مقياس تدفق الكتلة

مقياس التدفق الكتلي ، المعروف أيضاً باسم مقياس التدفق بالقصور الذاتي ، هو جهاز يقيس معدل تدفق كتلة سائل يمر عبر أنبوب. معدل التدفق الكتلي هو كتلة السائل التي تمر بنقطة ثابتة في وحدة الزمن، بوحدة كيلوغرام في الثانية (SI ) .

يجب عدم الخلط بين مقياس التدفق الكتلي ومقاييس التدفق الحجمي ، التي تقيس معدل التدفق الحجمي (الحجم لكل وحدة زمنية، بوحدات مثل المتر المكعب في الثانية). يرتبط النوعان بكثافة السائل : فإذا كانت الكثافة ثابتة، فإن العلاقة بينهما هي مجرد ثابت قياس. مع ذلك، قد تتغير كثافة السائل بتغير درجة الحرارة أو الضغط أو التركيب.

يعتمد مقياس تدفق كوريوليس على قوة كوريوليس ، التي تعمل على ثني الأجسام الدوارة تبعاً لسرعتها.

يوجد نوعان أساسيان من مقياس تدفق كوريوليس: مقياس التدفق ذو الأنبوب المنحني (الموصوف أدناه) ومقياس التدفق ذو الأنبوب المستقيم (لن يتم مناقشته بشكل أكبر).

الدوران بدون تدفق الكتلة

مع تدفق الكتلة، تنحرف الأنابيب قليلاً

الرسوم المتحركة على اليمين لا تمثل تصميمًا فعليًا لمقياس تدفق كوريوليس. الغرض منها هو توضيح مبدأ التشغيل، وبيان العلاقة مع الدوران.

يُضخ السائل عبر مقياس التدفق الكتلي. عند حدوث تدفق كتلي، ينحني الأنبوب قليلاً. يجب أن يُؤثر الذراع الذي يتدفق عبره السائل بعيدًا عن محور الدوران بقوة على السائل لزيادة زخمه الزاوي ، مما يؤدي إلى انحنائه للخلف. أما الذراع الذي يُدفع عبره السائل عائدًا إلى محور الدوران، فيجب أن يُؤثر بقوة على السائل لتقليل زخمه الزاوي مرة أخرى، وبالتالي سينحني هذا الذراع للأمام. بعبارة أخرى، يتأخر ذراع المدخل (الذي يحتوي على تدفق خارجي) عن الدوران الكلي، ويصبح الجزء الذي كان في حالة سكون موازيًا للمحور منحرفًا، بينما يتقدم ذراع المخرج (الذي يحتوي على تدفق داخلي) على الدوران الكلي.

نمط الاهتزاز أثناء انعدام التدفق

نمط الاهتزاز مع تدفق الكتلة في الأنبوب المنحني

يوضح الرسم المتحرك على اليمين تصميم عدادات تدفق الكتلة ذات الأنابيب المنحنية. يُمرر السائل عبر أنبوبين متوازيين. يقوم مشغل (غير موضح) بإحداث اهتزازات معاكسة متساوية على الأجزاء الموازية للمحور، مما يجعل جهاز القياس أقل حساسية للاهتزازات الخارجية. يعتمد التردد الفعلي للاهتزاز على حجم عداد تدفق الكتلة، ويتراوح بين 80 و1000  هرتز. سعة الاهتزاز ضئيلة للغاية بحيث لا يمكن رؤيتها بالعين المجردة، ولكن يمكن الشعور بها عن طريق اللمس.

عندما لا يتدفق أي سائل، تكون حركة الأنبوبين متناظرة، كما هو موضح في الرسم المتحرك على اليسار. أما الرسم المتحرك على اليمين فيوضح ما يحدث أثناء تدفق الكتلة: بعض الالتواء في الأنابيب. يجب على الذراع الذي يحمل التدفق بعيدًا عن محور الدوران أن يبذل قوة على السائل لتسريع الكتلة المتدفقة إلى سرعة اهتزاز الأنابيب الخارجية (زيادة الزخم الزاوي المطلق)، لذا فهو يتأخر عن الاهتزاز الكلي. أما الذراع الذي يُدفع من خلاله السائل عائدًا نحو محور الحركة، فيجب عليه أن يبذل قوة على السائل لتقليل سرعته الزاوية المطلقة (الزخم الزاوي) مرة أخرى، وبالتالي يقود هذا الذراع الاهتزاز الكلي.

يهتز ذراع المدخل وذراع المخرج بنفس تردد الاهتزاز الكلي، ولكن عند وجود تدفق كتلي، يصبح الاهتزازان غير متزامنين: يتأخر ذراع المدخل، ويتقدم ذراع المخرج. يختلف طور الاهتزازين بالنسبة لبعضهما البعض، وتُعد درجة اختلاف الطور مقياسًا لكمية الكتلة المتدفقة عبر الأنابيب والخط.

يُعطى معدل التدفق الكتلي لمقياس تدفق كوريوليس على شكل حرف U على النحو التالي:

${\displaystyle Q_{m}={\frac {K_{u}-I_{u}\omega ^{2}}{2Kd^{2}}}\tau }$

حيث K _{_u} هي صلابة الأنبوب التي تعتمد على درجة الحرارة، وK عامل يعتمد على الشكل، وd هو العرض، وτ هو التأخير الزمني، وω هو تردد الاهتزاز، و I _{_u} هو قصور الأنبوب الذاتي. وبما أن قصور الأنبوب الذاتي يعتمد على محتوياته، فإن معرفة كثافة السائل ضرورية لحساب معدل تدفق الكتلة بدقة.

إذا تغيرت الكثافة بشكل متكرر بحيث لا تكفي المعايرة اليدوية، يمكن تعديل مقياس تدفق كوريوليس لقياس الكثافة أيضًا. يعتمد تردد الاهتزاز الطبيعي لأنابيب التدفق على الكتلة الكلية للأنبوب والسائل الموجود بداخله. من خلال تحريك الأنبوب وقياس التردد الطبيعي، يمكن استنتاج كتلة السائل الموجود في الأنبوب. وبقسمة الكتلة على الحجم المعروف للأنبوب، نحصل على كثافة السائل .

يسمح قياس الكثافة اللحظي بحساب التدفق بالحجم لكل وحدة زمنية عن طريق قسمة تدفق الكتلة على الكثافة.

يعتمد كل من قياس التدفق الكتلي وقياس الكثافة على اهتزاز الأنبوب. ويتأثر المعايرة بتغيرات صلابة أنابيب التدفق.

ستؤدي التغيرات في درجة الحرارة والضغط إلى تغيير صلابة الأنبوب، ولكن يمكن تعويض ذلك من خلال عوامل تعويض الضغط ودرجة الحرارة الصفرية والمدى.

ستؤدي التأثيرات الإضافية على صلابة الأنابيب إلى تغييرات في معامل المعايرة بمرور الوقت نتيجة لتدهور أنابيب التدفق. تشمل هذه التأثيرات التنقر، والتشقق، والطلاء، والتآكل، أو الصدأ. لا يمكن التعويض عن هذه التغييرات بشكل فوري، ولكن يمكن بذل جهود لرصد تأثيراتها من خلال معايرة العداد أو عمليات التحقق الدورية. إذا اعتُبر حدوث تغيير مقبولاً، يمكن إضافة قيمة الإزاحة إلى معامل المعايرة الحالي لضمان استمرار دقة القياس.

قد يكون السائل أيضاً في حالة تدفق متعدد الأطوار ، أي مزيج من الأطوار مثل سائل مع فقاعات محصورة. ويمكن تحديد الكثافة الفعلية نظراً لاعتماد سرعة الصوت على تركيز السائل المتحكم به. ^{[ 1 ]}

• أنبوب على شكل حرف U متذبذب

• شرائح عرض تقديمي حول قياس التدفق، جامعة مينيسوتا
• مبدأ تشغيل مقياس تدفق الكتلة بالضغط التفاضلي