Ad un confronto con i manometri a molla Bourdon, i modelli a membrana saranno sempre al secondo posto in termini di quantità vendute. Ma nelle applicazioni di misura critiche, come quelle con fluidi altamente corrosivi o viscosi oppure con basse pressioni o elevata sovraccaricabilità, i manometri a membrana possono essere considerati gli "specialisti " dell'industria di processo.
I manometri a membrana sono adatti per la misura di pressioni relative, assolute e differenziali. Il loro elemento principale è costituito da una membrana circolare corrugata, bloccata o saldata tra due flange.
Essa è solitamente costruita con acciai resistenti, come l'acciaio inox o l'Inconel®. Quando si applica pressione, la deformazione della membrana, proporzionale alla pressione incidente, è trasferita al movimento tramite un'asta di collegamento (vedi figura 1).
Lo spostamento della membrana è di circa un millimetro e consente una elevata ripetibilità. Tuttavia, questa caratteristica dipende dai corrispondenti standard qualitativi e dalle tolleranze del materiale usato. Le caratteristiche metrologiche della membrana sono determinate anche dalla forza del materiale, dalla sua forma d'onda e dal diametro, oltre che dal materiale stesso. Le membrane hanno solitamente un profilo corrugato: una membrana metallica liscia, quando sottoposta a un carico, si deforma in modo plastico e per questo motivo renderebbe impossibile una precisa misura di pressione.
In passato lo sviluppo di un elemento di misura membrana richiedeva numerosi test. Oggi la progettazione è realizzata innanzitutto con il metodo degli elementi finiti (FEM), con un consistente risparmio di tempi e costi.
La rappresentazione grafica di questo calcolo mostra dove la pressione e gli stress correlati sono più intensi. Da questo modello è possibile derivare i criteri per l'ottimizzazione delle caratteristiche metrologiche (ad esempio la corsa della membrana, la linearità e l'isteresi), e la durata della membrana (vedi figura 2).
Se messo a confronto con il manometro a molla Bourdon, l'elemento di misura a membrana offre i seguenti vantaggi.
Misura di basse pressioni
I manometri a membrana WIKA misurano pressioni da 16 mbar a 25 bar. Per gli strumenti di misura a molla Bourdon, il valore minimo raggiungibile è invece di circa 600 mbar. È quindi evidente che lo strumento può essere indicato per campi di misura in "bar" o in "mbar": maggiore è il diametro della membrana , minore è la pressione misurabile, secondo la formula Pressione = Forza /Area.
Per pressioni inferiori a 16 mbar, le membrane sono spinte ai loro limiti: dovrebbero essere estremamente sottili da consentire l'elasticità necessaria, ma per contro non potrebbero garantire una costante affidabilità nel tempo. E' tuttavia possibile soddisfare queste applicazioni utilizzando una forma speciale della membrana: il manometro a capsula. Gli elementi di misura a capsula sono realizzati con due membrane saldate insieme, generalmente caricatein pressione dall'interno.
Il risultato è una doppia corsa del movimento. Ciò significa che è possibile misurare le pressioni più basse senza ridurre lo spessore della parete. I manometri a capsula, però, hanno lo svantaggio di un limitato campo di applicazione. Poiché la camera di pressione non è di tipo auto-drenante, questi strumenti non sono adatti per applicazioni con liquidi.
Elevata sovraccaricabilità
I sistemi di misura con elementi a membrana offrono una buona protezione dalle sovrapressioni perché la membrana è in grado di supportare se stessa contro la flangia superiore. Il fattore di protezione aumenta ulteriormente se nella flangia superiore si realizza un profilo corrugato speculare a quello della membrana che ha come risultato una maggior area di contatto. I manometri a membrana WIKA possono quindi vantare una protezione standard alla sovrapressione di cinque volte il valore di fondo scala. Per i modelli a molla Bourdon, il fattore moltiplicatore è di solamente 1,3 volte.
La sovraccaricabilità degli strumenti di misura a membrana può essere ulteriormente aumentata fino a mille volte, fino a 400 bar. Questo è possibile anche per bassi campi di misura fino a 16 mbar. In questo caso, la flangia superiore ha una sorta di alloggiamento metallico realizzato appositamente, nella quale risiede la membrana per consentire di eccedere il valore di fondo scala. Tramite questo contatto a superficie piena si esclude ogni deformazione e aumenta di conseguenza la stabilità a lungo termine. E' inoltre possibile realizzare la stessa protezione anche alle "sottopressioni" tramite un corrispondente alloggiamento nella flangia inferiore.
Utilizzo con fluidi critici
Nel caso di fluidi ad alta criticità, i manometri a membrana offrono all'utilizzatore considerevoli margini applicativi. Ad esempio, è possibile rendere le membrane resistenti alle sostanze aggressive e utilizzare molti materiali speciali, dal PTFE al tantalio, dall'Hastelloy al titanio, fino all'oro. I modelli a molla Bourdon, al contrario, sono tipicamente disponibili solo in acciaio inox e Monel. Il foglio di materiale speciale è solitamente incollato alla membrana, ma può essere anche galvanizzato nel caso di placcatura in oro. Premesso che questi materiali abbiano la necessaria resistenza, è anche possibile costruire l'elemento di misura direttamente (in modo parziale ocompleto) con il materiale speciale. Per i fluidi particolarmente aggressivi, la flangia inferiore della membrana può essere rivestita in modo che l'area a contatto con il prodotto sia completamente protetta (vedi figura 3).
I manometri a membrana dimostrano la loro forza nel caso di misure che coinvolgono fluidi viscosi, contaminati o cristallizzanti. Essi possono occludere le porte di pressione degli attacchi filettati e, nel caso di strumenti a molla Bourdon, anche le parti interne della molla stessa. Per evitare questo tipo d'inconveniente i manometri a membrana sono collegati al processo tramite una flangia aperta.
Ciò genera un'ampia camera di pressione in cui nessun tipo di fluido può depositarsi. Per l'utilizzo in applicazioni igienico-sanitarie sono disponibili varianti con membrane affacciate. In questo caso l'elemento di pressione è direttamente saldato all'attacco al processo asettico in modo da assicurare un collegamento privo di spazi morti. Siccome i manometri a membrana funzionano grazie a una cella di misura a secco (senza fluido di trasmissione interno come nel caso dei separatori), si esclude in tal modo la possibilità di contaminazione del fluido processo.
Conclusioni
Bassi campi di misura, elevata sovraccaricabilità, materiali speciali per fluidi aggressivi, flange aperte per fluidi viscosi: sono queste le caratteristiche peculiari dei manometri a membrana, che li rendono idonei per le applicazioni nell'industria chimica o petrolchimica. Essi sono anche stati progettati per ambienti gravosi nell'Oil & Gas: i manometri a membrana WIKA in esecuzione standard (acciaio inox o Inconel®) sono qualificati in accordo ai requisiti della norma NACE 0175 fino alla temperatura di 120°C e quindi sono adatti per applicazioni con gas acidi (Sour Gas).
Questa loro caratteristica è confermata da prove effettuate presso istituti indipendenti. I manometri meccanici come quelli a membrana giocano un ruolo importante anche nell'era digitale. I vantaggi sono: misura e indicazione locale affidabili senza necessità di alimentazione esterna: esecuzioni con contatti elettrici o segnali di uscita analogici.
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