Nelle complesse misurazioni dei fluidi delle industrie petrolifere e chimiche, la precisione e la stabilità della strumentazione di pressione sono cruciali. I manometri a membrana in polipropilene (PP) si distinguono per la loro eccellente resistenza alla corrosione, che li rende ideali per la gestione di fluidi corrosivi acidi e alcalini. Tuttavia, gli utenti professionali spesso si concentrano su un indicatore chiave di prestazione: l’isteresi.
L'isteresi si riferisce al fenomeno per cui il valore indicato dal manometro differisce quando si raggiunge un setpoint specifico da uno stato di bassa pressione (pressione ascendente) rispetto al raggiungimento dello stesso punto da uno stato di alta pressione (pressione discendente). Questa discrepanza non è un errore casuale ma una deviazione sistematica derivante dalle caratteristiche fisiche interne e dai limiti strutturali dello strumento. Per il controllo ad alta precisione nei processi petrolchimici, comprendere e ridurre al minimo l'isteresi è essenziale per garantire la qualità del prodotto e la sicurezza operativa.
I. Isteresi meccanica degli elementi elastici: proprietà intrinseche dei materiali
I componenti principali di a Manometro a membrana in PP sono il diaframma e il meccanismo di movimento interno. La fonte primaria di isteresi deriva dalle imperfezioni meccaniche di questi elementi elastici.
1. Isteresi elastica del materiale della membrana
Sebbene i diaframmi in PP siano spesso arricchiti con rivestimenti in PTFE o utilizzati come parte di una struttura composita, come elemento elastico, il percorso di recupero della deformazione non è perfettamente identico quando lo stress viene applicato e successivamente rilasciato.
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All'aumentare della pressione, il diaframma si deforma.
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Quando la pressione diminuisce, l’attrito microstrutturale interno e il riarrangiamento della catena molecolare all’interno del diaframma ritardano il suo completo ritorno allo stato iniziale.
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Questa dissipazione di energia fa sì che la deformazione (o lo spostamento) durante il processo di pressione ascendente differisca da quella durante il processo discendente allo stesso valore di pressione, manifestandosi direttamente come isteresi del puntatore.
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Soprattutto per il materiale polimerico PP, le sue caratteristiche viscoelastiche sono più pronunciate. In condizioni di applicazione di pressione ciclica o a lungo termine, questo effetto di isteresi meccanica è spesso più significativo che nei diaframmi metallici.
2. Attrito minore nel meccanismo di movimento
Lo spostamento del diaframma deve essere trasmesso all'indice tramite componenti meccanici di precisione come bielle, settori di ingranaggi e ingranaggi centrali. Piccole forze di attrito tra queste coppie in movimento costituiscono la seconda principale fonte di isteresi.
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Durante il processo di pressione ascendente, la forza di attrito si oppone alla direzione del movimento.
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Durante il processo di pressione discendente, la direzione della forza di attrito si inverte.
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Nel momento in cui la pressione si inverte, il meccanismo deve superare l'attrito statico prima che il movimento riprenda, causando un ritardo tra la variazione di pressione e la risposta dell'indice.
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Anche l'attrito a livello di micron è sufficiente a causare una deviazione osservabile nell'indicazione della pressione.
II. Effetti di viscosità e compressibilità nel sistema di trasferimento dei fluidi
I manometri a membrana in PP utilizzano generalmente un sistema di tenuta a membrana con un fluido di riempimento per isolare i fluidi corrosivi. Le proprietà fisiche di questo sistema di trasferimento del fluido contribuiscono in modo significativo all'isteresi.
1. Viscosità del fluido di riempimento
Il fluido di riempimento (come olio siliconico o olio fluorocarburico) possiede un certo grado di viscosità. Quando il diaframma si deforma sotto pressione e sposta il fluido:
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Il liquido deve fluire attraverso canali e capillari interni.
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L'attrito interno del liquido (resistenza viscosa) impedisce la trasmissione immediata dell'energia.
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Ciò è particolarmente rilevante durante rapidi cambiamenti di pressione o quando le basse temperature ambiente aumentano la viscosità, rallentando la mobilità del fluido e ritardando la trasmissione della pressione, esacerbando così il fenomeno dell'isteresi.
2. Dissoluzione del gas e microbolle residue
Se il processo di degasaggio è incompleto durante il riempimento del fluido, le microbolle residue o i gas disciolti nel liquido introducono comprimibilità al variare della pressione.
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Ciò fa sì che lo spostamento iniziale del diaframma comprima innanzitutto queste bolle di gas anziché trasmettere immediatamente la pressione alla molla Bourdon o al sensore interno.
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Il processo di compressione e rilascio del gas non è lineare e è ritardato nel tempo, creando un effetto "buffer elastico" che introduce l'isteresi di misurazione.
III. Rilascio e rilassamento delle sollecitazioni nei componenti strutturali
Il funzionamento a lungo termine o i cicli termici possono portare al rilassamento dello stress nell'alloggiamento in PP e nel sistema di connessione, che è un altro fattore indiretto che contribuisce all'isteresi.
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La connessione di precarico (ad esempio, il montaggio imbullonato) ai bordi dell'alloggiamento in PP e del diaframma può subire un rilassamento da scorrimento nel tempo e con variazioni di temperatura.
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Il rilassamento del precarico modifica le condizioni al contorno fisse del diaframma, il che significa che lo stato iniziale e il percorso per ciascun ciclo di pressione potrebbero non essere perfettamente coerenti.
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Quando la pressione viene applicata ripetutamente, i piccoli movimenti e la ridistribuzione delle sollecitazioni nell'interfaccia di connessione provocano una leggera deriva nel punto zero dell'elemento elastico, portando alla separazione dei percorsi di pressione ascendente e discendente.
