Le tecniche di diluizione

Panoramica

In Europa, la norma ISO6143 specifica le modalità per determinare e controllare la composizione delle miscele di gas usate per la calibrazione degli analizzatori, e la norma ISO6145-1 definisce i modi di preparazione delle stesse miscele utilizzando metodi volumetrici dinamici.  Indica le diverse tecniche utilizzabili.

Sostanzialmente si tratta di tecniche capaci di indurre flussi controllati e quindi noti di gas che, opportunamente combinati, producono miscele note.                   

Osserviamo in maggiore dettaglio nel seguito solo tre delle possibili tecniche :

  • Orifizi calibrati o capillari : gli orifizi calibrati operano in regime vorticoso, mentre i capillari operano in regime laminare.  Gli orifizi sono utilizzati in sezione diversa per ottenere su ciascun orifizio valori di flusso crescenti secondo la progressione 2^n, mentre i capillari sono selezionati per essere “uguali”.  
  • Controllori di flusso : viene spesso aggiunto il termine “massico”, ma in realtà si basano su una misura di flusso di tipo “termico” (trasferimento di calore da un elemento caldo a uno o due sensori opportunamente posizionati nella cella di misura) e sul controllo del flusso attraverso una valvola e un circuito di regolazione ad anello chiuso.
  • Altre tecniche (es.: misuratore volumetrico a bolla o a pistone) sono caratterizzate da ottimi valori di sensibilità e accuratezza, ma non si prestano alla produzione di diluitori dinamici.  Possono peraltro essere utilizzati per verifiche di qualità sui diluitori.

Orifizi calibrati o capillari

A dispetto della relativa “semplicità” danno entrambi ottimi risultati in termini di precisione, stabilità a lungo termine ed affidabilità. Le diverse diluizioni sono possibili a passi discreti, corrispondenti alle diverse connessioni (al gas da diluire o al gas diluente) dei diversi orifizi o capillari.

  • Orifizi calibrati (a sezione crescente) consentono la selezione di un numero di “passi” pari a 2^n, ove n è il numero di oifizi installati.  Ad esempio, con 7 orifizi si possono realizzare 256 diversi rapporti di diluizione tra 0 e 100% del gas da diluire.  Al sistema di misura per la verifica metrologica degli orifizi a sezione crescente sono peraltro richieste ottime qualità in termini di linearità.  Inoltre, un misuratore di flusso idoneo per l’orifizio maggiore rivela i suoi limiti quando deve misurare gli orifizi più piccoli (orifizi a sezione diversa).
  • Capillari (a sezione costante) consentono la selezione di un numero di “passi” di diluizione pari al numero dai capillari installati. Ad esempio (BetaCAP30) con 30 capillari si possono realizzare 30 diversi fattori di diluizione (oltre allo zero).   I punti “forti” di questa tecnica sono la facilità e l’accuratezza ottenibili nel processo di selezione dei capillari con un banco di prova “essenziale”.  Tutte le misure utili corrispondono a valori di flusso quasi uguali : le condizioni di prova (es.: la pressione applicata) vengono adeguate alla necessità per ottenere la migliore risoluzione.  Tutte le misure vengono confrontate con la misura ripetuta su un capillare del lotto : non interessa il valore assoluto della misura e quindi non è richiesta neppure la riferibilità del sistema di misura. L’unica caratteristica richiesta è la ripetibilità (pressione applicata, temperatura e misura di flusso) nel tempo necessario a qualificare un lotto di capillari da installare in un singolo diluitore.

Controllori di flusso

Sono composti da un misuratore di flusso ed un sistema di regolazione ad anello chiuso : le caretteristiche di incertezza sono legate alla incertezza della misura ed alla banda morta del regolatore.  Il pregio principale è costituito dalla “continuità” dei fattori di diluizione che possono essere realizzati : il fattore di diluizione può assumere tutti i valori compresi in una banda definita.

Diverse “bande di diluizione” possono essere ottenute accoppiando regolatori di flusso caratterizzati da diversi campi di regolazione.  Esistono in commercio regolatori di flusso con campi che vanno da pochi microlitri/min a decine di litri/min. Tutti suggeriscono un utilizzo non superiore al 10…100% del f.s.

Infatti, la parte prevalente dell’errore è relativa al fondo scala del regolatore ed è evidente che in termini relativi al flusso effettivo, questo si moltiplica per 10 quando si opera al 10% del campo di lavoro.

Anche la linearità di risposta dei sensori di flusso gioca un ruolo importante : alcuni costruttori dichiarano la “completa” ?linearizzazione con l’utilizzo di polinomiali correttive.

Vanno anche sottolineati problemi di scarsa affidabilità e derive importanti in caso di utilizzo portatile principalmente dovuti a scarsa resistenza agli shocks, una maggiore sensibilità alle condizioni atmosferiche (e necessità di regimazione all’accensione) .

La maggiore flessibilità dovuta alla possibilità di scelta “continua” della concentrazione diluita, viene pagata in termini di accuratezza inferiore e qualche problema di affidabilità dovuti alla criticità degli stati superficiali nelle dimensioni miniaturizzate del sensore di flusso.

In passato erano l’unica opzione per produrre diluitori con rapporti molto spinti (oltre 1000 : 1), diventando uno standard per gli analizzatori di qualità dell’aria

Una considerazione “leggera” …

Mi è capitato di sentire commenti del tipo : ma io avrei preferito una soluzione con utilizzo di tecniche più avanzate !

A parte il fatto che Hagen e Poiseauille non sono personaggi della preistoria, cosa dovremmo dire delle ruote applicate alle auto di formula 1 ?   La forma circolare è applicata fin dall’era Neolitica (più di 7000 anni fa’) : la vogliamo cambiare ?  non vogliamo la ruota di pietra scolpita, ma la forma circolare pensiamo di usarla ancora per un po’.

La tecnica dei capillari è applicata oggi con soluzioni nuove (cui Beta Strumentazione ha dato il maggiore impulso) che permettono la realizzazione di funzioni inaspettate, anche solo pochi anni fa’.

E’ proprio la relativa semplicità delle regole che governano il flusso dei fluidi nei capillari che ci ha consentito di raggiungere e garantire i più bassi livelli di incertezza sulle diluizioni.