تاريخ مقياس التدفق الكهرومغناطيسي

مقدمة عن مقاييس التدفق الكهرومغناطيسية

يعد قياس التدفق باستخدام مبدأ الحث الكهرومغناطيسي أحد أكثر الطرق شيوعًا بين العديد من طرق قياس التدفق. يمكنه قياس سرعة التدفق ومعدل تدفق السوائل الموصلة في أشكال مختلفة من قنوات التدفق وهو تطبيق لقانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي. يعد مقياس التدفق الكهرومغناطيسي جهازًا واسع الاستخدام وبأسعار معقولة.

اكتشاف الحث الكهرومغناطيسي

تم اكتشاف قانون الحث الكهرومغناطيسي بواسطة الفيزيائي البريطاني فاراداي في عام 1831. ينص قانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي على أنه عندما يقطع موصل خطوط القوة المغناطيسية في مجال مغناطيسي، فإن قوة دافعة كهربائية مستحثة عمودية على اتجاه المجال المغناطيسي واتجاه حركة الموصل سوف يتم تحريضها عند طرفي الموصل. يتناسب حجم القوة الدافعة الكهربائية المستحثة مع شدة الحث المغناطيسي وسرعة الحركة.

أول تجربة لقياس التدفق الكهرومغناطيسي

في عام 1832، وضع فاراداي قضيبين معدنيين كأقطاب كهربائية على جانبي جسر واترلو على نهر التيمز في مكان عمودي على اتجاه تدفق المياه وفي اتجاه المجال المغناطيسي الأرضي. كانت هذه أول تجربة لقياس التدفق الكهرومغناطيسي في العالم. ومع ذلك، بسبب التفاعلات الكهروكيميائية والتأثيرات الحرارية الكهربائية وما إلى ذلك، كانت الإشارة المقاسة خاطئة، وتسبب مجرى النهر في حدوث قصر في إشارة معدل التدفق. بالإضافة إلى ذلك، بسبب قيود ظروف القياس في ذلك الوقت، فشل. لحسن الحظ، في عام 1851، رأى نجاح وولساتون وآخرين في قياس مد وجزر القناة الإنجليزية باستخدام طريقة الحث الكهرومغناطيسي.

اكتشف فاراداي قانون الحث الكهرومغناطيسي

التطورات المبكرة في مقاييس التدفق الكهرومغناطيسية

في عام 1917، حصل سميث وسبيرين على براءة اختراع لتطبيق مبدأ الحث الكهرومغناطيسي لتصنيع عداد سرعة السفن، وأوصيا باستخدام الإثارة المترددة للتغلب على تأثير استقطاب الماء، وبالتالي فتح المجال لتطبيق أجهزة قياس التيار الكهرومغناطيسية في علم المحيطات.

التطورات والمساهمات النظرية

في عام 1930، صنع ويليامز تدفق محلول كبريتات النحاس في أنبوب دائري غير موصل موضوع في مجال مغناطيسي مستمر. كان جهد التيار المستمر بين قطبي الأنبوب الدائري متناسبًا مع معدل التدفق. أصبح هذا الجهاز مقياس تدفق كهرومغناطيسي بسيط. استخدم ويليامز الأساليب الرياضية لتحليل تأثير توزيع سرعة التدفق في الأنبوب الدائري على القياس لأول مرة، واقترح النظرية التي مفادها أن توزيع سرعة التدفق المتماثل مع المحور المركزي للأنبوب لا يؤثر على دقة قياس مقياس التدفق الكهرومغناطيسي. على الرغم من أن تحليله كان خاطئًا رياضيًا، فقد تم تأسيس النظرية الأساسية لمقياس التدفق الكهرومغناطيسي منذ ذلك الحين.

التطبيقات البيولوجية والتطورات التي حدثت بعد الحرب

حوالي عام 1932، بناءً على اقتراح فابر، استخدم علماء الأحياء ويليامز وأ. كولين بنجاح مقاييس التدفق الكهرومغناطيسية لقياس وتسجيل تدفق الدم الشرياني اللحظي.

بعد الحرب العالمية الثانية، تطورت صناعة الطاقة الذرية بسرعة، مما مكن من قياس المغناطيس الدائم للمعدن السائل، وتم تطوير مقياس التدفق الكهرومغناطيسي وتطبيقه. ومع ذلك، بسبب التكنولوجيا الإلكترونية المتخلفة في ذلك الوقت، لم يكن من الممكن توسيع مجال تطبيقه إلى الصناعة العامة.

التبني الصناعي والتوسع العالمي

في عام 1950، استخدم الهولنديون لأول مرة مقاييس التدفق الكهرومغناطيسية للطين لقياس تدفق الطين على الجرافات. وفي وقت لاحق، تم استخدام مقاييس التدفق الكهرومغناطيسية في الإنتاج الصناعي العام في الولايات المتحدة.

في عام 1955، قدمت شركة Hokushin Electric وشركة Yokogawa Electric اليابانية منتجات مقياس التدفق الكهرومغناطيسي من شركة Fischer & Porter وشركة Foxboro الأمريكية على التوالي. وبعد عملية الهضم والامتصاص والتحسين المستمرة، سرعان ما أصبحت مقاييس التدفق الكهرومغناطيسية الخاصة بهما متقدمة عالميًا. وفي حوالي عام 1955، نجحت أيضًا كل من الاتحاد السوفييتي السابق وبريطانيا وألمانيا في إنتاج مقاييس التدفق الكهرومغناطيسية.

التحليل الرياضي والنضج التكنولوجي

في أوائل الستينيات من القرن العشرين، أكمل جيه إيه شيركليف التحليل الرياضي لمقياس التدفق الكهرومغناطيسي ذي المجال المغناطيسي المنتظم اللانهائي بواسطة أ. كولين وغيره من الأسلاف.

كشف التحليل الرياضي لسرعة التدفق تحت مجال مغناطيسي منتظم بطول محدود ونظرية دالة الوزن عن الخصائص المجهرية للقوة الدافعة الكهربائية المستحثة، مما جعل مقياس التدفق الكهرومغناطيسي يتمتع بنظرية أساسية منهجية. في الوقت نفسه، في ظل ظروف التطور السريع لصناعة الإلكترونيات والتحسين المستمر لدرجة الأتمتة الصناعية، تحسن مقياس التدفق الكهرومغناطيسي تدريجيًا ونضج، وتطور إلى مقياس تدفق ذو أداء ممتاز، والذي تم استخدامه على نطاق واسع في الصناعة.

من أواخر الستينيات إلى منتصف السبعينيات، مع الدراسة المتعمقة لوظائف الوزن ثلاثية الأبعاد، ظهرت مقاييس التدفق الكهرومغناطيسية ذات المجالات المغناطيسية ذات التوزيع المرجح، والتي اختصرت بشكل كبير طول المجال المغناطيسي المحدود وحسنت عدم حساسية القياس لسرعة التدفق إلى حد ما. في الوقت نفسه، فهي أيضًا مواتية لتبسيط تصنيع مقياس التدفق وخفض التكاليف. تتمتع نتائج البحث عن وظائف الوزن ثلاثية الأبعاد بأهمية توجيهية كبيرة لتطوير مقاييس التدفق الكهرومغناطيسية خلال هذه الفترة. نظرًا للتطور السريع للدوائر المتكاملة خلال هذه الفترة ومتطلبات الأداء الأعلى لأجهزة قياس التدفق التي طرحتها أزمة الطاقة العالمية، ظهرت تقنية جديدة لإثارة الموجة المستطيلة منخفضة التردد. تركز مقاييس التدفق الكهرومغناطيسية ذات الإثارة الموجية المستطيلة منخفضة التردد على مزايا مقاييس تدفق الإثارة المترددة في قمع تداخل الاستقطاب في إشارات المجال المغناطيسي للتيار المستمر وتقليل مكونات إشارة تداخل الحث الكهرومغناطيسي الموجودة في إشارات مقاييس تدفق المجال المغناطيسي للتيار المتردد. إنه يحسن الاستقرار الصفري والحساسية ودقة القياس لمقياس التدفق، ويقلل من استهلاك الطاقة، ويحل مشاكل التبادلية، ويشكل ذروة في تطوير مقاييس التدفق الكهرومغناطيسية.

التطورات والتطبيقات المعاصرة

منذ ثمانينيات القرن العشرين، أدى التطور السريع للتكنولوجيا الدقيقة وتكنولوجيا الكمبيوتر إلى جعل تكنولوجيا تصنيع مقاييس التدفق الكهرومغناطيسية أكثر نضجًا وكمالًا، وتم توسيع مجال تطبيقها بشكل أكبر. تستخدم مقاييس التدفق الكهرومغناطيسية المعاصرة تكنولوجيا الكمبيوتر الدقيقة أحادية الشريحة وطرق المعالجة الرقمية لتحسين دقة القياس وأداء مقاييس التدفق الكهرومغناطيسية بشكل مستمر، ويمكنها الاستفادة الكاملة من مزايا أجهزة الكمبيوتر في تخزين المعلومات، ومعالجة تقاسم الوقت، وقدرات الحساب والتحكم. لذلك، من السهل نسبيًا تحقيق وظائف إضافية مثل القياس ثنائي الاتجاه، واكتشاف الأنابيب الفارغة، والتبديل التلقائي متعدد النطاقات، والحوار بين الإنسان والحاسوب، والتواصل مع الكمبيوتر المضيف، والتشخيص الذاتي. يوفر الجيل الجديد من مقاييس التدفق الكهرومغناطيسية مع بروتوكول HART وحافلات المجال الأخرى للمستخدمين الظروف لتحقيق التحكم في إنتاج وإدارة حافلة المجال الجديدة تمامًا. لذلك، أصبحت مقاييس التدفق الكهرومغناطيسية المتكاملة، ثنائية الأسلاك، المقاومة للانفجار، عالية الضغط، والقادرة على الاتصال، أكثر وأكثر شعبية في التحكم التلقائي في عمليات الإنتاج الصناعي مثل الكيماويات والبترول والصلب والمعادن.

التقنيات الناشئة والتوجهات المستقبلية

مع توسع مجال التطبيق، ظهرت العديد من أجهزة وأنظمة قياس حجم السوائل الموصلة الجديدة باستخدام طرق الحث الكهرومغناطيسي، مثل مقاييس التدفق الكهرومغناطيسية السعوية التي يمكنها قياس الموصلية المنخفضة،
أجهزة قياس التدفق الكهرومغناطيسية ذات الأنابيب الممتلئة جزئيًا لقياس تصريف الجاذبية، وأجهزة قياس التدفق الكهرومغناطيسية الغاطسة لقياس القناة المفتوحة، وأجهزة قياس التدفق الكهرومغناطيسية وأجهزة قياس التدفق الكهرومغناطيسية المدخلة التي يمكنها قياس سرعة التدفق النقطي في القنوات المفتوحة والأنابيب ذات القطر الكبير، وأنظمة قياس القناة المفتوحة التي تتكون من طريقة سرعة التدفق الكهرومغناطيسي - مستوى الماء، إلخ.

تطوير مقاييس التدفق الكهرومغناطيسية في الصين

بدأت الصين في تطوير مقاييس التدفق الكهرومغناطيسية في وقت مبكر من أواخر الخمسينيات من القرن العشرين، وبدأت شركة Shanghai Guanghua Instrument Factory في توفير المنتجات للمجتمع في أوائل الستينيات. في عام 1967، شارك معهد أبحاث أجهزة الأتمتة الصناعية في شنغهاي، ومصنع أجهزة شنغهاي Guanghua، ومصنع أجهزة كايفنغ، ومصنع أجهزة الأتمتة تيانجين رقم 3، وما إلى ذلك، في التصميم الموحد الوطني لمقاييس التدفق الكهرومغناطيسية الذي تم تنظيمه في معهد أبحاث أجهزة الأتمتة الصناعية في شنغهاي. وعلى الرغم من أن الوقت كان قصيرًا، إلا أن الجميع تبادلوا الأفكار وحسنوا فهم مقاييس التدفق الكهرومغناطيسية. في أقل من عام، تم تصميم وتطوير سلسلة من مقاييس التدفق المغناطيسية الصينية. والأهم من ذلك، أن هذا التصميم الموحد الوطني لمقاييس التدفق الكهرومغناطيسية وضع الأساس للتطوير اللاحق لمقاييس التدفق الكهرومغناطيسية في الصين وصقل المواهب.

التقدم والتطور التكنولوجي في الصين

في منتصف سبعينيات القرن العشرين، وتحت تأثير الدول الصناعية المتقدمة، وصل البحث في نظرية مقياس التدفق الكهرومغناطيسي في الصين إلى ذروته أيضًا. في يونيو 1975، تمت دعوة الفيزيائيين المشهورين، البروفيسور وانغ تشوكسي والبروفيسور تشاو كاي هوا من جامعة بكين من قبل العديد من علماء مقياس التدفق المغناطيسي الصينيين المشهورين لإجراء تحليل رياضي صارم لنظرية دالة وزن مقياس التدفق الكهرومغناطيسي وإلقاء المحاضرات، مما أدى إلى المشاركة النشطة للعديد من الجامعات مثل جامعة هواتشونغ للعلوم والتكنولوجيا، وجامعة نورث إيسترن للعلوم والتكنولوجيا، وجامعة شنغهاي جياوتونغ في البحث في نظرية مقياس التدفق الكهرومغناطيسي وتطوير منتجات مقياس التدفق الكهرومغناطيسي ذات المجال المغناطيسي الموزع الموزون في بلدي.

الوضع الحالي والآفاق المستقبلية

يعد مقياس التدفق الكهرومغناطيسي الصيني أحد المنتجات التكنولوجية العالية التي سلكت طريق الإصلاح في وقت سابق وبنجاح أكبر، حيث قدمت التكنولوجيا المتقدمة الأجنبية وأقامت مشاريع مشتركة مع الشركات المتقدمة الأجنبية. لم يمكّن هذا شركات إنتاج مقياس التدفق الكهرومغناطيسي الأساسية من التطور بسرعة فحسب، بل دفع أيضًا التقدم التكنولوجي للشركات الصغيرة والمتوسطة الحجم الأخرى التي تنتج مقاييس التدفق الكهرومغناطيسية. في الوقت الحاضر، يعتمد إنتاج بلدي من مقاييس التدفق الكهرومغناطيسية بشكل أساسي على إثارة الموجة المستطيلة منخفضة التردد، ودخل تدريجيًا عصر المجال المغناطيسي الموزون ومقاييس التدفق الذكية. يتراوح حجم مستشعر مقياس التدفق المغناطيسي من 3 مم إلى 3000 مم، ودقة القياس في نطاق ±0.3٪ R أو ±1٪ FS. نما عدد مصنعي مقياس التدفق الكهرومغناطيسي الصيني من 4 في أوائل الثمانينيات إلى حوالي 30 في الوقت الحاضر؛ زاد الإنتاج من أقل من 1000 مجموعة سنويًا إلى ما يقرب من 30000 مجموعة سنويًا اليوم. سواء من حيث مستوى تكنولوجيا التصنيع أو قدرات التطوير أو تطوير السوق، فإن الفجوة بين مقاييس التدفق الكهرومغناطيسية في الصين والمستوى المتقدم في العالم تضيق بسرعة.

قامت الصين بصياغة معيار صناعة مقياس التدفق الكهرومغناطيسي في عام 1980. ومع تطور وتقدم التكنولوجيا، تم مراجعته في عام 1999 واعتماد المعيار الدولي ISO (ISO 9104:

تم إصدار المعايير الوطنية GB/T 18659-2002 [طرق تقييم أداء مقاييس التدفق الكهرومغناطيسية لقياس تدفق السوائل الموصلة في الأنابيب المغلقة] وGB/T 18660-2002 [طرق استخدام مقاييس التدفق الكهرومغناطيسية لقياس تدفق السوائل الموصلة في الأنابيب المغلقة]. سيمكن هذا مقاييس التدفق الكهرومغناطيسية الصينية من مواكبة المعايير الدولية في المستقبل وخلق الظروف لتطوير مقاييس التدفق الكهرومغناطيسية الصينية.