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Strumenti di misura della temperatura

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La temperatura è la proprietà fisica che regola il trasferimento di energia termica da un sistema a un altro. I primi tentativi di misurare la sensazione di caldo o di freddo risalgono ai tempi di Galileo, mentre il termometro a mercurio viene attribuito a Fahrenheit, che introdusse nel 1714 una scala di temperature in uso ancora oggi, mentre un’altra, detta all’epoca scala centigrada, si deve a Celsius nel 1742. La relativa precocità delle misure di temperatura non implica che il concetto di temperatura fosse ben chiaro già a quei tempi. La distinzione fra calore e temperatura è stata posta chiaramente solo dopo la metà del 1700. Il termometro consente di definire il concetto di equilibrio termico: dei corpi, A e B, si dicono in equilibrio termico quando hanno la medesima temperatura, misurata con l’aiuto di un terzo corpo, il termometro C. Si tratta dell’applicazione alla fisica del principio della transitività dell’uguaglianza e per questo alcuni chiamano l’affermazione sopraddetta principio zero della termodinamica.

foto n.1-galileoMisurazione della temperatura

Sono stati sviluppati molti metodi per la misurazione della temperatura. La maggior parte di questi si basano sulla misurazione di una delle proprietà fisiche di un dato materiale, che varia in funzione del variare della temperatura. Uno degli strumenti di misura più comunemente utilizzati per la misurazione della temperatura è il termometro a liquido. Esso consiste di un tubicino capillare di vetro riempito con mercurio o altro liquido. L’incremento di temperatura fa espandere il liquido e la temperatura può essere determinata misurando il volume del fluido all’equilibrio. Questi termometri possono essere calibrati in modo che sia possibile leggere le temperature su una scala graduata (osservando il livello del fluido nel termometro). I termometri che acquisiscono immagini nella banda dell’infrarosso sfruttano tecniche di termografia, basate sul fatto che ogni corpo emette radiazioni elettromagnetiche la cui intensità dipende dalla temperatura.

foto n.2-termometro

Unità di misura della temperatura

In senso stretto, la temperatura non costituisce una vera e propria grandezza fisica. La proprietà fisica che il concetto di temperatura intende quantificare può essere ricondotta essenzialmente a una relazione d’ordine fra i sistemi termodinamici, rispetto al verso in cui fluirebbe il calore se fossero messi a contatto. Per questo, alla scelta, necessariamente arbitraria, di un’unità di misura per una grandezza fisica, corrisponde, nel caso della temperatura, la scelta, anch’essa necessariamente arbitraria, di una scala termometrica e di relative unità di misura.

La scala assoluta di misura della temperatura

L’unità di misura base della temperatura nel Sistema Internazionale è il kelvin (simbolo K). Un kelvin viene formalmente definito come la frazione 1/273,16 della temperatura del punto triplo dell’acqua, cioè del punto in cui acqua, ghiaccio e vapore acqueo coesistono in equilibrio.

La scala Celsius

Nelle applicazioni di tutti i giorni è spesso conveniente usare la scala Celsius, nella quale si assume il valore di 0 °C corrisponde al punto di fusione del ghiaccio e il valore di 100 °C corrisponde al punto di ebollizione dell’acqua a livello del mare. Il simbolo °C si legge «grado Celsius». La dizione «grado centigrado» non è più accettata dal Sistema internazionale di unità di misura. Anche il grado Celsius è utilizzato nel Sistema Internazionale

La scala Fahrenheit

Un’altra scala usata spesso nei paesi anglosassoni è la scala Fahrenheit. Su questa scala il punto di congelamento dell’acqua corrisponde a 32 °F e quello di ebollizione a 212 °F. La seguente equazione può essere usata per convertire i gradi Fahrenheit in gradi Celsius: T(°C)= (T(°F)-32)*5/9 . La conversione fra le tre scale si può effettuare attraverso pratici strumenti grafici.

foto n.3-scaleI Termometri

Un termometro è uno strumento di misura per misurare la temperatura. Esistono vari tipi di termometri, utilizzanti diversi principi fisici per la realizzazione della misura: gas, liquido, solido. Tra questi consideriamo due tipi particolarmente utili nel settore industriale: termocoppie e pirometri.

Termocoppie

La termocoppia è un sensore di temperatura largamente diffuso. Sono ampiamente utilizzate perché economiche, facilmente sostituibili, standardizzate e possono misurare un ampio intervallo di temperature. Il loro limite più grande è il grado di accuratezza nella misura; infatti errori minori di un grado Celsius sono difficili da ottenere. Una termocoppia è costituita da una coppia di conduttori elettrici di diverso materiale uniti tra loro in un punto. Questa giunzione è convenzionalmente chiamata giunzione calda ed è il punto nel quale viene applicata la temperatura da misurare. L’altra estremità, costituita dalle estremità libere dei due conduttori, è convenzionalmente chiamata giunzione fredda. Quando esiste una differenza di temperatura tra la zona del giunto caldo e la zona del giunto freddo, si può rilevare una differenza di potenziale elettrico tra le estremità libere della termocoppia in corrispondenza del giunto freddo. Tale valore di potenziale elettrico è funzione diretta della differenza di temperatura, secondo una legge non lineare. Negli impianti industriali, la termocoppia è inserita all’interno di una guaina di protezione che penetra all’interno dell’apparecchiatura della quale si vuole misurare la temperatura. I due conduttori sono connessi ad una morsettiera di porcellana, contenuta dentro una testina di protezione, da cui partono altri due conduttori, collegati alla morsettiera di uno strumento o di un registratore di temperatura. Lo strumento misuratore permette di leggere sul display l’indicazione della misura della temperatura all’interno della macchina.

foto n.4-termocoppieTermometri ad infrarosso

Si chiamano pirometri quei termometri che sono particolarmente adatti per la misura delle temperature elevate. Nella tecnica moderna si usano pirometri che permettono esattezza nella misura e capacità di seguire continuamente le sue variazioni, anche a distanza, e che consentono di ottenere il tracciamento di diagrammi oppure la regolazione automatica della temperatura. Sono di particolare interesse e praticità per le misure industriali i cosiddetti termometri (pirometri) laser o ad infrarossi, che utilizzano la radiazione infrarossa. La radiazione infrarossa è una parte della luce solare e può scomporsi riflettendosi attraverso un prisma. Questa radiazione possiede energia, per cui tutti gli oggetti con una temperatura al di sopra dello zero assoluto irradiano energia infrarossa. La quantità di energia cresce in maniera proporzionale alla temperatura.

foto n. 5 - Fluke_62Perché utilizzare un termometro a infrarossi? La temperatura è spesso il primo e più evidente segnale di un problema in atto e può essere utilizzata rapidamente per identificare situazioni che necessitano di ulteriori analisi con altri strumenti di misura, quali, ad esempio, il multimetro digitale o la pinza amperometrica. Un pirometro consente di rimanere a distanza di sicurezza dall’oggetto e di ottenere le letture più precise in un vasto range di temperature. Ecco perché il termometro a infrarossi è definito “senza contatto”. Esso permette letture di temperature di superficie rapide e affidabili. Questi strumenti portatili consentono ai tecnici di monitorare lo stato di motori e quadri elettrici, individuare problemi relativi a impianti di riscaldamento e di ventilazione e diagnosticare con facilità malfunzionamenti di impianti e loro componenti. Inoltre lo sviluppo della tecnologia ha portato ad avere termometri con immagini IR che ulteriormente facilitano l’individuazione dei punti critici , velocizzano così il lavoro del professionista.

foto n.7 Fluke_62Come si eseguono le misure con i termometri ad infrarossi? I termometri a raggi infrarossi hanno, rispetto ai termometri tradizionali, alcune caratteristiche interessanti, infatti permettono la misura senza contatto e con risposta molto rapida (1 secondo). Ciò permette misure veloci, igieniche e senza danni per esempio sui prodotti alimentari (ricevimento merce, controlli di routine) oppure su parti in movimento, superfici sotto tensione o su componenti elettronici. I termometri ad infrarossi sono semplici da usare: si dirigono verso la superficie da misurare e si preme un pulsante, quindi si legge la misura sul display. Per ottenere misure corrette tuttavia è necessario seguire due semplici regole.

1 – Distanza dall’oggetto da misurare. La distanza corretta dipende dal coefficiente ottico del termometro che è il rapporto fra la distanza del sensore ed il diametro della superficie di cui il termometro misura la temperatura media. Se ad esempio questo rapporto è di 3:1, significa che se ci si pone con il termometro a 15 cm dal punto da misurare, la temperatura che si legge sul display è quella media di una circonferenza centrata nel punto mirato e con un diametro pari ad 1/3 della distanza, cioè di 5 cm. Per inquadrare una superficie più piccola è quindi necessario avvicinarsi. La distanza minima per eseguire la misura è di 3 cm.

foto n.8 - Fluke Serie 60

2 – Tipo di materiale su cui si effettua la misura. Il termometro ad infrarossi che si utilizza deve avere un coefficiente di emissività idoneo al materiale su cui si esegue la misura. Questo coefficiente dipende dal colore e dalla opacità della superficie del materiale. Ad esempio, i termometri ad infrarossi con un coefficiente di emissività pari a 0.95 sono idonei per la maggior parte di sostanze organiche (prodotti alimentari, carta), per muratura ed in generale per le superfici opache. Per misure su materiali con superfici riflettenti o trasparenti si può ricorrere all’espediente di ricoprire la zona da misurare (se possibile) con dell’adesivo scuro.

UNI – Norme sul Condition Monitoring

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UNI ISO 10816-1; 28 mar. 2007 – Vibrazioni meccaniche – Valutazione delle vibrazioni delle macchine mediante misurazioni sulle parti non rotanti – Parte 1: Linee guida generali
La norma stabilisce condizioni generali e procedimenti per la misurazione e la valutazione delle vibrazioni di vari tipi di macchine quando le misurazioni delle vibrazioni sono eseguite su alberi rotanti

UNI ISO 10816-3; 28 mar. 2007 – Vibrazioni meccaniche – Valutazione delle vibrazioni delle macchine mediante misurazioni sulle parti non rotanti – Parte 3: Macchine industriali con potenza nominale maggiore di 15 kW e velocità di rotazione nominale compresa tra 120 giri/min e 15 000 giri/min, quando misurate in opera.
La norma fornisce i criteri per la misurazione delle vibrazioni a gruppi macchina con potenza maggiore di 15 kW e velocità operativa tra 120 giri/min e 15 000 giri/min. I gruppi macchina trattati nella norma comprendono: turbine a vapore con potenza fino a 50 MW; turbo-gruppi a vapore con potenza maggiore di 50 MW e velocità minori di 1 500 giri/min o maggiori di 3 600 giri/min (non inclusi nella ISO 10816-2);-compressori rotativi; turbine a gas industriali con potenza fino a 3 MW;-pompe centrifughe; generatori, tranne quelli usati negli impianti idroelettrici e di pompaggio; motori elettrici di qualsiasi tipo; soffianti o ventilatori

UNI ISO 10816-5; 28 mar. 2007 – Vibrazioni meccaniche – Valutazione delle vibrazioni delle macchine mediante misurazioni sulle parti non rotanti – Parte 5: Gruppi macchina in centrali idroelettriche di generazione e di pompaggio
La norma fornisce i criteri per la misurazione delle vibrazioni a gruppi macchina in centrali idroelettriche di generazione e di pompaggio

UNI ISO 10816-6; 28 mar. 2007 – Vibrazioni meccaniche – Valutazione delle vibrazioni delle macchine mediante misurazioni sulle parti non rotanti – Parte 6: Macchine alternative con potenza maggiore di 100 kW.
La norma fornisce i criteri per la misurazione delle vibrazioni a macchine alternative con potenza maggiore di 100 kW

UNI ISO 13373-1; 28 giu. 2006 – Monitoraggio e diagnostica dello stato delle macchine – Monitoraggio dello stato vibrazionale – Parte 1: Procedure generali
La norma fornisce linee guida generali per le attività di misurazione e di raccolta di dati sulle vibrazioni di macchine, ai fini del monitoraggio del loro stato. Essa è indirizzata a promuovere la coerenza di procedure e di prassi di misurazione che di solito si focalizzano su macchine rotanti. Data la diversità tra gli approcci al monitoraggio delle condizioni, in altre parti della UNI ISO 13373 si farà riferimento a raccomandazioni specifiche a un particolare tipo di programma di monitoraggio. Lo stato vibrazionale di una macchina può essere monitorato mediante misurazioni delle vibrazioni su un cuscinetto o su una struttura di supporto e/o mediante misurazioni delle vibrazioni di elementi rotanti della macchina. Le misurazioni possono essere continue o discontinue e nella norma si fornisce una guida per entrambe le modalità di misurazione

UNI ISO 13373-2; 28 giu. 2006 – Monitoraggio e diagnostica dello stato delle macchine – Monitoraggio dello stato di vibrazione – Parte 2: Elaborazione, analisi e presentazione
La norma propone procedimenti per l’elaborazione e la presentazione di dati sulle vibrazioni e per l’analisi delle “signatures” della vibrazione, allo scopo di monitorare lo stato vibrazionale di macchine rotanti e, se pertinente, di eseguirne una diagnostica. Essa descrive tecniche diverse per applicazioni diverse, ivi compresi le tecniche di amplificazione del segnale e i metodi di analisi usati nell’indagine di particolari fenomeni dinamici della macchina. La norma fa essenzialmente ricorso, nell’analisi dei segnali di vibrazione, di due approcci di base: il dominio del tempo e il dominio della frequenza. Essa comprende soltanto le tecniche più comunemente impiegate nel monitoraggio, nell’analisi e nella diagnostica dello stato vibrazionale di macchine.

UNI ISO 13374-2:2010 – Monitoraggio e diagnostica dello stato delle macchine – Elaborazione dei dati, comunicazione e presentazione – Parte 2: Elaborazione dati

UNI ISO 13379:2010 – Monitoraggio e diagnostica dello stato delle macchine – Linee guida generali sulle tecniche d’interpretazione dei dati e per la diagnosi

UNI ISO 13380:2010 – Monitoraggio e diagnostica dello stato delle macchine – Linee guida generali sull’uso dei parametri prestazionali

UNI ISO 13381-1:2010 – Monitoraggio e diagnostica dello stato delle macchine – Prognostica – Parte 1: Linee guida generali

UNI ISO 13436-1:2010 – Monitoraggio e diagnostica dello stato delle macchine – Requisiti per il training e la certificazione del personale – Parte 1: Requisiti per gli Enti di certificazione ed il processo di certificazione

UNI ISO 13436-2:2010 – Monitoraggio e diagnostica dello stato delle macchine – Requisiti per il training e la certificazione del personale – Parte 2: Monitoraggio e diagnostica delle vibrazioni

UNI ISO 13436-3:2010 – Monitoraggio e diagnostica dello stato delle macchine – Requisiti per il training e la certificazione del personale – Parte 3: Requisiti per gli Enti di formazione e per il processo di formazione

UNI ISO 13436-4:2010 – Monitoraggio e diagnostica dello stato delle macchine – Requisiti per il training e la certificazione del personale – Parte 4: Analisi in campo della lubrificazione

UNI ISO 13436-6:2010 – Monitoraggio e diagnostica dello stato delle macchine – Requisiti per il training e la certificazione del personale – Parte 6: Emissioni acustiche

UNI ISO 13436-7:2010 – Monitoraggio e diagnostica dello stato delle macchine – Requisiti per il training e la certificazione del personale – Parte 7: Termografia

UNI ISO 7919-1:2010 – Vibrazioni meccaniche di macchine non alternative – Misurazioni su alberi rotanti e criteri di valutazione – Parte 1: Linee guida generali
La norma descrive delle linee guida generali per la misura e la valutazione delle vibrazioni di vari tipi di macchine quando le misurazioni delle vibrazioni sono eseguite su alberi rotanti.

UNI ISO 7919-2:2010 – Vibrazioni meccaniche – Valutazione delle vibrazioni di macchine mediante misurazione su alberi rotanti – Parte 2: Turbine a vapore e generatori per installazione terrestre con potenza maggiore di 50 MW e velocità di rotazione nominali di 1 500 giri/min, 1 800 giri/min, 3 000 giri/min e 3 600 giri/min
La norma fornisce delle linee guida per applicare i criteri di valutazione per alberi vibranti misurata nella direzione radiale in corrispondenza o vicino ai cuscinetti di turbine a vapore e generatori.

UNI ISO 7919-3:2010 – Vibrazioni meccaniche di macchine non alternative – Misurazioni su alberi rotanti e criteri di valutazione – Parte 3: Macchine industriali accoppiate
La norma fornisce delle linee guida per applicare i criteri di valutazione per alberi vibranti in condizioni di funzionamento normali, misurata in corrispondenza o vicino ai cuscinetti di macchine industriali accoppiate.

UNI ISO 7919-4:2010 – Vibrazioni meccaniche di macchine non alternative – Misurazioni su alberi rotanti e criteri di valutazione – Parte 4: Gruppi turbine a gas
La norma fornisce delle linee guida per applicare i criteri di valutazione per alberi vibranti in condizioni di funzionamento normali, misurata in corrispondenza o vicino ai gruppi di turbine a gas.

UNI ISO 7919-5:2010 – Vibrazioni meccaniche – Valutazione delle vibrazioni di macchine mediante misurazione su alberi rotanti – Parte 5: Gruppi in centrali idroelettriche di generazione e pompaggio
La norma fornisce delle linee guida per applicare i criteri di valutazione per alberi vibranti in condizioni di funzionamento normali, misurata in corrispondenza o vicino alle macchine o ai gruppi in centrali idroelettriche di generazione e pompaggio.

UNI ISO 19499:2011 – Vibrazioni meccaniche – bilanciamento – guida all’uso e all’applicazione delle norme sul bilanciamento