عداد الغاز

هذا النوع هو الأكثر شيوعًا من عدادات الغاز، ويُستخدم في معظم المنشآت السكنية والتجارية الصغيرة. يحتوي العداد على حجرتين أو أكثر تتكون من أغشية متحركة . يتم توجيه تدفق الغاز بواسطة صمامات داخلية ، فتمتلئ الحجرات وتفرغ الغاز بالتناوب، مما يُنتج تدفقًا شبه مستمر عبر العداد. مع تمدد الأغشية وانقباضها، تقوم أذرع متصلة بعمود مرفقي بتحويل الحركة الخطية للأغشية إلى حركة دورانية لعمود مرفقي يعمل كعنصر التدفق الرئيسي . يمكن لهذا العمود تشغيل آلية عداد تشبه عداد المسافات ، أو توليد نبضات كهربائية لجهاز كمبيوتر التدفق .

عدادات الغاز ذات الغشاء هي عدادات إزاحة موجبة .

تُعدّ العدادات الدوارة أدوات دقيقة الصنع، قادرة على قياس كميات وضغوط أعلى من عدادات الحجاب الحاجز. يحتوي العداد على فصين على شكل الرقم "8"، وهما الدوّاران (المعروفان أيضًا بالمراوح أو المكابس)، يدوران بدقة متناهية. مع كل دورة، يدفعان كمية محددة من الغاز عبر العداد. يشبه مبدأ التشغيل مبدأ عمل منفاخ روتس . تُعدّ الحركة الدورانية لعمود المرفق عنصرًا أساسيًا في تدفق الغاز ، وقد تُنتج نبضات كهربائية لجهاز حاسوب التدفق ، أو قد تُشغّل عدادًا يشبه عداد المسافات .

تستنتج عدادات الغاز التوربينية حجم الغاز من خلال تحديد سرعة تدفقه عبر العداد. ولأن حجم الغاز يُستنتج من التدفق، فمن المهم أن تكون ظروف التدفق جيدة. يقيس توربين داخلي صغير سرعة الغاز، والتي تُنقل ميكانيكيًا إلى عداد ميكانيكي أو إلكتروني. لا تعيق هذه العدادات تدفق الغاز، ولكنها محدودة في قياس معدلات التدفق المنخفضة.

يتكون مقياس الغاز ذو الفتحة من أنبوب مستقيم بداخله صفيحة ذات فتحة محددة بدقة ، تُحدث انخفاضًا في الضغط، مما يؤثر على التدفق. تُعد مقاييس الفتحة نوعًا من مقاييس الضغط التفاضلي، حيث تستنتج جميعها معدل تدفق الغاز عن طريق قياس فرق الضغط عبر اضطراب تدفق مصمم ومثبت خصيصًا. يجب قياس أو معرفة الضغط الساكن للغاز وكثافته ولزوجته ودرجة حرارته، بالإضافة إلى فرق الضغط، لكي يقيس المقياس تدفق السائل بدقة. غالبًا لا تتعامل مقاييس الفتحة مع نطاق واسع من معدلات التدفق . ومع ذلك، فهي مقبولة ومفهومة في التطبيقات الصناعية نظرًا لسهولة صيانتها ميدانيًا وعدم احتوائها على أجزاء متحركة.

تُعدّ عدادات التدفق فوق الصوتية أكثر تعقيدًا من العدادات الميكانيكية البحتة، إذ تتطلب قدرات معالجة وحساب متقدمة للإشارات. تقيس هذه العدادات سرعة حركة الغاز عن طريق قياس سرعة انتقال الصوت في الوسط الغازي داخل الأنبوب. وتُغطي جمعية الغاز الأمريكية ^{[ 1 ]} الاستخدام والتركيب الصحيحين لهذه العدادات، كما تُحدد حسابًا معياريًا لسرعة الصوت يتنبأ بسرعة الصوت في غاز ذي ضغط ودرجة حرارة وتركيب معروفين .

تقيس أكثر أنواع عدادات التدفق فوق الصوتية تطورًا متوسط ​​سرعة الصوت عبر مسارات متعددة داخل الأنبوب. يُقاس طول كل مسار بدقة في المصنع. يتكون كل مسار من محول طاقة فوق صوتي في أحد طرفيه ومستشعر في الطرف الآخر. يُصدر العداد نبضة صوتية بواسطة محول الطاقة، ويقيس الزمن المنقضي قبل أن يستقبل المستشعر النبضة الصوتية. تتجه بعض هذه المسارات عكس اتجاه التيار، بحيث يمكن قسمة مجموع أزمنة انتقال النبضات الصوتية على مجموع أطوال انتقالها للحصول على متوسط ​​سرعة الصوت في اتجاه التيار. تختلف هذه السرعة عن سرعة الصوت في الغاز بمقدار سرعة حركة الغاز داخل الأنبوب. قد تكون المسارات الأخرى متطابقة أو متشابهة، باستثناء أن النبضات الصوتية تنتقل مع اتجاه التيار. ثم يقارن العداد الفرق بين السرعتين في اتجاه التيار وسرعة انتقاله لحساب سرعة تدفق الغاز.

تُعدّ عدادات الموجات فوق الصوتية باهظة الثمن، وتعمل بكفاءة عالية عند قياس الغاز دون وجود أي سوائل فيه، لذا فهي تُستخدم بشكل أساسي في التطبيقات ذات التدفق والضغط العاليين، مثل محطات قياس خطوط أنابيب المرافق، حيث يكون الغاز جافًا وخاليًا من السوائل، وحيث لا يُمكن التسامح مع أي أخطاء نسبية صغيرة نظرًا لارتفاع التكاليف. ويُعدّ نطاق قياس عداد الموجات فوق الصوتية هو الأكبر على الأرجح بين جميع أنواع عدادات الغاز الطبيعي، كما أن دقة ونطاق قياس عداد الموجات فوق الصوتية عالي الجودة يفوقان دقة ونطاق عدادات التوربينات التي تُقارن بها.

تتوفر أنواع رخيصة من عدادات الموجات فوق الصوتية على شكل عدادات تدفق تُثبّت على الأنبوب، ويمكن استخدامها لقياس التدفق في أي قطر للأنبوب دون الحاجة إلى تعديلات. تعتمد هذه الأجهزة على نوعين من التقنيات: (1) زمن انتقال الموجة أو زمن العبور؛ و(2) الارتباط التبادلي. تتضمن كلتا التقنيتين محولات طاقة تُثبّت ببساطة على الأنبوب وتُبرمج وفقًا لحجم الأنبوب وجدوله الزمني، ويمكن استخدامها لحساب التدفق. يمكن استخدام هذه العدادات لقياس أي غاز جاف تقريبًا، بما في ذلك الغاز الطبيعي والنيتروجين والهواء المضغوط والبخار. كما تتوفر عدادات تُثبّت على الأنبوب لقياس تدفق السوائل أيضًا.

يتكون مقياس كوريوليس عادةً من أنبوب واحد أو أكثر، يحتوي على قسم أو أقسام مُزاحة طوليًا أو محوريًا، تُثار للاهتزاز بتردد رنيني. تُستخدم مقاييس كوريوليس مع السوائل والغازات. عندما يكون السائل داخل القسم المُزاح ساكنًا، يهتز كل من الجزء العلوي والسفلي من القسم المُزاح بطور واحد. يتحدد تردد هذا الاهتزاز بالكثافة الكلية للأنبوب (بما في ذلك محتوياته). يسمح هذا للمقياس بقياس كثافة الغاز المتدفق في الوقت الفعلي. بمجرد أن يبدأ السائل بالتدفق، تدخل قوة كوريوليس حيز التنفيذ. يشير هذا التأثير إلى وجود علاقة بين فرق الطور في اهتزاز القسمين العلوي والسفلي ومعدل تدفق كتلة السائل الموجود في الأنبوب.

ومرة أخرى، نظراً لكمية الاستدلال والتحكم التناظري والحساب المتأصلة في مقياس كوريوليس، فإن المقياس لا يكتمل بمكوناته المادية فقط. فهناك عناصر تشغيل واستشعار وإلكترونية وحسابية يجب أن تكون موجودة لكي يعمل المقياس.

تستطيع عدادات كوريوليس التعامل مع نطاق واسع من معدلات التدفق، وتتميز بقدرتها الفريدة على قياس التدفق الكتلي، مما يوفر أعلى دقة متاحة حاليًا لقياس التدفق الكتلي. وبما أنها تقيس كثافة التدفق، فإن عدادات كوريوليس تستطيع أيضًا استنتاج معدل تدفق الغاز في ظروف التدفق.

يقدم تقرير جمعية الغاز الأمريكية رقم 11 إرشادات للحصول على نتائج جيدة عند قياس الغاز الطبيعي باستخدام مقياس كوريوليس.

تُعدّ مقاييس التدفق الكتلي الحراري ابتكارًا محوريًا في تكنولوجيا قياس الغاز، إذ تستفيد من مبادئ انتقال الحرارة لقياس معدلات تدفق الغاز بدقة. تعمل هذه الحساسات عن طريق إدخال كمية صغيرة من الحرارة في تيار الغاز وقياس التغير في درجة الحرارة في اتجاه التدفق. يرتبط معدل تبديد الحرارة ارتباطًا مباشرًا بمعدل التدفق الكتلي للغاز، مما يوفر قياسات دقيقة حتى عند معدلات التدفق المنخفضة. ^{[ 2 ]}

تُعد مستشعرات التدفق الحراري مفيدة بشكل خاص لعدادات الغاز نظرًا لما يلي:

• دقة عالية: مناسبة للتطبيقات التي تتطلب فوترة دقيقة أو مراقبة تدفق الغاز الصناعي.
• نطاق تدفق واسع: قادر على قياس معدلات التدفق المنخفضة والعالية دون التضحية بالأداء.
• تصميم صغير الحجم: مثالي للدمج في عدادات الغاز الذكية الحديثة الموفرة للمساحة.

الحد الأدنى من الصيانة: عدم وجود أجزاء متحركة يقلل من التآكل، مما يؤدي إلى موثوقية طويلة الأمد.

تُستخدم هذه المستشعرات عادةً مع أنظمة تعويض درجة الحرارة والضغط لمراعاة التغيرات في خصائص الغاز، مما يضمن قياسًا دقيقًا في مختلف الظروف البيئية. كما تُعدّ المستشعرات الحرارية جزءًا لا يتجزأ من العدادات الذكية المتطورة، حيث تُمكّن من نقل البيانات وتحليلها في الوقت الفعلي لشركات المرافق والمستخدمين النهائيين.

تشمل الابتكارات الحديثة في تكنولوجيا أجهزة الاستشعار الحرارية أجهزة الاستشعار القائمة على الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة ( MEMS )، والتي توفر مزيدًا من التصغير، وحساسية محسنة، واستهلاكًا أقل للطاقة، مما يجعلها مثالية لأنظمة قياس الغاز التي تدعم إنترنت الأشياء.

تُشكّل تقنيات الترددات الراديوية (RF) العمود الفقري لأنظمة القياس الذكية، إذ تُتيح الاتصال اللاسلكي بين العدادات وشبكات المرافق. وتُستخدم العديد من تقنيات وبروتوكولات الترددات الراديوية على نطاق واسع في عدادات الغاز الذكية.

• ناقل البيانات اللاسلكي M-Bus (WMBus): يُستخدم ناقل البيانات اللاسلكي M-Bus، المتوافق مع المعيار الأوروبي EN 13757، على نطاق واسع في جميع أنحاء أوروبا لقياس استهلاك المياه والغاز والكهرباء. وهو يوفر اتصالاً آمناً وموثوقاً وموفراً للطاقة، ومصمم خصيصاً لتطبيقات المرافق العامة.
• تقنية وايز : بروتوكول يعتمد على  نطاق تردد 169 ميجاهرتز، وهو مصمم للاتصالات بعيدة المدى ومنخفضة الطاقة. يُستخدم على نطاق واسع في أوروبا لقياس المياه والغاز نظرًا لقدرته الممتازة على اختراق الإشارة وقابليته للتوسع.
• LoRaWAN : تُقدّر تقنية LoRaWAN لقدراتها على تغطية مسافات طويلة واستهلاك منخفض للطاقة، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات واسعة النطاق في المناطق الريفية والحضرية على حد سواء. وهي تُستخدم على نطاق واسع في التطبيقات الصناعية والبلدية.
• زيجبي : تشتهر بقدرتها على إنشاء شبكات متداخلة، وتُستخدم زيجبي غالبًا في البيئات الحضرية التي تتطلب اتصالًا كثيفًا. وهي موفرة للطاقة وتدعم الاتصالات الآمنة.
• تقنية إنترنت الأشياء ذات النطاق الضيق ( NB-IoT ) وتقنية LTE Cat-M : تُعدّ تقنية إنترنت الأشياء ذات النطاق الضيق (NB-IoT) وتقنية LTE Cat-M تقنيات تعتمد على شبكات الهاتف المحمول، وتتيح الاتصال المباشر بها. وتُعتبر هذه البروتوكولات مناسبة بشكل خاص للتطبيقات واسعة النطاق في المناطق التي تتوفر فيها بنية تحتية لشبكات الهاتف المحمول، حيث توفر عمرًا أطول للبطارية وتغطية قوية.

تعمل بروتوكولات طبقة التطبيقات فوق تقنيات الاتصالات اللاسلكية لتوحيد تبادل البيانات، وضمان التوافق التشغيلي، وتعزيز وظائف الأجهزة. تُمكّن هذه البروتوكولات من دمج العدادات بسلاسة في أنظمة المرافق العامة وإنترنت الأشياء (IoT) الأوسع نطاقًا.

يُعدّ بروتوكول DLMS/COSEM (مواصفات لغة رسائل الأجهزة/المواصفات المصاحبة لعدادات الطاقة) أحد أكثر البروتوكولات استخدامًا في مجال العدادات الذكية. فهو يوفر إطارًا مرنًا وموحدًا لتبادل البيانات بين أجهزة القياس وأنظمة المرافق. يدعم هذا البروتوكول تقنيات اتصال متنوعة، بما في ذلك شبكات الترددات اللاسلكية والشبكات السلكية وشبكات الهاتف المحمول، ويسهل نقل البيانات بشكل آمن، وإدارة البيانات المنظمة، والمراقبة عن بُعد.

تُستخدم بروتوكولات أخرى على مستوى طبقة التطبيقات، مثل MQTT (بروتوكول نقل بيانات القياس عن بُعد عبر قوائم الانتظار) و CoAP (بروتوكول التطبيقات المقيدة)، في أنظمة القياس الذكية، لا سيما في التطبيقات التي تتمحور حول إنترنت الأشياء. وتركز هذه البروتوكولات على الاتصالات منخفضة النطاق الترددي وعالية الكفاءة، مما يضمن تبادلًا موثوقًا للبيانات في بيئات متنوعة. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

يتيح اعتماد تقنيات وبروتوكولات الترددات اللاسلكية هذه دمج عدادات المياه الذكية بسلاسة في أنظمة المرافق، مما يوفر العديد من المزايا:

• تحسين الكفاءة: يقلل جمع البيانات الآلي من العمل اليدوي والأخطاء.
• الفوترة الديناميكية: تتيح فوترة أكثر دقة ومرونة بناءً على الاستخدام في الوقت الفعلي.

تتميز عدادات الغاز السكنية والتجارية والصناعية بأحجام لولبية قياسية خاصة بها. يُوصل عداد الغاز بأنابيب العميل عبر وصلة دوارة وصامولة، ولكل منهما مجموعة محددة من الأحجام اللولبية. ^{[ 9 ]} اللوالب عبارة عن هياكل حلزونية تُستخدم في البراغي والصواميل والأنابيب وغيرها من أدوات التثبيت لتسهيل ربط المكونات. ويختلف تصميمها ومعاييرها تبعًا للتطبيق المقصود والمادة والمنطقة.

أنظمة الخيوط الموحدة: قامت العديد من المنظمات والأنظمة بوضع معايير للخيوط لضمان قابلية التبادل والموثوقية:

• خيط متري ISO (M)
  • المعيار الأكثر استخدامًا للخيوط على مستوى العالم.
  • تم تحديدها من قبل المنظمة الدولية للتوحيد القياسي (ISO). ^{[ 10 ]}
  • تُعرَّف الخيوط بقطرها الاسمي وخطوتها (المسافة بين الخيوط) بالملليمترات. على سبيل المثال، يبلغ القطر الاسمي للخيط M10x1.5 عشرة  مليمترات، وخطوته عشرة  مليمترات.
• معيار الخيوط الموحد (UTS)
  • يُستخدم بشكل رئيسي في الولايات المتحدة وكندا.
  • يشمل ذلك الخيوط الخشنة الموحدة (UNC) والخيوط الدقيقة الموحدة (UNF) والخيوط الدقيقة للغاية الموحدة (UNEF). ^{[ 11 ]}
  • يتم تحديد أحجام الخيوط برقم أو قطر كسري (على سبيل المثال، 1/4-20 UNC، حيث "1/4" هو القطر بالبوصة و"20" يشير إلى 20 خيطًا لكل بوصة).
• المعيار البريطاني ويتوورث (BSW)
  • أحد أقدم معايير الخيوط، ويستخدم بشكل أساسي في المملكة المتحدة والأراضي البريطانية السابقة. ^{[ 12 ]}
  • يتم تحديدها بواسطة ملف تعريف ويتوورث، والذي يحتوي على زاوية لولبية تبلغ 55 درجة.
  • يتم تحديد الأحجام بالقطر الاسمي بالبوصة وعدد الخيوط في البوصة (TPI).
• الخيط الأنبوبي الوطني (NPT)
  • معيار أمريكي للأسنان المخروطية المستخدمة بشكل شائع في أنظمة الأنابيب لإنشاء مانع تسرب.
  • يتم تحديد الخيوط حسب الحجم الاسمي للأنبوب (NPS) وعدد الخيوط لكل بوصة (TPI).
• خيوط شبه منحرفة وخيوط أكمي
  • تُستخدم في التطبيقات التي تتطلب قوة عالية وقدرة تحمل عالية، مثل براغي الرصاص.
  • تُعدّ الخيوط شبه المنحرفة شائعة في أوروبا، بينما تنتشر خيوط أكمي بشكل أكبر في الولايات المتحدة.

قد تختلف معايير الخيوط بين المناطق والصناعات، مما يستدعي في كثير من الأحيان استخدام محولات أو جداول تحويل لضمان التوافق. على سبيل المثال:

• تسود الخيوط المترية في أوروبا وآسيا، بينما تعتبر خيوط UTS القائمة على البوصة أكثر شيوعًا في أمريكا الشمالية.
• قد ينطوي تكييف الخيوط بين الأنظمة على تنازلات في القوة والملاءمة.