مقياس التدفق الكتلي

مقياس تدفق الكتلة الحراري للغازات: مبدأ العمل والتطبيقات

1. مبدأ العمل

تعمل مقاييس تدفق الكتلة الحرارية بناءً على مبادئ انتقال الحرارة، حيث تقيس تدفق الغاز عن طريق اكتشاف تأثير التبريد لتيار الغاز على مستشعر مُسخن. هناك طريقتان أساسيتان للقياس:

طريقة فرق درجة الحرارة الثابتة (CTD)

يتم استخدام مستشعرات درجة حرارة (RTDs أو الثرمستورات) اثنان:

المستشعر المُسخن: يتم الحفاظ عليه عند درجة حرارة ثابتة أعلى من تيار الغاز.

المستشعر المرجعي: يقيس درجة حرارة الغاز.

تتناسب الطاقة المطلوبة للحفاظ على فرق درجة الحرارة مع معدل تدفق الكتلة.

طريقة القدرة الثابتة

يتم تطبيق كمية ثابتة من الحرارة على المستشعر.

يتم قياس فرق درجة الحرارة بين المستشعر المُسخن وتيار الغاز، والذي يرتبط بتدفق الكتلة.

المعادلة الأساسية التي تحكم قياس التدفق الحراري هي:

Q = frac{P}{c_p cdot Delta T}

Q: معدل تدفق الكتلة (كجم/ث)

P: طاقة التسخين (واط)

c_p: السعة الحرارية النوعية للغاز (جول/كجم·ك)

ΔT: فرق درجة الحرارة بين المستشعرات (ك)

نظرًا لأن مقاييس التدفق الحراري تقيس تدفق الكتلة مباشرة، فإنها لا تتطلب تعويضًا منفصلاً للضغط أو درجة الحرارة.

2. الميزات والفوائد الرئيسية

✅ قياس تدفق الكتلة المباشر – لا حاجة إلى تعويض إضافي لـ PT.

✅ لا توجد أجزاء متحركة – صيانة منخفضة، موثوقية عالية.

✅ نسبة دوران واسعة (تصل إلى 100:1) – مناسبة لمعدلات التدفق المنخفضة والعالية.

✅ زمن استجابة سريع – مثالي للتحكم الديناميكي في التدفق.

✅ انخفاض ضغط منخفض – موفر للطاقة لتطبيقات الغاز.

✅ متوافق مع معظم الغازات غير المسببة للتآكل – بما في ذلك الهواء، N₂، O₂، CO₂، الغاز الطبيعي، والغاز الحيوي.

3. القيود

❌ معايرة خاصة بالغاز مطلوبة – تعتمد الدقة على الخصائص الحرارية للغاز (c_p).

❌ غير مناسب للغازات المتسخة/الرطبة – يمكن أن تؤثر الجسيمات أو الرطوبة على أداء المستشعر.

❌ تقتصر على تطبيقات الضغط المنخفض/المتوسط – عادةً ما تكون < 50 بار.

❌ الحساسية لتقلبات درجة الحرارة – تتطلب ظروفًا محيطة مستقرة.

4. التطبيقات الشائعة

مراقبة الهواء المضغوط والغاز (الكشف عن التسرب، تحليل الاستهلاك)

قياس الغاز الحيوي والغاز الطبيعي

أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (التحكم في تدفق الهواء)

صناعات أشباه الموصلات والمواد الكيميائية (مراقبة غاز العملية)

الاختبار البيئي والانبعاثات (قياس تدفق غاز المداخن)

5. إشارات الإخراج والتركيب

المخرجات التناظرية: 4-20 مللي أمبير، 0-10 فولت للتكامل مع PLCs/SCADA.

الاتصال الرقمي: Modbus أو HART أو PROFIBUS للأنظمة الذكية.

إرشادات التثبيت:

تجنب اهتزازات الأنابيب والاضطرابات المفرطة.

تأكد من وجود مسارات أنابيب مستقيمة (5D في الاتجاه الصاعد، 3D في الاتجاه الهابط للدقة).

الخلاصة

توفر مقاييس تدفق الكتلة الحرارية قياسًا دقيقًا وموثوقًا للغاية لتدفق الكتلة للغازات دون الحاجة إلى تصحيحات الضغط أو درجة الحرارة. تصميمها غير التدخلي، والاستجابة السريعة، والصيانة المنخفضة تجعلها مثالية للتطبيقات الصناعية والبيئية والمختبرية. تركز التحسينات المستقبلية على معايرة الغازات المتعددة وتعزيز متانة المستشعر للبيئات القاسية.