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Giornata di studioGiornata di studioProblematiche di misura e taratura nelle Problematiche di misura e taratura nelle
misure di energia e ambientalimisure di energia e ambientali
Prof. Marco Dell IsolaDipartimento di Meccanica Strutture Ambiente e Territorio
Università degli Studi di CassinoVia Di Biasio, 43 03043 Cassino (Fr)
E-mail: dellisola@unicas.itwww.unicas.it
Importanza della misura di energia: i consumi energetici in Italia nel 2002
58.1 MTep di gas naturale
90.9 MTep di petrolio
12.4 MTep da fonti rinnovabili
11.1 MTep da importazione
Contabilizzazione, Bilanci e Rendimenti
BILANCI e RENDIMENTI:
Misura delle variazioni di energia e di flussi energetici
TRANSAZIONI COMMERCIALI Contabilizzazione dei flussi energetici
1
1
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uu
metododiretto N
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E
1 1
1
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metodoindiretto N N
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E
E E
Quale energia?
Misurare la quantità di energia in differenti forme:
ChimicaElettricaMeccanicaTermica
Misurare la qualità dell energiaExergiaInquinamento ambientale prodottoRinnovabilitàContinuità e qualità dell erogazione
Problematiche di misura dell energia
Contabilizzazione dei combustibili fossili (benzina, gas naturale, ecc.) effettuata ancora in volume
Misuratori di energia elettrica e termica non sottoposti al controllo metrico-legale;
Assenza di misuratori di energia termica (CET nei condomini con sistemi di riscaldamento centralizzati)
Liberalizzazione del mercato italiano ed europeo dell energia elettrica e del gas
Misura indiretta
Misura energia elettrica (es. corrente e tensione)
Misura energia termica (es. temperatura e portata)
Misura energia meccanica (es. coppia e spost. angolare)
Misura energia chimica (es. massa e comp.chimica)
Misura dei flussi di energia meccanicaLa misura del flusso di energia meccanica (ovvero del lavoro meccanico fornito da un motore o assorbito da una macchine utensile) è fondamentale per descrivere le prestazioni di una qualunque macchina motrice o operatrice.Solo attraverso la misura dei flussi di energia in ingresso e uscita è possibile determinarne il rendimento. Molto spesso (i.e. negli impianti di conversione dell energia) è, inoltre, necessario misurare accanto al lavoro meccanico il flusso convettivo di energia meccanica (cinetica e potenziale) associata al flusso di massa.
Masse Campione
Blocchetti piano paralleli
Torsiometri
ContagiriL = C . SaLavoro d elica
Bilance di pressioneAltimetriE = M.g.zEnergia potenziale
Tubo di pitot
Bilance di pressioneAnemometriE = ½ M . V2
Energia cinetica
Masse Campione
Blocchetti piano paralleli
Dinamometri
celle di caricoL = F . S
Lavoro di variazione di volume
Campioni StrumentiGrandezza fisica
(misura diretta)
Grandezza fisica
(misura indiretta)
Misura del Lavoro meccanico:Principi di misura
Torsiometri (esempio)un ponte estensimetrico,
elemento meccanico elastico
trasmissione segnale elettrico e alimentazione elettrica (contatti striscianti e trasformatore rotante)
Contagiri (esempio)rilevatore di posizione
contatore
Banchi dinamometrici (esempio)freno
motore
Riferibilità nelle misure di Flussi di Energia Meccanica
Standardizzazione delle tecniche di misura riconducibili a settori consolidati e metrologicamente riferibili
I settori in questione si riferiscono infatti a:
la metrologia dimensionale (spostamenti lineari ed angolari)
la dinamometria (massa, forza e coppia)
la frequenza e il tempo---
Potenza meccanica
(Banchi dinamometrici)
--4
(1)
Spostamento angolare
(contagiri)
--31Spostamento
--5Coppia
--18Forza
Servizi Metrico-legali
Centri SINAL
Centri SIT
Grandezze
Energia Meccanica
Misura dei flussi di energia termica
Le misure del flusso di energia termica possono essere ricondotte alle tre modalità di scambio termico e alla direzione dello scambio ovvero a: i) la misura dell energia termica trasmessa per conduzione attraverso superfici di controllo; ii) la misura del flusso di energia termica trasmessa per mezzo di un fluido termovettore; iii) la misura della radiazione termica (mediante la misura diretta del flusso radiativo o indirettamente mediante la misura della temperatura della superficie emittente con tecniche termografiche).
TRP
MRC Heat Flux Meter
(Calorimetri)Q/A = k/L T
Energia termica conduttiva
Corpi neri (MRC)
Lampade, foto-rilevatori
Heat Flux Meter
(Radiometri,pirometri) Q/A = T4
Corpi neri (MRC)
Lampade, foto-rilevatori
Pireliometro
(Piranometro)Q/A
Energia radiativa
TRP Volumi campioneHeat Meter
(CET) E = m c T
Energia termica convettiva
Campioni StrumentiGrandezza fisica
(misura diretta)
Grandezza fisica
(misura indiretta)
Misura dell energia termica:Principi di misura
Contatori di energia termicaCET
Calorimetri (flux meter\ heat flux)Stazionari (gradiente di temperatura)
Instazionari (variazione di temperatura)
RadiometriPireliometro
Piranometro
Radiometri
Pirometri
Modulodi calcolo
Tm
Tr
UTENZA
d
q
Sensori di temperatura
sottostrato
Resistenza termica
Riferibilità nelle misure di Flussi di Energia Termica
La taratura dei radiometri, pirometri, piranometri e pireliometri non sempre risulta semplice sia a causa dell influenza di tutte le superfici emittenti, ma anche e soprattutto per la insufficiente conoscenza delle proprietà emissive dei corpi e della loro variabilità al variare della temperatura.
I settori in questione si riferiscono infatti a:
Termometria
Radiometria e fotometria
ma anche a:MRC (per le proprietà termofisiche)
Area (lunghezza), massa e volume
-SI25Temperatura
-SI2Portata
--SIArea
-SIProprietà termofisiche
--1Flusso radiativo
---Flusso conduttivo
(HFS)
---Flusso convettivo
(CET)
Servizi Metrico-
legali
Centri SINAL
Centri SIT
Grandezze
Energia Termica
Misura dei flussi di energia elettrica
La caratteristica che contraddistingue l energia elettrica è la capacità di essere vettoriata con estrema facilità rispetto alle altre forme di energia. La sua misura ha un importanza pratica di enorme rilevanza dato che costituisce la base dei rapporti commerciali tra produttore ed utente. La misura dell energia elettrica può essere effettuata mediante numerosi strumenti ed apparati classificabili in analogici (elettrostatici di tipo volt-amperometrici, elettrodinamici di tipo ad induzione magnetica, etc...) e digitali .
Pile e Resistenze campione
Calibratori elettrici
Wattmetri, TA e TV
Pile e Resistenze campione
Calibratori elettriciContatori elettrici
Energia elettrica
AC
Pile e Resistenze campione
Calibratori elettrici
Voltmetri
Amperometri
Energia elettrica
DC
Campioni StrumentiGrandezza fisica
(misura diretta)
Grandezza fisica
(misura indiretta)
0
0
cos
t
el
t
rms rms
E Pdt
V I dt
2
1
t
el
t
E Pdt k n
2DC
el DC DCV
VE P V I
R
Misura dell energia elettrica:Principi di misura
Contatori di energia elettrica ad induzione
Lo strumento consiste di due bobine magnetiche elettromagneti (una eccitata dalla corrente del circuito,detta amperometrica ed una alimentata con la tensione del circuito, detta volumetrica)di un disco conduttore di alluminio, calettato su di un albero, ed interposto tra le due espansioni polari delle bobine. Il disco viene in tal modo investito da due flussi magnetici generati dalle correnti che circolano negli avvolgimenti degli elettromagneti e che a loro volta inducono delle correnti che generano una coppia motrice che mette in rotazione il disco.
Contatori di energia elettrica digitali
I contatori digitali permettono di effettuare una misura contemporanea di tensione e corrente per una valutazione più corretta della potenza assorbita.Questi strumenti sono costituiti da : un trasduttore voltmetrico (Tv) ed uno amperometrico (TA), due Sample and Hold (SH), due convertitori analogico digitali (AD) ed un elaboratore dei segnali.Il sistema costituito effettua un campionamento dei valori di tensione e corrente ed in seguito calcola l energia elettrica
Riferibilità nelle misure di Flussi di Energia Elettrica
La taratura dei contatori di energia elettrica può avvenire secondo due modalità: confronto con strumenti di verifica certificati (solitamente wattmetri e alimentatori), applicazione di un carico fittizio con caratteristiche note. Nel primo caso bisogna garantire la costanza delle condizioni di prova per tutta la durata della misura.
Recentemente accanto alla misura della quantità di energia, emerge la necessità di controllare e misurare la qualità della fornitura di energia allo scopo di proteggere da anomale componenti spettrali e da sbalzi di tensione la delicata strumentazione elettronica.
I settori in questione si riferiscono infatti a:
Potenza
Tensione e corrente
ma anche a:
tempo
--Fase
--37Tensione
--38Corrente
--1Energia elettrica
(contatori)
Servizi Metrico-legali
Centri SINAL
Centri SIT
Grandezze
Energia elettrica
Misura dei flussi di energia chimica
La misura dell energia chimica specifica associata ad un combustibile può essere determinata direttamente attraverso la misura del potere calorifico (mediante calorimetri) o indirettamente attraverso la misura della composizione chimica (mediante analizzatori o gascromatografi). In realtà per una determinazione della corrispondente proprietà estensiva è sempre necessaria la misura della massa ovvero della portata (massica o volumetrica) quando il combustibile viene vettoriato con continuità.
Calorimetro Junkers
Masse campione,
strumenti campione,
MRC
Cromatografi,
Analizzatori termici,
elettrochimici, spettroscopici
Composizione chimica
TRP,
MRC
Calorimetro Mahler
Energia chimica
(assorbita/fornita/ dispersa)
Campioni StrumentiGrandezza fisica
(misura diretta)
Grandezza fisica
(misura indiretta)
2 2( )H O H O f i
sc
M c t tH
M
2 2
,
( )H O H O out ins
c s
M c t tH
V
Misura dell energia chimica:Principi di misura
Nei calorimetri Mahler una quantità definita di combustibile in un sistema chiuso e adiabatico (costituito dalla camera di combustione e da una intercapedine contenente acqua) e determinando l energia termica sviluppata (potere calorifico superiore o inferiore a seconda della stato termodinamico dell acqua prodotta dalla combustione) attraverso la misura della variazione di energia interna del sistema.
Gli analizzatori IR rilevano l assorbimento di radiazione infrarossa da parte del gas analizzato attraverso un elemento sensibile denominato rilevatore. Il limite di questo strumento risiede nella capacità di individuare un solo analita della miscela di gas.
Riferibilità nelle misure di Flussi di Energia Chimica
La riferibilità della strumentazione analitica può essere conseguita mediante:
i) il confronto con un metodo primario (quantità di sostanza, campione di massa, di corrente, etc.);
ii) l impiego di un materiale di riferimento (una sostanza pura certificata o un materiale con matrice idonea);
iii) l uso di strumentazione di riferimento precedentemente tarata.
I settori in questione si riferiscono infatti a:
Mole
Massa
Corrente
ma anche a:MRC
portata
3
15
2
2
-
-
Centri SIT
-SIsolido
-SIliquido
--volume
--massa
-SIportata
Grandezze fisiche
-SIgassoso
Potere calorifico Composizione
chimica
Servizi
Metrico-legaliCentri SINAL
Grandezze
Energia chimica
Un materiale di riferimento MR può essere definito come una sostanza per la quale una o più proprietà (chimica, fisica, biologica, ) sono sufficientemente note, omogenee e stabili nel tempo. In particolare per un materiale di riferimento certificato (MRC) queste proprietà sono riferibili alle unità del SI ed espressi unitamente alla relativa incertezza.E possibile distinguere due diverse tipologie di materiali di riferimento: i composti singoli (calibrants) e le matrici di riferimento.
PROGETTO MET-A
METROLOGIA DELL AMBIENTE
A. Metrologia negli ambienti di lavoro indoorA.1. Metrologia del benessere termoigrometrico
A.2. Metrologia del benessere respiratorio-olfattivo
A.3. Metrologia del benessere acustico
A.4. Metrologia del benessere visivo
A.5. Metrologia dell inquinamento elettromagnetico indoor
B. Metrologia negli ambienti outdoorB.1. Metrologia dell inquinamento elettromagnetico outdoor
B.2. Metrologia delle emissioni inquinanti nel settore del trattamento dei RU
B.3. Metrologia degli scarichi idrici inquinanti
obiettivi specifici
Disponibilità di procedure di misura, taratura ed elaborazione validate
Analisi statistica dei valori tipici di una o più filiere industriali del territoriodi riferimento;
Proposizione di interventi correttivi atti a migliorare l impatto ambientaledelle filiere prese in esame;
Sensibilizzazione delle PMI, delle associazioni di categoria alleproblematiche metrologiche ambientali
Accreditamento e potenziamento dei laboratori ambientali territoriali ai finidell applicazione delle metodiche di analisi per migliorarne la competitività;
Effetti attesi
riduzione dell impatto ambientale e miglioramento del benessere nel territorio di riferimentopossibilità per le PMI di monitorare i propri ambienti di lavoro con maggiore efficacia, con conseguente pianificazione delle opportune azioni correttive e preventive collegate.creazione di strutture di eccellenza ed accrescimento della competitività di laboratori a potenziale capacità di assunzione di nuovo personaleaccrescimento della competenza delle strutture esistentimaggiore efficacia dei controlli, con diffusione capillare degli stessi e conseguente accrescimento della cultura della tutela e della prevenzione dell ambientemetodiche finalmente universali a disposizione dei laboratori operanti nel campo delle misure ambientali outdoor che potranno confrontare tra loro i dati, e monitorarli nel tempo.pianificazione da parte delle amministrazioni preposte di tutte le forme di prevenzione e di adeguamento, per garantire, con assoluta affidabilità, il rispetto delle leggi in materia.controlli più semplici, dati riferibili, qualità delle misure, riproducibilità e ripetibilità dei metodi
Conclusioni
In merito alla riferibilità metrologica occorre evidenziare che l offerta dei servizi risulta alquanto differenziata in funzione del tipo di grandezza energetica. In particolare, accanto ai tradizionali settori meccanici, termici ed elettrici in cui vi è una consolidata tradizione ed offerta metrologica, bisogna registrare una particolare sensibilità rispetto all offerta e richiesta di riferibilità nel settore della chimica testimoniata dal recente accreditamento di laboratori SIT nello specifico settore. E altresì opportuno evidenziare la relativa carenza in settori strategici come le portate di massa/volume e la disuniformità territoriale dell offerta metrologica.Ancora molto lontana risulta invece l analisi della qualità dell energia intesa sia in termini energetici, che ambientale, che di servizio.Per ciò che concerne i bilanci ed il rendimento occorre sottolineare che, raramente la strumentazione esistente consentono di mantenere la riferibilità su tutte le grandezze energetiche coinvolteQuesta situazione presenta un ulteriore complessità per ciò che concerne le misure inerenti le transazioni commerciali dove la necessità di garantire oltre alla riferibilità anche la cosiddetta fede pubblica rende indispensabile mettere in atto le metodiche di legalizzazione della misura ovvero l approvazione di modello, la verifica di conformità al tipo e la verifica periodica della strumentazione. Recente approvazione della MID ed alla proposta del nuovo testo unico della metrologia legale che contengono molti elementi atti a superare alcuni problemi sopra evidenziati.
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