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COMPONENTS
ToF
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- ELETTRONICA OGGI 443 - MARZO 2015
Tecnica “time of flight”
per flussimetri
I
n tutti gli impianti industriali, non-
ché negli impianti di distribuzione
di acqua, gas e calore, un elemento
fondamentale per il controllo e la misura
della quantità di fluido distribuito è rap-
presentato dai misuratori di flusso, detti
anche flussimetri. Dalla loro precisione,
affidabilità e durata dipende la natura
stessa del monitoraggio continuo del
servizio erogato.
Nella stragrande maggioranza dei casi,
però, i misuratori di flusso utilizzati sono
di tipo meccanico con parti in movimen-
to, per cui sono purtroppo soggetti a
usura, e quindi a progressiva deriva delle caratteristiche, con
conseguente inaffidabilità delle misure. Parallelamente, non
risultano più affidabili le operazioni di monitoraggio non solo
dell’erogazione del fluido sotto controllo, ma anche di misura
delle eventuali perdite o fughe di materiale.
Ottime prestazioni con la misura a ultrasuoni
Una tecnica che invece consente di effettuare una misura ac-
curata di flusso senza utilizzare parti meccaniche in movimen-
to è quella ad ultrasuoni.
Maxim Integrated
ha recentemente
presentato un sistema di misura del flusso che utilizza una
tecnica di tipo “time-of-flight” (TOF) a ultrasuoni.
Per realizzare ciò, il Reference Design MXREFDES70# (Fig.
1) provvede a inviare e ricevere dei pacchetti di onde ultra-
sonore fra coppie di trasduttori piezoelettrici in entrambe le
direzioni di mandata e di ritorno della tubazione. Misurando
le differenze TOF fra le onde all’interno del flusso di mandata
e di ritorno
è possibile infatti calcolare con precisione la
velocità del fluido, e quindi
il flusso.
Il principio della misura del tempo di transito o TOF
è
mostrato in
figura 2, dove si può vedere l’impiego di un breve
tratto di tubazione (poco più di 7 centimetri) contenente due
superfici riflettenti e due trasduttori a ultrasuoni, un genera-
tore e un rivelatore, collegati al resto
del circuito. I due trasduttori trasmet-
tono e ricevono alternativamente dei
pacchetti di onde sonore ad alta fre-
quenza (cioè ultrasuoni), in modo da
misurare la velocità di propagazione
delle onde dapprima nella direzione
del flusso e poi nella direzione oppo-
sta, in modo da calcolare la differenza
fra i due tempi, che risulta proporzio-
nale alla velocità del fluido e quindi al
flusso. Poiché la densità di un fluido
varia al variare della temperatura, il
processore provvede a monitorare la
temperatura dei liquidi in modo da compensare le eventuali
variazioni nella velocità di propagazione delle onde sonore.
Tale necessità è resa possibile grazie al fatto che il controller
permette di collegare fino a 4 sensori resistivi bifilari RTD al
platino del tipo PT1000/500. Il movimento del liquido rallen-
ta infatti la propagazione delle onde se queste si propagano
in direzione ad esso contraria, mentre ne facilitano la pro-
pagazione nella direzione del moto.
È
ovvio quindi che, se il
processore rileva un’ampia differenza fra le due velocità di
propagazione, vorrà dire che la velocità del liquido è eleva-
ta, mentre se la differenza è nulla, allora il liquido è fermo, e
quindi il flusso è nullo. Nella calibrazione del sistema occorre
inoltre tener conto delle turbolenze introdotte dalla presenza
dei due specchi per le onde ultrasonore, nonché degli effetti
di laminazione legati al diametro della tubatura.
Le prestazioni evidenziate da questo flussimetro di Maxim
permettono di ottenere un’elevata precisione (dieci volte su-
periore ai dispositivi meccanici e quattro volte migliore dei
dispositivi a ultrasuoni concorrenti), la possibilità di misura-
re un ampio range di valori di flusso (anche solo mezzo litro
d’acqua al minuto con una precisione migliore dell’1% oppu-
re perdite anche minime, impossibili da rilevare con contato-
ri meccanici), un basso assorbimento di corrente (garantisce
Paolo De Vittor
Grazie a tecniche di digital signal processing, è
possibile sfruttare gli algoritmi di calcolo del TOF
per misure di flusso con trasduttori a ultrasuoni
Fig. 1 –Il Reference Design MXREFDES70 di Maxim,
un flussimetro a ultrasuoni che utilizza la tecnica
del “time of flight”