Progettazione Strutturale dei Sistemi di Pesatura per Serbatoi

1. Considerazioni iniziali

Per l'installazione delle celle di carico nei serbatoi si devono seguire alcune regole essenziali. Ad esempio, i serbatoi sono spesso soggetti alle condizioni climatiche od alle influenze relative al tipo di produzione. Quando si erigono nuovi serbatoi verticali all'esterno (sili, tramogge per carbone, ecc.), si devono osservare le vigenti norme edilizie concernenti le strutture interessate.
Notare che la successiva installazione degli strumenti di pesatura può essere considerata anche come "cambiamenti significativi" in termini di regolamenti edilizi. In questi casi si raccomanda la consulenza di un ingegnere strutturale. In generale, i regolamenti edilizi citano lo "stato dell'arte" con riferimento alle considerazioni sulla sicurezza. Per esempio, le sollecitazioni dovute al vento sono trattate dalla DIN 1055 Parte 4 “Ipotesi di carico per i componenti strutturali”.

Il progettista della struttura del serbatoio deve essere informato anche su eventuali specifici regolamenti aziendali interni. Se il loro contenuto è pericoloso, perfino in aree coperte da tettoie i serbatoi devono essere muniti di sistemi antiribaltamento se intorno a loro operano dei carrelli elevatori.

2. Distribuzione del carico

Si ottiene la disposizione ottimale delle celle di carico per determinare il peso di un serbatoio, allorché il serbatoio risieda su tre punti di appoggio ed ogni supporto sia munito di una cella di carico. Questo stato è indicato come staticamente determinato. Il carico complessivo dovrebbe essere distribuito il più uniformemente possibile sulle tre celle di carico. Nel caso di serbatoi cilindrici verticali o sospesi, il modo migliore per soddisfare tale requisito consiste nel disporre le tre celle di carico a distanza eguale rispetto all'asse verticale del serbatoio, sul medesimo piano ed a 120° una dall'altra. La Figura 1 definisce la disposizione dei punti di appoggio in un serbatoio orizzontale.

Se non tutti i supporti del sistema dispongono di una cella di carico, si consiglia la distribuzione non uniforme del carico applicato. I supporti muniti di cella di carico dovrebbero portare un carico maggiore di quelli senza cella. Questa misura può migliorare l'accuratezza globale del sistema di pesatura. Nella progettazione dell'impianto e per la scelta delle celle di carico, è preferibile che tutte le celle di carico siano soggette ad un carico della medesima entità.

Figura 1: Disposizione dei punti di appoggio A, B e C in un serbatoio orizzontale

Se un serbatoio è supportato da quattro o più appoggi, esso è staticamente ridondante od indeterminato. In questo caso, tutti i punti di appoggio devono essere muniti di cella di carico. La distribuzione uniforme del carico sui singoli trasduttori si può ottenere solo durante l'assemblaggio. A tal fine, i carichi sui trasduttori devono essere misurati individualmente e, se si trovano differenze inammissibili, si deve variare in altezza la posizione delle celle di carico interessate (con lamierini di spessoramento, ecc.). Le celle con carico troppo basse risultano generalmente posizionate in modo diagonalmente opposto una dall'altra.

Figura 2: Distribuzione del baricentro di un serbatoio con basamento di scarico inclinato, in funzione della massa di riempimento

3. Baricentro del serbatoio

Idealmente, il baricentro di un serbatoio riempito non dovrebbe essere più in alto dei punti di appoggio del serbatoio – una caratteristica frequentemente del tutto trascurata.

Per ragioni di stabilità, è vantaggioso che il baricentro risieda più in basso dei punti di appoggio. La posizione del baricentro in funzione del livello di riempimento ha notevole influenza sul numero di celle di carico che si devono utilizzare. Se il materiale di riempimento si dispone simmetricamente rispetto alle celle di carico, è possibile configurare un dispositivo di pesatura con una sola cella di carico, poiché la posizione del baricentro si muove lungo una linea verticale (vedere anche il punto 6.3). Se il baricentro si muove anche lateralmente quando cambia la massa di riempimento, tutti i supporti devono essere equipaggiati con cella di carico. Per applicazioni di questo tipo non si dovrebbero mai prendere in considerazione appoggi fissi od a pendolo!

La Figura 2 illustra la necessità di munire di cella di carico tutti i punti di appoggio se cambia la posizione del baricentro.

Figura 3: Connessione con lunga tubazione orizzontale

Figura 4: Giunzione elastica della tubazione

4. Condutture di alimentazione dei serbatoi

I serbatoi necessitano di connessioni di alimentazione, ad esempio per l'entrata e l'uscita del materiale e per l'alimentazione elettrica, idraulica o pneumatica delle unità ausiliarie montate sul serbatoio.

Queste connessioni possono provocare derivazioni (shunt) delle forze che si manifestano come errori che influenzano la precisione di misura dello strumento di pesatura. Le connessioni di alimentazione devono essere flessibili nella direzione verticale. Le Figure da 3 a 7 mostrano alcuni esempi di tubazioni idonee per le connessioni di alimentazione. In ogni caso, questi aspetti dovrebbero essere presi sempre in considerazione per motivi finanziari nella fase di progettazione e pianificazione.

Dovendo usare tubazioni rigide senza giunzioni flessibili intermedie, connettere preferibilmente il serbatoio con una sezione orizzontale di tubo la più lunga possibile. La sezione di tubo dovrebbe avere anche una compensazione della dilatazione in direzione longitudinale (Figura 3). La sezione orizzontale del tubo ha un effetto elastico in direzione verticale che diventa sempre più cedevole all'aumentare della lunghezza. La forza meccanica esercitata come pseudo carico di reazione (di trazione o compressione) sulle celle di carico, diventa corrispondentemente piccola e non più rilevante per l'accuratezza di misura.

Invece di un tubo lungo si possono usare numerosi giunti flessibili (Figura 4). Buoni risultati in termini di prevenzione delle forze di derivazione si ottengono con manicotti di giunzione realizzati con materiale elastico facilmente malleabile. In tal caso si deve tuttavia verificare la compatibilità dei materiali elastici con i materiali di riempimento e/o di pulitura, in particolare per l'industria alimentare e quella farmaceutica.

Un'altra possibilità per ridurre le forze di derivazione indesiderate causate dalla connessione delle tubazioni è l'impiego di tubi a gomito(Figura 5). Nel caso sia richiesta una conduttura di alimentazione verticale (cioè nella direzione della forza di gravità da misurare) o non si possano usare manicotti di giunzione, si sono dimostrati efficaci le giunzioni con i compensatori (quali i soffietti metallici) (Figura 6). Montando tali compensatori si devono mantenere rigorose tolleranze di installazione. Usando una seconda serie di soffietti metallici per connettere la prima con uno spezzone di tubo, è possibile compensare tolleranze ancora più grandi. In alcune aree ad alta intensità di pulizia dell'industria alimentare non è permesso l'impiego di soffietti metallici.

Il bocchettone di giunzione aperto mostrato in Figura 7 rappresenta la miglior soluzione per ridurre le forze di derivazione. La connessione aperta evita il contatto fra la tubazione ed il serbatoio. Questa forma non può essere utilizzata nei sistemi chiusi, per esempio con serbatoi pressurizzati.

Si dovrebbe sempre rammentare che anche parte del materiale nelle linee di connessione viene pesato. Il livello di riempimento delle linee di fornitura e di scarico connesse direttamente al serbatoio deve perciò essere riproducibile durante la rilevazione del peso. Ciò significa che quando viene effettuata la misurazione, le linee dovrebbero essere sempre completamente vuote o completamente piene.

5. Serbatoi pressurizzati

Negli impianti chiusi la pressione del sistema può influenzare i risultati di pesatura. Soprattutto nell'industria chimica, per alcuni processi sono richieste elevate pressioni positive. D'altra parte, gli impianti di aspirazione per la pesatura di materiale in polvere generano pressioni negative di 100 ... 300 mbar. Se la tubazione è connessa verticalmente al serbatoio come mostrato nelle Figure 5 e 6, viene esercitata una forza che influenza direttamente i risultati di misura. Il suo effetto equivale al prodotto della forza per l'area della sezione trasversale della tubatura. Se durante il processo di pesatura la pressione resta costante, la sua entità può essere presa in considerazione (calcolata) durante la misurazione. In qualsiasi caso è più adatta e preferibile la connessione orizzontale della tubazione rispetto a quella verticale. In questo caso, le forze parassite generate vengono assorbite dai supporti dell'installazione.

Figura 13: Tramoggia rettangolare su quattro celle di carico

Figura 8: Serbatoio verticale in installazione rigida con una cella di carico

Figura 9: Serbatoio verticale con due appoggi fissi ed una cella di carico con compensazione

Figura 11: Silo tondo su moduli di pesatura

Figura 12: Disposizione dei moduli di pesatura con un serbatoio flangiato

6.1 Esempi esecutivi della disposizione ed installazione delle celle di carico

Le strutture tipiche dei serbatoi sono raffigurate in forma stilizzata mediante degli esempi. I dettagli strutturali ed i riferimenti ai problemi sono presentati in modo più dettagliato nelle relative sezioni.

6.1.0 Serbatoi verticali

Per liquidi e materiali sfusi con riempimento centrale è possibile la disposizione con due appoggi fissi ed una cella di carico. Il serbatoio deve avere una struttura simmetrica per cui, la linea raffigurante il movimento del baricentro del contenuto per l'intero campo del livello di riempimento, sia di forma pressoché verticale ed appropriata alla precisione richiesta. In tutti gli altri casi, in particolare se è richiesta maggior precisione, sono necessarie disposizioni preferibilmente con tre celle di carico ed in alcune circostanze con un numero maggiore.

6.1.1 Installazione rigida con una cella di carico

Questa struttura semplice su un supporto e cella di carico montata rigidamente non è affatto raccomandabile. La struttura stessa provoca effetti problematici sulla cella di carico. A causa delle deformazioni dovute alle variazioni del livello, alle vibrazioni ed ai cambiamenti della temperatura, non si possono in genere escludere gli effetti sulle celle di carico. Tuttavia, in alcuni casi è ancora possibile trovare questo genere di installazione.

6.1.2 Serbatoio verticale con due appoggi fissi ed una cella di carico con compensazione

Questa misurazione del livello di riempimento utilizza una cella di carico a pendolo e due appoggi fissi, coi quali viene anche limitato il movimento orizzontale del serbatoio. Questa struttura, pur essendo economica, non presenta effetti inaccettabili sulla cella di carico.

6.1.3 Alto silo tondo con tre o quattro celle di carico

I livelli esatti si misurano solitamente con tre celle di carico. Nel caso di strutture rettangolari simmetriche si trovano talvolta anche disposizioni a quattro celle di carico, ma ciò è in genere sfavorevole, sia a causa dell'indeterminatezza statica che del costo maggiore. D'altro canto esse sono più facili da installare nella struttura. Gli appoggi ad elastomeri autocentranti non necessitano dei tiranti. Al loro posto si usano solitamente delle battute fisse di arresto. Nel caso di serbatoi molto alti sono necessari dei tiranti addizionali nella zona superiore. Nell'esempio vengono utilizzati tiranti di sezione tonda con dispositivo di pretensionamento e controdado di bloccaggio. A questo punto le battute di arresto sarebbero continuamente a contatto col serbatoio non appena esso inevitabilmente si sposta leggermente dalla sua posizione ideale, e l'attrito del contatto può provocare forze di derivazione (shunt). Come alternativa vengono meno frequentemente utilizzate delle battute a rullo o dei tiranti a fune.

6.1.4 Silo tondo con tre moduli di pesatura

Tre moduli di pesatura con tirante integrato che contattino tangenzialmente la circonferenza della struttura, mantengono il serbatoio orizzontalmente stabile senza la necessità di ulteriori precauzioni. Il dispositivo antisollevamento del modulo di pesatura impedisce il ribaltamento del serbatoio. Ciò consente di eliminare numerosi dettagli strutturali della costruzione esterna. A titolo di esempio sono qui raffigurati anche dei tipici moduli di pesatura ber bassi, medi ed alti carichi. Questi elementi standardizzati semplificano la progettazione e riducono notevolmente i costi di costruzione. Per contro, si richiede una considerevole cura per garantire il parallelismo delle superfici di contatto, delle regolazioni in altezza, ecc.

6.1.5 Serbatoio flangiato su moduli di pesatura

I serbatoi flangiati, usati abbastanza frequentemente nelle applicazioni pratiche, hanno una gonna esterna che si estende fino alla base e che serve a garantire la stabilità complessiva del sistema. L'installazione delle celle di carico non è una cosa semplice. La Figura 12 mostra una variante della struttura per favorire la pesatura di questi serbatoi con le celle di carico. Tale suggerimento è relativamente facile da implementare anche in sistemi già esistenti.

Nella parete interna del serbatoio vengano montati o saldati dei rinforzi. Il carico viene introdotto rigidamente nella cella di carico mediante una mensola. Anche in questo caso si dovrebbero preferire i moduli di pesatura con celle di carico, poiché essi dispongono dei dispositivi antiribaltamento, ecc. (non mostrati in Figura 12 per migliorare la visibilità). Il leggero sollevamento della struttura è sufficiente per dirigere l'intera forza peso sulle celle di carico. Il sistema deve essere frequentemente sigillato. Ciò si ottiene mediante un anello di tenuta circolare che, grazie alla sua flessibilità, non genera alcuna forza parassita di derivazione.

6.1.6 Tramoggia rettangolare in una stazione di riempimento su quattro celle di carico

Date le vibrazioni del sistema di trasporto, le oscillazioni dei dispositivi di carico e scarico connessi e, se la tramoggia di pesatura è parte di un sistema mobile, anche le accelerazioni della movimentazione, le condizioni operative della stazione di riempimento sono molto severe. Non per ultimo, quando viene versata nella tramoggia, la merce grossolana sfusa può colpire le pareti laterali inclinate con forza sufficiente da causare notevoli carichi di taglio. In questi casi si deve provvedere un tirante di ritenuta particolarmente stabile con pretensione fissata. Occasionalmente il recipiente è trattenuto da un sistema addizionale di bloccaggio che viene rilasciato al momento del processo di pesatura. Per ragioni di stabilità, in questo caso è vantaggiosa la simmetria rettangolare e viene pertanto utilizzata anche nella disposizione delle celle di carico. Vengono impiegate celle di carico con appoggi ad elastomero e, come nell'esempio, celle di carico a pendolo.

Figura 14: Serbatoio sospeso con tre celle di carico

Figura 15: Serbatoio sospeso con una cella di carico

6.2 Serbatoi sospesi

I problemi di centraggio e di regolazione in altezza si possono sovente eliminare o semplificare sospendendo i serbatoi a semplici barre tonde flessibili. Inoltre, per la protezione dal ribaltamento è sempre necessario l'impiego di tiranti che prevengano oscillazioni e rotazioni.

6.2.1 Sospensione con due o tre celle di carico

La struttura complessivamente semplice richiede più tiranti disposti tangenzialmente. Nel caso di basse sollecitazioni, la loro funzione può essere assunta dal tubo di uscita laterale inferiore.

6.2.2 Sospensione centrica con una cella di carico

Per questa disposizione è indispensabile un sistema di vincoli che prevenga l'oscillazione e la rotazione.

6.3 Serbatoi orizzontali per liquidi

Nei serbatoi orizzontali per liquidi viene generalmente soddisfatta la condizione che il baricentro del contenuto si sposti approssimativamente lungo una linea verticale al variare della massa di riempimento. Per tale misurazione relativamente semplice del livello è perciò sufficiente una cella di carico sotto una sella del serbatoio e due appoggi fissi sotto l'altra sella.

Il serbatoio idealizzato grava con metà del suo peso sulla cella di carico a pendolo autocentrante e con l'altra metà sui due appoggi fissi. In circostanze normali non sono necessari ulteriori vincoli. Tuttavia, per serbatoi molto lunghi si possono attuare protezioni addizionali antiribaltamento per il caso di forti urti laterali, mediante battute di arresto che limitino il movimento laterale alle due estremità della sella che grava sulla cella di carico.

Nelle applicazioni pratiche, la distribuzione simmetrica del contenuto è però spesso perturbata da una leggera e deliberata inclinazione della linea di base verso il lato del bocchettone di uscita ivi situato. Per la maggior precisione della pesatura, la soluzione ottimale è l'impiego di tre celle di carico autocentranti con relative battute di arresto, quale miglior modo di implementazione del vincolo orizzontale.

Figura 16: Serbatoio orizzontale per liquidi con una cella di carico C16 (schematizzazione)

Celle di Carico HBM

Celle di Carico della HBM