ما هو مقياس تدفق الكتلة وكيف يعمل؟

جدول المحتويات

ما هو مقياس تدفق الكتلة وكيف يعمل؟
أجهزة قياس تدفق الكتلة: كيف تعمل؟
أنواع مختلفة من أجهزة قياس تدفق الكتلة
مقاييس تدفق الكتلة كوريوليس
مقاييس تدفق الكتلة الحرارية
التطبيقات الأكثر شيوعًا لأجهزة قياس تدفق الكتلة
أجهزة قياس تدفق الكتلة: ما هي حدودها؟
المشاكل المحتملة مع أجهزة قياس تدفق الكتلة
تاريخ قياس تدفق الكتلة
التدفق الحجمي والتدفق الكتلي مقابل القياس
تطبيقات نموذجية لقياس تدفق الكتلة

ما هو مقياس تدفق الكتلة وكيف يعمل؟

مقياس التدفق الكتلي هو جهاز يستخدم لقياس معدل تدفق كتلة السائل في الأنبوب بدقة. وعلى عكس معدل التدفق الحجمي، الذي يقيس الحجم لكل وحدة زمنية، يقيس معدل التدفق الكتلي الكتلة لكل وحدة زمنية.
يعد قياس تدفق الكتلة أمرًا ضروريًا لإنشاء الوصفات وتتبع استخدام المواد وإصدار الفواتير ونقل الملكية في مختلف الصناعات. وباعتبارها قياسات التدفق الأكثر أهمية في مصنع المعالجة، فإن دقة وموثوقية اكتشاف تدفق الكتلة أمر بالغ الأهمية.

أجهزة قياس تدفق الكتلة: كيف تعمل؟

تُستخدم تقنيتان للتدفق، مقياس تدفق كوريوليس ومقاييس تدفق الكتلة الحرارية ، لقياس تدفق الكتلة. تستخدم مقاييس كوريوليس، المعروفة أيضًا باسم مقاييس تدفق كوريوليس، تأثير كوريوليس لتحديد معدل تدفق الكتلة. عندما يمر سائل عبر أنبوب ويتعرض لتسارع كوريوليس بسبب الإدخال الميكانيكي للدوران الظاهري، فإن قوة الانحراف الناتجة عن تأثير كوريوليس بالقصور الذاتي تعتمد على معدل تدفق كتلة السائل.
يمكن لمقياس تدفق الكتلة الحرارية قياس معدل تدفق الكتلة للسوائل والغازات بشكل مباشر بناءً على مبادئ نقل الحرارة، باستخدام عنصر التسخين وأجهزة استشعار درجة الحرارة.

أنواع مختلفة من أجهزة قياس تدفق الكتلة

مقاييس تدفق الكتلة كوريوليس

تُسمى هذه العدادات بتسارع كوريوليس، لقياس التدفق وقياس معدل تدفق الكتلة عن طريق اكتشاف الزخم الزاوي الناتج.
يؤدي تأثير كوريوليس بالقصور الذاتي إلى إحداث دوران ظاهري في الأنبوب الذي يتدفق به السائل، مما يؤدي إلى توليد قوة انحراف تختلف بناءً على معدل تدفق كتلة السائل.

مقاييس تدفق الكتلة الحرارية

توفر مقاييس تدفق الكتلة الحرارية قياسات مباشرة لمعدلات تدفق كتلة الغاز والسائل. يمكن تشغيل هذه المقاييس عن طريق تسخين تيار السائل وتتبع تغير درجة الحرارة، أو عن طريق إبقاء المسبار عند درجة حرارة ثابتة وقياس الطاقة اللازمة. يتكون مقياس تدفق الكتلة الحرارية النموذجي من مستشعرين لدرجة الحرارة وسخان كهربائي يوضع بينهما، إما يتم إدخاله في تيار السائل أو وضعه خارج الأنبوب.

التطبيقات الأكثر شيوعًا لأجهزة قياس تدفق الكتلة

تُستخدم أجهزة قياس التدفق الكتلي بشكل متكرر في مصانع المعالجة لقياس التدفق بدقة وموثوقية في العمليات الحرجة، مثل التفاعلات الكيميائية وتركيبات الوصفات. فهي تساعد في مراقبة العمليات المتعلقة بالكتلة والتحكم فيها، فضلاً عن تحديد توازن المواد والفواتير ونقل الحراسة.

استكشف التطبيقات العديدة لمقاييس تدفق الكتلة كوريوليس في مختلف الصناعات والبيئات العلمية. يمكن لهذه المقاييس متعددة الاستخدامات قياس تدفق الكتلة والكثافة ودرجة الحرارة واللزوجة للمواد المسببة للتآكل والنظيفة بدقة. تُستخدم مقاييس تدفق الكتلة الحرارية أيضًا بشكل شائع لمراقبة العمليات المرتبطة بالكتلة والتحكم فيها، مثل التفاعلات الكيميائية.

تُستخدم مقاييس التدفق الحراري عادةً في مجموعة متنوعة من تطبيقات تدفق الغاز مثل قياس هواء الاحتراق في الغلايات، والغازات شبه الموصلة في الصناعات الكيميائية والبتروكيماوية، وحتى في البحث والتطوير. كما يُعتمد عليها في كروماتوغرافيا الغاز، واختبار المرشح والتسرب، والكشف عن الأبخرة والغازات القابلة للضغط. تتمثل إحدى فوائدها الرئيسية في قدرتها على قياس معدلات وسرعات تدفق الغاز المنخفضة بدقة، حتى أقل من 25 قدمًا في الدقيقة، وهو ما لا يمكن تحقيقه باستخدام أجهزة أخرى. عند تشغيلها في وضع الفرق في درجة الحرارة الثابتة، توفر مقاييس التدفق الحراري نطاقًا عاليًا يتراوح من 10:1 إلى 100:1.

من ناحية أخرى، إذا ظلت مدخلات الحرارة دون تغيير، يصبح اكتشاف التغيرات الطفيفة في درجات الحرارة أمرًا صعبًا ويتأثر كل من الدقة والنطاق. في ظل ظروف التدفق النموذجية، تقع أخطاء القياس عادةً ضمن نطاق النطاق الكامل الذي يتراوح بين 1% و2%.

أجهزة قياس تدفق الكتلة: ما هي حدودها؟

تتمتع مقاييس تدفق الكتلة بمجموعة واسعة من القدرات والدقة، ولكن فعاليتها محدودة بسبب العوامل البيئية المحتملة والأخطاء أثناء القراءة والحساب والتعديل. وقد يؤدي هذا إلى انخفاض الكفاءة، وتلف المعدات المحتمل، وفي النهاية، انخفاض الدقة.

تتضمن المشاكل المحتملة مع أجهزة قياس تدفق الكتلة ما يلي:

• • تعمل مقاييس تدفق كتلة كوريوليس بشكل أفضل عند سرعات التدفق العالية، مما يؤدي بدوره إلى انخفاضات كبيرة في الضغط.
• • على الرغم من أن سعر أجهزة قياس كوريوليس قد يكون أعلى من أجهزة قياس التدفق الأخرى، إلا أنها غير قادرة على استيعاب الأنابيب ذات الحجم الأكبر، والحد الأقصى لحجم جهاز قياس تدفق الكتلة كوريوليس من Silver Automation Instruments هو 10 بوصات، ولا يمكن أن يكون أكبر.
• • يمكن أن تتأثر مقاييس تدفق الكتلة الحرارية بتكاثف الرطوبة (خاصة في الغازات المشبعة) على كاشف درجة الحرارة. وقد يؤدي هذا إلى عدم دقة قراءة مقياس الحرارة وقد يؤدي إلى التآكل.
• • يرجى ملاحظة أن مقاييس تدفق الكتلة الحرارية يمكن أن تتأثر بتراكم الطلاء أو المواد على المستشعر، مما قد يعيق نقل الحرارة ويؤدي إلى قراءة أقل على العداد، وبالتالي فإن التنظيف المنتظم ضروري إذا كان الغاز متسخًا.
• • يرجى ملاحظة أن أجهزة قياس تدفق الكتلة الحرارية قد تتأثر بالتغيرات في تركيبة الغاز، وخاصة فيما يتعلق بالحرارة النوعية. تحتاج إلى تكوين جهاز قياس تدفق الكتلة الحرارية وفقًا للتغيرات في نوع الغاز.

تاريخ قياس تدفق الكتلة

• • في السابق، كان يتم تحديد تدفق الكتلة عادةً من خلال الجمع بين نتائج مقياس التدفق الحجمي ومقياس الكثافة. وكانت الكثافة تُقاس إما بشكل مباشر أو تُحسب باستخدام بيانات من أجهزة إرسال درجة الحرارة والضغط في العملية. ومع ذلك، كانت هذه القياسات غير دقيقة غالبًا بسبب العلاقة غير المؤكدة بين ضغط العملية/درجة الحرارة والكثافة. بالإضافة إلى ذلك، كان كل مستشعر يقدم خطأه الخاص ولم تكن الحسابات سريعة بما يكفي لالتقاط التغييرات المفاجئة في التدفق.
• 
  
• • تصميم مبكر لمقاييس تدفق الكتلة المستقلة، استخدم الزخم الزاوي للعمل. حيث يعمل المكره الذي يعمل بمحرك على تسريع السائل إلى سرعة زاوية ثابتة، مما يتطلب زخمًا زاويًا أكبر للحصول على كثافة أعلى. ثم يتم تعريض توربين ثابت مثبت بنابض لهذا الزخم الزاوي أسفل المكره.
• 
  
• يشير عزم الدوران الناتج (التواء الزنبرك) إلى تدفق الكتلة. تتميز جميع هذه العدادات بتصميمات ميكانيكية معقدة. كانت تستخدم في الأصل لقياس الوقود للطائرات، ولا يزال بعضها مستخدمًا حتى اليوم. ومع ذلك، نظرًا لتصميمها المعقد وتكاليف صيانتها المرتفعة، يتم استبدالها تدريجيًا بتصميمات أكثر متانة وأقل صيانة.
• 
  
• يمكن أيضًا قياس التدفق الكلي للكتلة للطمي عن طريق الجمع بين مستشعر مستوى دقيق ومقياس كثافة أو باستخدام جهازي إرسال d/p مثبتين على الجزء السفلي من خزان جوي على ارتفاعات مختلفة. في الحالة الأخيرة، يتغير خرج خلية d/p العلوية مع مستوى الخزان، بينما تقيس الخلية السفلية كثافة المادة على مسافة ارتفاعية ثابتة. يحدد فرق الضغط هذا كثافة المادة في الخزان.

التدفق الحجمي والتدفق الكتلي مقابل القياس

قياس تدفق الكتلة وقياس تدفق الحجم هما طريقتان حاسمتان لتحديد التدفق في نظام ما. ترتبط هذه المفاهيم ارتباطًا وثيقًا، ولكن لها اختلافات مميزة. يركز قياس تدفق الكتلة على كتلة الوسط التي تتحرك عبر نظام في إطار زمني محدد، وعادةً ما يتم قياسها بالجرام في الثانية. وحدة التدفق التي نستخدمها عادةً هي كجم/ساعة، كجم/ثانية، طن/ساعة، برميل/دقيقة، رطل/ساعة وما إلى ذلك. يمكن لمقياس تدفق كوريوليس ومقياس تدفق الكتلة الحراري قياس تدفق الكتلة بشكل مباشر، ومع ذلك يمكننا أيضًا الحصول على نتيجة تدفق الكتلة من خلال قياس التدفق غير المباشر، مثل مقياس تدفق الدوامة مع مستشعرات درجة الحرارة والضغط لحساب تدفق الكتلة.

يتضمن قياس التدفق الحجمي تحديد مقدار المساحة التي تشغلها كتلة ما خلال مدة زمنية محددة، وعادة ما تكون باللتر في الثانية. يقيس هذا القياس والقياس الآخر السرعة التي يتدفق بها شيء ما عبر نظام ما. علاوة على ذلك، يتم استخدامها عادةً مع قياسات أخرى للحصول على فهم شامل للنظام بأكمله. وحدة التدفق المستخدمة بشكل طبيعي هي م3/ساعة، لتر/متر، جالون في الدقيقة وما إلى ذلك.
مقياس التدفق الحجمي للاستخدام العادي هو مقياس تدفق الإزاحة الإيجابية، ومقياس تدفق التوربينات، ومقياس التدفق الكهرومغناطيسي، ومقياس التدفق بالموجات فوق الصوتية وما إلى ذلك.

تطبيقات نموذجية لقياس تدفق الكتلة