مقياس التدفق الحجمي ومعدل التدفق الكتلي؟

قياس التدفق الحجمي والتدفق الكتلي – ما الفرق وكيفية الاختيار

في الصناعات الحديثة، يعد قياس التدفق بدقة أمرًا بالغ الأهمية للتحكم في الإنتاج، والحفاظ على الجودة، وتحسين الكفاءة. سواء في صناعة النفط والغاز، أو المعالجة الكيميائية، أو إنتاج الأغذية، أو معالجة المياه، فإن معرفة كمية السائل المتحرك عبر الأنابيب أمر ضروري.
هناك معلمتان رئيسيتان لوصف التدفق: التدفق الحجمي والتدفق الكتلي. رغم تشابه الأسماء، فإنهما يمثلان مفاهيم مختلفة ويتم قياسهما باستخدام أنواع مختلفة من مقاييس التدفق. يعتمد الاختيار بين مقاييس التدفق الحجمي والكتلي على ظروف العملية، ومبدأ عمل المقياس، ونوع السائل، والبيانات التي تحتاجها.
توضح هذه المقالة الفرق بين التدفق الحجمي والتدفق الكتلي، والمبادئ وراء كل قياس، وأنواع مقاييس التدفق المتاحة، وكيفية اختيار الأنسب لتطبيقك.

ما هو التدفق الحجمي؟

يقيس التدفق الحجمي حجم السائل الذي يمر عبر الأنابيب لكل وحدة زمنية. يخبرك بمقدار المساحة التي يشغلها السائل، وليس وزنه.
الوحدات الشائعة:
• متر مكعب في الساعة (m³/h)
• لتر في الدقيقة (L/min)
• جالون في الدقيقة (GPM)
على سبيل المثال، إذا تدفق الماء بمعدل 10 GPM، فهذا يعني أن 10 جالونات من الماء تمر عبر الأنبوب كل دقيقة — بغض النظر عن درجة الحرارة أو الضغط.
الصيغة:

حيث:
• Qv = التدفق الحجمي
• A = مساحة المقطع العرضي للأنبوب
• v = سرعة التدفق المتوسطة

قياس التدفق الحجمي بسيط، لكنه لا يأخذ في الاعتبار التغيرات في الكثافة، والتي يمكن أن تتغير مع درجة الحرارة أو الضغط أو تركيبة السائل.
بالنسبة للسوائل ذات الكثافة الثابتة (مثل الماء عند درجة حرارة الغرفة)، تعتبر مقاييس التدفق الحجمي كافية. ولكن بالنسبة للسوائل القابلة للضغط (مثل الغازات أو البخار)، أو السوائل التي تتغير كثافتها مع درجة الحرارة، قد يكون القياس الحجمي مضللاً.

ما هو التدفق الكتلي؟

يقيس التدفق الكتلي الكتلة الفعلية (أو الوزن) للسائل المار عبر الأنبوب لكل وحدة زمنية. يخبرك بكمية المادة التي يتم نقلها — وهو أمر حاسم عند التعامل مع التفاعلات الكيميائية أو الاحتراق أو عمليات المزج.
الوحدات الشائعة:
• كيلوغرام في الساعة (kg/h)
• طن في الساعة (t/h)
• رطل في الدقيقة (lb/min)
الصيغة:

حيث:
• Qm = التدفق الكتلي
• ρ = كثافة السائل
• Qv = التدفق الحجمي
توضح هذه المعادلة أن التدفق الكتلي يعتمد على الكثافة. إذا غيرت درجة الحرارة أو الضغط الكثافة، يبقى التدفق الكتلي ثابتًا بينما يتغير التدفق الحجمي.
على سبيل المثال، 1 م³ من الماء الساخن يزن أقل من 1 م³ من الماء البارد. ولكن إذا قست بالكتلة (مثل 1000 كجم/ساعة)، فإن إجمالي المادة يظل دائمًا نفسه بغض النظر عن درجة الحرارة.
لهذا السبب يُفضل استخدام مقاييس التدفق الكتلي في التطبيقات التي تتطلب توازنًا دقيقًا للمواد أو جرعات كيميائية.

لماذا يهم هذا الفرق

في العديد من الصناعات، تعتمد العمليات على الكتلة وليس الحجم. يحتاج المفاعل إلى النسبة الصحيحة من المكونات بالكتلة. يجب أن تتلقى الغلاية الكتلة الصحيحة من الوقود والهواء. وتحويل الغاز (مثل LPG، LNG) يعتمد على الكتلة أو الحجم القياسي (عند درجة الحرارة والضغط المرجعي).
إذا استخدمت مقياس تدفق حجمي في ظروف تتغير فيها درجة الحرارة أو الضغط، فقد تكون قراءاتك غير دقيقة. يمكن أن يظهر نفس الأنبوب معدلات تدفق مختلفة فقط بسبب تغيرات الكثافة.
بالمقابل، يأخذ مقياس التدفق الكتلي في الاعتبار تلقائيًا تغير الكثافة، مما يوفر نتائج دقيقة ومتسقة حتى في ظروف متغيرة.

Débitmètres Volumétriques : Principes de fonctionnement et types

Les débitmètres volumétriques mesurent l’espace occupé par le fluide dans la canalisation. Ils sont idéaux pour les liquides propres et stables ou lorsque seul le volume est nécessaire. Voici les types courants :

1. Débitmètre électromagnétique (Mag Meter)

Fonctionne selon la loi de Faraday de l’induction électromagnétique. Lorsqu’un fluide conducteur traverse un champ magnétique, il génère une tension proportionnelle à la vitesse.
Idéal pour : Liquides conducteurs tels que l’eau, les eaux usées, les produits chimiques.
Avantages : Pas de pièces mobiles, haute précision, large plage de mesure.
Limites : Ne peut pas mesurer les fluides non conducteurs comme l’huile ou le gaz.

2. Débitmètre à turbine

Utilise une turbine rotative ; la vitesse de rotation est proportionnelle à la vitesse du fluide.
Idéal pour : Liquides propres et peu visqueux (eau, carburants, huiles légères).
Avantages : Haute précision, bonne répétabilité.
Limites : Inadapté aux fluides sales ou visqueux.

3. Débitmètre à déplacement positif

Mesure le débit en emprisonnant des volumes fixes de fluide et en comptant les cycles.
Idéal pour : Liquides à haute viscosité (lubrifiants, sirops, graisses).
Avantages : Mesure des faibles débits avec une excellente précision.
Limites : Les pièces mobiles nécessitent un entretien.

4. Débitmètre ultrasonique

Mesure le débit à l’aide d’ondes sonores. Le type temps de transit convient aux liquides propres ; le type Doppler pour les fluides sales ou aérés.
Idéal pour : Grandes canalisations, installations non intrusives.
Avantages : Pas de perte de pression, installation facile.
Limites : La précision dépend de l’état du tuyau et du fluide.

Débitmètres massiques : Principes de fonctionnement et types

Les débitmètres massiques mesurent directement la masse du fluide traversant le conduit, indépendamment des variations de densité. Voici les types les plus courants :

1. Débitmètre massique Coriolis

Basé sur l’effet Coriolis, il mesure la torsion des tubes vibrants causée par le flux massique du fluide.
Idéal pour : Liquides, boues et gaz.
Avantages : Mesure la masse, la densité et la température simultanément ; très grande précision (±0,1%).
Limites : Coût plus élevé, taille plus grande pour les gros tuyaux.

2. Débitmètre massique thermique

Mesure la quantité de chaleur absorbée par le fluide en passant sur un capteur chauffé. Le transfert de chaleur est proportionnel au flux massique.
Idéal pour : Gaz tels que l’air, l’azote, le gaz naturel.
Avantages : Mesure directe du flux massique, faible chute de pression.
Limites : Non adapté aux liquides.

3. Mesure massique corrélée (inférentielle)

Parfois, le débit volumétrique est mesuré puis converti en masse à l’aide de capteurs séparés de température et de pression, comme les débitmètres vortex ou à turbine à gaz.
Bien que moins coûteuse, cette méthode indirecte introduit une incertitude supplémentaire.
Produits liés

Débitmètre à turbine à gaz avec compensation température et pression	Débitmètre vortex avec compensation température et pression

Bien sûr, parfois nous pouvons également définir une densité fixe dans le débitmètre pour afficher directement le débit massique, par exemple en kg/h ou lb/min. Cependant, cette méthode n’est pas très précise, car la densité reste constante et ne change pas avec les conditions réelles du processus.

مقارنة بين مقاييس التدفق الحجمي والكتلي

المعامل	مقياس التدفق الحجمي	مقياس التدفق الكتلي
القيمة المقاسة	الحجم (م³/س، GPM)	الكتلة (كجم/س، رطل/د)
الاعتماد على الكثافة	متأثر بالكثافة	غير متأثر بالكثافة
حساسية درجة الحرارة/الضغط	عالية	منخفضة
السوائل النموذجية	سوائل	سوائل وغازات
الدقة	±0.5–1%	±0.1–0.2% أو أعلى للغاز (±0.5–1%)
التكلفة	منخفضة	مرتفعة
الصيانة	بسيطة	متوسطة
أفضل التطبيقات	الماء، الزيوت، السوائل الثابتة	الغاز، البخار، الجرعات الكيميائية

اختيار بين القياس الحجمي والكتلي

عند اختيار مقياس التدفق، ضع في اعتبارك العوامل التالية:
1. نوع السائل – هل هو سائل، غاز، أم متعدد الأطوار؟
2. ظروف العملية – هل الضغط أو الحرارة ثابتة؟
3. الغرض من القياس – هل تحتاج إلى الكتلة الكلية أم مجرد الحجم؟
4. متطلبات الدقة – ما مدى أهمية الدقة؟
5. الميزانية والصيانة – موازنة الدقة مقابل التكلفة.
متى يستخدم مقياس التدفق الحجمي:
• عند قياس السوائل غير القابلة للانضغاط ذات الكثافة الثابتة (مثل الماء).
• لمراقبة التدفق بتكلفة منخفضة.
• عندما ترغب في عرض التدفق محليًا بدون تحويل الكتلة.
متى يستخدم مقياس التدفق الكتلي:
• عند التعامل مع السوائل القابلة للانضغاط (الغازات، البخار).
• عندما تختلف درجة الحرارة أو الضغط بشكل كبير.
• عند الحاجة إلى توازن الكتلة، الجرعات الكيميائية، أو قياس الطاقة.

أمثلة واقعية

• محطات معالجة المياه: استخدام مقاييس التدفق الكهرومغناطيسية لقياس الحجم لأن كثافة الماء مستقرة.
• النفط والغاز: استخدام مقاييس التدفق الكتلي كوريوليس لنقل الملكية، حيث تبقى الكتلة ثابتة بغض النظر عن درجة الحرارة.
• أنظمة الهواء المضغوط: استخدام مقاييس التدفق الكتلي الحرارية لمراقبة الاستهلاك والتسريبات.
• صناعة الأغذية: استخدام مقاييس الإزاحة الإيجابية أو مقاييس التدفق الكتلي للسوائل للسوائل اللزجة مثل الشراب، العسل، الحليب أو العصير، مقاسة حسب الحجم.

الإخراج والتكامل

يمكن لكلا النوعين من مقاييس التدفق توفير الإشارات الرقمية مثل:
• خرج تيار 4–20 مللي أمبير
• خرج نبضي للتجميع الكلي
• اتصالات MODBUS RTU / HART / RS485 / PROFIBUS DP
تتيح هذه الخيارات التكامل السهل في أنظمة PLC أو SCADA، مما يسهل المراقبة عن بعد وتسجيل البيانات والتحكم في العملية.

الخلاصة

فهم الفرق بين التدفق الحجمي والتدفق الكتلي أمر بالغ الأهمية للقياس الدقيق وتحسين العمليات.
• التدفق الحجمي يوضح حجم المساحة التي يشغلها السائل، مثالي للسوائل الثابتة.
• التدفق الكتلي يوضح كمية المادة المتحركة، مثالي للغازات أو الظروف المتغيرة.
كل نوع من مقاييس التدفق – كهرومغناطيسي، توربيني، كوريوليس أو حراري كتلي – يخدم احتياجات محددة. يعتمد الاختيار على نوع السائل، ظروف العملية، وأهداف القياس.
باختيار تقنية مقياس التدفق المناسبة، يمكن للصناعات ضمان الدقة، تقليل الهدر، وزيادة الكفاءة – من معالجة المياه إلى تكرير النفط، ومن الجرعات الكيميائية إلى توزيع الغاز.
الاختيار الحكيم يعني قياسًا أذكى، توفير التكاليف، والسيطرة الكاملة على العمليات.