Celle di misura in ceramica: robuste, precise, resistenti alla corrosione

Michaela Sum

La pressione è uno dei parametri più importanti nei processi dell’industria chimica. Inoltre, tramite la misura di pressione e di pressione differenziale è possibile determinare anche il livello, la portata in volume o lo stato di un filtro. Nel settore chimico però, i sensori di pressione devono soddisfare requisiti particolari. Gli strumenti di VEGA sono in grado di farlo, grazie alle celle di misura metalliche e soprattutto a quelle in ceramica.

Sviluppo e produzione in-house

VEGA ha sviluppato la cella di misura in ceramica CERTEC® ed è una delle poche aziende al mondo a produrla internamente. CERTEC è la base dei sensori di pressione in ceramica. Tramite una procedura complessa in condizioni di camera bianca, la membrana e il corpo base in ceramica all’ossido di alluminio vengono stampati con una pasta a base d’oro e uniti ad alta temperatura con vetro di saldatura a formare la cella di misura.

I numerosi vantaggi della ceramica

Oltre alla resistenza alla corrosione, la cella di misura in ceramica offre i seguenti vantaggi:

  • eccellente stabilità nel lungo termine
  • elevata affidabilità
  • eccezionale resistenza al sovraccarico

Consente di effettuare misure precise nel lungo periodo. Nonostante i vantaggi evidenti, la cella di misura in ceramica è vista con un certo scetticismo per la presunta fragilità del materiale. "Lo scetticismo è infondato", chiarisce Robin Müller, manager prodotti di VEGA. "Le celle di misura in ceramica hanno una resistenza al sovraccarico nettamente superiore rispetto a quelle metalliche. Mentre le membrane metalliche possono deformarsi irreversibilmente in seguito all’azione di forti pressioni, la membrana in ceramica si appoggia semplicemente al corpo base, per poi tornare successivamente nella propria posizione iniziale."

Robusta e priva d’olio

VEGA produce le celle di misura in ceramica nella camera bianca.
Un altro argomento a favore della cella di misura in ceramica: è una cella a secco, cioè priva di olio. In caso di rottura del diaframma, nessuna sostanza può fuoriuscire e contaminare il campione, a differenza di una cella di misura metallica, dove spesso è necessario utilizzare l'olio come mezzo di trasmissione. I progettisti e gli operatori ne approfittano anche quando si tratta di misurare gas aggressivi e tossici, poiché in questi casi la sicurezza riveste un ruolo particolarmente importante. Ma anche nelle applicazioni con i VEGABAR 82 e 83 in presenza di acidi e alcali, VEGA è in grado di offrire materiali altamente resistenti per gli attacchi di processo e la cella di misura - e anche con una "seconda linea di difesa". Ciò significa che la cella di misura è separata dall'elettronica da un passante in vetro a tenuta di gas.

Shock termici? Nessun problema!

Nel frattempo, la sensibilità all’umidità e agli shock termici dei sensori in ceramica – che in passato rappresentava uno svantaggio rispetto alle celle di misura metalliche – non è più un problema. Da un lato si misura la temperatura di processo in base alla quale si compensa l’influsso della temperatura sul valore di misura di pressione. Allo stesso tempo, un secondo sensore termico, installato nella giuntura in vetro direttamente dietro la membrana in ceramica, rileva anche le più piccole variazioni di temperatura. Un algoritmo nell’unità elettronica del sensore garantisce la compensazione degli shock termici. "I valori che risultano da questa misura di temperatura relativamente sensibile sono inoltre disponibili, e quindi utilizzabili, come segnali a parte", spiega Robin Müller illustrando un’ulteriore utile funzione.

Idoneità all’idrogeno

L’impiego in applicazioni in presenza di vuoto o idrogeno rappresenta una particolare sfida per la tecnica di misura. Il vuoto determina un abbassamento del punto di ebollizione dei liquidi, per cui può succedere che l’olio della cella di misura metallica inizi a bollire già a temperature inferiori alla temperatura di ebollizione atmosferica. L’idrogeno presenta un ostacolo diverso, ma non meno insidioso: le molecole di idrogeno sono in grado di penetrare attraverso il metallo e dunque anche attraverso la membrana sottile di una cella di misura di pressione metallica. "In caso di diffusione nella e attraverso la membrana metallica, l’idrogeno reagisce con l’olio di trasmissione che si trova dietro ad essa", spiega Robin Müller. Si formano così depositi di idrogeno che possono determinare variazioni permanenti delle prestazioni di misura.

Oltre alla diffusione, un altro pericolo correlato all’idrogeno è l’infragilimento del materiale. Per ovviare a questo problema, per i sensori destinati all’impiego nei processi dell’idrogeno VEGA utilizza materiali resistenti, attacchi stagni alla diffusione e rivestimenti in oro e oro e rodio. In questo contesto, le celle di misura in ceramica a secco risultano particolarmente vantaggiose: "Anche se l’idrogeno dovesse penetrare nella cella di misura, non potrebbe danneggiarla", spiega Robin Müller. Pertanto, "i sensori di pressione in ceramica sono predestinati all’impiego" per la produzione di idrogeno tramite elettrolisi a basse pressioni. 

Misura di pressione differenziale senza linea di trasmissione degli impulsi grazie a una coppia di sensori collegati elettricamente.
Generalmente questa misura prevede l’installazione di un sensore di pressione differenziale, la cui cella di misura viene collegata alle aree di processo da comparare tramite una linea di trasmissione degli impulsi. Quest’ultima però "nella prassi crea spesso problemi", spiega Robin Müller, poiché ad esempio a basse temperature i liquidi o la condensa si congelano o la misura risulta imprecisa a causa di inclusioni di gas. La soluzione di VEGA: l’impiego di due sensori collegati elettricamente, che però lavorano separatamente. Questo consente di ottenere una misura di pressione differenziale precisa e affidabile, senza linea di trasmissione degli impulsi soggetta a errori.

Misura di pressione differenziale semplice e sicura

Nelle applicazioni dell’industria chimica, la misura di pressione differenziale fornisce importanti valori per la misura di portata, livello e pressione dei serbatoi. Consente per esempio di

  • misurare il livello in un serbatoio in pressione
  • rilevare la portata in corrispondenza di diaframmi di misura
  • monitorare filtri o scambiatori di calore

In quest’edizione del VEGA talk, Stefan e Tom spiegano esattamente cos’è che rende così stabile la cella di misura in ceramica:

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Cella di misura in ceramica: l’alternativa ottimale

Struttura della cella di misura in ceramica
Per i processi chimici caratterizzati dall’impiego di sostanze aggressive, in molti casi i sensori di pressione in ceramica sono però l’alternativa ottimale agli strumenti in metallo, e non solo grazie alla straordinaria resistenza alla corrosione. Ma come funziona un sensore di pressione in ceramica? È paragonabile a un condensatore: insieme all’aria che funge da dielettrico, gli elettrodi di misura integrati nella membrana e nel corpo base creano un campo elettrico. Per effetto della pressione esercitata sulla membrana in ceramica, quest’ultima si flette leggermente determinando una variazione della capacità. In base alla calibrazione di fabbrica, da questa capacità è possibile ricavare la pressione.

Cella di misura metallica: una soluzione affidabile

Da decenni, i sensori di pressione in metallo come il VEGABAR 83 garantiscono sicurezza e affidabilità negli impianti chimici. Sono realizzati per lo più in acciaio speciale come 316L o altre leghe, per cui sono perfettamente idonei all’impiego in presenza di condizioni difficili. Grazie alla struttura robusta, resistono sia alle pressioni elevate, sia alle temperature estreme. 

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