Proseguiamo la nostra rassegna delle diverse tipologie di misuratori di portata disponibili sul mercato presentando i flussimetri Vortex. La diffusione di questi misuratori è legata a una combinazione di fattori molto apprezzati: affidabilità, robustezza, precisione e ridotte esigenze di manutenzione. A differenza di altri misuratori di portata, il vortex flowmeter non utilizza parti mobili e può operare anche in condizioni gravose, con temperature e pressioni elevate. Per questo motivo viene impiegato in numerosi settori, dagli impianti HVAC all’industria chimica, dalla produzione energetica ai sistemi di contabilizzazione dell’energia termica. La crescente attenzione all’efficienza energetica e all’integrazione digitale ha inoltre reso il misuratore vortex una soluzione strategica nei moderni impianti industriali e nei sistemi Industria 4.0. Ma come funziona esattamente un misuratore vortex? Quali vantaggi offre rispetto ad altre tecnologie come il rotametro o altri flowmeter? E in quali applicazioni conviene utilizzarlo? In questo articolo analizziamo il principio di funzionamento del vortex, le sue applicazioni principali, i vantaggi e i limiti della tecnologia. strumenti particolarmente vantaggiosi per la misura di portata di liquidi, gas e vapore in molteplici applicazioni industriali. Illustriamo inoltre i punti di forza dei flussimetri Vortex multivariabile DVH Heinrichs.
Cos’è un misuratore vortex
Il misuratore vortex è uno strumento progettato per misurare la portata di un fluido sfruttando la generazione controllata di vortici all’interno della tubazione.
Il principio di misura si basa sulla formazione di vortici alternati a valle di un ostacolo immerso nel flusso. La frequenza con cui questi vortici si generano è direttamente proporzionale alla velocità del fluido e consente di determinare la portata con elevata stabilità. Questa tecnologia viene comunemente indicata anche come:
- vortex flowmeter;
- misuratore a vortici.
Il misuratore vortex rileva direttamente la portata volumetrica. Integrando sensori di temperatura e pressione è possibile calcolare anche la portata massica, soluzione particolarmente utilizzata nelle applicazioni su gas e vapore.
Grazie alla sua versatilità, il vortex viene impiegato nella misura di:
- acqua;
- aria compressa;
- gas industriali;
- vapore saturo e surriscaldato;
- fluidi di processo a bassa viscosità
Come funzionano i misuratori di portata Vortex?
Alla base del funzionamento dei misuratori di portata Vortex vi è il fenomeno fisico noto come scia vorticosa di Von Kármán.
Questi misuratori rilevano la frequenza dei vortici alternati a bassa pressione che si formano quando il flusso viene deviato attorno a un corpo sagomato installato nella tubazione e le zone di bassa pressione vorticose applicano una pressione laterale prima da un lato e poi dall’altro dei sensori situati a valle del corpo sagomato: ciò fa vibrare i sensori con una frequenza direttamente proporzionale alla velocità del flusso e dunque alla portata volumetrica.
Un sensore installato nel corpo del misuratore rileva queste oscillazioni e le converte in un segnale elettronico proporzionale alla portata.
La relazione fisica è descritta dal numero di Strouhal:
St =( f x d) /v
dove:
- f è la frequenza dei vortici;
- d rappresenta la larghezza dell’ostacolo;
- v è la velocità del fluido.
Per garantire una formazione stabile dei vortici è necessario mantenere un regime di flusso sufficientemente turbolento. Per questo motivo il corretto funzionamento del misuratore vortex dipende anche dal numero di Reynolds del fluido.
Fluidi molto viscosi possono infatti smorzare la formazione regolare dei vortici, riducendo stabilità e precisione della misura.
Componenti principali di un vortex flowmeter
Un misuratore vortex è composto da diversi elementi progettati per garantire affidabilità anche in condizioni operative severe.
Il corpo di misura viene generalmente realizzato in acciaio inox o in leghe speciali compatibili con fluidi aggressivi e alte temperature. All’interno è presente lo shedder bar, cioè l’ostacolo che genera la scia vorticosa.
Il sensore può essere di tipo piezoelettrico, capacitivo o basato su tecnologie digitali avanzate. Il suo compito è rilevare la frequenza dei vortici prodotti dal flusso.
L’elettronica di conversione elabora il segnale e restituisce parametri come:
- portata istantanea;
- totalizzazione;
- temperatura;
- energia termica;
- diagnostica di processo.
I moderni vortex flowmeter integrano inoltre protocolli di comunicazione industriale come Modbus, HART, BACnet e M-Bus per l’integrazione nei sistemi di supervisione e building automation.
Vantaggi del misuratore vortex nelle applicazioni industriali
Uno dei principali punti di forza del misuratore vortex è l’assenza di parti mobili. Questa caratteristica riduce l’usura meccanica e consente di limitare gli interventi di manutenzione rispetto a molte tecnologie tradizionali.
La robustezza del sensore permette inoltre di lavorare con temperature e pressioni elevate, caratteristica particolarmente importante nelle applicazioni su vapore industriale.
Dal punto di vista della precisione, i moderni misuratori vortex possono raggiungere valori generalmente compresi tra ±0,5% e ±1% della lettura per i liquidi e tra ±1% e ±1,5% per gas e vapore, a seconda della configurazione e delle condizioni operative.
Un altro vantaggio importante riguarda la versatilità della tecnologia. Lo stesso principio di misura può infatti essere utilizzato con liquidi, gas e vapore, riducendo la necessità di adottare strumenti differenti all’interno dello stesso impianto.
Il misuratore vortex genera inoltre una perdita di carico moderata, generalmente accettabile nella maggior parte delle applicazioni industriali.
Negli ultimi anni le elettroniche digitali avanzate hanno ulteriormente migliorato le prestazioni dei vortex flowmeter grazie a sistemi evoluti di elaborazione del segnale e compensazione delle vibrazioni.
I moderni strumenti sono infatti in grado di distinguere le frequenze generate dal flusso da quelle prodotte da pompe, compressori o vibrazioni della tubazione.
Applicazioni del vortex flowmeter
I flussimetri a vortice forniscono una misura affidabile della portata di liquidi, gas e vapore e sono adatti a fluidi molto diversi: vapori saturi, surriscaldati, aria compressa, azoto, gas liquefatti, gas di scarico, anidride carbonica, oli diatermici, acqua di alimentazione delle caldaie, condensato, liquidi aggressivi, sporchi o purificati quali ad esempio acqua di mare, acqua demineralizzata, solventi e sostanze chimiche ecc.
Una delle applicazioni più diffuse riguarda la misura del vapore. Il misuratore vortex è infatti particolarmente indicato in questi impianti perché consente di integrare compensazioni di temperatura e pressione necessarie per il calcolo accurato della portata massica e dell’energia termica.
Negli impianti HVAC il vortex viene utilizzato per la misura di acqua calda e refrigerata, spesso all’interno di sistemi di contabilizzazione energetica.
Il vortex trova impiego anche nella misura di aria compressa e gas industriali. In queste applicazioni è particolarmente adatto a gas puliti e secchi, mentre in presenza di forti pulsazioni, condensa o fluidi multifase possono essere necessarie tecnologie alternative.
Tipicamente, trovano impiego anche nell’industria chimica e petrolchimica, ad esempio nei sistemi di generazione di energia elettrica e riscaldamento e i flussimetri vortex garantiscono un’elevata sicurezza di processo grazie alla loro robusta struttura (sono resistenti ai colpi di ariete); sono in grado di sopportare alte temperature di processo, non subiscono l’influenza di cambiamenti di densità e si caratterizzano per una perdita di carico minima, un’ampia possibilità di calibrazione e un’elevata stabilità a lungo termine.
Differenza tra vortex, rotametro e altri flowmeter
Nel settore della misura di portata esistono numerose tecnologie, ciascuna con caratteristiche specifiche. Il confronto tra vortex e rotametro è uno dei più frequenti. Il rotametro è uno strumento semplice che utilizza un galleggiante interno per indicare la portata. Rimane una soluzione efficace nelle applicazioni locali e a basso costo. Il misuratore vortex, invece, è maggiormente orientato ai processi industriali automatizzati dove sono richieste integrazione digitale, maggiore stabilità della misura e gestione centralizzata dei dati. Rispetto ai misuratori elettromagnetici, il vortex presenta il vantaggio di poter lavorare anche con gas e vapore, mentre gli elettromagnetici richiedono fluidi conduttivi. Nel confronto con gli ultrasuoni clamp-on, il vortex offre generalmente maggiore robustezza industriale, pur essendo una tecnologia intrusiva. I misuratori Coriolis garantiscono precisioni superiori e misura massica diretta, ma comportano costi più elevati e una maggiore complessità impiantistica. Per molte applicazioni industriali il vortex rappresenta quindi un ottimo compromesso tra prestazioni, affidabilità e costi operativi.
Limiti e condizioni operative del vortex flowmeter
Il misuratore vortex non è adatto a tutte le applicazioni. La tecnologia richiede un profilo di flusso stabile per garantire una corretta formazione dei vortici. Per questo motivo è importante prevedere tratti rettilinei adeguati a monte e a valle del sensore. Le lunghezze necessarie dipendono dalla configurazione dell’impianto e dalla presenza di curve, valvole, pompe o riduzioni di diametro nelle vicinanze del misuratore. Anche le vibrazioni meccaniche della tubazione possono influenzare il segnale, sebbene le moderne elettroniche digitali abbiano migliorato notevolmente la capacità di compensazione. Fluidi ad alta viscosità o contenenti elevate quantità di particelle solide possono compromettere la stabilità della misura. Allo stesso modo, portate troppo basse potrebbero non generare vortici sufficientemente stabili per una rilevazione accurata. Per questo motivo è fondamentale eseguire un corretto dimensionamento del flowmeter in funzione delle reali condizioni operative.
Evoluzione digitale dei moderni misuratori vortex
L’evoluzione dell’elettronica industriale ha trasformato il tradizionale vortex flowmeter in uno strumento sempre più intelligente e connesso. I moderni sistemi di elaborazione digitale del segnale consentono di migliorare precisione, stabilità e immunità ai disturbi meccanici. Le funzionalità di autodiagnostica permettono inoltre di monitorare continuamente lo stato del sensore e identificare eventuali anomalie operative. L’integrazione con piattaforme SCADA, BMS e sistemi Industria 4.0 rende oggi il misuratore vortex uno strumento strategico per il monitoraggio energetico e l’ottimizzazione dei processi industriali. Tale evoluzione ha contribuito ad ampliare ulteriormente le applicazioni di questa tecnologia.
I flussimetri Vortex multivariabile DVH Heinrichs
I primi flussimetri a vortice sono apparsi negli anni ’60 del secolo scorso e questi primi modelli presentavano alcuni svantaggi, tra cui una ridotta gamma di parametri di misurazione e una bassa precisione, ma in seguito l’evoluzione della tecnologia ha portato alla realizzazione di misuratori vortex molto più sofisticati e affidabili, con un ampio intervallo di flusso.
Tra questi, i misuratori di portata vortex multivariabile DVH, realizzati dalla nostra società rappresentata Heinrichs in esclusiva per il mercato italiano; strumenti atti ad effettuare la misurazione del flusso di gas, liquidi e vapore impiegano fino a tre elementi di rilevamento primari: un sensore di velocità a rilascio di vortici, un sensore di temperatura RTD e un trasduttore di pressione a stato solido.
Altri tipi di flussimetri utilizzano sensori posizionati in punti diversi del processo per calcolare la portata e i sensori per la temperatura e la pressione solitamente non sono installati dove si trova il flussimetro ma ciò comporta una difficoltà: le condizioni di processo possono variare considerevolmente tra le due posizioni, causando delle letture di massa non accurate.
Misurando velocità, temperatura e pressione in un’unica posizione, i flussimetri vortex multivariabile DVH Heinrichs superano questo ostacolo e forniscono misurazioni del processo più precise e questi strumenti offrono una grande facilità d’uso (grazie all’integrazione della capacità di output multivariabile in una penetrazione a linea singola), bassi costi di installazione e di manutenzione.
Potete scegliere tra i modelli DVH-V (adatto al monitoraggio del flusso della maggior parte dei liquidi), DVH-T (che incorpora il rilevamento della temperatura per fornire una lettura del flusso di massa compensata del vapore saturo) e DVH-P (che da un singolo dispositivo fornisce letture di portata massica, temperatura, pressione e densità).
Inoltre i modelli DVH-E e DVH-M possono inoltre calcolare l’energia termica prodotta del vapore saturo o surriscaldato e con l’utilizzo di una seconda sonda di temperatura installata sull’acqua di reintegro/condensa, possono calcolare l’energia scambiata senza alcun bisogno di installare un flow computer.
ISOIL Industria può supportarvi nella scelta del misuratore vortex più adatto alla vostra applicazione
Scegliere il giusto misuratore vortex significa migliorare il controllo del processo, aumentare l’efficienza energetica e ridurre i costi di gestione dell’impianto. Grazie alla capacità di misurare con precisione liquidi, gas e vapore anche in condizioni operative complesse, il vortex flowmeter rappresenta oggi una delle soluzioni più affidabili per le moderne applicazioni industriali e HVAC.
Le evoluzioni tecnologiche delle elettroniche digitali e dei sistemi diagnostici consentono inoltre di ottenere misure sempre più stabili, integrate e performanti, semplificando il monitoraggio dei consumi e l’ottimizzazione dei processi produttivi.
Se desiderate individuare il misuratore vortex più adatto alla vostra applicazione, il nostro team tecnico può supportarvi nella scelta della soluzione ideale in base al fluido, alle condizioni operative e agli obiettivi di efficienza del tuo impianto.
FAQ sui misuratori di portata vortex
Come funziona un misuratore vortex?
Il misuratore vortex funziona sfruttando il fenomeno della scia vorticosa di Von Kármán. All’interno del sensore è presente un ostacolo sagomato, chiamato shedder bar, che genera vortici alternati quando il fluido lo attraversa. La frequenza di formazione dei vortici è proporzionale alla velocità del fluido e viene rilevata da un sensore elettronico piezoelettrico o capacitivo. L’elettronica del flowmeter elabora quindi il segnale e calcola la portata volumetrica del fluido.
Il vortex misura la portata massica?
Il misuratore vortex misura direttamente la portata volumetrica. Tuttavia, nelle applicazioni su gas e vapore, molti strumenti integrano sensori di temperatura e pressione oppure algoritmi di compensazione esterni per calcolare la densità del fluido e ricavare la portata massica. Nei sistemi di contabilizzazione energetica può inoltre essere utilizzato per il calcolo dell’energia termica.
Quali fluidi può misurare un vortex flowmeter?
Il vortex flowmeter è adatto alla misura di liquidi, gas e vapore, in particolare fluidi puliti o con bassa viscosità. Viene comunemente utilizzato con acqua, aria compressa, gas tecnici, vapore saturo e surriscaldato, fluidi termovettori e numerosi fluidi di processo industriale. Non è invece la tecnologia ideale per fluidi ad alta viscosità o applicazioni multifase, poiché queste condizioni possono compromettere la formazione stabile dei vortici.
Il misuratore vortex è adatto al vapore?
Sì. Il vortex è una delle tecnologie più diffuse per la misura del vapore industriale grazie alla capacità di operare ad alte temperature e pressioni con buona stabilità nel tempo. Inoltre, integrando la compensazione di temperatura e pressione, il misuratore può calcolare con precisione la portata massica del vapore, caratteristica fondamentale nelle applicazioni energetiche e nei sistemi di contabilizzazione.
Qual è la differenza tra vortex e rotametro?
Il rotametro è uno strumento meccanico a sezione variabile che misura la portata tramite il movimento verticale di un galleggiante all’interno di un tubo conico. Il misuratore vortex, invece, utilizza un principio fluidodinamico basato sulla generazione di vortici e una rilevazione elettronica del segnale. Rispetto al rotametro, il vortex offre generalmente maggiore precisione, migliore integrazione con sistemi digitali e una maggiore affidabilità nelle applicazioni industriali automatizzate.
Il vortex richiede manutenzione?
Il misuratore vortex richiede generalmente una manutenzione ridotta perché non contiene parti mobili soggette a usura meccanica. Tuttavia, come qualsiasi strumento industriale, può richiedere controlli periodici, verifiche di taratura e ispezioni in funzione del fluido, delle condizioni operative e dell’applicazione specifica.
