سنتعرف في هذه المقالة على حسّاسات الضّغط التفاضليّة وهي ببساطة تقيس فرْق الضّغط في الأنابيب والأوعية المختلفةولكي نفهم طريقة عمله علينا أوّلا ًأن نراجع المبادئ الأساسيّة للضّغط
مبادئ أساسيّة في الضغط :
يُعرَّف الضّغط على أنّه القوّة المؤثّرة علي وحدة المساحة سواء كانت أنبوبة أو خزّاناً أو وعاء ، ويقاس الضّغط بعدة وحدات أشهرها الباسكال (Pascal)- البار(Bar)- الضّغط الجويّ المعياريّ (atm)- Torr ( نسبة إلى الفيزيائيّ الإيطالي إفنجليلستا تورتشيلي)– الباوند لكلّ إنش مربّع (psi)
وحدات الضّغط المستعملة في الصناعة
تُعد ُّوحدتا Bar و psi وحدات معياريّة في الأنظمة الصناعيّة والبيئيّة، حيث يكافئ ال Bar الضّغط الجويّ عند مستوى سطح البحر، بينما يعادل ال psi القوّة التي تؤثّر بها كتلة 1 باوند على مساحة قدرها إنش مربعّ
وغالبا ًما ستستخدم هذه الوحدات في عملك ؛ حيث تعدّ وحدات معياريّة في معظم أجهزة قياس الضّغط
آلية عمل حسّاسات الضّغط التفاضليّة
بعد أن راجعنا الأساسيّات الفيزيائيّة للضّغط سنتنقل إلى معرفة كيف استعملت الحسّاسات التفاضليّة هذه المبادئ لقياس الضّغط ومن الآن وصاعدا فسنستعمل المصطلح المتعارف عليه في الصناعة وهو delta P أو اختصاراً DP ، حيث تعني كلمة delta التغيّر بينما يرمز الحرف P إلى الضّغط ، فعندما نذكر حسّاسات DP فإنّنا نعني بذلك حسّاسات الضّغط التفاضليّة
مكوّنات حسّاسات الضّغط التفاضليّة
تعتمد حسّاسات DP في عملها على عدّة عناصر حتّى تتمكّن من القيام بعملها
وهي : العنصر الأساسيّ، و العنصر الثانويّ، ووحدة التحكّم الإلكترونيّة
العنصر الأساسيّ في حسّاسات الضّغط التفاضلية
يعمل العنصر الأساسيّ على توليد فَرْق في الضّغط يتناسب طرداً مع معدّل تدفّق المائع في الأنبوب
الأنواع المختلفة للعنصر الأساسيّ:
للعنصر الأساسي عدةّ صور منها:
- Orifice plates اللوحات المفتوحة
- Venturi tubes أنبوب فينتوري
- Pitot tubes أنبوب بيتو
- Flow nozzles فوهة التدفّق
- Laminar flow elements
- Wedge elements
الأنواع المختلفة للعنصر الثانويّ:
يتمثّل دور العنصر الثانويّ في قياس الفرق في الضّغط المتولّد من العنصر الرئيسيّ بأقصى دقّة ممكنة ، وقد يُطلَق على العنصر الرئيسيّ عنصر المركز الأعلى ، بينما يُطلق على العنصر الثانوي عنصر المركز المنخفض ، ولكن تنبَّه فلا يعني ذلك بالضرورة وجود العنصر الرئيسيّ في منطقة الضّغط الأعلى ووجود العنصر الثانويّ في منطقة الضغط المنخفض.
اﻷغشية المغلقة (sealed diaphragm) في حسّاسات الضّغط التفاضليّة
تحتوي حساسات DP على العديد من الأغشية المُغلقَة وتقنية لتحويل الضّغط المطبّق على الغشاء إلى إشارة كهربائيّة
التقنيات المستعملة في حسّاسات الضّغط التفاضليّة
تُستخدَم عدّة تقنياّت لتحويل الضّغط الواقع علي الجهاز إلى إشارة كهربائيّة ومن ثم إرسالها إلى الوحدة الإلكترونيّة ؛ حيث تتمّ معالجة الإشارة فتكبر أو تحوّل إلى فرق جهد أو تياّر كهربائيّ ثمّ ترسل إلى نظام التحكّم، ومن أمثلة هذه التقنيّات differential capacitance و strain gauge و vibrating wire
الإشارة الكهربائيّة المولّدَة من حسّاسات الضّغط التفاضليّة
يترواح التيّار الكهربيّ الناتج من 4 – 20 مللي أمبير، أمّا في حالة كان الناتج جهداً كهربيّاً فتتراوح قيمته من 0:5 أو 0:10 فولت
ويتميز هذا الخَرْج بتناسبه طردا ًمع القيمة الفعليّة للضّغط المراد قياسه، فمثلاً عندما يؤثّر ضغط مقداره 0 psi يتولّد تيّار شدّته تساوي 4 مللي أمبير، بينما إذا كان الضّغط 100 psi تكون شدّة التيّار 20 مللي أمبير، ويمكننا الاستفادة من هذا التناسب لحساب قيمة ضغط مجهول بناء على قيمة التيّار الناتج ، فلو فرضنا أنّ شدّة التيّار 12 مللي أمبير فمن العلاقة السابقة تكون قيمة الضّغط 100psi
يُطلَق على العلاقة بين الجهد الكهربائيّ الناتج والضّغط المؤثّر scaled output
بعد أن عرفنا الضّغط وفكرة عمل حسّاسات DP بقي علينا أن نعرف فيمَ تُستخدم هذه الحسّاسات في البيئة الصناعيّة؟
تتمثّل أهميّة هذه الحسّاسات في قدرتها على تحديد مستوى المائع ومعدلّ تدفّقهّ، وفيما يلي سنتحدّث عن كيفيّة حساب معدّل تدفّق الماء في الأنبوب باستعمال حسّاسات DP
استعمال حسّاسات DP لقياس التدفّق:
إحدى الطّرق الشّائعة لتحديد مدى تدفّق السّائل هي انقباض العنصر الرئيسيّ على الأنبوب المارّ به السّائل ممّا يولّد فرقاً في الضّغط يزداد بزيادة مرور السائل كما هو موضّح في الشكل الآتي:
وكما ذكرنا من قبل يقوم العنصر الثانويّ بقياس ذلك التباين في الضغط ثم يرسل تلك القياسات إلى الوحدة الإلكترونيّة لتقوم بمعالجتها
معادلة برونولي :
تنصّ معادلة برونولي على تناسب فرق الضّغط الواقع على الأنبوب تناسباً طرديّا ًمع مربّع معدّل التدفقّ، لذلك يمكننا إيجاد معدل التدفّق بمعلوميّة فَرْق الضّغط كما في العلاقة الآتية:
P1 + ½ ρv12 + ρgh1 = P2 + ½ ρv22 + ρgh2
وحدات قياس معدّل التدفّق
من أشهر الوحدات المستعملة لقياس معدّل التدفّق الجالون لكلّ دقيقة (GPM) أو المتر المكعّب لكلّ ساعة(m³/h).
وعلي الرّغم من سلاسة عمل حسّاسات DP مع الموائع النقيّة قليلة اللّزوجة إلّا أنّه يمكن استعمالها أيضا مع الموائع ذات النقاء المنخفض مثل مياه الصرف الصحّيّ.
ملخّص
عرفنا في هذا المقال أنّ حسّاسات الضّغط التفاضليّة تقوم بقياس تغيّر الضّغط على الأنبوب، ثمّ استعمال القياسات المختلفة لتحديد مدى تدفّق المائع في هذا الأنبوب.
ولسهولة عملها وتوافقها مع البروتوكولات المستعمَلة في كثير من الأنظمة الصناعيّة يمكن استعمال هذه الحسّاسات في الكثير من التطبيقات
ولكفائتها وسهولة صيانتها يمكنها العمل لسنوات في الأنظمة الصناعيّة المختلفة، ومن المتوقّع تواجد حسّاسات DP لمزيد من السنوات القادمة وذلك يرجع إلى سهولة تصميمها ودخولها في كثير من التطبيقات الصناعيّة .
