Il progetto BetaCAP
Il progetto BetaCAP si basa su una serie di intuizioni, approfondite nel corso degli anni che sono la base per una produzione originale scelta e apprezzata per le qualità tecniche superiori.
Per capitoli, nell’ordine presenteremo le diverse peculiarità del progetto:
- Capillari uguali
- Controllo elettronico delle pressioni
- Rappresentazione matematica del diluitore, e della fisica dei flussi nei capillari
- Costruzione su manifolds
- Gamma dei prodotti che realizzano i principi guida del progetto
Capillari uguali
Capillari uguali: sono oggetti statici, elementari nella forma, che reagiscono all’applicazione di una pressione differenziale ai loro estremi con una resistenza al flusso ben definita. Quersta e quantificata da Poiseuille in una semplice relazione ove compaiono le caratteristiche dimensionali e una sola caratteristica dipendente dalla composizione chimica del fluido: la viscosità dinamica
Il termine “uguali” in senso stretto non sarebbe applicabile al mondo reale : lo applichiamo ai valori di flusso indotto da pressioni uguali, fino alla risoluzione del 0,1 %
La fornitura di un lotto di capillari offre una incertezza dichiarata sul diametro di 0,015 mm su 0,1 mm che si traduce in incertezza sul flusso indotto da pressione costante nell’ordine del 50% del flusso (per effetto della quarta potenza del diametro). Il risultato di partenza è orribile, ma basta eseguire una prima serie di misure di flusso per classificare l’intero lotto (un migliaio di capillari) con accuratezza, sui confronti tra i lussi indotti, in ciascuna classe migliore del 0,05 %. Per costruire un diluitore tipo BetaCAP30 vanno selezionati 5 gruppi con 1, 2, 4, 8 e 15 capillari per gruppo, per un totale di 30 capillari. Scegliendo una sola classe contenente almeno 36 capillari classificati, e quindi uguali a meno dell’ 1 per mille e utilizzando un utensile auto-prodotto in forma di matrice 6 x 6, ripetiamo 3 volte la serie di misure di portata mantenendo rigorosamente costante la pressione applicata e passiamo alla selezione dei gruppi :
a) Il gruppo da 1 capillare è il “riferimento interno” per comodità viene scelto il più vicino alla media dei 36 capillari provati .
b) I gruppi di consistenza superiore devono garantire la proporzionalità dei flussi con il numero di capillari che li compongono : sono quindi formati dall’unione di uno o più capillari scarsi ed uno o più capillari abbondanti rispetto al primo, in modo che eccessi e difetti si annullino esattamente tra loro. L’incertezza sulla proporzionalità dei flussi del gruppo da due capillari è buona (<0,05%) e, in termini relativi è ancora migliore per i gruppi più numerosi, dove l’incertezza assoluta non cambia, ma la relativa migliora in proporzione al numero di capillari nel gruppo. Può sembrare poco, ma tutte le tecniche concorrenti , sono lontane per almeno un paio di ordini di grandezza.
Controllo elettronico delle pressioni
Come da schema funzionale, sono monitorate le due pressioni in entrata (gas da diluire e gas diluente) e la pressione in uscita. Il circuito elettronico che realizza il controllo PID delle pressioni utilizza come riferimento la differenza calcolata tra le pressioni di ingresso e quella di uscita, mentre il set applicato è calcolato come “Pressione ai capi dei capillari interessati”. Questo è un altro punto chiave del progetto : nota la funzione logico-matematica che rappresenta fedelmente il comportamento del diluitore e la fisica circostante, attraverso l’applicazione dei set calcolati, il diluitore diventa un oggetto con le sue funzioni ed i suoi attributi, che realizza esattamente quanto chiesto dall’Utente in modo implicito : non è necessario comandare ogni sotto-funzione del diluitore, ma è sufficiente fornire le informazioni di base (concentrazioni e viscosità dei gas in bombola e portata di gas richiesta in uscita) per ottenere la diluizione o la concentrazione voluta in uscita.
Rappresentazione matematica del diluitore
L’argomento specifico è oggetto di un altro capitolo, ma due righe sul concetto possono chiarire quanto segue. Il rapporto di diluizione è il target della funzione che ci interessa ed è calcolato come rapporto di flussi. Poiseuille ci insegna che i flussi nei capillari sono funzione delle pressioni applicate, delle viscosità dei fluidi e di parametri dimensionali che, uguali a numeratore e denominatore della funzione “diluizione” si elidono. Resta una funzione (diversa per ogni modello della serie BetaCAP) di tipo logico/matematico che definisce la ripartizione dei capillari in funzione del rapporto KDil. richiesto e delle viscosità dei due gas o miscele applicati . Quando l’utente chiede al diluitore di realizzare una diluizione si attiva la funzione principale, che fornisce i set calcolati di regolazione pressioni del gas da dilyuire (dP1) e del gas diluente (dP0).
Grazie a questo approccio, tutte le funzioni necessarie vengono realizzate in un solo passo :
- Compensazione degli effetti dovuti a viscosità diverse (tra gas da diluire e gas diluente) Il diluitore agisce in modo autonomo in due modi complementari : modifica la ripartizione tra i capillari in modo che sulla via interessata dal gas con viscosità superiore siano attivati un numero maggiore di capillari (azione grossolana perchè approssimata all’intero più vicino) e corregge le pressioni applicate ai capillari (azione fine).
- Correzione delle deviazioni certificate. Nel certificato metrologico sono indicati i flussi misurati su gas da diluire e uscita diluita in corrispondenza dei funzionamenti che prevedono l’attivazione di un solo gruppo di capillari per volta : ciò è sufficiente al diluitore per calcolare la diluizione reale che risulta da una qualsiasi richiesta di diluizione. La funzione di correzione sposta il target dell’Utente in direzione opposta rispetto alla deviazione reale in modo che la diluizione reale porti al risultato corretto.
- Estensione del funzionamento “passo-passo” tipico dei capillari alla copertura continua del campo di diluizione. Immaginiamo il diluitore predisposto per una diluizione qualsiasi, ad es.: 8/30, corrispondente al passo 26,667% e immaginiamo di aumentare del 5% il valore di dP1 (la pressione del gas da diluire). E’ evidente che il flusso di gas da diluire aumenta e il valore che rappresenta la diluizione cresce. La funzione del diluitore è quindi estesa in modo che ogni ripartizione tra i capillari possa generare (in funzione delle pressioni applicate) una serie di diluizioni che (nel caso di BetaCAP30) abbiamo voluto limitare tra (N-0,5)/30 e (N+0,5)/30. In questo modo, sommando tutti gli intervalli, la copertura continua si estende da 0,5/30 a 29,5/30
- Nel grafico mostrato qui a destra si vede la traccia seghettata che indica il rapporto tra le pressioni applicate ai capillari (dP1/dP0), la traccia obliqua continua che indica il rapporto di diluizione in progressione continua e una traccia a scala, che rappresentail numeratore del rapporto di diluizione N/30.
Costruzione su manifolds
La gran quantità di giunzioni tra i 30 capillari (2 giunti per capillare) e tutti i dispositivi indicati nello schema funzionale (del caso più semplice che è BetaCAP30), ci ha indotto a cercare una soluzione alternativa a quella convenzionale di tubi e raccordi. Siamo fortunosamente caduti sulla scelta dei manifolds: coppie di parallelepipedi pieni (in PVDF o AISI316L) con i capillari inseriti metà linghezza per parte, tra due facce saldamente unite a comprimere una serie di O-ring di tenuta. Gli altri componenti sono inseriti in cave apposite sulle superfici esterne, mentre tutti i collegamenti reciproci sono ottenuti per incrocio di fori interni al massello.
