تطبيقات واختيار مقاييس تدفق كتلة الغازات الحرارية

Thread Content

تم تعديل هذا المنشور آخر مرة بواسطة *aojiaoya0546 في تاريخ 28-6-2016 الساعة 19:31. يتم استخدام مقاييس تدفق الغازات الحرارية على نطاق واسع من قبل المستخدمين، وذلك بفضل خصائصها الممتازة الفريدة، حيث تُستخدم الآن في العديد من التطبيقات المتعلقة بقياس تدفق الغازات. لكن توجد أيضًا العديد من المشاكل والمفاهيم الخاطئة في هذه التطبيقات، حيث يؤدي الترويج غير المسؤول من قبل العديد من الشركات المصنعة إلى تضليل المستخدمين، بالإضافة إلى عيوب جودة المنتجات مما يخلق العديد من العقبات والصعوبات في استخدام هذه الأجهزة. ونتيجة لذلك، يوجد العديد من المستخدمين الذين لديهم تصورات خاطئة حول مقاييس تدفق الغازات الحرارية؛ فبعضهم يعتقد بشكل خاطئ أن هذه الأجهزة يمكنها قياس تدفق الغازات في جميع الظروف، بينما يرفضها البعض الآخر تمامًا. لقد كرست هذه السنوات لترويج والتعريف بمنتجات مقاييس تدفق الغازات الحرارية، وقد تعرفت على العديد من منتجات مقاييس التدفق من علامات تجارية محلية ودولية، كما واجهت العديد من المشكلات التطبيقية أثناء عملية الترويج، مما أتاح لي جمع العديد من الحالات العملية. ومن خلال تحليل هذه الحالات، توصلت إلى بعض الاستنتاجات الخاصة بي، وأود مشاركتها مع أصدقائي. أولاً: الخلفية التاريخية لمقياس تدفق كتلة الغازات الحراري. في ستينيات القرن الماضي، كان هناك عالمان أمريكيان مشهوران، وهما الدكتور جون أورلين والدكتور جيري كوز. تخرج الاثنان من جامعة ستانفورد، ثم انضما للعمل في شركة TSI في ولاية مينيسوتا. ومن عام 1968 حتى أوائل السبعينيات، عملا الاثنان في قسم التطوير بشركة TSI، حيث ركزا على تطوير أجهزة قياس سرعة الرياح في مجال HAVC. لاحقًا، غادروا شركة TSI وبدأوا في العمل معًا على تطوير مقياس تدفق الغازات الحراري الخاص بهم، إذ أدركوا أن مقياس سرعة الرياح الحراري لا يصلح للاستخدام في المجالات الصناعية. كانت المنتجات الأولى عبارة عن أجهزة قياس سرعة الرياح ومستشعرات سرعة الرياح، بالإضافة إلى أجهزة أخذ عينات من الهواء، وهذه كانت الأساس للمنتجات الأولية التي قدمتها شركة Sierra Instruments. تأسست شركة سييرا إنسترومنتس في ولاية مينيسوتا عام 1973. في عام 1975، انتقلت شركة Sierra Instruments من ولاية مينيسوتا إلى ولاية كاليفورنيا. بعد التعاون لعدة سنوات، انفصل الاثنان في عام 1977؛ حيث احتفظ الدكتور جون أولين بشركة Sierra Instruments ومنتجات أخذ عينات الهواء، بينما أسس الدكتور جيري كورز شركة Kurz Instrument، وحصل على منتجات قياس سرعة الرياح وأجهزة استشعارها التي كانت تمتلكها الشركة الأصلية. طورت شركة سييرا قياس التدفق الحراري للهواء والغاز الطبيعي، بما في ذلك تطبيقات الغازات متعددة المكونات. تُستخدم أجهزة القياس الحرارية من نوع سييرا على نطاق واسع في المجالات الصناعية، بما في ذلك صناعة الأدوية، وتكنولوجيا الأحياء، وصناعة البتروكيماويات وصناعة الصلب ； كما يُستخدم في قياس تيار الاحتراق، وقياس كمية الغاز الطبيعي المضاف، ومراقبة غازات المداخن. سييرا هي الشركة الوحيدة التي تغطي كامل مجال قياس تدفق الغازات، بدءًا من 0.1 ملليلتر في الدقيقة، وصولاً إلى معدلات تدفق كبيرة تصل إلى مئات الأمتار في الثانية. يتم ضبط كل جهاز على حدة وتحديد تدفقه الفعلي قبل الخروج من المصنع. أبرز استخدامات أجهزة كورتز هو في محطات توليد الطاقة. طورت شركة Kurz سلسلة من عدادات التدفق الحراري القابلة للإدخال، أحادية ونقاط متعددة، لقياس ومراقبة غازات النفايات والغازات الناتجة عن الاحتراق. تُستخدم ساعات كورتز أيضًا في صناعات التكرير والأسمنت وصناعة الورق وغيرها من الصناعات الإنتاجية. في نفس الفترة التي ظهر فيها كل من Sierra وKurz، كانت هناك شركة أمريكية مشهورة أخرى وهي FCI. تأسست شركة FCI في عام 1964، وفي البداية كانت تصنع مفاتيح حرارية في كاليفورنيا لقياس ما إذا كان النفط المنقول في حقول النفط في حالة تدفق أم سكون، ولم يكن الهدف منها قياس معدل التدفق. ولم يتم إنتاج أجهزة قياس التدفق الحقيقية إلا في عام 1981 ； في ذلك العام، بدأت شركة FCI في تركيب كمية كبيرة من المكونات الإلكترونية في أجهزة القياس، مما سمح بإنتاج أول جهاز لقياس تدفق الغازات باستخدام الطريقة الحرارية. وفيما بعد، أسس بعض الموظفين الذين كانوا يعملون في شركات سييرا وكورز وFCI شركاتهم الخاصة لتصنيع وتطوير مقاييس تدفق الغازات الحرارية، وبدأت هذه الشركات تؤثر تدريجيًا على مناطق أخرى في العالم. ثانيًا: مبدأ عمل وتركيب مقاييس تدفق الكتلة الحرارية للغازات
يعتمد مقياس تدفق الكتلة الحراري للغازات على مبدأ الانتشار الحراري؛ وهي تقنية تتميز بأداء جيد وموثوقية عالية حتى في الظروف القاسية. وتشمل مكونات الاستشعار الرئيسية في هذا الجهاز مقاومتين حراريتين (أسلاك بلاتينية)، إحداهما تعمل كمستشعر للسرعة، والأخرى كمستشعر لقياس درجة حرارة الأنبوب. عند وضع هذين الحساسين في الغاز، يقيس حساس درجة الحرارة درجة حرارة الغاز داخل الأنبوب، أما حساس السرعة فهو يحتوي على سلك كهربائي يُسخّن إلى درجة حرارة أعلى من تلك التي يقيسها حساس درجة الحرارة (وهذا يعادل مشكلة غاز الأنبوب)، ويظل عند قيمة ثابتة. يؤدي تيار الهواء إلى إزالة الحرارة من مستشعر السرعة، مما يقلل من فرق درجات الحرارة. للحفاظ على ثبات فرق درجات الحرارة، يلزم توفير طاقة كهربائية إضافية لتعويض عملية التسخين، ويكون حجم هذه الطاقة الكهربائية المطلوبة متناسبًا مع معدل تدفق كتلة الغاز. يتكون مستشعر التدفق الحراري المستخدم في الأنابيب الصناعية من جهاز استشعار للسرعة وجهاز استشعار لدرجة الحرارة، وكلاهما مصنوع من مقاومات البلاتين. كما أن لديه غلافًا واقيًا قويًا، ولا تتلامس خيوط البلاتين مباشرة مع السائل، ولذلك فإن استخدامه واسع. يتم صنع الغلاف الواقي عادةً من مادة 316L، أما بالنسبة للغازات المسببة للتآكل، فيتم استخدام مادة الهاستيلloy أو مادة التانتالوم. سنشرح الآن مبدأ قياس التدفق بالطريقة الحرارية باستخدام الصيغ، كما سنوضح لماذا يُعتبر مقياس التدفق الحراري مقياسًا للتدفق الكتلي. المعادلة: H = M × Cp × ΔT. عند قياس كمية الحرارة H، مع ثبات فرق درجات الحرارة ΔT، فيمكن حساب التدفق الكتلي للغاز M مباشرةً بالنسبة للغاز الذي يكون له قيمة ثابتة لسعة الحرارية النوعية Cp. لنتحدث من المستوى المجهري عن سبب قياس معدل تدفق كتلة الغاز؛ فتتلامس جزيئات الغاز مع الجدار المسخن، مما يؤدي إلى انتقال الحرارة وبالتالي سحب الحرارة من أجهزة الاستشعار الموجودة عليه. نظرًا لاختلاف قدرة جزيئات الغاز المختلفة على نقل الحرارة، فإنه عند معرفة قدرة جزيئات الغاز على نقل الحرارة (أي قيمة Cp)، يمكن تحديد عدد جزيئات الغاز المارة عبر النظام من خلال قياس الطاقة الكهربائية المستهلكة. ويعتبر عدد الجزيئات هو نفسه كمية الغاز، وبالتالي يمكن حساب معدل تدفق كتلة الغاز. تم تغليف سلك التسخين المصنوع من البلاتين بغلاف من الفولاذ المقاوم للصدأ لحل مشكلتي عمر سلك التسخين ومقاومته للتآكل، وبالتالي **توسيع نطاق استخدامات أجهزة التسخين، لكن هذه العملية صعبة للغاية. يتميز سلك التسخين المصنوع من البلاتين بقدرته على نقل التيار الكهربائي، كما أن الغلاف المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ يتمتع أيضًا بقدرة نقل التيار. ولذلك، يجب أن يكون مادة الحشو بينهما ذات قدرة توصيل حراري ممتازة، لكن دون أن تكون قادرة على نقل التيار الكهربائي. وهذا ما يؤدي إلى ظهور مفهوم مادة الحشو وعملية التغليف المستخدمة في جميع أجهزة قياس التدفق الحراري. إذا نظرنا إلى جميع الشركات المصنعة لمقاييس التدفق الحرارية في العالم، فإن عدد العلامات التجارية التي تستطيع حل هذه المشكلة بشكل فعلي قليل جدًا. تستخدم الشركات المحلية مواد عضوية مثل راتنج الإيبوكسي أو الأسمنت الخزفي، بالإضافة إلى مواد مقاومة للحرارة ومسحوق أكسيد الألومنيوم ومسحوق أكسيد المغنيسيوم. واستخدام هذه المواد يؤدي إلى وجود بعض العيوب في الحساسات، مثل زيادة مقاومة الحرارة على سطح الحساس مع مرور الوقت، مما يؤدي إلى انخفاض منحنى الإخراج وبالتالي انخفاض حساسية الحساس، وهو ما يؤثر في الدقة في النهاية. استخدام هذه المواد يؤدي إلى تقليل عمر الحساسات وزيادة معدل الأعطال. هناك العديد من الشركات المحلية التي قامت أيضًا بتحليل منتجات العديد من العلامات التجارية الأجنبية، ونفذت الكثير من أنشطة البحث والتطوير؛ ولكن نظرًا لقلة الخبرة البحثية المتراكمة، وضعف عدد الباحثين والإمكانيات المالية، فإنها لم تتمكن من حل هذه المشكلات بفعالية، مما أدى إلى وجود فجوة كبيرة بين منتجاتها والمستوى المتقدم في الخارج، وهو ما يحد من استخدام هذه المنتجات. قاد الدكتور جون أولين من شركة SIERRA الأمريكية فريقه، من خلال جهود دؤوبة ومستمرة استمرت عقودًا، حتى تمكنوا أخيرًا في عام 1999 من تطوير تقنية ثورية مُسجلة ببراءة اختراع لقياس معدل تدفق كتلة الغازات، وهي “المستشعر الجاف” الخالي من التحيز. تستخدم تقنية براءة الاختراع للحساسات الجافة مواد غير عضوية ذات خصائص عازلة على المستوى النانوي فريدة من نوعها، ومن ثم يتم تشكيلها تحت ضغط عالٍ لجعل هذه المواد النانوية أكثر كثافة، مما يضمن عدم حدوث أي انحراف في أداء الحساس على مدار عشر سنوات. بالنسبة لعدادات تدفق الكتلة للغازات الحرارية، فعلى الرغم من وجود مبادئ قياس متطورة للغاية ولدى الشركات المصنعة وسائل إدارة جودة علمية وموحدة، إلا أنه لتحقيق مؤشرات تقنية ممتازة، لا بد من وجود تقنية معايرة عملية علمية ودقيقة. نحن نعرف مبدأ الحراري؛ حيث أن كتلة السائل تتناسب طردياً مع القدرة الكهربائية المستخدمة للتسخين، ولها علاقة مهمة أيضاً مع الحرارة النوعية لوسط السائل المقاس. تختلف قيم السعة الحرارية لكل وسط غازي في درجات حرارة مختلفة، وقد تكون الفروق أكبر بالنسبة لبعض الوسائط الغازية. إذا اعتمدنا فقط على معايرة الهواء تحت الضغط الجوي العادي ثم إجراء تعديلات للحصول على مقياس تدفق عالي الأداء، فإن هذا ليس علميًا. وقد أثبتت التجارب أن مقاييس التدفق التي لا تحتوي على معايرة حقيقية تعطي قراءات خاطئة كبيرة عند قياس وسائط غير هوائية. في هذا الصدد، لا توجد في الداخل أي شركة تمتلك تقنية معايرة التدفق الفعلي؛ فجميعها تستخدم معايرة الهواء منخفض الضغط بنظام مفتوح الحلقة. لذلك، عند التطبيق على وسائط غير هوائية، إذا كانت المتطلبات عالية، يرجى محاولة عدم اختيار المنتجات المعايرة للهواء. ثالثًا: التطبيقات واختيار النوع المناسب
مميزات استخدام مقياس تدفق الغازات الحراري:
أ. نطاق قياس واسع للغاية: يتمتع مقياس تدفق الغازات الحراري بميزة لا يمكن لمقاييس التدفق الأخرى مضاهاتها، وهي النطاق الواسع جدًا للقياس، حيث يمكنه قياس سرعة تدفق السوائل من 0.05 نيوتن/ثانية إلى 100 نيوتن/ثانية؛ وبعض العلامات التجارية تستطيع قياس سرعات تصل إلى أكثر من 200 نيوتن/ثانية. ب. مقياس تدفق الكتلة الحقيقي: يختلف مقياس تدفق كتلة الغاز الحراري عن باقي مقاييس تدفق الغاز، حيث لا يحتاج إلى تصحيحات للضغط ودرجة الحرارة، بل يقيس تدفق كتلة الغاز مباشرةً؛ وهو بالتالي مقياس تدفق كتلة مباشر حقيقي. ج. عدم وجود جهاز تعويض لضبط الضغط: فعند قياس معدل تدفق الغاز باستخدام مقياس كتلة التدفق الحراري، لا يلزم وجود أجهزة لقياس الضغط ودرجة الحرارة، على عكس أجهزة قياس التدفق الأخرى. **تم تبسيط إعدادات المعدات في الموقع، مما قلل من حدوث الأعطال وتكرار عمليات الصيانة. د. انخفاض فقدان الضغط: يقلل مقياس تدفق الغاز الحراري، بفضل تصميم أجهزة الاستشعار الخاص به، من فقدان الضغط الناتج عن أجهزة استشعار تدفق السائل، وهو مناسب للاستخدام في أنابيب ذات أشكال مختلفة ذات مساحة مقطع عرضي معروفة. هـ. سهولة التركيب: يتطلب تركيب مقاييس تدفق الكتلة للغازات الحرارية كمية ضئيلة جداً من الأعمال الإنشائية، وبفضل هيكلها القابل للإدخال، يمكن تركيبها وصيانتها أثناء التشغيل، **مما يقلل من تكاليف البناء والصيانة.** و. طرق القياس المتنوعة: يمكن لمقياس تدفق كتلة الغاز الحراري أن يوفر حلولًا مثل القياس في نقطة واحدة أو في عدة نقاط، وذلك بناءً على ظروف العمل الفعلية في الموقع ومتطلبات القياس. القياس النقطي هو استخدام مقياس تدفق واحد مباشرةً لقياس معدل تدفق الغاز الفعلي داخل الأنابيب. يُستخدم القياس المتعدد بشكل أساسي في قياس تدفق السوائل في الأنابيب الكبيرة، حيث يتم ربط إشارات عدادات التدفق الموجودة على مقطع الأنبوب بجهاز التحكم في التدفق لمعالجتها، وبذلك الحصول على قيمة دقيقة للتدفق. لهذا الأمر قيمة كبيرة في قياس التدفقات ذات القطر الكبير، حيث يساعد في تحسين الجوانب التقنية للمؤسسات وتقليل القيود المتعلقة بالعمليات، مما يؤدي إلى استقرار تدفق السوائل. أظهرت العديد من التجارب على مر السنين أن مؤشرات تدفق الغاز من النوع الحراري جيدة للغاية، خاصةً في حالات التدفق المنخفض، حيث يكون لديها حساسية عالية جداً. كما أن نطاق قياس التدفق يصل إلى 100:1 أو أكثر. هناك تطبيقات خاصة في مجال قياس تدفق الغازات، لكن لا تزال هناك العديد من المشكلات التي لم يتم حلها بعد. مشكلة استهلاك الطاقة المنخفض، حيث يحتاج المستشعر الحراري إلى تيار كهربائي معين للتسخين، مما يجعل من الصعب تشغيله باستخدام بطارية بمستوى استهلاك طاقة منخفض. مشكلة تأثير الرطوبة وتصحيحها: نظرًا لصعوبة التحكم في بيئة الرطوبة وقياسها، فلا توجد حتى الآن طرق فعالة للحصول على بيانات تجريبية حول تأثير الرطوبة على مقاييس التدفق الحرارية، أو لتصحيح هذا التأثير. مشكلة تأثير الغبار: إذا عمل المستشعر الحراري لفترات طويلة في بيئة بها تيارات هواء تحتوي على غبار (ويشير ذلك بشكل أساسي إلى الغبار الرطب، حيث من الصعب على الغبار الجاف أن يلتصق بالمستشعر)، فإن سطح المستشعر سيتلوث، كما سيتغير أداؤه في تبديد الحرارة، مما يؤدي بدوره إلى تغيير خصائص إخراج جهاز قياس التدفق. لكن لا يمكن حاليًا وصف مقدار التأثير بدقة باستخدام البيانات. وهناك أيضًا عامل آخر وهو عدم القدرة على استخدامه في الحالات التي تتغير فيها الوسائط المختلفة؛ ففي ظروف العمل التي يختلط فيها عدة وسائط، إذا ظلت نسب كل وسط ثابتة، فيمكن تلبية المتطلبات من خلال استخدام معاملات التصحيح. بالإضافة إلى ذلك، إذا كانت التغيرات في درجة الحرارة في الموقع كبيرة جدًا، مثل تغيرات تزيد عن 100 درجة، فإن استخدام مقاييس تدفق الغاز الحرارية قد يؤدي إلى فقدان الدقة. لذلك، يجب اختيارها بعناية. كيفية اختيار مقياس تدفق الكتلة الحراري للغاز؟ تشير البيانات إلى أن سوء اختيار جهاز قياس التدفق يساهم بنحو 70% في معدل حدوث أعطال في هذه الأجهزة. يتضح مدى أهمية اختيار النوع المناسب في قياس التدفق. يجب على عملاء أجهزة قياس كتلة الغاز الحرارية أن ينتبهوا جيدًا؛ فلا ينبغي لهم اختيار طراز معين من هذه الأجهزة إلا إذا كان الهدف هو استبدال جهاز القياس القديم. ومن الأفضل ترك هذه المهمة للبائع، لأنهم متخصصون في هذا المجال. كل ما عليك فعله هو تقديم أكبر قدر ممكن من بيانات الظروف التشغيلية وبعض المتطلبات التقنية. مثل نطاق التدفق (يُنصح باستخدام وحدة التدفق المكعبة)، والوسط المراد قياسه، وقطر الأنبوب، ومادة الأنبوب، وضغط التشغيل، ودرجة الحرارة أثناء التشغيل، وما إذا كان هناك حاجة إلى مقاومة الانفجارات، ودرجة حرارة بيئة عمل جهاز قياس التدفق، ومتطلبات مصدر الإشارة، ودرجة الدقة، والعملية التي يُستخدم فيها (هل لأغراض التحكم في العمليات أم للقياس التجاري)، ومدى جفاف ونقاء الوسط المراد قياسه، وفي حالة قياس تدفق الغازات المختلطة، يجب توفير نسبة كل وسط من الوسائط. تنبيه أخير: إذا كانت الظروف في الموقع تسمح، يُفضل اختيار مقياس التدفق المتكامل. إذا كان الجهاز مكونًا من أجزاء منفصلة، فإن كابلات نقل الإشارات تعتبر جزءًا من دائرة القياس، ولها قيمة مقاومة خاصة بها. وبغض النظر عن مدى جودة التصميم، فإن قيمة المقاومة الصغيرة لأجهزة القياس ستؤثر بالتأكيد على عمليات المعالجة في الدوائر الإلكترونية. بالإضافة إلى ذلك، فإن تأثيرات البيئة المحيطة قد تؤدي إلى تغيرات في قيمة المقاومة. إذا كان لا بد من اختيار تقسيم، فيُنصح بأن يكون مدى هذا التقسيم أقصر ما يمكن. ما سبق هي بعض تجاربي خلال السنوات القليلة الماضية، آمل أن تفيد الجميع. إذا كان هناك أي أسئلة تحتاج إلى مناقشتها، يمكن التواصل بشكل خاص.