Automazione pneumatica

Per comprendere l’automazione pneumatica abbiamo pensato di fornirvi il primo di una serie di articoli per aiutare a comprendere il mondo della pneumatica e dell’aria compressa e per risolvere le problematiche che si presentano con maggior frequenza.

Umidità nell’aria

L’aria contiene normalmente umidità e in volendo gestire l’automazione pneumatica è necessario entrare nel dettaglio.

La quantità di vapore acqueo presente in un metro cubo di aria è funzione solo della temperatura ed è indipendente dalla pressione. Pertanto se un metro cubo di aria viene compresso alla metà del suo volume originario, il contenuto di vapore acqueo si ridurrà della metà e l’eccesso si trasformerà in acqua, questo nell’ipotesi che la compressione non comporti un aumento della temperatura.  In altre parole nella fase di compressione l’aria si riscalda e quindi aumenta la capacità dell’aria di trattenere vapore acqueo come è illustrato nel grafico sottostante:

Umidità relativa, assoluta, di saturazione e punto di rugiada

Si definisce umidità assoluta la quantità, in grammi, di vapore acqueo contenuto in un metro cubo di aria.

L’ umidità relativa è la percentuale data dal rapporto tra l’umidità assoluta e l’umidità di saturazione moltiplicata per 100.

Umidità relativa= (umidità assoluta/ umidità di saturazione) * 100

L’ umidità di saturazione, invece, è la quantità massima di vapore acqueo che l’aria, a quella data temperatura, può contenere.

Il punto di rugiada (DEW POINT) dell’aria umida è la temperatura alla quale, in un raffreddamento a pressione costante, l’aria diventa satura e qualsiasi ulteriore abbassamento di temperatura provoca la condensazione del vapore.

 

Le unità di misura in pneumatica

Unità di misura della pressione

Nel sistema internazionale (SI) l’unità di misura della pressione è il Newton su m, a tale unità si assegna il nome di Pascal (Pa):

1 PA= 1 N/ m

In pratica essendo il Pascal un’unita di misura estremamente piccola, vengono generalmente utilizzati i multipli quali il kPA o preferibilmente il bar (1 bar= 105 Pa) unità ammessa dal sistema SI, molto utilizzata nelle applicazioni pneumatiche.

Allo stesso modo, nei paesi anglosassoni, è ancora molto utilizzato il “psi” (libbra/pollice): 

1 Kpa= 0,01 bar = 0,145 psi = 0,0102 kg/cm

Unità di misura della forza

L’unità di misura della forza è il Newton (N) ed è pari ad un Kg * m/s

1 N = 1 Kg * 1 m/s = 1 Kg * m/s per cui 1 Kpa = 9,81 N/m

Unità di misura dell’energia

L’unità di misura dell’energia è il Joule. Si definisce energia la capacità di un corpo di produrre lavoro. 

1 J = 1 N * 1 m

Frequente è anche l’uso della kilocaloria. 1 kilocaloria è pari a 4186 joule.

Unità di misura della potenza

L’unità di misura della potenza è il Watt. Si definisce potenza il lavoro compiuto nell’unità di tempo. 

1 W = 1 J/1 s

Altre unità ricorrenti 1 hp = 0,746 watt, 1 CV = 0,735 watt

 

La pressione

Un altro concetto di rilevante importanza nell’automazione pneumatica è quello della pressione.

La pressione è la forza che un fluido esercita su di una superficie. E’ data dalla forza F rapportata alla superficie S su cui agisce la forza: 

p= F/S

Diversi tipi di pressione

La pressione dell’aria compressa misurata dai manometri è una pressione relativa. La pressione assoluta è data dalla pressione atmosferica più la pressione dell’aria nel contenitore o nel tubo d’aria compressa. Quindi la pressione relativa ha come origine la pressione atmosferica.

In breve vediamo nel dettaglio le definizioni principali delle pressioni utilizzati nell’automazione pneumatica:

• Pressione d’entrata= è quella all’entrata di un regolatore di pressione
• Pressione d’esercizio = è quella presente nel serbatoio che dovrà alimentare le tubazioni della rete di distribuzione e che, normalmente, è fissata in un campo che va da 0,7 MPa a 1,4 MPa (7-14 bar).
• Pressione di lavoro= è la pressione necessaria alla utilizzazione; normalmente è di 0,6 MPa (6 bar) essendo questa la pressione richiesta per il funzionamento dei componenti pneumatici.
• Pressione di intervento= si definisce così la pressione pneumatica con cui il pistone si muove nel cilindro per la commutazione di una valvola pneumatica.

La portata

La portata è il volume di gas o di liquido che passa nell’unità di tempo attraverso una determinata sezione. Nella pratica viene chiamata portata la quantità dell’aria fornita da un compressore.

In altre parole la portata può essere espressa come risultato della moltiplicazione di V, la velocità del fluido, per S, l’area della sezione del passaggio.

Q= V * S

E’ solitamente espressa in m3/s ma è frequente usare anche i m3/h o i l/s (litri al secondo) = 1 dm/s.

Di solito in pneumatica, per esprimere la portata si usa il Normal Litro (nL) o il normal metro cubo (nm) riferiti all’unità di tempo. Il dato si riferisce ad una temperatura di 20°C ed alla pressione atmosferica presente al livello del mare.

La velocità di passaggio dell’aria attraverso una sezione può facilmente raggiungere, ma non superare, la velocità del suono. E’ sufficiente che il rapporto tra la pressione più bassa e la pressione più alta sia maggiore di 0,5.

Quindi dati due recipienti contenenti aria compressa in uno a 8 bar e nell’altro a 2 bar, quando vengono messi in comunicazione con una canula l’aria che fluisce raggiunge la velocità del suono.

Di conseguenza la portata oltre un certo differenziale di pressione non è proporzionale al salto di pressione.

 

La portata nei compressori

Il rapporto di compressione è dato dal rapporto tra la pressione assoluta di mandata P (l’aria in uscita) e la pressione assoluta di aspirazione Po ed è indicato con fl.

fl = P / Po

La portata teorica è data dal prodotto della cilindrata (intesa come cilindrata al giro) per il numero dei giri nell’unità di tempo dell’albero motore. Unità di misura della portata teorica sono: nL/m, nL/s, m3/h, m3/m. La portata teorica può essere vista come la quantità di aria atmosferica aspirata che il compressore riesce a comprimere nell’unità di tempo considerata.

La portata effettiva è la portata che realmente il compressore fornisce. Le unità di misura sono le medesime della portata teorica. La differenza fra le due portate è data dal coefficiente di riempimento del cilindro (rendimento volumetrico).

 

In breve ecco i prossimi argomenti sull’automazione pneumatica che verranno trattati:

• Compressori d’aria
• L’impianto di generazione dell’aria compressa
• Trattamento dell’aria compressa
• Cilindri
• Elementi di comando e di controllo