La misurazione di livello nei serbatoi industriali

di Michele Cifalinò

In molti processi industriali è necessario stoccare in opportuni siti diverse sostanze chimiche, anche pericolose per l’uomo e per l’ambiente, per dosarle poi adeguatamente nel momento e nella quantità richieste dal processo produttivo; per la sicurezza e l’efficienza dei processi la misurazione di livello nei serbatoi è indispensabile.
In questi casi è necessario non solo mantenere sotto controllo il livello, ma anche monitorare parametri cruciali come la temperatura e la pressione all’interno dei serbatoi.

Lo stoccaggio sicuro di materie prime corrosive e speciali, come pure lo stoccaggio di prodotti e materiali di scarto, richiedono la stessa accurata considerazione e progettazione delle apparecchiature di processo.

I serbatoi

Il primo elemento da considerare sono appunti i serbatoi, la cui struttura deve essere in grado di resistere sostanzialmente a due tipi di sollecitazione:

Sollecitazioni di natura chimica, generate dall’interazione del materiale con il fluido contenuto e con l’ambiente. Le sollecitazioni causate dalla corrosione, che è la più comune delle alterazioni di materiali, si risolvono con un’opportuna scelta dei materiali e degli eventuali trattamenti protettivi (pitture, smalti, trattamenti di superficie, ecc.), in relazione alla natura dei fluidi che il serbatoio deve contenere e dell’ambiente a cui è esposto, specie se il serbatoio è interrato.
Sollecitazioni di tipo meccanico, dovute sia al peso e alla pressione del fluido, sia al peso del serbatoio vuoto e alle condizioni ambientali. Le sollecitazioni meccaniche sono date dal carico, cioè dalla pressione che agisce sulle pareti del serbatoio, sia interne, sia esterne. Per gestire adeguatamente le sollecitazioni meccaniche è necessario definire lo spessore del materiale in modo che possa resistere alle sollecitazioni e scegliere la forma più idonea.

I sistemi di controllo e misurazione del livello dipenderanno anche dal tipo di sostanza depositata e dalla soluzione adottata per lo stoccaggio: in molti casi infatti le condizioni di pressione e temperatura possono diventare molto severe, basti pensare alle sostanze depositate sotto pressione a temperature controllate.

Nella tabella seguente sono riassunte alcune soluzioni a seconda delle condizioni fisiche a cui i serbatoi possono essere sottoposti.

In molti serbatoi inoltre occorre misurare continuamente il livello di riempimento del contenuto, per evitare che la produzione si interrompa compromettendo l’intero processo.

Talvolta la situazione diventa problematica perché i siti di stoccaggio sono difficilmente accessibili o situati in sedi remote. E’ quindi molto importante un monitoraggio remoto continuo, che viene effettuato tramite opportuni sensori di livello, pressione e temperatura che consentano di trasmettere dati in tempo reale.

I sensori di misurazione del livello

Esistono sensori con diversi principi di funzionamento; si possono distinguere i vari processi di misura in base alla tecnologia impiegata.

Misure a ultrasuoni: i sensori vengono applicati dall’alto nel serbatoio, non sono a contatto con la sostanza. I prodotti a ultrasuoni rappresentano una soluzione conveniente per la sorveglianza e il controllo in applicazioni che richiedono da piccoli a grandi campi di misura per liquidi, slurry e solidi, in un’ampia gamma di settori industriali. La tecnologia senza contatto offre il vantaggio di una manutenzione ridotta.
Misure idrostatiche: la misura di livello idrostatica è conveniente grazie al montaggio diretto o con separatori remoti in recipienti e serbatoi. I sensori si basano sul principio della pressione idrostatica. La variazione di pressione generata dal livello del liquido nella tubazione immersa viene convertito in un segnale elettrico per la misura di livello di fluidi aggressivi. Questi strumenti sono in grado di funzionare in presenza di carichi meccanici e chimici “estremi” (il sensore integrato di pressione e temperatura si trova in una guaina di PP o PVDF) e di interferenze elettromagnetiche. Sono pertanto largamente applicati nei settori chimico e petrolchimico.
Controllo di livello a modulazione di frequenza inversa: possono essere applicati dall’alto del serbatoio, a contatto con la sostanza. I trasmettitori capacitivi di livello e di strati di separazione sono ideali nell’industria chimica, anche in condizioni estreme e gravose, come per lo stoccaggio di petrolio, metano liquido, vapori e prodotti chimici tossici e aggressivi.
Misure elettromeccaniche: rappresentano una soluzione conveniente per applicazioni comuni, inclusa la misura di livello di polveri, materiali granulari e altri solidi sfusi con bassa densità, nel settore alimentare ma anche nella produzione di detersivi, gesso e cemento.
Misure radar: la misura di livello radar è una soluzione sicura per i prodotti liquidi in difficili condizioni di processo (pressione, temperatura) e vapori. Lo sviluppo di questo principio di misura ha portato al suo utilizzo anche con i solidi sfusi perché il sistema non è influenzato da polverosità e disturbi dovuti al carico.

Misura continua o controllo di soglia di livello

Le applicazioni di misura di livello nei liquidi, inclusi gas liquidi e solidi sfusi si possono dividere in due aree: misure continue e controlli di soglia di livello.

Lo scopo principale del controllo del livello (o soglia) in genere consiste nell’evitare la tracimazione o l’eccessivo svuotamento dei serbatoi e di proteggere le pompe dal funzionamento a secco. Rapidità e sicurezza operativa sommate a un’ottima riproducibilità sono caratteristiche fondamentali per questi controlli.

La misura continua determina il livello del prodotto misurando “in continuo” una distanza: oltre alla misura diretta di livello, può essere definito in modo indiretto anche il volume del prodotto considerando dimensioni e forma geometrica del serbatoio insieme alle proprietà del materiale in esso contenuto. Lo schema sottostante illustra i principi di misura idonei per ogni area applicativa

Nella tabella sottostante sono riassunte invece alcune soluzioni applicate in diversi contesti industriali: come risulta evidente, ogni processo può richiedere diversi sistemi di controllo e di misura, soprattutto se di una certa complessità.

FONTI:
Dispense prof. A. Cerbato “Misurazioni industriali” Politecnico di Milano
Catalogo Endress Hauser, “Misura di livello, Panoramica dei prodotti per applicazioni in liquidi e solidi sfusi”
Catalogo Siemens, “Guida alla misura di livello”

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