Anno 14  Dicembre 20003

Tecnologia & Analisi delle Acque

Qualificazione di Strumenti "Aerea Velocity" 

Christian Beretta, Ilaria Gnecco,  Luca G Lanza , Luigi Stagi  
Università degli Studi di Genova- Dipartimento di Ingegneria Ambientale

Con il termine "metodi di misura della portata" si indicano le procedure per il rilievo di grandezze connesse al deflusso di un corso d’acqua e alla morfologia dell’alveo, la cui elaborazione permette il calcolo della portata.
Dal punto di vista metrologico la misura di quest’ultima è indiretta poiché non prevede il rilievo in sito della grandezza di interesse, ma vi risale attraverso rilievi geometrici o topografici e misure di grandezze caratteristiche della corrente a pelo libero, quali il livello idrometrico o la velocità.
Diversi sono i campi di applicazione della misura di portata: in generale è utilizzata per controllare gli scarichi di un’industria o la quantità di liquame in ingresso o in uscita da un impianto di trattamento acque.
La conoscenza di tale grandezza, inoltre, è utile per gestire le utenze di un sistema fognario, per valutare l’efficacia di trattamento dei liquami e dimensionare eventuali modifiche all’impianto oppure per il calcolo del minimo deflusso vitale per la captazione di acque da corsi d’acqua superficiali.

I metodi disponibili per la misura della portata in canali a pelo libero sono diversi a seconda delle differenti condizioni operative.
Tali metodi consistono in opere permanenti, quali sezioni di controllo, stramazzi o misuratori a risalto idraulico (Venturi, Parshall, etc.), che consentono di determinare la portata a partire dalla misura del livello idrico, o in strumenti per la misura della velocità del flusso che, accoppiati ad apparecchiature per la misura del livello idrico, consentono la determinazione della portata senza particolari opere o interventi nel sito di misura.

Fig. 1 – Impianto di taratura per misuratori di portata "Area velocity" in canale aperto a pelo libero

Anche la determinazione della portata si inserisce nel quadro della teoria delle misure ed è pertanto associata a un’incertezza imputabile ai diversi errori di tipo sistematico e casuale.

In quest’ambito agli errori legati alla ripetibilità delle misure si sommano quelli dovuti alle approssimazioni insite nell’impiego di ciascun metodo in relazione alle condizioni in cui si opera.
L’applicazione di metodi di misura in condizioni o con modalità non appropriate comporta incertezze maggiori rispetto alle minime ottenibili.
La decisione circa la procedura da impiegare per la misura della portata è dunque legata a un corretto rapporto tra il costo necessario per ridurre l’incertezza della misura e il beneficio conseguente e, naturalmente, all’applicazione prevista e alle condizioni operative del sito ove si vuole effettuare la misura.
Ad oggi non esiste una normativa che stabilisca in modo univoco la metodologia di misura della portata in canali aperti a pelo libero; tuttavia, gli strumenti che normalmente vengono utilizzati in tale tipo di misura possono essere certificati da organi che ne valutino la qualità e ne garantiscano il massimo errore ammissibile, in accordo con la norma europea EN 30012/ ISO 10012-1.

Il calcolo della portata in canali a pelo libero mediante il metodo denominato nella terminologia anglosassone "Area velocity" ha destato notevole interesse in tempi recenti.
Tale tecnica consiste nella determinazione della suddetta grandezza come prodotto dell’area bagnata per la velocità media. In canali aperti tale metodo necessita quindi di due misure separate: quella del livello del flusso (che permette, nota la forma del canale, di valutarne la sezione bagnata) e la misura della velocità media.
La tecnica "Area velocity" può essere applicata in corsi d’acqua con alveo irregolare, condotti fognari e canali con sezioni multiple o forme complesse, purchè si possa determinare la relazione tra il livello e la sezione.

Il calcolo della portata in canali a pelo libero con tecnica "Area velocity desta, oggi, notevole interesse. La portata viene misurata come prodotto dell’area bagnata per la velocità media dell’acqua In tali condizioni vengono attualmente calibrati i misuratori di portata "Area velocity" Isco 4250

Inoltre, se confrontata con gli stramazzi, le sezioni di controllo e i misuratori a risalto idraulico, il successo applicativo di questa tecnica deriva dalla possibilità di misura della portata in condizioni critiche, quali sovraccarico, flusso inverso, condizioni sommerse e condotto pieno.
Tali condizioni si verificano frequentemente in condotti fognari sottodimensionati, in presenza di afflussi e infiltrazioni o nei tratti soggetti a escursione di marea. Infine tale tecnica, non richiedendo alcuna installazione di opere civili, risulta particolarmente idonea nei casi di canali di dimensioni significative e per il monitoraggio temporaneo del deflusso, come nei casi suddetti di controllo delle infiltrazioni.
Tra i diversi metodi di misura della velocità a oggi sviluppati, i più affidabili e tecnologicamente avanzati sono i flussometri acustici ed elettromagnetici.
Il metodo elettromagnetico si basa sul principio di Faraday dell’induzione elettromagnetica, secondo il quale viene indotta una differenza di potenziale su di un conduttore che si muove ortogonalmente a un campo magnetico generando in tal modo una corrente elettrica. Il potenziale generato nel conduttore è funzione dell’intensità del campo magnetico e della velocità del movimento relativo.
Tale potenziale viene misurato da elettrodi posti sulla superficie della sonda esposta al liquido.
La polarità del voltaggio indica la direzione del flusso.

Le sonde elettromagnetiche misurano la velocità locale del flusso nel punto dove sono situati gli elettrodi, solitamente sul fondo del canale.
La velocità media del flusso viene successivamente calcolata sulla base della misura locale della velocità e del livello del liquido.
Le sonde elettromagnetiche necessitano di calibrazione in sito e di una certa manutenzione per la pulizia degli elettrodi i quali, esposti al flusso, possono sporcarsi e compromettere l’accuratezza della misura.
I flussometri acustici si basano invece sul principio secondo cui la velocità di un segnale che si propaga in un mezzo fluido in movimento viene a modificarsi se la velocità che anima la corrente possiede una componente non nulla nella direzione di propagazione del suono.
La misura viene effettuata inviando un impulso di energia nel campo di frequenza tra 0,5 e 5 MHz mediante un trasduttore elettroacustico; un secondo trasduttore montato sulla tubazione in posizione diametralmente opposta riceve tale impulso, propagatosi nel liquido, trasformandolo in un segnale elettrico.
L’elaborazione dei due segnali (trasmesso e ricevuto) consente la determinazione della velocità del flusso.

Oltre all’accuratezza richiesta nella fase di installazione, lo strumento presenta alcune limitazioni in presenza di elevato trasporto solido, di fondali con bassa profondità, di elevati gradienti di temperatura o salinità, di correnti aerate o recanti sospensioni di materia organica.
Tra i misuratori di portata a ultrasuoni di notevole interesse risultano i sensori di moderna concezione che sfruttano l’effetto Doppler, dove quest’ultimo si basa sulla variazione della frequenza del suono causata dal movimento della sorgente relativamente alla posizione dell’ascoltatore.
Il sensore posizionato sul fondo del canale emette un cono di ultrasuoni in direzione opposta al flusso; tali onde sonore a elevata frequenza vengono riflesse dalle particelle sospese e da bolle d’aria presenti nel liquido.
In base all’intensità dell’eco di ritorno e alla sua frequenza è possibile determinare la velocità e la direzione del flusso.
Ricevendo eco da particelle distribuite lungo tutta l’ampiezza del cono e, di conseguenza, dai vari filetti idrici della sezione, è possibile determinare con buona approssimazione la velocità media del fluido.

Presso il laboratorio del Dipartimento di Ingegneria Ambientale (DIAM) dell’Università degli Studi di Genova è stata di recente approntata una metodologia di qualificazione degli strumenti per la misura della portata con tecnica "Area velocity". La metodologia di calibrazione dei sensori prevede l’installazione della sonda dello strumento in un canale di taratura nel quale vengono realizzate una serie di portate note e costanti. L’impianto di taratura consiste in una canaletta rettangolare di sezione 30 ´ 40 cm con pendenza variabile alimentata da un sistema pompa-serbatoio a ricircolo (v. Fig.1). La misura della portata di riferimento viene realizzata mediante diaframma collegato a un manometro e un trasduttore di pressione differenziale installato secondo la normativa UNI EN ISO 5167–1. L’errore dell’impianto di taratura utilizzato per la misura della portata è quantificabile in +/- 1%.

In tali condizioni vengono attualmente calibrati i misuratori di portata "Area velocity" ISCO 4250, costituiti da un modulo di lettura e un sensore con misuratore di velocità che sfrutta l’effetto Doppler, nonché da un trasduttore di pressione per la misura del livello (v. Fig.2).
Il flussometro converte in portata il valore della velocità media misurato moltiplicandolo per l’area bagnata.
La sonda dello strumento di ultima generazione consente una buona precisione nella misura della velocità del flusso; essa infatti elabora i segnali di tipo digitale attraverso un processore incorporato nella sonda stessa.
Questa tipologia di sensori consente inoltre la misura della portata in condizioni di flusso inverso; se il flusso si muove in direzione opposta, le frequenze riflesse saranno inferiori a quelle trasmesse.

Il misuratore di portata è stato calibrato attraverso una serie di prove effettuate a pendenza costante e corrispondente alla condizione di esercizio fornita dall’utente. In fase di calibrazione è stato impostato il valore della sezione di misura ed è stata effettuata la correzione dell’altezza idrometrica.
Le correzioni del livello sono state effettuate dopo un periodo di tempo di 5 minuti, necessario per il raggiungimento dell’equilibrio termico.Attualmente il Dipartimento di Ingegneria Ambientale sta studiando l’influenza delle differenti condizioni di esercizio sulla risposta dei sensori per la misura della portata. In particolare, è stata condotta una serie di prove a portata costante e variando con continuità la pendenza della canaletta. Dai risultati si evince che l’accuratezza nella misura della portata varia in funzione della pendenza (v. Fig.3).

L’obbligo di certificazione delle prestazioni per gli strumenti di misura della portata in canali a pelo libero non è a oggi esplicitamente previsto in alcuna normativa del settore. Tuttavia le procedure di ottenimento delle certificazioni ISO 14000 per la qualità nella gestione ambientale, come pure le procedure per la certificazione del sistema qualità ISO 9000, prevedono che, nei casi in cui vengano utilizzati indicatori che implicano misure chimico- fisiche e/o meccaniche, gli strumenti utilizzati siano certificati e corredati di attestato in corso di validità emesso da un laboratorio autorizzato.

Il laboratorio di Idraulica del Dipartimento di Ingegneria Ambientale dell’Università di Genova (DIAM), altamente qualificato ai sensi del D.L. 297/99, è attrezzato per il rilascio di tarature e certificazioni di strumenti di misura di grandezze idrologiche (per esempio pluviometri) e idrauliche (tipicamente misuratori di portata, velocità e livello).In particolare, per quanto concerne la misura della portata con tecnica "Area velocity", il laboratorio DIAM fornisce la certificazione della curva di calibrazione di tali strumenti (in opportune condizioni operative) in accordo con la normativa europea EN 30012/ ISO 10012-1, (v. Fig.4) e svolge una continua attività di verifica e sperimentazione, volta alla definizione delle prestazioni degli stessi in diverse condizioni di moto e portata.

Fig. 4 – Curva di calibrazione per misuratore di portata "Area velocity" e relativa certificazione EN 30012/ISO 10012-1

I risultati di tale sperimentazione potranno consentire il miglioramento delle prestazioni degli strumenti di misura, nonché una maggior confidenza dell’utente finale nei dati di portata misurati in canali a pelo libero per numerose applicazioni di carattere ambientale.

I misuratori di portata Isco sono prodotti dalla ISCO Inc USA rappresentati in Italia dalla AST ANALYTICA srl - Genova - Per informazioni si prega di contattare : ( The Isco flowmeters  are manufactured by Isco Inc USA and represented in Italy by AST Analytica srl Genova - For information pls contact :)

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