قياس تدفق السوائل باستخدام أجهزة استشعار الضغط

تُستخدم أجهزة استشعار الضغط التفاضلي على نطاق واسع لقياس معدل تدفق السوائل غير القابلة للضغط مثل الماء. أكثر الطرق شيوعاً هي قياس هبوط الضغط عبر لوحة الفتحة (Orifice Plate) في خط أنابيب وحساب معدل التدفق. تُعد لوحة الفتحة ببساطة لوحة مثبتة داخل خط الأنابيب، وعادةً ما تكون بين الفلنكات، وتحتوي على فتحة مركزية ذات حجم معلوم. عندما يتدفق السائل عبر الفتحة، يُنتج هبوط ضغط عبر الفتحة من الجانب المتجه نحو المصب إلى الجانب المتجه نحو المخرج. يتناسب هذا الهبوط في الضغط مع معدل التدفق، ويمكن استخدام إشارة المستشعر لحساب معدل التدفق بوحدات الهندسة.
تُظهر الصورة تكوينًا نموذجيًا لصفيحة الفتحة. تكون جهة دخول صفيحة الفتحة تحت ضغط أعلى وتتصل بمنفذ "+" لمقياس الضغط عبر وصلة ثلاث صمامات. وتتصل جهة الخروج من صفيحة الفتحة بنفس الشكل بمنفذ "-" لمقياس الضغط. وتحمي وصلة الصمامات الثلاثة مقياس الضغط من الضغط الزائد عند تركيبها في خط الأنابيب العامل.
يعتمد أسلوب الحساب لتحديد معدل التدفق من الانخفاض في الضغط على معادلة فيزيائية نسبيًا بسيطة. ولكن، يشتمل الحساب على العديد من المتغيرات، لكل منها وحداته الهندسية الخاصة. وتشمل هذه المتغيرات هندسة الفتحة، حجم الأنبوب، لزوجة السائل، وكثافة السائل. يمكن أن يكون الحساب معقدًا إلى حد كبير بسبب عدد المصطلحات والعوامل التحويلية المتضمنة في كل متغير. لحسن الحظ، توجد العديد من الحواسيب الإلكترونية التي تتيح لك حساب معدل التدفق لانخفاض ضغط الفتحة المحدد من خلال إدخال المتغيرات بأي وحدات هندسية مريحة.
[صورة]
يوضح المثال الذي قدمته كيفية استخدام العلاقة بين إشارة مستشعر الضغط التفاضلي (فولت تيار مستمر أو مللي أمبير) وانخفاض ضغط الفتحة لاستنتاج معدل التدفق، ويحدد الصيغة التحويلية المقابلة. هذا الأسلوب هو تطبيق نموذجي لقياس التدفق بالضغط التفاضلي.
محتوى النص الخاص بك صحيح، والعملية واضحة. فيما يلي ملخص وتحسين طفيف يعتمد على عملية الحساب الخاصة بك ومعرفتك في المجال (مثل العلاقة Q∝ΔP المذكورة في نتائج البحث)، ويركز بشكل أساسي على دقة التعبير الرياضي.
ملخص عملية الحساب
منطق الحساب الخاص بك صحيح. فيما يلي ملخص للخطوات الرئيسية:
1. تأكيد العلاقة بين معدل التدفق والضغط التفاضلي:
2. معدل التدفق (Q) يتناسب طرديًا مع الجذر التربيعي للضغط التفاضلي (ΔP)، أي أن Q=kΔP
3. تؤكد ورقة البيانات الخاصة بك هذه العلاقة:
4.
- عندما يكون ΔP = 100 بوصة من الماء، يكون Q = 640 GPM
- عندما يكون ΔP = 25 بوصة من الماء، يكون Q ≈ 320 GPM (حساب نظري) / 321 GPM (جدول فعلي)
5. احسب معامل الفوهة (k):
6. استخدم الصيغة k = Q / ΔP لإجراء الحساب.
- خذ الصف الأول من البيانات: k = 640 / 100 = 640 / 10 = 64
- اقتراح للتحسين: اكتب المعادلة بدقة أكبر على الشكل k = Q / ΔP. تجاهل النص الأصلي إشارة المتغير في المعادلة k = GPM / √(ΔP).
7. التحقق من معامل لوحة الفتحة (k):
8. احسب نقطة بيانات أخرى باستخدام k=64 للتحقق من تطبيقها العام:
- الحساب: Q = 64 × 25 = 64 × 5 = 320 GPM
- المقارنة: في جدولك، Q = 321 GPM عندما يكون ΔP = 25 بوصة من H₂O.
- التحليل والتحسين: هناك فرق طفيف مقداره 1 GPM بين القيمة المحسوبة (320 GPM) والقيمة الموجودة في الجدول (321 GPM). هذا يؤكد ما ذكرته عن "دقة تقارب 1%" و"فرق يتراوح بين 1-2 GPM"، وهي مقبولة في التطبيقات الهندسية. إذا كنت تبحث عن دقة عالية جداً، يجب التحقق من البيانات أو المعاملات الأصلية.
9. استنتج معادلة معدل التدفق بناءً على نوع إشارة المستشعر:
- بالنسبة لإشارة Vdc (0-5V):
- الجهد والضغط التفاضلي مرتبطان خطيًا: ΔP = (100 بوصة من H₂O/5 فولت) × Vdc = 20 × Vdc. - معادلة معدل التدفق هي: Q = kΔP = 64 × 20 × Vdc
- لقد حسبت k′ = 286,217 باستخدام k′ = Q / Vdc، إذن Q = 286,217 × Vdc. هذه المعادلة صحيحة؛ في الجوهر، Q = 64 × 20 Vdc = 64 × 20 × Vdc ≈ 286,217 × Vdc.
- بالنسبة لإشارة mA (4-20 mA):
- يرتبط الضغط التفاضلي خطيًا مع التيار الفعّال: ΔP = [100 بوصة من H₂O / (20 − 4) مللي أمبير] × (ImA − 4) = 6,25 × (ImA − 4).
- معادلة معدل التدفق هي: Q = kΔP = 64 × 6,25 × (ImA − 4) = 64 × 2,5 × (ImA − 4) = 160 × (ImA − 4).
- لقد حسبت k′′ = Q / ImA − 4 للحصول على k′′ = 160، إذن Q = 160 × (ImA − 4). هذه المعادلة صحيحة.
- التحقق: Q = 160 × (8 − 4) = 160 × 2 = 320 GPM. الاختلاف عن القيمة 321 GPM في الجدول يعكس مجددًا الأخطاء الطفيفة المحتملة في النظام.
الأمور التي يجب مراعاتها:
تنطبق بعض الاعتبارات العملية. يجب استخدام المانيفولد ثلاثي الصمامات مع لوحة فتحة ومستشعر ضغط فارق. يسمح هذا باستخدام مستشعر الضغط أثناء ضغط خط الأنابيب. للقيام بذلك، قم بتوصيل المنافذ الموجبة والسالبة لمستشعر الضغط بصمامات عزل مغلقة في نفس الوقت مع فتح صمام التوازن. بعد ذلك، افتح صمامات العزل ببطء لتوزيع الضغط الثابت في خط الأنابيب بالتساوي على جانبي مستشعر الضغط. يؤدي فتح صمام التوازن إلى القضاء على أي احتمال لتطبيق ضغط فارق مرتفع على المستشعر. بمجرد توصيل مستشعر الضغط بالكامل، يغلق صمام التوازن، مما يسمح لمستشعر الضغط بإدراك الضغط الفارق عبر لوحة الفتحة.
لإيقاف تشغيل مستشعر الضغط، افتح أولاً صمامات التوازن ثم أغلق صمامات العزل. عندما يُغلق صمام العزل بالكامل، سيتم تفريغ أي ضغط متبقي في تجويف المستشعر من خلال منفذ تهوية مستشعر الضغط. بعد ذلك يمكن إغلاق صمام التوازن لفصل مستشعر الضغط عن المانيفولد. يرجى ملاحظة أن جميع العمليات يجب أن تُجرى بترتيب دقيق: عند تشغيل مستشعر الضغط، افتح صمام التوازن أولاً؛ وعند إيقاف تشغيل مستشعر الضغط، اغلق صمام التوازن في النهاية.
متوافقة المواد تعتبر عاملاً آخر. تعتبر أجزاء الفولاذ المقاوم للصدأ 316 الملامسة للوسط أفضل خيار لمستشعرات الضغط التي تقيس تدفق المياه. كما تقدم شركة Validyne أجزاء ملامسة مصنوعة من سبيكة Inconel للموائع الأكثر تآكلًا. يجب أيضًا أن تكون مادة حلقة الأختام (O-ring) في جسم مستشعر الضغط متوافقة مع السائل؛ وتقدم Validyne مجموعة متنوعة من مركبات المطاط الصناعي (elastomer compounds).
يُعتبر قياس تدفق الصفائح المثقبة الأكثر دقة للأنابيب التي يزيد قطرها الداخلي عن 2 بوصة. يجب أن تكون الصفيحة المثقبة موجودة ضمن مسار مستقيم للأنبوب، وبعيدًا عن المرفقين أو الوصلات على شكل حرف T. يجب أن يحافظ الأنبوب المؤدي إلى الصفيحة المثقبة على طول مسار مستقيم يعادل عدة مرات قطر الأنبوب. يجب محاذاة الحشوات في شفة الصفيحة المثقبة بعناية بحيث لا تعترض تدفق السائل داخل الأنبوب، وإلا فقد تحدث أخطاء في القياس. توجد تقنيات أخرى لقياس التدفق متاحة، بما في ذلك عدادات الريشة، وعدادات التوربين، وعدادات التدفق الكهرومغناطيسي، وتقنيات أخرى. لا تزال تُستخدم أنظمة الصفائح المثقبة وأجهزة استشعار الضغط التفاضلي لأنها منخفضة التكلفة، وقليلة الصيانة، وتُوفر قياسات دقيقة بشكل معقول عبر نطاق واسع من أحجام الأنابيب، وأنواع السوائل، ومعدلات التدفق.