أنواع المقاييس ومبادئ عملها


إن معرفة كمية المائع المارة عبر أنبوب أو قناة أو أي منشأة أخرى هي من أهم المعلومات التي يجب أن يعرفها المهندس بالنسبة إلى المشروعات المائية خصوصاً والمشروعات ذات الصلة بالموائع، مثل النفط والغاز عموماً سواء أكان في مرحلة التصميم أم الاستثمار، إذ لا يمكن تصميم شبكة إمداد مياه شرب أو ري من دون معرفة كمية المياه الواجب توفيرها. ولا يمكن تصميم خط لنقل النفط أو الغاز دون معرفة كمية النفط أو الغاز الواجب إمراره. كما أنه لا يمكن توزيع مياه الشرب والري على الأحياء أو الحقول بكميات محددة من دون أداة أو وسيلة تقيس ذلك.

مقياس التدفق أو التصريف flow meter هو الأداة أو الوسيلة التي تمكن من قياس كمية المائع المارة خلال واحدة الزمن عبر وسط معين. ويمكن أن يكون الوسط أنبوباً أو قناة أو نهراً أو مفرغ سد أو مضخة أو عنفة.

ولا يختلف مبدأ قياس التدفق بتغير نوع المائع، لأن معظم مبادئ القياس وأساليبه تُدخل تأثير كتلة المائع النوعية ونوعه ولزوجته.

لمحة تاريخية

لم يبتكر الإنسان أي وسيلة قياس فعلية للتدفقات إلا بعد أن أوجد العالم السويسري دانيال برنوللي D.Bernoulli ت(1700-1782) معادلته الشهيرة التي تدعى أيضاً معادلة الطاقة energy equation، والتي شكلت الأساس النظري لتطوير طرائق قياس التدفقات. وفي فرنسا قام المهندس هنري بيتو عام 1730 بتصميم أنبوب زجاجي لقياس سرعة الجريان في نهر السين. ثم بالاعتماد على معادلة برنوللي Bernoulli equation استخدمت الهدارات weirs بأنواعها كافة لقياس كمية المياه المتدفقة في الأقنية. كما قام المهندس الإيطالي فنتوري Venturi بالاعتماد على المعادلة نفسها بتصميم أداة لقياس التصاريف في الأنابيب، وسميت هذه الأداة فيما بعد بأنبوب فنتوري.

وكان المهندس ولتمَن Waltman أول من قدَّم أداة لقياس التدفقات المائية لا تعتمد على معادلة برنوللي، حيث صمّم دولاباً مزوداً بريش يدور عند مرور السائل خلاله، وبمعرفة عدد دورات الدولاب يتم معرفة كمية التصريف. وبعد ذلك اقتصر التركيز في تطوير أجهزة قياس التدفق على رفع دقة هذه الأجهزة، ولكن المبدأ كان يعتمد دوماً على معادلة برنوللي أو مبدأ جهاز ولتمَن.

وقد حدث تطور كبير في نهاية القرن العشرين عندما تم اختراع مقاييس التدفق باستخدام الأمواج فوق الصوتية ultrasonic flow meter، التي تمكن من قياس كمية السائل المتدفقة في الأنبوب دون الحاجة لوضع أي عنصر داخل الجريان، وإنما تثبيت حساسات sensors على الأنبوب من الخارج.

أنواع المقاييس ومبادئ عملها

توجد ثلاث طرائق رئيسة مختلفة المبدأ لقياس التدفق عبر مقطع أنبوب أو قناة. وهذه الطرائق هي الآتية:

– الطريقة الحجمية:

يتم قياس حجم السائل المار في الأنبوب أو القناة إما عن طريق إملاء وعاء معروف الحجم؛ وإما باستخدام عداد سائل. وفي أثناء قياس حجم السائل يتم حساب الزمن اللازم لمرور هذا الحجم. فإذا كان حجم السائل المار هو v (m3)، وأن الزمن هو T(sec)، فإن التدفق المار Q (m2/sec) هو:

والعداد هو أداة تستخدم لقياس كمية السائل المارة خلاله. ويتألف العداد من الجسم الخارجي، الذي يحتوي في داخله مجموعة من الأدوات، تدار في أثناء مرور السائل عبرها. ويجري تركيب العداد على الأنبوب المراد قياس كمية السائل المارة عبره.