Diagramma di portata Cv: come leggerlo

Un diagramma di portata (Cv) di una valvola è un grafico o una tabella del produttore che mette in relazione il coefficiente di portata dichiarato della valvola con la sua posizione, le condizioni di pressione, la taglia del modello o uno specifico percorso tra due porte. Prima di utilizzare qualsiasi valore, leggi titolo, assi, legenda, condizioni di prova e percorso del flusso. La sola dicitura «diagramma Cv» non identifica il metodo di calcolo.

Perché questa distinzione è importante? Un catalogo può indicare un solo Cv a piena apertura per ciascun modello. Un altro può rappresentare la portata d’aria in funzione delle pressioni a monte e a valle. Un diagramma per il controllo di processo può invece mostrare il Cv relativo rispetto alla corsa della valvola. Rispondono a domande diverse, anche quando ogni pagina utilizza lo stesso simbolo del coefficiente.

Punti chiave

Il Cv si basa sull’acqua a 60°F con una caduta di pressione di 1 psi.

Nel diagramma pneumatico Parker, un Cv pari a 1.0 corrisponde a circa 56 SCFM a 100 psig con caduta di pressione completa.

Prima di confrontare i modelli, verifica il percorso di flusso nominale.

Per prevedere il comportamento dell’aria compressa, utilizza dati di prova pneumatici.

Che cosa occorre identificare prima di leggere un diagramma Cv di una valvola?

Inizia identificando 1 dei 3 formati di diagramma: una tabella dei coefficienti a piena apertura, una curva pressione-portata oppure una caratteristica in funzione della corsa della valvola. Parker pubblica curve pressione-portata per una valvola teorica con Cv 1.0, SMC pubblica tabelle dei modelli con Cv, conduttanza e dati di pressione critica, mentre Emerson documenta le caratteristiche di corsa (Parker; SMC; Emerson).

Usa questa classificazione prima di leggere una curva:

Formato dei dati	Assi o colonne tipici	A quale domanda risponde	A quale domanda non risponde da solo
Tabella Cv a piena apertura	modello, percorso tra le porte, Cv	Quale percorso elencato ha una capacità nominale maggiore?	Portata d’aria con condizioni di pressione non specificate
Curva pressione-portata	pressione di ingresso, pressione di uscita o caduta di pressione, SCFM	Quale portata corrisponde alle condizioni dichiarate nel diagramma?	Velocità del cilindro nell’intero circuito installato
Caratteristica di corsa	corsa o comando della valvola, Cv relativo o portata	Come cambia la capacità all’apertura di una valvola modulante	Portata pneumatica a piena apertura senza dati di taglia e pressione

Swagelok definisce il Cv come i galloni USA al minuto di acqua a 60°F che attraversano una valvola con una caduta di pressione di 1 psi (Swagelok). Per un liquido incomprimibile secondo questa convenzione di riferimento:

Q = C_v \sqrt{\frac{\Delta P}{\mathrm{SG}}}

In questa equazione, $Q$ è la portata del liquido in US gpm, $C_v$ è il coefficiente di portata, $\Delta P$ è la caduta di pressione in psi e $\mathrm{SG}$ è il peso specifico del liquido rispetto all’acqua. L’equazione chiarisce la definizione del coefficiente, ma non è un’equazione completa per il dimensionamento con aria compressa.

Non copiare mai un valore senza conservarne la provenienza.

Una lettura tracciabile del diagramma deve conservare revisione del catalogo, modello della valvola, opzione del cursore o dell’otturatore, percorso tra le porte, posizione della valvola, fluido, pressione a monte, pressione a valle, temperatura e condizioni di riferimento per la portata standard. Registra se il valore è stampato direttamente, letto da una curva o interpolato. Conserva inoltre le unità del diagramma e qualsiasi moltiplicatore indicato accanto all’asse. Queste informazioni sono essenziali quando un altro tecnico confronta una tabella Cv con una tabella di conduttanza ISO 6358 o con un valore SCFM dichiarato. Senza i dati di contesto, il valore non può essere riprodotto né verificato. ISA osserva che i coefficienti di portata pubblicati possono dipendere dal metodo di valutazione, anche per valvole con percorsi di flusso simili (ISA).

Una tabella dei coefficienti, una curva pressione-portata e una caratteristica di corsa utilizzano tutte dati relativi al Cv, ma non rispondono alla stessa domanda tecnica.

Il titolo del diagramma non è l’informazione determinante. Sono le variabili degli assi e la nota sulle condizioni di prova a stabilire il significato del grafico. Se questi elementi mancano, considera la figura un’illustrazione e non un dato di dimensionamento.

Come si leggono assi, legenda e percorso del flusso?

Il diagramma Parker per valvole manuali utilizza curve di riferimento con Cv 1.0 e indica circa 56 SCFM a 100 psig con caduta di pressione completa. Le istruzioni richiedono poi di moltiplicare la portata letta sul diagramma per il Cv del tipo di valvola e del percorso di flusso selezionati (Parker Valvair Manual).

Una curva pressione-portata è un grafico che associa determinate condizioni di pressione a monte e a valle alla portata corrispondente nelle condizioni di riferimento dichiarate. Deve essere letta come una relazione tra coordinate, non come un’etichetta autonoma di portata massima.

Leggi un diagramma pressione-portata in questo ordine:

Verifica entrambi gli assi e le relative unità. L’asse orizzontale può rappresentare la pressione a valle, la caduta di pressione, il rapporto di pressione, la corsa della valvola o il segnale di comando. L’asse verticale può indicare SCFM, L/min, Cv o capacità relativa.
Scegli la famiglia di curve corretta. Una famiglia contrassegnata con 40, 60, 80 e 100 psig rappresenta di norma diverse pressioni di ingresso. Non interpretare queste etichette come taglie della valvola, salvo indicazione esplicita della legenda.
Segui una coppia di coordinate. Parti dalla condizione nota a valle, raggiungi la curva della pressione a monte selezionata e quindi spostati verso l’asse della portata. Se il diagramma adotta una disposizione diversa, segui la direzione indicata dal produttore.
Applica l’eventuale fattore di scala. La curva Parker citata è normalizzata a Cv 1.0; pertanto, la portata letta sul diagramma deve essere moltiplicata per il Cv effettivo del percorso.
Verifica le condizioni standard dichiarate. Per questo specifico diagramma pneumatico, Parker indica 68°F, 14.7 psia e 36% di umidità relativa. Un altro catalogo può utilizzare condizioni di riferimento differenti.

Leggi la legenda prima di seguire una linea.

Le tabelle delle valvole direzionali identificano spesso i percorsi mediante numeri o lettere delle porte, ad esempio da alimentazione a utenza e da utenza a scarico. Abbina questi simboli allo schema pneumatico della valvola in ogni stato comandato. Copia quindi il coefficiente dalla riga esatta, includendo le note su collettore, tenuta o opzioni che modificano il valore nominale. Se la tabella riunisce più serie, non presumere che il numero più vicino appartenga al modello selezionato. SMC, ad esempio, indica come percorso nominale SYJ il 2→3 (A→R), mentre altre famiglie di valvole possono pubblicare valori separati per i percorsi di alimentazione e di scarico (SMC SYJ). La notazione del percorso è parte integrante del dato, non una nota a piè di pagina.

Il percorso del flusso è parte integrante del valore nominale. Parker precisa esplicitamente che ciascun percorso attraverso una valvola direzionale può avere un proprio Cv (Parker Engineering Data). Quando il catalogo fornisce entrambi i dati, verifica separatamente il percorso dall’ingresso alla porta di lavoro e quello dalla porta di lavoro allo scarico.

Un solo codice modello può racchiudere diverse risposte in termini di capacità. Ad esempio, il percorso di alimentazione di una valvola direzionale a 5 porte può soddisfare l’obiettivo, mentre uno dei percorsi di scarico resta restrittivo. Registrare soltanto il Cv più elevato può nascondere il percorso che determina la corsa più lenta.

Quale forma della curva stai esaminando?

Emerson documenta 3 caratteristiche di portata intrinseche: lineare, equipercentuale e ad apertura rapida. Con una caratteristica lineare, la portata è proporzionale alla corsa a caduta di pressione costante; incrementi uguali di corsa su un otturatore equipercentuale producono variazioni percentuali uguali rispetto alla portata già esistente. Queste definizioni riguardano il comportamento di controllo modulante (Emerson Control Valve Handbook).

Una caratteristica di portata intrinseca è la relazione tra la corsa della valvola e la portata misurata mantenendo costante la caduta di pressione attraverso la valvola. La caratteristica installata può cambiare perché il resto dell’impianto assorbe una quota variabile della caduta di pressione disponibile.

Le curve devono salire man mano che la valvola si apre:

Lineare: incrementi uguali di corsa producono incrementi approssimativamente uguali della capacità di portata nelle condizioni di prova dichiarate a caduta di pressione costante.
Equipercentuale: incrementi uguali di corsa producono variazioni proporzionali alla portata presente prima dell’incremento; la curva sale quindi lentamente all’inizio e diventa sempre più ripida con l’aumentare della capacità disponibile.
Apertura rapida: gran parte della capacità diventa disponibile nella prima parte della corsa, seguita da una zona superiore più piatta.

La forma della curva non identifica una categoria di valvole.

Non presumere che ogni valvola direzionale pneumatica presenti una di queste caratteristiche di regolazione. Molti cataloghi di elettrovalvole pubblicano soltanto la capacità a piena apertura per stati discreti del cursore. Una valvola proporzionale pneumatica può fornire una curva comando-portata, ma per leggerla correttamente occorre considerare assi, condizioni di pressione, isteresi, banda morta e carico. Verifica se l’asse verticale indica portata effettiva, portata normalizzata, Cv o percentuale della portata nominale. Controlla se l’asse orizzontale rappresenta corsa meccanica, corrente della bobina, tensione o un comando digitale. Un grafico misurato a una sola pressione fissa di ingresso e uscita non può prevedere un’altra condizione di pressione senza il metodo del produttore. Le caratteristiche intrinseche Emerson presuppongono una caduta di pressione costante sulla valvola: per questo motivo, nell’impianto installato la risposta può essere diversa (Emerson).

Anche le caratteristiche «intrinseca» e «installata» sono diverse. La curva intrinseca viene misurata con una caduta di pressione definita attraverso la valvola. Nella macchina, tubazioni e altre restrizioni modificano il modo in cui la caduta di pressione totale si ripartisce al variare della portata. Emerson osserva che, in impianti idonei, si può scegliere una caratteristica intrinseca equipercentuale per ottenere una risposta installata più vicina a quella lineare.

Per inquadrare le funzioni delle valvole, confronta i tipi di valvole pneumatiche per il controllo della portata prima di attribuire la terminologia del controllo di processo a una valvola direzionale on/off.

In che modo i diagrammi delle valvole pneumatiche differiscono dai diagrammi Cv per liquidi?

La norma ISO 6358-1 specifica le prove in regime stazionario per componenti pneumatici che trasportano fluidi comprimibili, mentre SMC riporta 3 valori insieme per le famiglie di valvole SYJ: conduttanza sonica $C$ , rapporto critico di pressione $b$ e Cv. Questa combinazione dimostra perché la sola definizione del Cv basata sull’acqua non è sufficiente per prevedere il comportamento dell’aria compressa (ISO 6358-1; SMC SYJ).

La tabella SMC mostra come leggere valori correlati senza considerarli intercambiabili:

Serie	Percorso nominale	$C$ [dm³/(s·bar)]	$b$	Cv
SYJ300	2→3 (A→R)	0.36	0.31	0.089
SYJ500	2→3 (A→R)	1.2	0.48	0.34
SYJ700	2→3 (A→R)	2.7	0.34	0.69

Mantieni unite le colonne.

Questi sono valori di catalogo specifici per modello e percorso, non conversioni universali tra $C$ , $b$ e $C_v$ . La conduttanza sonica $C$ descrive la capacità nella regione di flusso critico secondo il metodo ISO, mentre $b$ rappresenta il parametro del rapporto critico di pressione utilizzato per il passaggio tra i regimi di flusso. Il Cv resta una convenzione distinta per il coefficiente. Non dividere né moltiplicare le colonne per inventare una conversione. Scegli invece un metodo completo e mantieni nel calcolo le relative unità, pressioni assolute, temperatura e condizioni del gas. La norma ISO 6358-1 definisce il quadro di prova in regime stazionario dei componenti, mentre la ISO 6358-3 riguarda i sistemi costituiti da componenti e tubazioni con caratteristiche note (ISO 6358-1; ISO 6358-3). È preferibile utilizzare il software del produttore quando le opzioni di catalogo o le configurazioni del collettore modificano i dati pubblicati.

Cv e Kv sono coefficienti basati sull’acqua, espressi in unità di riferimento differenti. Nella propria guida alle elettrovalvole, Bürkert indica la comune conversione di catalogo $K_v \approx 0.865C_v$ (Bürkert). Il convertitore Cv/Kv può aiutare a confrontare i coefficienti, ma la conversione non trasforma nessuno dei due in una previsione completa della portata d’aria compressa.

Per il processo completo di dimensionamento, consulta la guida al dimensionamento delle valvole pneumatiche per il controllo della portata. La procedura parte dalla richiesta dell’attuatore e verifica poi valvola, tubi, raccordi e scarico come un unico percorso.

Esempio pratico di lettura di un diagramma Cv

Il diagramma di riferimento Parker per Cv 1.0 indica circa 56 SCFM con una pressione di ingresso di 100 psig e caduta di pressione completa. Il diagramma è basato su 68°F, 14.7 psia e 36% di umidità relativa; l’esempio deve quindi mantenere queste condizioni standard dichiarate (Parker Valvair Manual).

Supponiamo, ad esempio, che la tabella della valvola selezionata indichi Cv 0.80 per il percorso necessario tra le porte. Il metodo Parker scala la lettura normalizzata del diagramma mediante il coefficiente di quel percorso:

Q_{\mathrm{path}} = Q_{\mathrm{chart}} \cdot C_{v,\mathrm{path}}

Applicando l’esempio del diagramma:

Q_{\mathrm{path}} = 56\ \mathrm{SCFM} \cdot 0.80 = 44.8\ \mathrm{SCFM}

$Q_{\mathrm{chart}}$ è la portata letta nel diagramma del produttore normalizzato a Cv 1.0, mentre $C_{v,\mathrm{path}}$ è il coefficiente del percorso selezionato nella valvola. Il risultato è di circa 44.8 SCFM nelle condizioni di riferimento e di pressione dichiarate nel diagramma. Non è una garanzia della portata effettiva del cilindro installato.

Se la pressione a valle deve restare superiore a zero manometrico, non utilizzare il punto finale corrispondente alla caduta di pressione completa. Individua sul diagramma la pressione a valle richiesta, interseca la curva di ingresso a 100 psig, leggi la portata normalizzata inferiore e applica quindi Cv 0.80. In questo modo si conserva la condizione di pressione necessaria all’attuatore.

L'esempio Parker illustra un metodo di lettura del diagramma, non una costante universale SCFM per Cv valida in ogni condizione di pressione.

Nella nostra esperienza di verifica delle applicazioni con valvole, il risultato più utile non è «la valvola eroga 44.8 SCFM». Indichiamo innanzitutto che la portata stimata del percorso è 44.8 SCFM nelle condizioni dichiarate dal diagramma. Manteniamo poi questa precisazione durante la selezione, affinché un risultato ottenuto nelle condizioni di riferimento non diventi una promessa infondata sulle prestazioni della macchina.

Che cosa si può interpolare e quando occorre fermarsi?

L’equazione pneumatica subcritica Parker richiede che la pressione assoluta di uscita resti superiore a 0.53 volte la pressione assoluta di ingresso. Al di sotto di questo limite non si può semplicemente prolungare la stessa relazione: occorre utilizzare la regione di flusso critico del catalogo o un altro metodo dichiarato per il flusso comprimibile (Parker Engineering Data).

L’interpolazione è ragionevole soltanto all’interno del campo pubblicato del diagramma. Se la pressione di ingresso richiesta è compresa tra due curve, esegui una stima intermedia solo quando il produttore presenta le curve come una famiglia continua e non sono presenti limiti o discontinuità. Indica chiaramente che il risultato è approssimativo.

Interrompi l’analisi e richiedi dati migliori quando:

la pressione di esercizio, la temperatura o il fluido non rientrano nelle condizioni indicate nella nota del diagramma;
il punto richiesto supera l’ultimo valore dell’asse o scende sotto un rapporto critico di pressione dichiarato;
il diagramma non specifica se la portata è standard o riferita al volume effettivo;
nella tabella dei coefficienti manca il percorso del cursore selezionato;
il funzionamento del collettore o l’uso simultaneo delle valvole può modificare il valore pubblicato per la singola valvola;
la figura è un’illustrazione commerciale priva di unità, condizioni di prova, fonte, fluido dichiarato, limite di pressione, metodo riproducibile, identificazione del modello, definizione degli assi o controllo di revisione; prima di utilizzarla, richiedi una curva di prova.

Non estrapolare una retta a partire da due punti comodi su un diagramma curvo di flusso comprimibile. Allo stesso modo, non dedurre la portata minima controllabile da una tabella Cv a piena apertura. La portata minima stabile richiede dati sul campo di regolazione della valvola di controllo, sulla risoluzione dell’attuatore, sull’attrito, sull’isteresi e sull’impianto installato, informazioni che la tabella non contiene.

La guida separata sul flusso critico negli impianti pneumatici spiega perché, oltre un certo punto, la pressione a valle smette di modificare la portata massica nello stesso modo.

Quali errori portano alla scelta della valvola sbagliata?

Cinque verifiche evitano la maggior parte degli errori di lettura: identificare il tipo di diagramma, conservarne le unità, selezionare il percorso corretto, restare entro i limiti di pressione e distinguere la capacità di catalogo dalle prestazioni nell’impianto. La ISO 6358-3 considera un sistema pneumatico come un insieme di componenti collegati con caratteristiche note, non come un singolo coefficiente di valvola isolato (ISO 6358-3).

Errore	Perché non funziona	Verifica migliore
Considerare la dimensione delle porte equivalente alla capacità	I passaggi interni variano da un progetto all’altro	Confronta il Cv o i dati ISO 6358 del percorso effettivo
Usare l’equazione per i liquidi con l’aria	Non considera la comprimibilità né il comportamento in flusso critico	Usa il metodo pneumatico del produttore
Leggere il Cv più elevato della tabella	Un altro percorso di alimentazione o scarico può determinare il movimento	Ricostruisci lo stato attivo del cursore e la coppia di porte
Confondere la corsa della valvola con il rapporto di pressione	Entrambi possono comparire su un asse orizzontale	Leggi titolo e unità dell’asse prima di seguire la curva
Aggiungere un fattore di sicurezza fisso	Nasconde l’incertezza invece di definirla	Verifica alimentazione minima, carico, tempo e perdita di pressione ammessa
Presumere che la portata del diagramma coincida con quella del cilindro	Tubi, raccordi, regolatori e silenziatori aggiungono restrizioni	Verifica la pressione dinamica e misura il tempo del movimento dopo la selezione

Una valvola on/off sovradimensionata non consuma automaticamente più aria per ogni ciclo completo del cilindro, se le pressioni finali nelle camere restano uguali. Può però modificare accelerazione, urto, rumore, costo e ingombro. Un percorso sottodimensionato può causare una caduta di pressione dinamica. Valuta direttamente queste conseguenze, invece di applicare un moltiplicatore universale del 20% o 30%.

Consulta la guida all’influenza del Cv della valvola sulle prestazioni dell’impianto per le prove di pressione dinamica e la guida alla portata pneumatica per determinare la richiesta dell’attuatore prima di confrontare la capacità delle valvole.

Domande frequenti sui diagrammi Cv delle valvole

Queste 5 risposte distinguono definizione del Cv, tipo di diagramma, dati di prova pneumatici, conversione dei coefficienti e verifica nell’impianto. Swagelok definisce il Cv con acqua a 60°F e una caduta di pressione di 1 psi, mentre la ISO 6358-1 specifica le prove in regime stazionario per componenti pneumatici che trasportano fluidi comprimibili (Swagelok; ISO 6358-1).

Che cosa indica un Cv più elevato nel diagramma di una valvola?

Un Cv più elevato indica una maggiore capacità nominale secondo il metodo di riferimento del coefficiente. Da solo, non esprime la portata d’aria nell’impianto. Prima di confrontare il risultato previsto sulla macchina, verifica il percorso della valvola sottoposto a prova, le pressioni di ingresso e uscita, la temperatura, le condizioni di riferimento del gas e se il valore si riferisce alla valvola completamente aperta o dipende dalla posizione.

Posso confrontare i valori Cv di produttori diversi?

Sì, come primo confronto, se entrambi i valori descrivono la stessa convenzione per il fluido, la stessa posizione della valvola e lo stesso percorso tra le porte. Confronta poi il metodo di prova e i dati di portata pneumatica di ciascun fornitore. Collettori, percorsi di scarico, raccordi, condizioni di riferimento o criteri di arrotondamento diversi possono rendere due valori Cv simili una prova incompleta ai fini dell’acquisto.

Un diagramma di apertura della valvola equivale a un diagramma della portata d'aria?

No. Un diagramma di apertura mostra normalmente come varia la capacità relativa in funzione della corsa o del comando. Un diagramma della portata d’aria mette invece in relazione la portata con le condizioni di pressione, spesso per un determinato Cv. Per trasformare una caratteristica relativa di corsa in una stima della portata pneumatica servono le dimensioni della valvola, i dati di pressione e le condizioni di prova.

Posso usare l'equazione del Cv per i liquidi con l'aria compressa?

Non come metodo completo per calcolare la portata d’aria. L’equazione per l’acqua definisce e consente di confrontare il Cv, ma la previsione per l’aria compressa dipende anche dalle pressioni assolute a monte e a valle, dalla temperatura, dalle proprietà del gas e dal comportamento in flusso critico. Utilizza invece la curva, l’equazione o il software pneumatico del produttore, oppure i dati di conduttanza ISO 6358.

Per una valvola pneumatica devo usare il Cv o i dati ISO 6358?

Utilizza i dati e il metodo di calcolo forniti per la valvola esatta. Il Cv è utile per confrontare i cataloghi, mentre la conduttanza e i dati di pressione critica ISO 6358 descrivono direttamente le prove di flusso comprimibile. Non combinare il Cv di un percorso, il rapporto critico di un altro modello e le condizioni di riferimento di un terzo catalogo.

Conclusione tecnica

Leggi ogni diagramma Cv attraverso 4 domande: che cosa rappresenta ciascun asse, quale percorso della valvola è classificato, quali condizioni di prova si applicano e dove termina la validità del metodo. Le curve pressione-portata Parker, le tabelle $C$ / $b$ /Cv di SMC e le caratteristiche di corsa Emerson dimostrano perché non esiste una procedura di lettura unica adatta a ogni diagramma (Parker; SMC; Emerson).

Parti dalle etichette del diagramma, non da una formula ricordata. Conserva la direzione del flusso, seleziona la curva corretta, mantieni tutte le condizioni di riferimento e riporta il risultato insieme alle relative ipotesi. Se manca uno qualsiasi di questi elementi, richiedi al produttore i dati di portata pneumatica su cui si basa il diagramma.

Infine, separa la lettura dalla selezione. Un diagramma può stimare la capacità di un percorso della valvola. La macchina deve comunque mantenere una pressione dinamica sufficiente attraverso gruppo FRL, collettore, tubi, raccordi, regolatori di velocità, porte dell’attuatore e scarico. Verifica la valvola scelta alla pressione minima di alimentazione e con il massimo carico di produzione.

Come leggere e interpretare un diagramma di portata (Cv) di una valvola

Eric Zhou