Strumenti di misura

Le misure necessarie in una moderna rete di distribuzione sono di 3 tipi: misure di livello, misure di pressione e misure di portata. In particolare le misure di pressione e di portata sono necessarie per monitorare la rete in un'ottica di ricerca e riduzione delle perdite.

Le misure di livello sono utili per conoscere il livello di riempimento di un serbatoio, e quindi per poter governare l'azionamento e lo spegnimento delle pompe negli impianti di sollevamento. Poiché non di interesse per questo lavoro, i misuratori di livello non verranno qui descritti approfonditamente.

3.7.1. Misure di pressione

Poiché esistono svariate tipologie di strumenti in grado di compiere misure di pressione, di seguito si tratteranno solo i dispositivi normalmente utilizzati per monitorare le reti acquedottistiche.

3.7.2. Manometri metallici

I manometri metallici sono costituiti da un tubo avvolto a spirale che ad una estremità è chiuso e all'altra è a contatto con il fluido del quale si vuole misurare la pressione. Per effetto di questa pressione la spirale tende a svolgersi muovendo un indice la cui lettura è la pressione misurata in corrispondenza del manometro (convenzionalmente si intende presso il suo baricentro).

Risulta evidente come con strumenti di questo tipo sia possibile solo una misura del valore medio di pressione, mentre è da escludere la possibilità di cogliere fenomeni rapidamente variabili tipici del moto vario e delle turbolenze.

3.7.3. Celle di pressione resistive, capacitive, induttive, piezoelettriche o piezoresistive

Si tratta di strumenti di misura che sfruttano proprietà fisiche caratteristiche di alcuni materiali e lievemente diverse fra loro. Il funzionamento delle celle di pressione resistive si basa sulla proprietà per la quale la resistenza di un materiale conduttivo varia proporzionalmente alla sua lunghezza. Una cella di pressione resistiva è formata da una lamina messa in contatto con il liquido del quale si vuole misurare la pressione. Su questa lamina, sul lato in cui si verifica un allungamento delle fibre per effetto di una variazione di pressione del fluido, è fissato un filo conduttore estensimetrico. Quando il materiale che compone questo filo conduttore si allunga o si accorcia per effetto della flessione della lamina, varierà proporzionalmente anche la resistenza opposta al passaggio di cariche elettriche.

Analogamente le celle capacitive sfruttano la proprietà per cui la capacità di un condensatore cambia al modificarsi della geometria del dielettrico, mentre le celle induttive si basano sulla variazione di induttanza di una coppia di avvolgimenti a seconda delle variazioni del campo magnetico entro il quale si sposta un'armatura collegata con la presa di pressione.

Le celle di pressione piezoelettriche invece si basano sulla proprietà posseduta da alcuni materiali che, in opportune configurazioni, se sottoposti ad uno stato tensionale generano cariche elettriche proporzionalmente alla deformazione subita. Poiché questa è proporzionale alla forza che agisce sulla cella, è possibile risalire alla pressione del liquido nel quale la cella è inserita.

50 Analogamente le celle piezoresistive si basano culla proprietà di alcuni materiali i quali variano la propria resistività quando sono sottoposti ad uno stato tensionale.

Le celle di pressione, trasformando le misure in segnali elettrici, offrono il vantaggio di permettere la lettura remota dei dati. Inoltre, essendo caratterizzati da ridottissima inerzia di spostamento delle masse in gioco, sono in grado di effettuare misure con elevata frequenza (in particolare le celle di pressione piezoelettriche hanno una frequenza di acquisizione dell'ordine dei 1000 Hz).

3.7.4. Misure di portata

Si descrivono di seguito alcuni tra i più usati misuratori di portata per condotte in pressione, trascurando gli strumenti di scarsa utilità pratica per le misure in sistemi acquedottistici, quali ad esempio tubi di Pitot e mulinelli idrometrici, e quelli normalmente utilizzati per la misura di volumi idrici (tramite i quali si può risalire alla portata transitata in un prefissato intervallo di tempo) come i contatori.

Figura 3.6 : Venturimetro [Mambretti, Zuccoli, 2009]

3.7.5. Misuratori a pressione differenziale (venturimetri)

Sono tra i più antichi strumenti sviluppati per questo tipo di misure. Il venturimetro è costituito da un semplice restringimento associato ad un manometro differenziale che consente di misurare la differenza di pressione A tra il punto in cui è presente il restringimento e il punto a monte di esso (figura 3.6).

Il principio su cui si basa è il teorema di Bernoulli, con l'ipotesi che il passaggio attraverso il dispositivo non sia causa di perdite di carico della corrente. Dall'equazione di continuità, ad un restringimento della sezione corrisponde un incremento della velocità, e quindi dell'altezza cinetica. Poiché si è fatta l'ipotesi che non vi siano perdite di carico a questo aumento di altezza cinetica deve corrispondere un' abbassamento della quota piezometrica, registrato dal manometro differenziale.

Dalla misura della pressione differenziale A è quindi possibile risalire alla portata transitante attraverso il dispositivo, utilizzando la relazione:

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dove A1 e A2 sono le sezioni a rispettivamente a monte del restringimento e del restringimento stesso, mentre ym e y sono rispettivamente il peso specifico del fluido manometrico e del fluido del quale si sta misurando la portata.

La relazione precedente risente inevitabilmente dell'ipotesi di assenza di perdite di carico. Per ottenere una precisione maggiore è possibile introdurre un fattore correttivo da ottenere attraverso apposita taratura. Poiché il venturimetro è uno strumento ingombrante e costoso, in alcune circostanze, e cioè qualora la presenza di dissipazioni energetiche non costituisca un problema, è possibile accorciarlo consentendo una brusca riespansione della corrente (si parla in questo caso di diaframmi e boccagli). Anche in questo caso, per via dell'ipotesi di perdite di carico nulle che evidentemente è ancor meno rispettata che nel venturimetro, è necessario procedere ad una taratura dello strumento.

3.7.6. Misuratori elettromagnetici

Questi dispositivi sfruttano il principio secondo il quale un conduttore che si muove in un campo magnetico genera una forza elettromotrice proporzionale alla velocità con la quale si muove.

Il misuratore è costituito da un tronco di condotto di materiale amagnetico avvolto da bobine percorse da corrente, le quali generano un campo magnetico che investe la sezione del tubo. Il fluido del quale si vuole misurare la velocità (e quindi la portata), che in questo caso è il conduttore, scorre all'interno del misuratore generando una tensione che viene raccolta da due elettrodi posizionati in due punti diametrali del condotto. Si tratta di apparecchi in grado di effettuare misure con risposta in frequenza piuttosto bassa, e quindi utili per monitorare sistemi in moto permanente o variato con molta lentezza, mentre sono inappropriati per fenomeni di moto vario.

3.7.7. Misuratori ad ultrasuoni

Questa tipologia di misuratori sfrutta la proprietà dei liquidi di propagare il suono con una celerità caratteristica del liquido considerato e delle caratteristiche del campo di moto come pressione, densità e temperatura. Come gli analoghi misuratori di livello descritti in precedenza, un misuratore di portata ad ultrasuoni è costituito da due elementi: un trasmettitore che emette ultrasuoni e un ricevitore che li registra. Sono due le tipologie esistenti di questa famiglia di strumenti: i misuratori ad effetto Doppler e i misuratori a tempo di transito.

Nei misuratori a effetto Doppler il segnale, una volta emesso dal trasmettitore, rimbalza sulle particelle in sospensione nel liquido. Queste particelle, essendo in movimento, causano una variazione di frequenza del segnale riflesso rispetto a quello trasmesso (effetto Doppler). Poiché questa variazione di frequenza è proporzionale alla velocità della particella, misurandola è possibile risalire a quest'ultima.

Normalmente, poiché nel fluido sono presenti molte particelle, si calcola una media delle variazioni di frequenza, ottenendo in questo modo una media della velocità della corrente.

52 È chiaro però che nel caso di reti acquedottistiche, le quali si trovano a convogliare acqua che deve essere il più pura possibile un sistema come questo che si basa sulla presenza di particelle nel liquido sia da sconsigliare in quanto inefficace.

I misuratori a tempo di transito invece prevedono che trasmettitore e ricevitore si trovino in due diverse posizioni: diametralmente alla condotta e uno più a valle dell'altro. In questo modo il segnale sonoro emesso dal trasmettitore attraversa il fluido e raggiunge il trasmettitore viaggiando ad una velocità che è influenzata anche dalla velocità della corrente oltre che dalla celerità del suono nel liquido. Per poter avere due misure contemporanee da confrontare normalmente un trasmettitore funge anche da ricevitore e viceversa.

Gli strumenti a tempo di transito forniscono una misura più affidabile rispetto a quelli a effetto Doppler, tanto che ormai hanno quasi del tutto sostituito questi ultimi, quantomeno nelle misure in condotte in pressione.

Le sonde possono essere installate sia internamente che esternamente alla condotta. Ovviamente se installate internamente saranno in grado di dare una misura migliore in quanto la propagazione del suono non sarà influenzata dalle pareti di rivestimento della condotta, ma in compenso il loro posizionamento sarà più problematico in quanto è generalmente necessario interrompere il servizio e sezionare la condotta o comunque forarla. L'installazione esterna alla condotta invece è molto comoda per il gestore ma può essere causa di errori di misura in quanto, come anticipato, si deve tenere conto del tempo necessario alla propagazione del suono attraverso le pareti della condotta. Inoltre queste ultime spesso presentano incrostazioni o imperfezioni che rendono difficile se non addirittura impossibile la propagazione del suono. I misuratori ad ultrasuoni sono leggermente meno accurati degli strumenti elettromagnetici, anche se comunque la precisione fornita da entrambe le tipologie è del tutto sufficiente per le esigenze di gestione delle reti acquedottistiche. Come i precedenti, anche i misuratori ad ultrasuoni sono inappropriati per seguire fenomeni di moto vario in quanto caratterizzati da bassa risposta in frequenza [Mambretti e Zuccoli, 2009].

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