Introduzione alla pneumatica

Introduzione

In automazioni industriale si può suddividere la pneumatica in tre diverse categorie:

1. dispositivi elettrici,
2. dispositivi pneumatici,
3. dispositivi oleodinamici.

Ognuna delle tre tecnologie potrebbe realizzare un intero impianto, svolgendo tutte le funzioni di movimentazione. Nella pratica, i sistemi di controllo sono principalmente ibridi, in modo da poter utilizzare al meglio i vantaggi offerti da ogni tipo di elemento.

Aria atmosferica

La terra è avvolta da un involucro di gas (l’atmosfera) che, sotto l’azione della forza di gravità, è spinto a ruotare assieme alla Terra stessa. L’atmosfera è composto da aria. L’aria atmosferica è una miscela di gas e ha una composizione che rimane costante fino a circa 20 km dalla superficie.

La miscela di gas che compongono l’aria atmosferica è:

• azoto: $\approx 78\%$,
• ossigeno: $\approx 21\%$,
• altri gas: $\approx 1\%$.

Inoltre, nell’aria atmosferica è sempre presente una frazione di vapore acqueo.

L’aria atmosferica ha un peso. Al livello del mare, l’aria atmosferica pesa $1.033 \; \rm kg$ su ogni $\rm cm^2$ (centimetro quadrato) di superficie (misura effettuata da Torricelli nel 1630).

La superficie media del corpo umano è $\approx 1.5 \; \rm m^2$, corrispondenti a $15\cdot 10^3 \; \rm cm^2$. Dunque, sulla superficie totale media di ogni essere umano insiste un peso di $15500 \; \rm kg$ d’aria.

La pressione agisce in tutte le direzioni, quindi sia dall’interno verso l’esterno del corpo che dall’esterno verso l’interno. Questo fa sì che il nostro corpo sia per lo più in equilibrio pressorio, motivo per il quale non implodiamo né esplodiamo.

Pressione

La pressione è la grandezza fisica che esprime la distribuzione di una forza sulla superficie sulla quale essa sta agendo.

Se si indica con F la forza ed A la superficie (area), la pressione è $P = F/A$.

Poiché nell’SI l’unità di misura della forza è il newton [N] e della superficie è il metro quadrato $\rm [m^2]$, l’unità di misura della pressione è $[N/m^2]$, e viene chiamata pascal [Pa].

Un’altra unità di misura usata è il bar:

$$1 \; \text{[bar]} = 10^5 \; \text{[Pa]}$$

Nei paesi anglosassoni si usa anche il psi, che corrisponde ad una libbra su un pollice quadrato:

$$1 \; \text{[psi]} \approx 0.07 \; \rm [bar] \approx 7 \cdot 10^3 \; \text{[Pa]}$$

Volendo essere più precisi, bisognerebbe scrivere:

$$1 \; \text{[psi]} = 0.06894757 \; \rm [bar] = 6894.757 \; \text{[Pa]}$$

Portata

L’aria è un fluido e, spostandosi, è caratterizzata da una certa portata.

La portata Q è il volume V di fluido che passa attraverso una sezione S del tubo nel tempo t.

$$Q = \frac{V}{t} \; \rm \bigg[ \frac{m^3}{s}\bigg]$$

Vale la seguente relazione:

$$1 \; \bigg[ \frac{l}{s}\bigg] = 1 \; \bigg[ \frac{\rm{dm^3}}{s}\bigg]$$

La portata può anche essere espressa come litri al secondo: $[l/s]$.

Il volume che si è spostato nel cilindro si può calcolare come il prodotto della sua area di base (la sezione S del tubo) per la sua altezza h (lo spostamento all’interno del tubo).

$$Q = \frac{S \cdot h}{t}$$

$h/t$ rappresenta lo spostamento percorso nel tempo, ovvero la velocità v del fluido:

$$Q = S \cdot v$$

La portata si può calcolare moltiplicando la velocità del fluido v per la sezione S attraverso cui il fluido passa.

L’aria compressa viene prodotta da un compressore e può essere trattata, ovvero passare attraverso dei filtri. Essa viene poi distribuita attraverso un sistema di tubi e valvole nei punti opportuni dell’impianto dove serve all’azione finale per cui è necessaria (movimentazione, …).

Gli attuatori più comuni che necessitano di aria compressa per il loro lavoro sono i cilindri pneumatici. La catena di controllo dell’aria può essere del tipo:

Strumenti

Gli strumenti principali per la misura e la manipolazione della pressione sono il manometro e il compressore.

Manometro

Lo strumento principale per la misura della pressione è il manometro.

Il manometro manuale più usato è il manometro di Bourdon. Il suo principio di funzionamento è basato su una molla collegata ad una placca sottoposta all’azione del fluido. Quando lo spazio interno della molla è in pressione, la sezione trasversale si modifica verso la sua forma circolare. Le oscillazione circolari, che si creano durante questo processo, aumentano il raggio del tubo a forma di C. Il risultato è che la parte terminale del tubo si muove di circa due o tre millimetri. Questa deflessione rappresenta la misura di pressione. Essa viene trasferita a un movimento che trasforma la deflessione lineare in un movimento circolare che, tramite una lancetta, diventa visibile su un’apposita scala.

Più frequentemente, negli impianti automatici dove la pressione rappresenta una variabile di controllo, si usano:

• manometri digitali: comunicano tramite un certo bus di campo,
• sensori di pressione: convertono la pressione in tensione (0 – 10 V) o corrente (4 - 20 mA).

Compressore

Il compressore è un dispositivo che comprime aria. Non è da confondere con una pompa.

Una pompa di norma opera su fluidi incomprimibili (come l’acqua), mentre il compressore opera su fluidi comprimibili (come l’aria).

Il compressore trasforma l’energia meccanica in energia potenziale o energia di pressione. Se il meccanismo di compressione è azionato da un motore elettrico, allora la trasformazione dell’energia è la seguente:

$$\boxed{\rm energia \; elettrica} \to \boxed{\rm energia \; meccanica} \to \boxed{\rm energia \; di \; pressione}$$

Ogni trasformazione comporta una perdita di energia.

Compressore Volumetrico

La pressione del gas viene fatta aumentare:

• costringendo tale gas in un volume progressivamente decrescente (oppure),

• spostando tale gas da un ambiente a pressione inferiore ad uno a pressione superiore.

Nei turbocompressori la compressione avviene grazie alla variazione della quantità di moto del fluido.

I compressioni volumetrici si differenziano in:

• alternativi: il movimento delle pareti interne alla macchina avviene per il moto alternativo di uno stantuffo,
• rotativi: il movimento delle pareti avviene grazie alla rotazione di un organo meccanico.

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I compressori alternativi hanno una camera a volume variabile realizzata tramite il moto alterno di uno stantuffo all’interno di un cilindro. Lo stantuffo è collegato all’albero per mezzo di un cinematismo biella-manovella. L’albero viene trascinato e si muove di moto alterno tra due posizioni estreme: il punto morto superiore ed il punto morto inferiore. In corrispondenza di tali posizioni, il volume della camera raggiunge rispettivamente il valore minimo ($V_{min}$ o volume di spazio morto) e il valore massimo ($V_{max}$).

I compressori rotativi effettuano la compressione del fluido per mezzo di giranti, centrifughi o viti ed effettuano tale compressione in modo continuo senza la sequenza di spinte tipica dei compressori alternativi.

Rapporto di Compressione

Un compressore ha solitamente un flusso di aria in ingresso (detto aria di aspirazione) ed uno in uscita (detto aria di mandata, lato utenza). Questi flussi hanno pressioni e portate diverse:

Aria di aspirazione		Ara di mandata
pressione	portata	pressione	portata
pressione di aspirazione Pa (o P1)	Qa	pressione di mandata Pm (o P2)	Qm

Ovvero:

• aria di aspirazione (ingresso):
  • pressione: pressione di aspirazione ($P_a$ o $P_1$),
  • portata: $Q_a$.
• aria di mandata (uscita):
  • pressione: pressione di mandata ($P_m$ o $P_2$),
  • portata: $Q_m$.

Si definisce rapporto di compressione r il rapporto tra la pressione dell’aria di mandata e quella di aspirazione:

$$r = \frac{P_m}{P_a}$$

Dunque si ha:

$$\text{aria di aspirazione } \to \boxed{\rm \; compressore \; } \to \text{aria di mandata}$$

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L’aria compressa è contaminata da elementi prodotti sia dal procedimento di compressione che dall’ambiente in cui viene situato il compressore. Il trattamento dell’aria compressa risulta quindi determinante.

Il processo di compressione, per sua natura, determina la produzione di condensa e, nel caso di compressori lubrificati, il rilascio di particelle oleose.

Le classi di purezza dell’aria compressa sono identificate mediante una normativa specifica: la norma ISO 8573-1. Questa norma definisce i metodi e i test da utilizzare per determinare il contenuto dei contaminanti presenti nell’aria compressa.

Contaminanti

Le tipologie principali di contaminanti presenti nell’aria compressa sono:

• solidi (polveri),
• liquidi (aria-olio).

Olio ed acqua formano emulsioni e morchie che si depositano all’interno delle tubazioni e dei componenti. I solidi, a contatto con le emulsioni, formano degli agglomerati che assumono dimensioni e consistenza sempre maggiori con il passare del tempo.

Trattamento dell’aria

Una volta distribuita, l’aria compressa va ulteriormente trattata, in modo che sia idonea a tutte le apparecchiature a valle che la utilizzeranno.

Idonea vuol dire che:

• non deve contenere impurità,
• deve essere alla giusta pressione,
• non deve contenere condensa,
• a volte deve avere, disperse in essa, delle microparticelle di olio che servono alle parti in movimento dei dispositivi,

Quindi possono essere necessari: filtri, riduttori di pressioni e lubrificatori.

Condensa

RH è l’acronimo di Relative Humidity, ovvero umidità relativa.

Supponiamo che un compressore d’aria aspiri 8 metri cubi di aria atmosferica (alla pressione di 1 bar) a 20°C e 60% di umidità relativa.

Durante il processo di compressione supponiamo che tale quantità d’aria si riduca a 1 metro cubo ad una pressione pari a 7 bar.

La quantità di acqua rimasta in 1 metro cubo è la stessa contenuta originariamente nell’aria assorbita dal compressore in quanto l’aria si comprime ma l’acqua no. Gli 8 metri cubi di aria con 60% RH (relative humidity), condensati in 1 metro cubo di spazio superano il tasso di umidità relativa del 100%.

In un ambiente esterno, se l’aria raggiunge il 100% di umidità relativa, vuol dire che sta piovendo. All’interno del compressore, in queste condizioni, si formano gocce d’acqua: la condensa. Questo fenomeno è tanto più forte quanto più intensamente il compressore lavora.

Se l’aria compressa prodotta (che si trova ad una temperatura più elevata di quella ambiente) viene immessa direttamente nella rete di distribuzione senza essere raffreddata, questa si raffredda lungo il percorso ed il vapor d’acqua comincia a condensare in quantità considerevoli dentro le tubazioni. Il vapor d’acqua può arrivare fino alle varie utenze e alle strumentazioni.

Può capitare di vedere acqua fuoriuscire dalle tubazioni dell’aria durante le lavorazioni. Questo è un campanello d’allarme che ne indica lo scarso rendimento. Si deve cercare di eliminare la maggior quantità di acqua possibile prima che l’aria venga immessa nella rete di distribuzione: il vapore acqueo viene condensato con essiccatori a ciclo frigorifero ed espulso.

Refrigeratori ed essiccatori

Come detto, si deve cercare di eliminare la maggior quantità di acqua possibile. L’aria può essere raffreddata in appositi apparecchi chiamati refrigeratori, i quali vengono installati tra il compressore e il serbatoio dell’aria compressa.

Nei refrigeratori, l’aria viene introdotta in un fascio di tubi immersi in acqua (alla minima temperatura possibile). L’acqua di condensa si raccoglie in un apposito separatore e viene in seguito scaricata.

Oltre al refrigeratore possono essere presenti anche essiccatori, che riducono ulteriormente l’umidità contenuta nell’aria compressa. Tramite gli essiccatori, si ottengono deumidificazioni più intense grazie anche all’impiego di sostanze ad alto potere assorbente come allumina, gel di silicone o soda caustica (che è igroscopica, quindi trattiene l’acqua).

Serbatoio

Di norma, dopo il compressore e prima o dopo il refrigeratore, è previsto un serbatoio che ha le seguenti funzioni:

1. possedere un accumulatore: assicura alla rete una portata d’aria e pressione più o meno costanti nel tempo, limitando gli interventi per la regolazione di portata dei compressori;

2. interrompere il funzionamento del motore del compressore per tempi relativi dall’andamento dei consumi di aria compressa, realizzando risparmi di energia non trascurabili (fino al 15 - 16% per pressioni di 7 - 8 bar);

• favorire una minima separazione di condensa: l’ingresso dell’aria compressa avviene nella parte bassa del serbatoio, mentre l’uscita è posizionata nella parte alta.

Lubrificatore

La lubrificazione dell’aria non è sempre necessaria. Lubrificare significa disperdere volontariamente particelle di olio di qualità elevata nell’aria. Il lubrificatore serve per lubrificare l’aria compressa, disperdendo piccole particelle d’olio nel suo flusso per impedire che gli strumenti pneumatici si usurino e le loro parti interne si ossidino.

Un lubrificatore funziona normalmente per effetto Venturi. Quando il flusso dell’aria incontra un restringimento di un tubo, esso aumenta la velocità ma diminuisce la pressione.

per una spiegazione più approfondita vedi youmath.it - Effetto Venturi

Grazie al tubo di Venturi si sfrutta il restringimento della tubatura per aspirare l’olio da un serbatoio. Il lubrificatore crea una depressione, utilizza l’aria compressa all’interno di una cannula e nebulizza l’olio aspirato.

Bisogna sempre utilizzare olio compatibile con le mescole delle guarnizioni utilizzate sulle apparecchiature da lubrificare. L’olio deve: essere facilmente polverizzato dall’aria compressa, avere una certa purezza e stabilita all’ossidazione.

Il sistema di lubrificazione deve essere progettato con attenzione perché curve dei tubi, innesti a gomito o a T e una eccessiva distanza (tra il punto di aspirazione dell’olio e quello di utilizzo) riducono l’efficienza della lubrificazione.

Filtro

L’olio disperso in aria per lubrificare svolge la sua funzione degradandosi. Indesiderate particelle di olio degradato sono messe in movimento dal flusso di aria compressa e possono causare problemi. Oltre a lubrificare bisogna anche filtrare: sottrarre al flusso di aria particelle di olio indesiderate. Ciò si fa con un filtro.

Riduttori di pressione

Variare la pressione in un impianto pneumatico.

In un impianto ad aria, il compressore genera una certa pressione, ma non è detto che questa sia quella necessaria agli utilizzatori finali. Per una macchina che utilizza aria compressa, di solito il compressore genera pressione di mandata di 10 bar, ma alcuni cilindri potrebbero avere bisogno di pressioni leggermente inferiori: 4, 6 o 8 bar.

Il riduttore di pressione riduce e stabilizza la pressione dell’aria in un impianto.

Tipicamente è un oggetto proporzionale, quindi eroga in uscita una pressione che è proporzionale ad un segnale di riferimento di ingresso. Molto spesso il riferimento di ingresso è la forza di una molla che viene caricata girando una vite di regolazione. La molla agisce su una membrana all’interno del riduttore e spinge un’asta solidale con un otturatore, il quale apre o chiude il passaggio dell’aria.

A sinistra dell’immagine si trova la pressione in ingresso, la quale è maggiore della pressione in uscita (a destra).

FRL

Filtro + Riduttore + Lubrificatore

Esistono dei gruppi completi delle tre funzioni.

Piping: tubazioni

Il tracciato delle tubazioni deve prevedere:

1. inclinazione delle tubature nel senso del passaggio dell’aria dell’1-2%,
2. scarichi di condensa e pozzetti di raccolta della condensa (trappole) al termine di ogni p

Le tubazioni pneumatiche che trasportano aria compressa in un generico ambiente sono di colore azzurro (i tubi plastici e flessibili che trasportano aria all’interno di una macchina solitamente azzurri o rossi).

Gli impianti sono spesso realizzati con tubi galvanizzati in acciaio zincato, materiale che presenta una problematica dovuta all’umidità nelle tubazioni che, con il tempo, forma ruggine. La ruggine restringe progressivamente il diametro della tubazione e riduce la portata d’aria dell’impianto. Si trasportano le impurità alle lavorazioni e quindi si compromettono i risultati e le prestazioni di tutto ciò che sta a valle.

La ricerca scientifica ha generato una serie di prodotti per la realizzazione degli impianti di distribuzione che si dividono in due grandi famiglie:

• materiale plastico: PVC, RILSAN,
• lega leggera: alluminio ma con caratteristiche specifiche di anticorrosione e anti trasmissione batterica.

Valvole pneumatiche

Le valvole pneumatiche sono dispositivi utilizzati per il comando di attuatori e per la regolazione della portata e della pressione dell’aria compressa.

Si distinguono in due macro categorie:

• valvole distributrici,
• valvole regolatrici

Le valvole distributrici distribuiscono l’aria agli attuatori o ad altre valvole. Possono essere:

• di potenza: agiscono direttamente sull’aria compressa che alimenta gli organi attuatori,
• di controllo: agiscono sull’aria compressa diretta a comandare altre valvole, con prevalenti funzioni di regolazione e non di azionamento.

In genere, il circuito di potenza e quello di controllo pneumatico sono tra loro separati.

Le valvole di controllo direzionale (distributori o valvole distributrici) definiscono il percorso del flusso di aria in ingresso ed in uscita dai vari elementi del circuito. Consentono di passare da una situazione di lavoro all’altra: deviano il flusso d’aria compressa tra le vie interne mediante azionamenti o comandi esterni. Queste valvole sono caratterizzate da:

1. numero di vie: numero di attacchi sulla valvola (esclusi quelli di comando). Sono le vie dalle quali l’aria entra ed esce.
2. numero di posizioni: numero di posizioni in cui la valvola può trovarsi, compresa la posizione di riposo.
3. tipo di azionamento (manuale, meccanico, pneumatico o elettrico),
4. tipo di riposizionamento (interno, esterno, pneumatico, elettrico, a molla, …),
5. funzione (indica il funzionamento della valvola in condizioni di riposo).

I principali comandi meccanici delle valvole sono:

• ad azionamento meccanico,
• ad azionamento manuale (tramite pulsante),
• ad azionamento manuale (a due posizioni).

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Di norma una valvola è indicata con due numeri separati da una barra: x/y = x vie / y posizioni

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Le valvole di controllo direzionale possono essere normalmente aperte o normalmente chiuse.

Normalmente chiusa: l’aria passa dalla valvola solamente se la valvola riceve un segnale di comando. Normalmente aperta: l’aria di norma passa attraverso la valvola, che si chiude solamente in presenza di un segnale di comando.

N.B. In questo caso è il contrario del contatto elettrico, che se chiuso fa passare corrente, se aperto no.

Nel simbolo di una valvola si hanno:

• tanti quadrati quante sono le posizioni della valvola,
• dei simboli che identificano il comportamento della valvola e le direzioni di passaggio dell’aria,
• una serie di numeri che identificano gli attacchi e le posizioni di riposo,
• dei simboli che identificano il tipo di comando della valvola.

Valvole monostabili e bistabili

Se una valvola ha una posizione stabile, mantenuta da un meccanismo tipo molla, a cui ritorna non appena si esaurisce uno stimolo esterno, si chiama monostabile (o unistabile). Queste valvole hanno una condizione di riposo predefinita: quando ricevono un comando, cambiano posizione e la mantengono soltanto finché il comando è attivo. Non appena il comando si disattiva, tornano da sole nella posizione di riposo.

Una valvola a due posizioni si dice bistabile quando cambia posizione appena riceve un comando e rimane in tale posizione finché non riceve il comando opposto.

Codifica numerica delle vie dell’aria

Vie principali:

1. via di alimentazione dell’aria: va indicata nel quadrato che definisce la posizione di riposo.
2. e 4. via di utilizzo: la 2 va indicata nel quadrato che definisce la posizione di riposo.
3. e 5. via di scarico dell’aria

Vie di comando:

• 10: via di riposizionamento per valvole 2/2 e 3/2. Indicata di fianco alla posizione di riposo.

• 12: via di riposizionamento per valvole 5/2 e 5/3

• 12: via di azionamento per valvole 2/2 e 3/2. Indicata di fianco alla seconda posizione della valvola.

• 14: via di azionamento per valvole 5/2 e 5/3