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Products Solutions Services

La misura della Pressione

Facoltà di Ingegneria, Università degli Studi di Bologna

DIEM - Dipartimento di Ingegneria delle Costruzioni

Meccaniche, Nucleari, Aeronautiche e di Metallurgia

Slide 1 Antonio Festa


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Fondamenti di teoria

• Definizione di pressione• Unità di misura• Pressione assoluta, relativa, differenziale, vuoto


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Definizione di Pressione


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Definizione di Pressione

La pressione P è definita dal rapporto tra la forza F agente suuna superficie e l’area A della superficie stessa.

A

F

FP =

A=

Area

Forza

La pressione è (con la temperatura)il più importante parametro fisico nel controllo di processo


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Unità di misura

1 N

1 m²1 Pa =

1 bar = 100.000 Pa = 100 Kpa = 0,1 MPa1 mbar = 100 Pa = 0,1 KPa

Pascal

Secondo il Sistema metrico Internazionale (SI) ISO 1000 => “ Pa “

bar

Nell’uso comune europeo quasi esclusivamente => “ bar “


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Tabella di conversione delle unità tecniche

• L’unità di misura Kg/cm² è detta anche atmosfera tecnica (at) ed è definita:in condizioni relative -> ate (atmosfere tecniche effettive)in condizioni assolute -> ata (atmosfera tecniche assolute)

ata = ate + Patm = ate + 1033 ate

• L’unità di misura psi è definita in condizioni relative psig , in condizioni assolute psia


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Definizioni: Pressione atmosferica


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Pressione atmosferica

Pressione atmosferica (Patm)

La pressione atmosferica è la pressione su una superficie di 1 cm2 esercitatada una colonna d'aria di altezza pari all'atmosfera terrestre.La pressione atmosferica misurata al livello del mare, alla latitudine di 45° ead una temperatura di 0° C, è pari alla pressione esercitata da una colonnadi mercurio (Hg) alta 760 mm di pari sezione.Nelle altre unità di misura corrisponde a :

Patm (n) = 1 atm= 760 mmHg (torr)= 1,03323 Kg/cm²= 14,6959 psi= 101.325 Pa= 1013,25 mbar (hPa)

• La pressione atmosferica si misura in ettopascal (centinaia di Pascal_hPa).• Sono possibili variazioni di + 5% fra alta e bassa pressione atm.• Al livello del mare il volume di una colonna d'aria della sezione di 1 cm²

ha un peso di circa 1,03 Kg.• Oltre i 500 km di altitudine il valore della pressione diminuisce

continuamente fino a raggiungere il valore della pressione assoluta Pabs = 0.


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Un esempio è la pressione dell'aria all'internodi uno pneumatico d‘automobile

La pressione di “ 2,2 atmosfere “ (pressione relativa),in realtà significa 2,2 atmosfere oltre la pressione atmosferica,

ovvero 3,2 atmosfere (pressione assoluta).

La pressione viene a volte misurata, non come assoluta,ma relativamente alla pressione atmosferica.


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• Variazione della pressione con l’altitudine

La pressione atmosferica varia inrapporto all‘altitudine.La pressione atmosferica si riduce conl'aumentare dell'altitudine poiché siriduce l'altezza della colonna d'ariasovrastante alla superficie della terra esi riduce la densità dell'aria.

Con ottima approssimazione si puòcalcolare che nei primi 1.500 metrila pressione diminuisca di 1 hPaogni 8,3 metri di ascesa,

a 3.000 metri di 1 hPa ogni 10 metri,a 9.000 metri di 1 hPa ogni 50 metri


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• Variazione della pressione con la temperatura

La pressione atmosferica diminuisce con l'aumentare della temperaturapoiché l'aria calda tende a dilatarsi diventando meno densa e più leggera.Il minore peso della massa d'aria calda riduce la pressione della colonnad'aria e la pressione atmosferica.

Al contrario, quando l'aria si raffredda aumenta la propria densità;il maggiore peso della massa d'aria aumenta la pressione atmosferica.

La pressione atmosferica varia nell'arco delle 24 ore anche a secondadelle variazioni di temperatura tra il giorno e la notte.


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• Variazione della pressione con l’umidità

La pressione atmosferica diminuisce con l'aumentare dell'umiditàpoiché il vapore acqueo ha una densità minore dell'ossigeno edell'azoto.

L'aria umida è più leggera.

Al contrario, la pressione atmosferica aumenta con l’aria secca (che èpiù pesante).


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e ancora…


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Definizioni

Pressione assoluta (Pabs)

E’ la pressione riferita al vuoto assoluto.La pressione del vuoto assoluto è 0 Pa, ed è la condizione rispetto la qualesi riferiscono tutte le misure di pressione assoluta (Pabs)

Pressione differenziale (DP o Dp)

E’ data dalla differenza tra due pressioni variabili, o tra una pressionefissa di riferimento ed una variabile.

Pressione relativa positiva o pressione (P)

E’ il valore di pressione superiore alla pressione atm e si misurasolitamente come pressione (p) rispetto alla pressione atmosferica(Patm) e raramente come pressione assoluta (Pabs)- (oltre i 20 bar).

Pressione relativa negativa o depressione (pd)

E’ il valore di pressione inferiore alla pressione atm e si misura comedepressione (pd) rispetto alla pressione atmosferica (Patm)


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Pressione nei gas


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Pressione nei gas

La pressione esercitata da un gas all’interno di un recipiente di 1 m³ è datadalla seguente formula :

1 . m . v²

numero di molecolemassa molecolarevelocità molecolare

P =3

. n

Grazie ad una elevata attività molecolare i gas tendono ad espandersi e adoccupare tutto il volume del recipiente.

Riscaldamento => la velocità cresce => la pressione sale

Compressione => il numero per m³ sale => la pressione sale


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Pressione nei gas

T

P. V = Costante

A temperatura T costantel’espansione e la comprimibilità dei gas è governata dalla legge diBoyle-Mariotte :

. VP = Costante

dove : P = Pressione assoluta del gas (Pa)V = Volume occupato dal gas (m³)T = Temperatura assoluta del gas (°K)

Mentre in condizioni di variazioni di temperatura T vale la legge diGay-Lussac :


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Pressione nei gas

V

Z . P. TP =

Per cui l’equazione di stato dei gas ideali risulta :

P . V = Z . R . T

dove Z = coefficiente di comprimibilità del gas da cui :


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Pressione Idrostatica

• In generale:La pressione idrostatica è la pressione esercitata da un liquido in tutte le direzionisulle pareti del recipiente che lo contiene.Tale pressione varia con il variare dell’altezza della colonna di liquido.Nel punto più basso del recipiente la pressione è maggiore perchè è più alta lacolonna di liquido, viceversa in un punto più alto sarà minore.


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Pressione nei liquidi

L’attività molecolare nei liquidi è inferiore rispetto a quella dei gas, nei liquidiprevale l’effetto gravitazionale che ne permette una distribuzione uniformeall’interno di un recipiente. Nel caso dei liquidi la pressione relativa dipendesolo dalla densità del fluido e dall‘altezza del recipiente (non dalla sua forma).

hFg

mmH2Or=1g/cm³

mmHgr=13,6 g/cm³

Ph = h . r . g

altezzadensitàaccellerazione di gravità


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Pressione nei liquidi

Questa pressione è detta pressione idrostatica perché dipende dall’altezzadella colonna del liquido sovrastante (legge di Stevino).

dove : F = Forza gravitazionale esercitata dal liquido (N)A = Superficie di base del recipiente (m²)h = Altezza del liquido (m)r = Massa volumica (densità)del liquido (Kg /m³)g = Accellerazione di gravità locale (m/s²)

se non nota applicare quella std : 9,80665 m/s²

A

FP =

A=

A . h ..= h . g

g . rr


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Gradi di Vuoto


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Gradi di Vuoto

Convenzionalmente si definiscono diversi gradi di vuoto, ciascuno utilizzato indifferenti applicazioni pratiche.Per ottenere, mantenere e misurare ciascuno di essi in generale sononecessarie differenti sistemi di pompaggio e materiali per la costruzione dellecamere da vuoto.

• Vuoto basso (Rough vacuum, RV) : 1 · 105 Pa – 1 · 102 Pa(da 1 bar a 1 mbar)

• Vuoto medio (Medium vacuum, MV) : 1 · 103 Pa – 1 · 10-1 Pa(da 10 mbar a 0,001 mbar)

• Vuoto alto (High vacuum, HV) : 1 · 10-1 Pa – 1 · 10-5 Pa(da 0,001 mbar a 0,1 10-6 mbar)

• Vuoto ultra alto (Ultra high vacuum, UHV) : 1 · 10-5 Pa – 1 · 10-9 Pa

• Vuoto estremamente alto (Extremely high vacuum, EHV) : < 1 · 10-9 Pa

Si possono definire i seguenti gradi di vuoto:


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Esempi pratici di Vuoto

• Pressione atmosferica : 1,01315 · 105 Pa(1013 mbar)

• Aspirapolvere : 0,8 · 105 Pa(800 mbar)

• Pompa a vuoto meccanica : 1 · 102 Pa – 1 · 10-4 Pa(da 1 mbar a 0,1 · 10-5 mbar)

• Atmosfera terrestre esterna : 1,3 · 10-4 Pa(0,13 · 10-5 mbar)


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Pressione assoluta, relativa, differenziale, vuoto

Vuoto = 0 bar

Pamb =1,013 bar

Assolutaabs

Sovra-pressione

(+)

Pproc

1,5 bar abs

0

0,5

11,5

2

2,5

3

abs

0,487 bar g

0

0,5

11,5

2

2,5

3

relativo

1,0 bar1,5 bar abs0,487 bar

0

0,5

11,5

2

2,5

3

abs

Prelativa = Pproc. - Patm dP = HP - LP

LP

HP

LP

LP

- 0,5 bar

Depressioneo vuoto

(-)

± 5%

+ 0,5 bar

Pabs = Pproc. - Pvuoto


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Esempio

-1 bar relativo

Pressione Assoluta Pressione Relativa

Pressione di Vuoto

Pressione Atmosferica

Pressione di Processo

0 bar assoluti

1 bar assoluti

2 bar assoluti

0 bar relativi

1 bar relativi


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Principali tipi di misuratori di pressione

Pistone- con molle(da 1bar a2500 bar)

Manometroa colonna- Tubo-U(per P e dP)

- A vaschetta(per P<10 mbar)

Manometroa molla- soffietto fino a 1 bar- capsula fino a 10 bar- membrana fino a 25 bar- bourdon fino a 1000 bar

ElettricoTrasmettitore-Trasduttore- resistivo- capacitivo- cristallo risonante- induttivi

C

R


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Differenti principi di misura


Principio PiezoresistivoSilicio Metallico

Principio CapacitivoCeramica (Ceraphire ® )

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Tecnologie del sensore


Sensore Ceramico Sensore Metallico Sensore Contite Separatore

Sensori di pressione Assoluta/relativa

effetto capacitivo effetto piezo-resistivo

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Tecnologie del sensore


Sensore metallico = membrana di processo metallica

Sensori di pressione differenziale

effetto piezo-resistivo

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6 giugno 2017Slide 31 Antonio Festa

Sensore Ceramico

struttura al 99.9% Al2O3

Corpo Ceramico conlato condensatore

Anello distanziatore

Membrana Ceramicacon lato condensatore

Elettrodo dimisura

Elettrodo diriferimento

pressione di processo

sensore ceramico

Ceraphire®

Non necessita di olio diriempimento


Componenti meccanici della cella ceramica

Pressione di processo

Connessione al

processo

Adattatorecustodia

Rilevazione di rotturadella membrana USP

O-ring di processo;differenti tipi

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Sensore Ceramico : caratteristiche fisiche

Caratteristiche della ceramica

protezione ad alti sovraccarichi

nessun liquido di riempimento

alta resistenza alla corrosione

alta resistenza alla abrasione

adatto al vuoto

Campi da 0...100 mbar a 40 bar

(da 0…1,5 psi a 600 psi)

Limitazioni della ceramica

pressione massima 40 bar (600 psi)

temperatura max diretta 150 °C

alta resistenza all’abrasione


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Sensore ceramico: range di misura

100 mbar 0,25mm400 mbar 0,37mm1 bar 0,60mm2 bar 0,69mm4 bar 0,92mm10 bar 1,17mm20 bar 1,47mm40 bar 1,71mm

Lo spessore della membrana ceramica definisceil campo di misura del sensore


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Sensore piezo-resistivo _ Membrana Metallica


Monosiliciostrain gauge

Canale con oliodi riempimento

Membrana metallicaConnessione al processo

Pressione di processo

Principio di funzionamento : Ponte di Wheatstone

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Componenti meccanici della cella metallica


membranametallica

canale olio diriempimento

membranasaldata

connessioneal processo

adattatore allacustodia

1 2

T0-8+ sensor chip

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Componenti meccanici della cella metallica


Membrana affacciata• Connessioni al processo flangiate• Connessioni al processo igieniche• Connessioni al processo filettate

Membrana interna• Connessioni al processo filettate

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dP con Membrana Metallica


Principio di funzionamento : Ponte di Wheatstone

membrana diprocesso

membrana diprocesso

saldatura saldatura

strato isolante


canali riempimento olio

sensor chip

membrana dismorzamento dellasovrapressione


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Componenti meccanici della cella metallica differenziale


connessione alprocesso

membrana diprocesso

sensore di pressionedifferenziale

guarnizione diprocesso e

connessione

flangia IEC


Sensori con membrana metallica : limiti fisici

errore a causa dell’influenza della temperatura

olio di riempimento necessario per il sensore

membrana sottile e sensibile

diffusione di idrogeno

abrasione

rivestimento costoso (e.g. Au-Rh)

vuoto (olio di riempimento)

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Sensore con mebrana metallica : limite con il vuoto

Vuoto < 50 mbar abs

Vapour pressure

1E-10

1E-09

1E-08

1E-07

1E-06

1E-05

1E-04

1E-03

1E-02

1E-01

1E+00

1E+01

1E+02

1E+03

-50 0 50 100 150 200 250 300 350

Temperature / °CV

ap

ou

rp

ress

ure

/m

mH

g(t

orr

)

AK 100

Neobee

Paraffin

Glycerin

Fluorolube

Fomb.18/8

Fomb. 14/6

Voltalef 1A


Sensore con mebrana metellica : abrasione

Dopo alcune settimane in un’applicazione con mezzo abrasivo

Spessore della membrana metallica : 25…75µmnecessaria per ottenere una sufficiente sensitività = accuratezza !

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Sensore con mebrana metellica : picchi di pressione

• veloce apertura/chiusura delle valvole• accensione/spegnimento delle pompe• cavitazione delle pompe


Sensore con mebrana metellica : corrosione membrana

• Perdita della membrana perdita dell’olio perdita del trasmettitore!

• Modifica del comportamento del sensore (= precisione) anche con una leggeracorrosione della membrana!

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Sensore Idrostatico : CONTITE ®

variazioni ditemperatura

umidità

condensazione

gasaggressivi

Patm.

Phydr.

+

Phydr.

Patm.

Patm.+

Trasmettitore di pressione standard (cella aperta)

++ Patm.

Patm.

Patm.Patm.

Phydr.Phydr.

CONdensation TIghT cEll = CONTITE®

( cella chiusa con protezione alla condensa )

variazioni ditemperatura

umidità

condensazione

gasaggressivi


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Sensore Idrostatico : vantaggi

affidabile

resistente ai sovraccarichi

stabilità a lungo termine

esclusione totale di condensa

guardia metallica di protezione EMC

Incapsulamento resistente:

manicotto di metallo saldato

passanti in vetro per i

conduttori di alimentazione

della cella

cella di misura stagna


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Sistema separatore

Membrana dimisura

Sensore

Membrana di processo

Olio di riempimentocanale o capillare

Sistema Separatore


Componenti meccanici di un sistema separatore

Montaggio diretto Capillare

Trasmettitore

Distanziatore 100mm

Disaccoppiamento/isolamentotemperatura

<160°C <260°C <400°C

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Differenza tra separatore ed impulse pipe


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Impulse pipe

Obiettivo: ridurre la temperatura di processo entro i limitidel sensore e proteggerlo dal surriscaldamento

Regola generale: Riduzione di 100°C per 100 cm di impulse pipe


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Applicazioni tipiche :

Fluidi viscosi o aggressivi

Applicazioni tipiche:

Vapore, Gas, Acqua, Aria, …

Differenza tra separatore ed impulse pipe

Separatore Impulse pipe

Olio di riempimento– influenzato

dalla variazione di temperatura

Connessioni membrana affacciata,

nessuna ostruzione

Max. 400°C (dipende dall’olio di

riempimento)

Usato per fluidi corrosivi

Connessione a processi

igienici

Costoso

Nessun olio di riempimento –

nessun effetto dovuto alla

temp.

Possibile ostruzione

Nessun limite di temperatura

Non per fluidi corrosivi

Non per applicazioni igieniche

Installazione economica


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Limiti dell’impulse pipe

Quando non è possibile usare l’impulse pipe

Il fluido di processo contiene solidi che potrebbero bloccare l’impulse pipe.

Il fluido di processo può congelare nelle camere di misura oppure

nell’impulse pipe.

Il fluido di processo è eterogeneo e fibroso e deve essere continuamente

agitato.

Il fluido di processo tende a polimerizzare o cristallizare.

Nel processo è richiesta pulizia, come nell’applicazioni igieniche o nei

processi batch.

Il processo richiede bloccaggio rapido del trasmettitore, come nell’industria

alimentare per il montaggio e lo smontaggio rapido durante la pulizia.


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Misure di Pressione e Livello idrostatico


innovazione ed esperienza…

• Deltapilotper livello

• Prima cella di misura dpcon self-monitoring

• Cella di misura CONTITE“anticondensa

• Strumenti SIL 2/SIL 3• Sensore Ceramico fino a 150°C• Quick Setup/menu-operativo guidato• HistoROM• Tasti di comando esterni

• Sensore Ceramico conriconoscimento dellarottura della membrana

• Famiglia di strumentimodulari- Pressione- Pressione differenziale

• Cerabar M• PROFIBUS® PA/FF

• PROFIBUS Profilo 3.0• Ceramica anticondensa

• FMD71/72,differenzialeelettronico

• Separatore amembranaTempC

1984 1987 1990 1995 1998 2004 2009 2014 2015

• FMD77/78asimmetrico

2017

e altro ancora…

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La soluzione giusta per qualsiasi applicazione


Deltabar SDeltapilot S

Deltapilot M Cerabar M

Cerabar T

Cerabar S

Deltabar M

CerabarPressione

Livello

DeltabarPortataLivello

Pressione

WaterpilotLivello

Waterpilot

DeltapilotLivello

Pressione

CeraphantPressione

DeltatopPortata

Ceraphant T

Deltatop

T

M

S

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Pressione relativa e assoluta


Cerabar T - Ceraphant TTrasmettitore di Pressione compatto ed

affidabile, misure a lungo termine con

risultati stabili.

Cerabar MProgettato per soddisfare le più severe

richieste dell’industria di processo.

Cerabar SCerabar S offre eccellenti caratteristiche di

misura con il più alto grado di sicurezza di

processo per soddisfare le più ristittive

richieste dell’ingegneria di processo.

Cerabar T

Cerabar M

Cerabar S

Ceraphant T

PMC11/21PMP11/21

PMP23

PTC31B PTP31BPTP33B

PMC51 / PMP51

PMP75

PMC71 / PMP71PMP55

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Pressione differenziale


Deltabar S – Deltabar MIl più alto grado di sicurezza e stabilità a lungo termine.

Le membrane metalliche sono particolarmente adatte a

prodotti altamente corrosivi.

Versioni per attacchi al processo diretti e affacciati o

attraverso separatori con capillare in presenza di alte

temperature o vibrazioni di processo molto elevate.

Innovativo EDP FMD anche con membrane Ceramiche

che integrano il campo delle applicazioni con prodotti

abrasivi.

Deltabar S

FMD71/FMD72

Deltabar M

PMD55

Deltabar S

FMD78

Deltabar S

FMD77

Deltabar M

PMD75

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Livello idrostatico


WaterpilotPer misure in pozzi, canali, bacini e

impianti di trattamento dell’acqua

dove sono richieste misure

altamente precise e sicure.

Caratteristiche speciali sono il

diametro di soli 22 mm e il sensore

integrato di temperatura, disponibile

anche nella versione con protocollo

di comunicazione HART®

Deltapilot M / Deltapilot SLa cella di misura CONTITETM

permette di misurare in completa

garanzia anche in presenza di forti

condensa e in condizioni estreme.

Sono disponibili anche versioni con

l’estensione con tubo e l’estensione

con cavo.

Deltapilot M

Waterpilot FMX21

Deltapilot S FMB70

FMB50FMB51

FMB52FMB53

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Portata a dp


DeltatopPer la misura di portata a dp, sono

disponibili una serie elementi

primari di tipo Orifice* oppure a

Tubo di Pitot nella versione

compatta con trasmettitore di

pressione e manifold integrati/pre-

montati, oppure nella versione

modulare con trasmettitore ed

accessori remoti.

* Orifice in accordo alla ISO5167:

disco calibrato

flangia tarata (a saldare)

disco monolitico

camera anulare

meter-run

Venturi

In accordo alla ISO 5167 parte 5 è

disponibile l’elemento primario

Meter Cone

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Aree di applicazione

PressioneDifferenziale:

Deltabar S

Deltabar M

Portata:

Deltatop / Deltasetcon Deltabar S / M

Livello:

Waterpilot

Cerabar S

Deltabar S /M

Deltapilot S

Pressione, Pressione differenziale, Pressione Idrostatica

Pressione di Processo:

Cerabar T

Ceraphant T

Cerabar M

Cerabar S


Misura di Pressione relativa, Pressione Assoluta

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Misura di Livello in serbatoio chiuso


Misura di Pressione Differenziale

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Applicazioni

transmettitore di temperatura

4...20 mA temperatura

4...20 mA livello

Misure in pozzi / falde

RMA422


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FMX21: sensori per pressione assoluta (dp elettronico)

HART® Burst Mode

Pressione Atmosferica(e.g. PMC51 con sensore abs)

4..20 mA = ∆P = Pprobe - PRef

PRef

Misura di LivelloCon sensore assoluto

Psonda

RN221


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Costa Concordia: the Parbuckling Project

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Cerabar S PMP71: Certificato MID

MID part certificate per OIML R117-1Edition 2007 (E)EN 12405-1/A1 Edition 2006“Gas meters – Conversion devices – Part 1: Volume conversion”.


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Caratteristiche e limiti _ Presenza di Idrogeno


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L'idrogeno è essenziale nei processi di idrotrattamento utilizzatiin Raffineria per la produzione di carburanti pregiati a bassoimpatto ambientale (es. desolforazione)

…è utilizzato anche nella produzione di ammoniaca, in aeronautica,e recentemente anche come combustibile alternativo.


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L’idrogeno monoatomico passa gradualmente attraversole membrane in metallo contenenti Nickel,come ad esempio:

AISI 316, Hastelloy, Monel, Tantalio

gli atomi di idrogeno si combinano nel fluido di riempimentoper formare idrogeno gassoso.


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Caratteristiche e limiti _ H2…soluzione…


6 giugno 2017

Caratteristiche e limiti _ H2…soluzione…

Membrana con strato d’oro

AISI 316L + Gold Rhodium coating

PMP71 / PMP51 _PMP75 / PMP55

PMD75 / FMD77 / FMD78

Alternativa Membrana Ceramica (dove applicabile)

PMC71 / PMC51 _ Ceraphire®

FMD71


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Cerabar T - Applicazioni

Applicazioni igieniche

Applicazioni con vuoto

Applicazioni idrauliche


Ceraphant T - Applicazioni

Monitoraggio di sistemi idraulici / pneumatici

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