a portata volumetrica costante) con l’andamento oscillante di pressione e temperatura di esercizio.

1. Influenza della tecnologia di misurazione

Ogni tecnologia di misura presenta caratteristiche distintive, che per ogni possibile applicazione possono costituire vantaggi o svantaggi.

Nella scelta di un misuratore di portata per un servizio specifico occorre valutare attentamente l’adeguatezza della tecnologia selezionata. Anche quando la scelta si orienta sul costo di acquisto o di esercizio più bassi occorre garantire una prestazione minima che garantisca la funzionalità desiderata.

La selezione della tecnologia di misura deve tener conto del tipo di fluido, delle sue caratteristiche fisiche (es la polarità), la fase in condizioni di esercizio, la presenza di agenti contaminanti o di fasi multiple, le condizioni idrauliche del flusso (queste sono talvolta correggibili o migliorabili con accorgimenti opportuni nell’ installazione).

Inoltre, una misura include ricorre quasi sempre a diverse assunzioni, nella trasformazione dal fenomeno fisico misurato dal sensore, alla lettura per l’operatore. La maggior parte delle tecnologie di misura di portata sono basati sulla valutazione della portata in volume (es misuratori basati su pressione differenziale), oppure sulla portata in massa (es misuratori Coriolis). Nella valutazione della portata si effettua una trasformazione (lineare, quadratica, Ecc.) del segnale elettrico che si basa anche sull’ assunzione di condizioni operative perfettamente costanti, ovvero le “condizioni di progetto” dello strumento.

Le condizioni di progetto più comunemente considerate sono pressione, temperatura, e composizione. Ma anche le condizioni fluidodinamiche sono importanti, e tutte le proprietà fisiche del fluido. Ovvero tutte le caratteristiche menzionate sopra, che dovremmo aver già valutato in fase di selezione della tecnologia.

1. Differenze tra condizioni di progetto e condizioni operative

La costanza delle condizioni operative è una contraddizione nei termini. Nessun processo potrà essere mantenuto in condizioni perfettamente stabili, ed anche per questo abbiamo bisogno di monitorare e controllare il nostro impianto.

La valutazione dell’efficacia di un misuratore di portata deve quindi anche includere una valutazione della variabilità’ delle condizioni operative, per poter decidere se l’accuratezza della lettura corrisponde alle aspettative. E per fare questo occorre anche il nostro impianto nell’ intorno del punto di misura. Potremo quindi scoprire ad esempio che l’unità a monte del nostro misuratore garantisce una pressione di esercizio molto stabile, e quindi senza significativa influenza sulla lettura di portata. O viceversa scoprire che la variazione della temperatura ambiente tra giorno e notte provoca errori inaccettabili.

Che fare quindi? Le soluzioni possono essere molto diverse.

– Possiamo selezionare una differente tecnologia di misura che risulti insensibile al disturbo. Ad esempio, un misuratore massico sarà meno sensibile alla temperatura di un misuratore basato su pressione differenziale.

– Possiamo regolare la portata indirettamente basandoci su un’altra grandezza che garantisce maggiore accuratezza. Per esempio, se regolo una portata di combustibile sulla base della temperatura che voglio raggiungere, l’accuratezza della misura di portata perde importanza, perché’ verrà continuamente corretta dal mio obiettivo di temperatura. Vedi figura 1.

– Possiamo dedicare strumentazione aggiuntiva alla misura dei disturbi, e calcolare quindi la correzione della lettura di portata, sulla base di un modello chimico-fisico. In figura 2 un esempio di compensazione di portata in pressione e temperatura dove il blocchetto FY rappresenta il calcolo di compensazione.

 

 

1. Selezione della metodologia di compensazione

Anche la tecnica di compensazione della portata va’ scelta in base alle necessità specifiche, considerando il tipo di fluido ed il tipo di sensore di misura, individuando quali condizioni operative possano avere influenza reali e quali possano essere trascurate. Usare un modello applicabile ai gas ideali per compensare una portata di vapore acqueo è raramente utile. 

Ed è anche fondamentale valutare il modello adeguato all’unità di lettura voluta: le formule di compensazione per un misuratore basato su pressione differenziale per lo stesso fluido saranno completamente diverse se vogliamo la lettura in m³/ora, in kg/ora, o in Standard m³/ora. Vedi due esempi nelle figure 3 e 4.

Le possibilità sono moltissime e richiedono competenze multidisciplinari di processo, strumentazione ed automazione. Una panoramica molto vasta, è reperibile nell’ ottimo articolo di Peramanu e Wah (vedi sotto nei Riferimenti).

Gli algoritmi possono essere basati su modelli termodinamici rigorosi, oppure approssimati. Questo anche in funzione dell’accuratezza che si vuole raggiungere, e delle capacità di calcolo del sistema di controllo disponibile. E quando la rilevanza economica lo giustifica è utile confrontare i risultati dell’algoritmo utilizzato con quelli di una simulazione rigorosa, per stimare il miglioramento ottenuto.

I moderni sistemi di controllo continuano ad aumentare sia la capacità di calcolo, che la disponibilità di funzioni di libreria preconfezionate che possono facilitare la realizzazione (es alcuni sistemi includono blocchi funzionali per il calcolo delle proprietà del vapore. In ogni caso l’algoritmo desiderato si può realizzare o completare con l’ausilio di blocchi e funzioni di calcolo.

Quasi tutti i sistemi di controllo attuali, e persino numerosi trasmettitori classificati come “multivariabili” includono blocchi funzionali dedicati alla compensazione per i gas ideali. Occorre però fare attenzione nell’ uso, perché’ quasi tutti, inclusi alcuni tra i produttori più noti sul mercato, propongono una sola equazione, senza segnalare la dipendenza di questa dalla scelta delle unità di misura. E costatiamo frequentemente nella pratica quotidiana casi di calcoli di compensazione che invertono l’influenza di pressione e temperatura, ottenendo un una riduzione di accuratezza della misura, invece di un miglioramento.

1. Beneficio economico della compensazione

Il miglioramento dell’accuratezza può’ essere perseguito per due ragioni fondamentali:

• Migliorare una misura che ha anche una connotazione commerciale o legale (es. misuratori fiscali), oppure la reportistica di processo (bilanci materiali, etc.). In questo caso si applica solitamente e a semplici letture di portata, senza regolazione.
• Aumentare l’efficacia di una regolazione, mitigando l’effetto di alcuni disturbi specifici.

In questo articolo vogliamo concentrarci sul secondo caso, anche per sottolineare come alcune scelte possano avere un impatto migliorativo sulla stabilità di conduzione, e questa maggiore stabilità a sua volta possa portarci ad un vantaggio economico.

Questo concetto è tradizionale nel controllo avanzato, e viene regolarmente ricordato nelle presentazioni di sofisticate applicazioni di controllo multivariabile. Mostriamo un esempio possibile in figura 5. Ipotizziamo di utilizzare una portata di vapore per garantire una temperatura minima, come potrebbe avvenire al fondo di una colonna di distillazione. La soglia di temperatura minima (linea arancione) è considerata invalicabile per poter garantire la qualità del prodotto, e l’operatore imposta il set-point (linea rossa) in maniera conservativa per essere sicuro che con le tipiche oscillazioni del nostro sistema la temperatura minima misurata (linea blu) sarà sempre al di sopra del limite di qualità. Ipotizziamo anche di misurare la portata di vapore con un misuratore di pressione differenziale. Anche se la nostra misura è impostata in kg/ora, stiamo leggendo in realtà una postata volumetrica, e le oscillazioni saranno originati da tutti quei fattori che impediscono ad una portata volumetrica di corrispondere rigidamente a una quantità di calore fornita., ovvero oscillazioni di temperatura e pressione dovute sia a fattori di processo (es.  il cambio frequente da parti di altri utilizzatori della stessa sorgente di vapore, la temperatura ambiente che varia tra giorno e notte, oppure che si abbassa in caso di pioggia, etc.).

Potremmo quindi decidere di inserire una compensazione di portata in pressione e temperatura. Per il vapore raccomanderemmo sicuramente modelli del vapore per il calcolo della densità, se disponibili sul nostro sistema di automazione, oppure semplificazioni polinomiali facilmente ottenibili ed ottimizzabili con strumenti come MS Excel.

L’ inserimento della compensazione porterebbe ad avvicinare la lettura di portata alla proporzionalità con la quantità di calore fornita, e quindi ottenere una stabilizzazione della misura. A questo punto l’operatore potrebbe decidere di abbassare la portata media, ottenendo anche un piccolo vantaggio economico risultante da un ridotto consumo di vapore. 

Quindi possiamo ipotizzare di utilizzare la compensazione per avvicinare la misura di portata al reale obiettivo che ci prefiggiamo (tra quelli indicati all’ inizio di questo articolo), e quindi ottenere una regolazione più stabile.

Come ulteriore esempio consideriamo una portata volumetrica di aria atmosferica usata come aria comburente. In questo caso vorremmo idealmente controllare la portata molare di ossigeno, che è però influenzata da temperatura e pressione atmosferiche, ma anche dall’ umidità dell’aria.

Se la nostra flangia ha come condizioni di progetto 20 °C, 1 atm, e 30% di umidità relativa avremo un errore percentuale molare di ossigeno, al variare delle condizioni operative:

• -0.55% con la temperatura a 30 °C
• 0.5% con la temperatura a 0 °C
• -0.08% con la pressione a 0.9 atm
• 0.01% con la pressione a 1.02 atm
• 0.46% con la umidità relativa al 10%
• -1.35% con la umidità relativa al 90%
• -3.35% se ipotizziamo simultaneamente 30°C, 0.9 atm e umidità relativa al 90%

Non si tratta certo di errori drammatici, ma in certi contesti possono diventare interessanti, soprattutto in un’ottica di continuo miglioramento dell’efficienza energetica.

Ed il costo di implementazione (considerando analisi dei dati, progettazione dell’algoritmo, sviluppo software) è basissimo, è quindi facile avere un ritorno in tempi brevissimi.

1. Fonti di errore introdotte dalla compensazione e mitigazione

L’utilizzo di un algoritmo di compensazione può comportare anche qualche svantaggio, che occorre considerare con attenzione soprattutto quando una portata compensata si utilizza come ingresso di un regolatore.

• Le funzioni di calcolo possono essere gravose per l’elettronica del nostro sistema di controllo
• L’utilizzo di molteplici strumenti utilizzati nel calcolo tende a produrre un aumento del rumore del segnale
• L’utilizzo di molteplici strumenti utilizzati nel calcolo tende ad aumentare la probabilità di guasto (in prima approssimazione 3 strumenti hanno il triplo di probabilità di guastarsi rispetto ad uno solo)

Il primo inconveniente tende in realtà a scomparire con la crescente capacità di calcolo dei sistemi di controllo. In ogni caso su molti sistemi è possibile separare i blocchi funzionali del regolatore, e del calcolo della densità, e si può quindi realizzare un anello dove la misura di portata non compensata, e l’azione di regolazione vengono eseguiti ad esempio una volta al secondo, mentre il calcolo della densità per la compensazione ogni 5 secondi.

Questo approccio è tecnicamente adeguato in tutti quei casi in cui i disturbi considerati non sono particolarmente veloci, come ad esempio le condizioni di temperatura e pressione atmosferiche, che potrebbero tranquillamente essere letti con cicli dell’ordine dei minuti, se il sistema lo permette.

Per l’attenuazione del rumore si possono utilizzare dei filtri. La misura di portata non dovrebbe essere filtrata, in quanto variabili principale e di solito piuttosto vivace come dinamica, oppure possiamo applicare filtri molto ridotti. Possiamo invece filtrare di più le variabili accessorie come temperatura e pressione anche qui valutandone la reale dinamica. 

Per garantire una certa robustezza contro i guasti raccomandiamo di:

• Per la variabile di portata, ovvero la principale, forzare il regolatore in manuale con uscita congelata in caso di perdita di segnale. Questo è in realtà la configurazione tipica, anche quando non eseguiamo nessuna compensazione.
• Per le variabili accessorie, accettare come ingresso per il calcolo solo la variazione all’ interno di un campo operativo realistico, e non dell’intero range di misura. Il range operativo può essere valutato sulla base di dati storici. 
• Per le variabili accessorie utilizzare l’ultimo valore valido (talvolta denominato LASTGOODPV in caso di perdita di segnale.

Con queste accortezze anche in caso di guasto la regolazione non provoca pericolose oscillazioni anche in caso di perdita parziale o totale della funzionalità di compensazione. 

1. Conclusioni

L’ accuratezza delle misure di portata può essere notevolmente migliorata con l’utilizzo di calcoli di compensazione. La progettazione dell’algoritmo di compensazione deve però essere eseguito con piena consapevolezza della tecnologia dello strumento di misura, delle caratteristiche del fluido. di processo, e delle condizioni di variabilità dei possibili disturbi.

Una corretta compensazione può mitigare una parte di disturbi di processo, e contribuire ad aumentare la stabilità di esercizio, portando anche a benefici economici. 

Nell’ implementazione in un sistema di automazione occorre prestare attenzione anche alla robustezza in caso di guasti della strumentazione coinvolta, e con alcune cautele si sono possono anelli di controllo che possono operare anche in caso di guasti senza perdita di stabilità.

1. Riferimenti
2. S. Peramanu, J. C. Wah, Improve material balance by using proper flowmeter correction – compensation, Hydrocarbon Processing, Ottobre 2011

1. Alessandro Brunelli, Misure di portata, AIS/BIAS Editori – Milano (1996)

1. Myke King, Process Control: A Practical Approach, John Wiley & Sons (2016) 

1. EMERSON, The Engineer’s Guide to DP Flow Measurement, 2020 edition

1. HONEYWELL, Experion Manuals, Control Builder Components Reference, FLOWCOMP block

1. HONEYWELL, Advanced Process Manager Manuals, FLOWCOMP block

1. YOKOGAWA, CENTUM VP Manuals, Temperature and Pressure Correction Block (TPCFL)

1. EMERSON, DELTAV Manuals, PT_COMP block

1. ROCKWELL, Automation Library of Process Objects: Pressure/Temperature Compensated Flow (P_PTComp)

1. HONEYWELL, ST3000 Smart Transmitter User’s Manual

1. EMERSON, Rosemount 3051S MultiVariable Transmitter Reference Manual

1. YOKOGAWA, Technical Report Vol.53 No.2, Mass Flow Calculation in digital YEWFLO Vortex Flow Meter

1. OMRON PLC-based Process Control Engineering Guide w468-e1-01