ملخص: استعرضت هذه المقالة بشكل موجز عملية تطوير مقياس تدفق الكتلة كوريوليس، ولخصت حالة تطويره وتطبيقه وأشارت إلى اتجاهات تطويره.
قياس التدفق الكتلي المباشر مقابل مقياس التدفق الحجمي
يُشكل قياس معدل التدفق ودرجة الحرارة والضغط معًا ثلاثة معايير رئيسية لقياس التدفق في مجال القياس الصناعي، ويُعدّ قياس معدل التدفق من بينها الأكثر تعقيدًا ويتطلب دقة عالية. ويلعب قياسه الاقتصادي والموثوق والآمن دورًا هامًا في عملية الإنتاج. يوجد حاليًا العديد من أنواع الأجهزة المستخدمة لقياس التدفق، مثل عدادات التدفق ذات التروس البيضاوية، وعدادات تدفق الضغط التفاضلي، وعدادات التدفق الكهرومغناطيسية، وعدادات تدفق التوربينات، وعدادات التدفق بالموجات فوق الصوتية، وغيرها، وجميعها تنتمي إلى نوع عدادات التدفق الحجمي .
قياس التدفق الحجمي باستخدام مقياس التدفق ذو التروس البيضاوية
لماذا تحتاج الصناعات إلى حلول قياس التدفق الكتلي المباشر
في مجال الإنتاج الصناعي، ولأسباب مثل توازن المواد، والتوازن الحراري، والتخزين، والمحاسبة الاقتصادية، يتزايد الاهتمام بقياس كتلة السوائل المتدفقة. على الرغم من أن مقياس تدفق الكتلة غير المباشر يمكن أن يتكون من مقياس تدفق حجمي ومقياس كثافة، إلا أن بنيته معقدة وتتأثر بالضغط ودرجة الحرارة، مما يؤدي إلى أخطاء قياس كبيرة. لذلك، لطالما أمل فنيو القياس في تطوير مقياس تدفق كتلة يمكنه قياس معدل تدفق كتلة السوائل في الأنابيب مباشرةً.
لا يتأثر قياس تدفق كتلة كوريوليس بدرجة الحرارة أو الضغط أو اللزوجة
دقة مقياس تدفق كوريوليس مقابل مقاييس التدفق الكهرومغناطيسية والتوربينية
دقة مقياس تدفق التوربينات ليست جيدة مثل مقياس تدفق الكتلة كوريوليس
بالمقارنة مع التقنيات الأخرى، مثل عدادات التدفق الكهرومغناطيسية أو التوربينية ، توفر عدادات تدفق كوريوليس دقة أعلى وقياسًا مباشرًا لتدفق الكتلة. يُعد مقياس تدفق كتلة كوريوليس (المشار إليه فيما يلي بمقياس تدفق كوريوليس) نوعًا جديدًا من عدادات تدفق الكتلة، طورته شركة مايكرو موشن عام ١٩٧٧، ويعتمد على مبدأ تناسب قوة كوريوليس مع معدل تدفق الكتلة الناتج عن سائل في نظام دوار أثناء الحركة الخطية. يمكنه قياس كتلة السائل بدقة وبشكل مباشر، والحصول على قيمة كثافة السائل في الوقت نفسه. يُعد حاليًا أحد أسرع عدادات التدفق تطورًا. بعد سنوات من التطوير، حسّن هذا النوع الجديد من عدادات تدفق الكتلة أداء القياس بشكل كبير، وأصبح رائدًا في قياس التدفق. مقالة ذات صلة: [ كوريوليس مقابل مقياس التدفق المغناطيسي ]
مبدأ عمل وصيغة مقياس تدفق الكتلة بقوة كوريوليس
المبدأ الأساسي لعمل مقياس تدفق كوريوليس هو قوة كوريوليس. على قرص يدور بسرعة زاوية ω، توجد كتلة مقدارها m. تتحرك النقطة بسرعة v، وعند هذه النقطة، سيتعرض الجسيم لقوة قصور ذاتي وهمية.
دالة Fc، حجمها هو:
Fc=2mωv
في الصيغة: Fc هي قوة كوريوليس؛ M هي كتلة الجسيم المقاس؛ ω هي السرعة الزاوية؛ V هي السرعة الشعاعية في نظام دوار أو متذبذب.
مقياس تدفق كوريوليس على شكل أنبوب على شكل حرف U لقياس الاهتزاز وعزم الدوران
قوة Fc هي قوة كوريوليس، وهي عمودية على المستوى الذي تحدده ω وv. باستخدام مقياس تدفق كتلة أنبوب U العادي كمثال، يهتز أنبوب U بشكل منتظم بتردد 80 هرتز تحت تأثير محرك إلكتروني. بسبب وجود قوة كوريوليس، يتدفق السائل في اتجاهين متعاكسين على جانبي أنبوب U، وتؤثر قوة كوريوليس الناتجة في اتجاهين متعاكسين على جدار الأنبوب، كما هو موضح في الشكل 1. ونظرًا لاتجاه القوة المعاكس المؤثر على الأنابيب المتوازية على كلا الجانبين، يتعرض الأنبوب على شكل حرف U لعزم دوران M. وفي نفس الوقت الذي يهتز فيه الأنبوب على شكل حرف U لأعلى ولأسفل، يبدو أنه ملتوٍ بالتناوب من الجانب، كما هو موضح في الشكل 2.
طريقة حساب زاوية الالتواء وفرق التوقيت لمقياس تدفق كوريوليس
يتناسب عزم الدوران M مع FC، ويتناسب FC مع mv. لذلك، ما دامت زاوية الالتواء θ للأنبوب على شكل حرف U تُقاس وتُحسب عزم الدوران M، يُمكن الحصول على قيمة معدل تدفق الكتلة m. ونظرًا لصعوبة قياس زاوية الالتواء θ بدقة، يُمكن استخدام العلاقة بين زاوية θ وفارق التوقيت Δt بين الأنبوبين المستقيمين المتوازيين المارّين بنقطة التوازن المركزية عند طرفي الأنبوب على شكل حرف U لقياس زاوية θ، وبالتالي قياس معدل تدفق الكتلة.
سوق مقاييس التدفق كوريوليس العالمية
مقياس تدفق كوريوليس من ميكروموشن من روزماونت
الشركات المصنعة الرئيسية لمقاييس تدفق كوخ الأجنبية هي روزماونت وإي+إتش، بحصة سوقية تبلغ 65% و25% على التوالي. على الرغم من أن مقاييس تدفق كوريوليس لم تدخل السوق إلا في أوائل ثمانينيات القرن الماضي، إلا أنها أصبحت تدريجيًا المنتج الرئيسي في هذا المجال، مع تحسن مستمر في مؤشرات الأداء الفني ومستويات الذكاء. وقد أشار خبراء معتمدون إلى أن مقياس تدفق كوريوليس سيحل محل أنواع أخرى من مقاييس التدفق الكتلي وبعض مقاييس التدفق الحجمي كتقنية رئيسية لقياس التدفق.
معدل نمو سوق عدادات تدفق كوريوليس وإحصائيات المبيعات 1991-2004
تُثبت مبيعات السوق هذه النقطة أيضًا: تشهد العديد من عدادات التدفق التقليدية انخفاضًا كبيرًا في حصتها السوقية، بينما تنمو عدادات تدفق كوخ فقط بمعدل نمو سنوي متوسط قدره 16٪. ووفقًا للإحصاءات، تراوحت السعة المُركبة المُقدرة عالميًا بين 110,000 و130,000 وحدة في عام 1991. وفي عام 1995، بلغت المبيعات العالمية لعدادات التدفق 3 مليارات دولار أمريكي، منها عدادات تدفق كوريوليس بقيمة 235 مليون دولار أمريكي، أي ما يُقارب 8٪. وفي السنوات الخمس الماضية، بلغ متوسط الإيرادات السنوية لمبيعات عدادات التدفق المختلفة حول العالم 2.2 مليار دولار أمريكي، منها عدادات تدفق كوريوليس بقيمة 420 مليون دولار أمريكي، أي ما يُعادل 19٪، بينما تُمثل الأنواع الأخرى من عدادات التدفق أقل من 8٪.
اتجاهات البحث في مجال الأتمتة الصناعية وتقنية مقياس التدفق كوريوليس
مع تزايد الطلب على تقنيات الكشف والمعالجة الآلية للمعلومات في الإنتاج الصناعي، أصبحت المعايير والحالات الصناعية التي يصعب قياسها بسبب تعقيد السوائل وصعوبتها تتطلب مراقبة وقياس معدل تدفق الكتلة. لذلك، تُجري دول مثل الولايات المتحدة الأمريكية وألمانيا والمملكة المتحدة واليابان أبحاثًا تكنولوجية على عدادات تدفق كوريوليس الجديدة. ونظرًا لآفاق السوق الواسعة والأرباح العالية لهذه الأجهزة الجديدة، استثمرت الدول بكثافة وتتطلع إلى اقتناص قمة هذه التكنولوجيا.
حالة تطوير مقياس تدفق كوريوليس في الصين
بدأت الصين في وقت متأخر نسبيًا في البحث عن عدادات تدفق كوريوليس وتطبيقها. منذ منتصف ثمانينيات القرن الماضي، استُخدمت عدادات تدفق كوريوليس في بعض المعدات المستوردة الكاملة. وبحلول عام ١٩٩٢، تم استخدام حوالي ٢٠٠٠ وحدة منها، معظمها في صناعات البترول والكيماويات. في السنوات الأخيرة، ومع تزايد فهم عدادات تدفق كوريوليس، استمر عدد عدادات تدفق كوريوليس المُركّبة في الصين في الازدياد، واتسع نطاق تطبيقاتها. ومع ذلك، تُستورد الغالبية العظمى منها من الخارج.
تتمتع سلسلة مقاييس تدفق كوريوليس SH-CMF وSH-CMD من silverinstruments.com بخبرة إنتاجية تقارب 40 عامًا. نسعى جاهدين للتميز في عمليات الإنتاج، وقد أتاحت لنا خبرتنا التطبيقية الممتدة لأربعين عامًا استخدام مقاييس التدفق عالية الجودة لدينا في تطبيقات مستقرة وممتازة في مختلف الصناعات. في بعض التطبيقات الصناعية الخاصة، حققنا إنجازات رائدة، مثل مقياس تدفق كوريوليس عالي الضغط (1000 بار)، ودرجة حرارة منخفضة للغاية (-260 درجة مئوية)، ودرجة حرارة عالية للغاية (400 درجة مئوية)، ومواد استشعار تدفق الكتلة الخاصة مثل التنتالوم والتيتانيوم. وقد حققنا إنجازات تكنولوجية رائدة بفضل مونيل وغيرها.
مقياس التدفق المبرد لقياس الغاز الطبيعي المسال من silverinstruments.com
تُستخدم عدادات تدفق كتلة الغاز صغيرة الحجم على نطاق واسع في الصين، وتُستخدم بشكل رئيسي في المعدات التجريبية الصغيرة والمتوسطة، وأجهزة التحليل والكشف الإلكترونية، وفي إنتاج أشباه الموصلات في الصناعات الكيميائية والبتروكيماوية. أما عدادات تدفق كتلة الغاز كبيرة الحجم، فتُستخدم بشكل رئيسي لقياس الغاز الطبيعي وغاز الفحم. ورغم قلة كميتها، إلا أن آفاقها واعدة. في السنوات الأخيرة، شهد تطوير عدادات تدفق كتلة الغاز صغيرة ومتوسطة الحجم في الصين تطورًا سريعًا. ففي عام ١٩٩٩، على سبيل المثال، تم تركيب ٢٧٨٥ وحدة في الصين، منها ٢١٥٠ وحدة محلية الصنع (معظمها من شركات مصنعة مثل معهد بكين لبحوث الكيمياء التابع لوزارة الصناعة الكيميائية، ومصنع جيانتشونغ للأجهزة، وشركة شينغي)، وأجهزة مستوردة بشكل رئيسي من شركات مثل بروكس يو إن. ونظرًا لمحدودية أجهزة المعايرة، يوجد حاليًا عدد قليل جدًا من مصنعي عدادات تدفق كتلة الغاز كبيرة القطر في الصين، ولكن موقع silverinstruments.com يوفر عداد تدفق كتلة كوريوليس بقطر ١٢ بوصة كحد أقصى، والذي يمكنه قياس تدفق يبلغ حوالي ٩١٨ رطل/ثانية.
مقياس تدفق كوريوليس ١٢ بوصة من silverinstruments.com
تحديات تطوير مقياس تدفق كتلة السائل الصيني ونمو السوق
نظرًا للصعوبة التقنية العالية ودورة الاستفادة الطويلة، فإن تطور عدادات تدفق كتلة السائل بطيء نسبيًا. على الرغم من أن العديد من المؤسسات البحثية والجامعات قد طورت هذا المنتج، إلا أن عدد الشركات المصنعة محدود للغاية والإنتاج محدود (بما في ذلك معهد بكين لبحوث الكيمياء التابع لوزارة الصناعة الكيميائية، ومصنع شانشي تايهانغ للأجهزة، وغيرهما)، ويعتمد بشكل رئيسي على الواردات، إلا أن الطلب يتزايد عامًا بعد عام.
نمو مبيعات عدادات التدفق كوريوليس من مايكرو موشن في الصين خلال الفترة 1992-2004
وفقًا لبيانات شركة مايكرو موشن (MM) الأمريكية، بلغ إجمالي مبيعات الشركة في الصين 600 وحدة بحلول عام 1992، وبلغ حجم مبيعاتها 1000 وحدة في ذلك العام. وبحلول عام 1997، تراوحت كمية عدادات تدفق كوريوليس المُركّبة بين 3500 و4500 وحدة تقريبًا، ووصلت إلى 7500 وحدة بحلول عام 2004. تُستخدم هذه الأجهزة على نطاق واسع في قياس ومراقبة مصانع البتروكيماويات، والمواد الكيميائية، ومواد البناء، والزجاج، والأفران الصناعية.
مقارنة أداء مقياس تدفق كوريوليس الصيني مقابل الدولي
على الرغم من صعوبة إنتاج عدادات تدفق كتلة السوائل، فقد حققنا الآن إنجازات تكنولوجية بارزة. ووفقًا لمقارنة عينات أجرتها إدارة القياس الوطنية عام ٢٠٠٤ على منتجات شركة MM وشركة E+H ومعهد بكين لبحوث الكيمياء التابع لوزارة الصناعة الكيميائية، أظهرت النتائج تكافؤًا جوهريًا في المؤشرات الفنية وأداء المنتجات الثلاثة.
تتميز أجهزة قياس التدفق كوريوليس التي تصنعها بعض الشركات الصينية بأداء عالي كعلامة تجارية دولية.
تطبيقات مقياس تدفق الكتلة كوريوليس في العديد من الصناعات
بفضل دقتها العالية ومقاومتها للتآكل ونطاق القياس الواسع وقياس المعلمات المتعددة، تم استخدام مقاييس تدفق الكتلة كوريوليس على نطاق واسع في الصناعات مثل البترول والكيماويات والفضاء والطاقة وصناعة الورق والأغذية والأدوية.
قياس ملاط ثاني أكسيد التيتانيوم في صناعة الورق باستخدام مقاييس تدفق كوريوليس
مقياس تدفق كوريوليس لقياس الملاط
يُعد ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2)، المستخدم لضبط عتامة وسطوع الورق المُحسّن في صناعة الورق، مادةً باهظة الثمن. يُضاف كخليط مُعلّق في الماء، ويُقاس عادةً بمقياس تدفق كهرومغناطيسي لقياس معدل التدفق. قد تُسبب عوامل عديدة تغيرات في محتوى مسحوق ثاني أكسيد التيتانيوم في الأنابيب، ويضطر المُشغّلون إلى إضافة كميات زائدة منه لتلبية الحد الأدنى من متطلبات السطوع والعتامة للورق. يُمكّن استخدام مقياس تدفق كوريوليس من حل مشكلة التحكم في محتوى ثاني أكسيد التيتانيوم، مما يضمن جودة المنتج دون هدر المواد، ويُحسّن المنافع الاقتصادية.
أنظمة التحكم في الخلط الكيميائي ثنائية المكونات مع مقاييس تدفق كوريوليس المزدوجة
قياس تدفق الراتنج والمصلب
في الصناعة الكيميائية، تتطلب العديد من العمليات تحكمًا مستمرًا في مكونين مختلطين بنسبة ثابتة، مثل خلط الراتنج والمصلب. يُختار مقياسان لتدفق كوريوليس في نظام التحكم، ويُستخدم محولان للتحكم في مضخات تنظيم السرعة للمكونين على التوالي. يحتوي المحولان على منظمات PID، ويتحكم النظام بأكمله بنسبة المكونين.
مقاييس تدفق كوريوليس في إنتاج البولي بروبيلين باستخدام المحفزات الصلبة
أثناء عملية إنتاج البولي بروبيلين، تكون عدادات التدفق التوربينية أو الحجمية عرضة للتلف نتيجة استخدام المحفزات الصلبة؛ ونظرًا لطبيعة المذيبات غير الموصلة، فإن عدادات التدفق الكهرومغناطيسية غير مناسبة أيضًا؛ كما أن المواد المضافة المُسخّنة إلى 100-150 درجة مئوية تُشكّل طبقات على مستشعرات الضغط التفاضلي نتيجةً لتغيرات درجة الحرارة، مما يؤثر على دقة القياس، ويؤثر معدل تدفق المواد المضافة بشكل مباشر على جودة المنتج. لا يقتصر استخدام عداد تدفق كوريوليس على العوامل المذكورة أعلاه، ويحقق قياسًا دقيقًا.
تطبيقات مقياس تدفق كوريوليس في إنتاج البيرة والويسكي
مقياس تدفق الكتلة المستخدم في صناعة الخمور
في عملية إنتاج البيرة، يلزم خلط السكر والماء، ويُستخدم مقياس تدفق كوريوليس. يُظهر ناتج الكثافة للمشغل درجة ذوبان السكر. بمجرد استقرار ناتج الكثافة، يُثبت ذلك تجانس الذوبان، ويمكن التحكم في الدفعة وجودتها بفعالية. يُستخدم هذا الجهاز للتحكم في نسبة النشا في عملية إنتاج الويسكي والمشروبات الكحولية الأخرى، مما يوفر وقت التقطير، ويزيد الإنتاج، ويحسن كفاءة عملية التصنيع بأكملها. تطبيقات أخرى ذات صلة بمقياس تدفق كوريوليس
مزايا وعيوب مقياس تدفق كوريوليس في التطبيقات الصناعية
يُحدد مبدأ مقياس تدفق كوريوليس مزاياه البارزة، كالدقة العالية ونطاق القياس الواسع، إلا أنه يُعاني أيضًا من عيوب، كالفقد الكبير في الضغط، والمتطلبات العالية لعمليات التصنيع والتركيب، والحساسية للاهتزازات الخارجية. في العقد الماضي، شهد المستوى التكنولوجي لمقياس تدفق كوريوليس تحسنًا كبيرًا، واتسع نطاق تطبيقه بشكل متزايد. ومن المتوقع أن يشهد مقياس تدفق كوريوليس تطورًا أسرع في المستقبل.
من الوضع الحالي للبحث والتطبيق لمقياس تدفق كوريوليس، فإن الاتجاه الرئيسي لتطويره هو:
تطوير مقياس تدفق كوريوليس ذو القطر الكبير للتطبيقات الصناعية
تطوير سلسلة جديدة من مقاييس تدفق الكتلة (كبيرة القطر). لتوسيع نطاق استخدام هذه الأجهزة، طورت شركات مختلفة منتجات كبيرة، بل وفائقة العيار، استنادًا إلى المنتجات الأصلية الصغيرة والمتوسطة الحجم، لتلبية احتياجات مختلف المستخدمين.
مقاييس تدفق كوريوليس متعددة المعلمات: قياس تدفق الكتلة والكثافة
تطوير نهج متعدد الاستخدامات لجدول واحد. يُستخدم مقياس تدفق كوريوليس بشكل أساسي لقياس معدل تدفق السوائل، ولكن وفقًا لمبدأ عمله، يُمكنه أيضًا قياس كثافة السوائل. كما يُمكن استخدامه لقياس معدل تدفق الغازات تحت ضغط عالٍ نظرًا لزيادة كثافتها. يُمكن لمقياس تدفق كوريوليس من silverinstruments.com قياس كثافة السوائل.
تحليل أخطاء تصنيع وتركيب مقياس تدفق كوريوليس
تحليل تأثير العلاقة العددية بين أخطاء التصنيع والتركيب على مقاييس تدفق كوريوليس، من أجل تخفيف متطلبات دقة التصنيع والتركيب ضمن النطاق المسموح به لأخطاء القياس وتقليل صعوبة عملية التصنيع والتركيب.
