دليل مقياس تدفق الكتلة إلى مبادئه وأنواعه وتطبيقاته

في أنظمة التحكم في العمليات الصناعية ونقل الحراسة والفوترة الحالية، يُعدّ قياس تدفق كتلة السوائل بدقة أمرًا بالغ الأهمية لضمان سير العمل بسلاسة، مما يُتيح دقة التجميع في التصنيع ودقة الفوترة في قياسات التجارة. تُعدّ عدادات تدفق الكتلة الآن أدوات قياس أساسية في العديد من المجالات، نظرًا لدقتها وموثوقيتها العالية مقارنةً بأجهزة قياس التدفق الحجمي (مثل عدادات تدفق التوربينات، وعدادات تدفق الإزاحة الموجبة، وعدادات التدفق المغناطيسية، وغيرها). يتناول هذا الدليل المُفصّل ماهية عدادات تدفق الكتلة، ووظائفها، وأنواعها المختلفة، وأهم استخداماتها.

ما هو مقياس تدفق الكتلة؟

مقياس تدفق الكتلة هو أداة دقيقة للغاية تقيس معدل تدفق السوائل عبر خط أنابيب. من ناحية أخرى، تُعطي مقاييس تدفق الكتلة قياسات مباشرة لكتلة السوائل بوحدات تدفق مثل الكيلوجرام أو الطن أو الباوند، وهي وحدات لا تتغير بتغير درجة الحرارة أو الضغط أو الكثافة أو اللزوجة. أما مقاييس التدفق الحجمي، فتقيس حجم السوائل (وحدات تدفق مثل المتر المكعب/ساعة، أو قدم مكعب في الدقيقة، أو جالون في الدقيقة). وبفضل هذه القدرة، فهي ضرورية للحالات التي تتطلب دقة عالية وثباتًا في الأداء.

تعتمد مقاييس تدفق الكتلة على العديد من المبادئ الفيزيائية، إلا أن تأثير كوريوليس هو الأكثر شيوعًا والأكثر دقة. عندما يتحرك السائل عبر أنبوبي استشعار قياس مهتزين، فإنه يُسبب انزياحات طورية أو تغيرات في التردد تتناسب طرديًا مع معدل تدفق الكتلة. يستطيع جهاز إرسال تدفق الكتلة كوريوليس حساب تدفق الكتلة بدقة عالية من خلال ملاحظة هذه التغيرات.

لماذا يعد قياس تدفق الكتلة مهمًا؟

في التطبيقات الصناعية الفعلية العددية، يعد قياس تدفق الكتلة أفضل بكثير من القياس الحجمي لعدد من الأسباب:

• دقة أفضل

عادةً ما تقيس مقاييس تدفق كتلة كوريوليس بدقة تتراوح بين ±0.1% و±0.2%، وهي أفضل بكثير من مقاييس التدفق الحجمي التقليدية (على سبيل المثال، تتراوح دقة مقاييس التدفق الدوارة بين 1.0% و1.5% فقط). تُعد هذه الدقة العالية بالغة الأهمية لنقل الحفظ، والتوزيع، ومراقبة الجودة، حيث قد تُسبب حتى الأخطاء البسيطة أو القياسات غير الدقيقة آثارًا سلبية.

• الاستقلال عن شروط العملية

لا تؤثر تغيرات درجة حرارة وضغط السائل على نتائج قياس مستشعر كوريوليس، لذا لا حاجة لإجراء حسابات تعويض أو تصحيح (على سبيل المثال، مقياس تدفق توربينات الغاز EVC). تُعد هذه الميزة مفيدة بشكل خاص في بعض التطبيقات التي تتغير فيها ظروف التشغيل، مثل الضغط أو درجة الحرارة، بشكل متكرر أثناء قياس تدفق الغاز، لأن القياسات الحجمية تتطلب تصحيحات معقدة تُزيد من عدم اليقين.

• بيانات التدفق الكتلي المباشر

تتطلب العديد من العمليات الصناعية بيانات الكتلة بدلاً من بيانات الحجم. تُعدّ الكتلة مهمة للتفاعلات الكيميائية، وخلط المواد، وتحديد كمية الطاقة اللازمة. تُوفّر عدادات تدفق الكتلة هذه المعلومات مباشرةً، مما يُقلّل أخطاء التحويل ويُسهّل التحكم في العملية. على سبيل المثال، إذا كان معدل تدفق النيتروجين المحسوب من عداد توربين الغاز 20 قدم مكعب في الدقيقة، فسيكون من الصعب الحصول على قيمة كثافة دقيقة لتحويلها إلى كجم/ساعة.

• القياس متعدد المعلمات

تستطيع عدادات تدفق الكتلة الحديثة قياس أكثر من مُعامل واحد (وحدة تدفق كتلة) في آنٍ واحد، مثل الكثافة، والتركيز، ونسبة البريكس، ودرجة الحرارة. هذا التعدد في الوظائف يعني الحاجة إلى عدد أقل من الأجهزة الميدانية، مما يُقلل تكاليف التركيب ويُسهّل استخدام النظام بأكمله، ويجعل القياسات أكثر موثوقية.

• استخدامات واسعة

يمكن لأجهزة قياس تدفق الكتلة العمل مع الكثير من السوائل المختلفة، مثل السوائل والغازات والطين؛ كما يمكنها التعامل مع تطبيقات السوائل الصعبة، مثل قياس الأكسجين في درجات الحرارة المنخفضة للغاية، وقياس النيتروجين تحت الضغط العالي للغاية، وقياس الأسفلت فائق اللزوجة أو النفط الخام، وقياس الطين التعديني عالي الكشط.

أنواع مختلفة من مقاييس تدفق الكتلة

هناك نوعان رئيسيان من أجهزة قياس تدفق الكتلة بناءً على كيفية عملها:

أجهزة قياس التدفق الكتلي المباشر

تقيس أجهزة قياس التدفق الكتلي المباشرة معدل التدفق الكتلي دون الحاجة إلى القيام بأي عمليات حسابية أو تحويلات إضافية:

• مقاييس تدفق الكتلة كوريوليس

عدادات كوريوليس هي أكثر أنواع عدادات تدفق الكتلة المباشرة شيوعًا. تعتمد هذه العدادات على مبدأ تأثير كوريوليس. عندما يتحرك السائل عبر أنبوب اهتزازي واحد أو أكثر، تُسبب قوى كوريوليس تغيرات في الطور أو التردد الذي يُمكن قياسه. تتميز هذه العدادات بدقة عالية (عادةً ±0.1% أو أكثر)، وتُمكنها من قياس السوائل والغازات، بالإضافة إلى قياس الكثافة في الوقت نفسه. وهي مثالية لنقل البيانات، والتوزيع الدقيق، وقياس السوائل عالية القيمة.

• مقاييس تدفق الكتلة الحرارية

تستخدم العدادات الحرارية مبادئ انتقال الحرارة لتحديد معدل تدفق الكتلة عن طريق قياس الحرارة التي يحملها السائل المتدفق. تُستخدم هذه العدادات لقياس الغاز، وهي شائعة الاستخدام بشكل خاص في تصنيع أشباه الموصلات، ومراقبة الغاز الطبيعي، وأنظمة الهواء المضغوط. تتميز هذه العدادات بانخفاض تكلفتها عند قياس الغاز، ولا تتطلب الكثير من الصيانة.

قياس تدفق الكتلة غير المباشر

تحسب أجهزة قياس تدفق الكتلة غير المباشرة تدفق الكتلة عن طريق قياس كل من تدفق الحجم والكثافة:

• مقياس التدفق الحجمي مع تعويض الكثافة

قياس تدفق كتلة البخار غير المباشر باستخدام مقياس تدفق الدوامة

تستخدم هذه الطريقة مقياس كثافة منفصلاً ومقياس تدفق حجمي، مثل مقياس التوربينات أو الدوامات أو العدادات الكهرومغناطيسية. لحساب تدفق الكتلة، يُضرب تدفق الحجم في الكثافة. قد لا يكون هذا الحل بدقة الطرق المباشرة، ولكنه قد يكون أقل تكلفةً في بعض الاستخدامات.

• عدادات تدفق الضغط التفاضلي مع التعويض

مقياس تدفق الضغط التفاضلي

يمكن تحسين عدادات تدفق DP التقليدية (مثل صفائح الفتحة، والمخروط V، والحلقية، وأنابيب فنتوري) بإضافة مستشعر درجة الحرارة RTD ومستشعر الضغط لتحقيق التعويض اللازم للحصول على تقديرات لتدفق الكتلة. هذه الأنظمة معروفة ولها تاريخ عريق، لكنها عادةً ما تكون أقل دقة من عدادات تدفق الكتلة المباشرة. ومع ذلك، لا تزال لها تطبيقات واسعة، مثل قياس الغاز الطبيعي عالي الضغط وقياس تدفق البخار فائق الحرارة.

عدادات تدفق الكتلة غير المباشرة أقل تكلفة بكثير، لكنها عادةً ما تكون أقل دقة وموثوقية من طرق القياس المباشرة. كما أنها تتطلب صيانةً أكبر نظرًا لاحتوائها على عدد أكبر من المستشعرات للحصول على النتائج.

تطبيقات مقاييس تدفق الكتلة

• التطبيقات في القياس والتحكم في العمليات

تُستخدم مقاييس تدفق كتلة كوريوليس في المجالات التي تتطلب دفعات دقيقة ومراقبة صارمة للعمليات. في الصناعة الكيميائية، تُراقب هذه المقاييس المواد الخام الداخلة في المفاعلات لضمان استخدام الكميات المناسبة من المواد الكيميائية المختلفة في التفاعلات. في صناعة النفط والغاز، تُستخدم هذه المقاييس لقياس النفط الخام والغاز الطبيعي وغاز البترول المسال لأغراض التداول. كما تعتمد عليها صناعات الأغذية والأدوية للتحكم الدقيق في إضافة المكونات المهمة أو باهظة الثمن، مثل السكريات والمنكهات والمكونات النشطة.

• الاستخدامات في الظروف القاسية والسوائل المعقدة

يتميز مقياس تدفق كتلة كوريوليس بكفاءته العالية في التعامل مع السوائل المعقدة والصعبة. فهو يقيس بدقة السوائل غير النيوتونية، والسوائل ذات الفقاعات، والسوائل ذات اللزوجة العالية جدًا، مثل النفط الخام، والراتنج، والدبس، ومعجون الشوكولاتة. هذه هي أنواع السوائل التي غالبًا ما لا تستطيع مقاييس التدفق الأخرى التعامل معها. كما أنه يعمل بكفاءة عالية في ظروف الضغط ودرجات الحرارة العالية، مثل قياس تدفق الشمع، والبروبان المبرد، وطين الحفر، والكبريت السائل، وغيرها. تصميم مستشعر تدفق الكتلة، الخالي من المناطق الميتة والأجزاء المتحركة، يجعله سهل التنظيف ويلبي المعايير الصحية الصارمة للاستخدامات الصحية مثل نقل منتجات الألبان أو المستحضرات الصيدلانية الحيوية عبر خطوط الأنابيب.

• استخدامات في قياس المعلمات المشتقة وتوفير المال

لا تقتصر مقاييس تدفق كتلة كوريوليس على قياس تدفق الكتلة فحسب، بل تقيس أيضًا كثافة السوائل ودرجة حرارتها. هذه الميزة الإضافية تزيد بشكل كبير من نطاق استخداماتها، مما يسمح بإجراء قياسات غير مباشرة لعوامل مهمة مثل تركيز السائل، ونقاء الكحول، ومحتوى السكر (بريكس)، أو تركيز حمض الكبريتيك، مما يعني عدم الحاجة إلى العديد من أجهزة الاستشعار المنفصلة.