ما هو مقياس تدفق الكتلة كوريوليس، وكيف يعمل مقياس كوريوليس

يُعد قياس تدفق الكتلة أساسًا للعديد من العناصر الرئيسية في مختلف الصناعات، بما في ذلك معظم تركيبات الوصفات، وتحديد موازنة المواد، وعمليات الفوترة ونقل الحراسة. ونظرًا لأن هذه القياسات من أهم قياسات التدفق في مصانع المعالجة، فإن موثوقية ودقة كشف تدفق الكتلة أمران في غاية الأهمية.

تاريخ (موجز) لقياس تدفق الكتلة

في الماضي، كان يُحسب تدفق الكتلة غالبًا من مخرجات مقياس التدفق الحجمي ومقياس الكثافة. وكانت تغيرات الكثافة تُقاس إما مباشرةً أو تُحسب باستخدام مخرجات أجهزة قياس درجة حرارة وضغط العملية. وفي نهاية المطاف، نظرًا لعدم معرفة العلاقة بين ضغط العملية أو درجة حرارتها والكثافة بدقة دائمًا، لم تكن هذه القياسات دقيقة للغاية.

أحد التصميمات المبكرة لأجهزة قياس تدفق الكتلة ذاتية الاحتواء التي تعمل باستخدام الزخم الزاوي– كان مزودًا بمروحة تُدار بمحرك، تُعطي زخمًا زاويًا (حركة دورانية) عن طريق تسريع السائل إلى سرعة زاوية ثابتة. كلما زادت الكثافة، زادت الحاجة إلى زخم زاوي أكبر للحصول على هذه السرعة الزاوية. بعد المروحة المُدارة، تعرّض توربين ثابت مُثبت بنابض لهذا الزخم الزاوي. كان عزم الدوران الناتج (التواء النابض) مؤشرًا على تدفق الكتلة. ومع ذلك، نظرًا للتصاميم الميكانيكية المعقدة وتكاليف الصيانة المرتفعة، استُبدلت هذه الأنواع من العدادات بشكل كبير بتصاميم أكثر متانة وأقل تطلبًا للصيانة.

أحد هذه التصاميم هو مقياس تدفق الكتلة كوريوليس، الذي يُعتبر على نطاق واسع أدق أنواع مقاييس تدفق الكتلة، ويُستخدم على نطاق واسع في التطبيقات الصناعية لقياس دقيق. تتميز مقاييس تدفق كوريوليس بأجهزة تعمل وفقًا لمبدأ عمل مقياس تدفق الكتلة .– ظاهرة ملحوظة (وغريبة) حيث تتعرض كتلة متحركة في نظام دوار لقوة تؤثر عموديًا على اتجاه الحركة ومحور الدوران. تعود أولى براءات اختراع كوريوليس الصناعية إلى خمسينيات القرن الماضي، وصُنعت أول مقاييس تدفق كتلة كوريوليس في سبعينيات القرن الماضي.

مبدأ عمل مقياس تدفق كوريوليس

كان المهندس الفرنسي جي جي كوريوليس أول من لاحظ أن جميع الأجسام المتحركة على سطح الأرض تميل إلى الانجراف جانبيًا بسبب دوران الكوكب شرقًا. في نصف الكرة الشمالي، يكون الانحراف إلى يمين الحركة؛ وفي نصف الكرة الجنوبي، يكون الانحراف إلى اليسار. يلعب هذا الانجراف دورًا رئيسيًا في كل من نشاط المد والجزر في المحيطات وطقس الكوكب. نظرًا لأن نقطة على خط الاستواء ترسم دائرة أكبر يوميًا من نقطة أقرب إلى القطبين، فإن الجسم المتحرك نحو أي من القطبين سيتجه شرقًا لأنه يحتفظ بسرعة دورانه الأعلى (شرقًا) أثناء مروره فوق سطح الأرض الذي يدور ببطء أكثر. يُعرف هذا الانجراف بقوة كوريوليس.

عندما يتدفق سائل في أنبوب ويتعرض لتسارع كوريوليس من خلال إدخال دوران ظاهري ميكانيكي في الأنبوب، فإن مقدار قوة الانحراف الناتجة عن تأثير كوريوليس القصوري سيكون مرتبطًا بمعدل تدفق كتلة السائل. إذا دار أنبوب حول نقطة أثناء تدفق السائل عبره (باتجاه أو بعيدًا عن مركز الدوران)، فإن هذا السائل سيولد قوة قصور ذاتي (مؤثرة على الأنبوب) تكون بزاوية قائمة على اتجاه التدفق.

بالرجوع إلى الشكل 1، يتحرك جسيم (dm) بسرعة (V) داخل أنبوب (T). يدور الأنبوب حول نقطة ثابتة (P)، ويكون الجسيم على بُعد نصف قطر واحد (R) من هذه النقطة. يتحرك الجسيم بسرعة زاوية (w) تحت تأثير مركبتين من التسارع: تسارع مركزي موجه نحو P وتسارع كوريوليس بزاوية قائمة على ar:

ar (مركزي) = w2r

عند (كوريوليس) = 2wv

لنقل تسارع مقياس كوريوليس (at) إلى جسيم السائل، يجب أن تُولّد قوة مقدارها at (dm) بواسطة الأنبوب. يتفاعل جسيم السائل مع هذه القوة بقوة كوريوليس مساوية ومعاكسة له في المقدار:

Fc = at(dm) = 2wv(dm)

ثم، إذا كان لسائل العملية كثافة (D) ويتدفق بسرعة ثابتة داخل أنبوب دوار ذي مساحة مقطع عرضي A، فإن جزءًا من الأنبوب بطول X سوف يتعرض لقوة كوريوليس مقدارها:

Fc = 2wvDAx

نظرًا لأن معدل تدفق الكتلة هو dm = DvA، فإن قوة كوريوليس Fc = 2w(dm)x، وأخيرًا:

تدفق الكتلة = Fc / (2wx)

هكذا يُمكن لقياس قوة كوريوليس التي يُمارسها السائل المتدفق على الأنبوب الدوار أن يُعطي مؤشرًا لمعدل تدفق الكتلة. مع أن تدوير الأنبوب ليس بالضرورة إجراءً تشغيليًا قياسيًا عمليًا عند بناء مقياس تدفق تجاري، إلا أن اهتزاز الأنبوب أو اهتزازه يُؤدي إلى:– وهو أمر عملي– يمكن تحقيق نفس التأثير.