تُعدّ حسّاسات التدفّق المغناطيسي Magnetic flow sensors من الأنواع الشائعة الاستخدام من حسّاسات التدفّق، وهي مفيدةٌ على نطاقٍ واسعٍ من التطبيقات؛ فالقياس الدقيق والمتكرّر للتدفّق ضروري في العمليات الصناعيّة، مثل تيارات التغذية وحلقات إعادة تدوير الخزانات وخطوط نقل المنتجات وغيرها.
سنتعرّف في هذا المقال على:
– مبدأ عمل حسّاس التدفّق المغناطيسي.
– الخصائص الفيزيائيّة لحسّاس التدفّق المغناطيسي التي تجعله ضرورياً للتحكّم بالعمليّة.
– الطرق التي يمكن بها دمج الحسّاس مع نظام القياس والتحكُّم.
ما هو حسّاس التدفّق المغناطيسي؟
يحوِّل حسّاس التدفّق المغناطيسي سرعة تدفُّق السائل إلى إشارة كهربائيّة قابلة للقياس تتناسب مع معدل التدفق.
لا تحتوي حسّاسات التدفّق المغناطيسي على أجزاء متحرّكة أو عوائق في مسار التدفّق الداخلي، ولذلك تكون سهلة الصيانة والمعايرة.
يُصمَّم حسّاس التدفّق المغناطيسي عادةً ليكون بنفس حجم أنابيب المنبع والمصب، لذلك لا يوجد أيّ ضياع في الضغط. ويعدّ هذا الأمر مفيداً جداً لبعض تيارات التدفُّق مثل الملاط السميك.
يُطلَق على حسّاسات التدفّق المغناطيسي عادةً mag meters كاختصار.
الخصائص الفيزيائيّة لكيفيّة تحويل حسّاس التدفّق المغناطيسي السرعة إلى إشارة تدفُّق
تكون حسّاسات التدفُّق المغناطيسي عادةً مجوّفة كاملاً، حيث أنّ مسار التدفُّق الداخلي له نفس قطر توصيلات المنبع والمصبّ، ممّا يمنع تشكّل أيّ عائق يسبّب تغييراً في مسار التدفُّق أو انخفاضاً في الضغط.
يعبرُ السائل عبر تجويفِ الحسّاس عبوراً مستقيماً؛ إذ يسمح هذا الشكل الهندسي الأسطواني المنتظَم بإنشاء مجالٍ مغناطيسي ثابت وموجّه عبر قطرِ مسارِ التدفّق.
تكمن القوّة التي تولّد إشارة التدفُّق في المغناطيس؛ إذ يكون حسّاس التدفّق المغناطيسي محاطاً بنواةٍ حديديّة، ومغناطيس دائم يولّدُ مجالاًمغناطيسياً. يُشكّل من خطوط التدفّق المغناطيسيّة التي تمرّ عمودياً عبر المقطع العرضي للأنبوب والسائل المتدفّق.
هذا الشكل الهندسي مهمٌّ جداً؛ إذ يعبرُ السائل المتدفّق من خلال هذه الخطوط المغناطيسيّة بزاوية 90 درجة أو عمودياً على خطوط التدفّق المغناطيسيّة.
قانون فاراداي Faraday’s law
اكتشف مايكل فاراداي Michael Faraday عام 1831 أنّ الجهد ينشأ من خلال أيّ موصل للكهرباء عندما يتحرّك بزاوية قائمة عبر مجال مغناطيسي، وهذا الجهد يتناسب طرداً مع سرعة الموصل، يدعى هذا بقانون فاراداي للحثّ الكهرومغناطيسي.
يحتوي حسّاس التدفّق المغناطيسي على مغناطيس دائم ثابت، وبالتالي يكون الموصل هو السائل المتدفّق.
يجب أن ينشأ جهد يتناسب مع سرعة السائل وفقاً لقانون فاراداي بما أنّ السائل يمرّ عبر المجال المغناطيسي بزاوية قائمة. يجب أن ينشأ جهد يتناسب مع سرعة السائل
يُعبَّر عن قانون فاراداي بالعلاقة التالية:
E= K ×B × V × D حيث:
E: الجهد الذي يولّده المجال المغناطيسي.
K: الجزء الثابت في المقياس.
V: سرعة تدفق السائل.
D: المسافة بين أقطاب حسّاس التدفُّق المغناطيسي.
إرسال الإشارة
يُستشعر بالمجال الكهرومغناطيسي EMF أو القدرة الكهربائيّة أو الجهد الكهربائي المتولّد بوساطة سلكين أو قطبين موصولين بجهاز إرسال الحسّاس المغناطيسي Mag meter’s transmitter؛ إذ يقوم جهاز الإرسال بتحويل قوّة هذه الإشارة الكهربائيّة إلى معدّل تدفّق حجمي ويضبط الخرج بين 4 إلى 20 ميلي أمبير ليزوّد نظام التحكم بإشارة تناظريّة.
يعطي جهاز الإرسال معدّل التدفُّق الحجمي، بينما يقيس الحسّاس سرعة التدفُّق، ويكون قطر المقطع العرضي ومساحته، وبناءً على ذلك فإنّ قيمة السرعة مضروبة بالمساحة الثابتة تعطي معدّل التدفُّق الحجمي وحدته قدم مكعب في الثانية.
معدّل التدفُّق الحجمي (قدم/ᶟثانية) = السرعة(قدم/ثانية) × المساحة (قدم²)
يمكن تحويل هذه الكمية إلى أيّ وحدة تدفُّق حجميّ مثل جالون في الدقيقة حيث أنّ:
1 قدمᶟ/ثانية= 448.83 جالون/دقيقة
السوائل الموصلة
يوجد بارامتر (متغيّر) رئيسي لا يمكننا الاستغناء عنه وهو الموصل المتحرك moving conductor الضروري لتوليد الإشارة الكهربائيّة المطلوبة، وكما ذكرنا سابقاً أنّ السائل المتدفِّق هو الموصل لكي يعمل مع حسّاس التدفّق المغناطيسي.
ما معنى أن يكون السائل موصلاً؟
يعني أنّ السائل يجب أن يكون قادراً على توصيل الشحنة الكهربائيّة، لذا توليد جهد يمكن استشعاره بوساطة أقطاب الحسّاس.
تُقاس موصلية السائل بوحدة ميكرو سيمنز لكلّ سنتيمتر μs/cm، حيث تتمتّع بعض السوائل مثل مياه البحر بموصلية عالية، ومن الممكن قياس تدفّق مياه البحر بوساطة حسّاس التدفّق المغناطيسي، أمّا من ناحية أخرى، تكون موصلية الماء المقطَّر منخفضة جداً وبالتالي لا يمكن قياسها، إلى جانب ذلك لا يمكننا قياس معدّل تدفّق كلِّ من الزيوت والهيدروكربونات ومعظم المحاليل العضويّة.
يمكن قياس تدفّق مياه الصرف الصحي، ومياه البحر، والمحاليل الأيونيّة، مثل الأحماض بسهولة بوساطة حسّاس التدفّق المغناطيسي، ويجب أن يكون للسوائل موصلية تزيد عن 10 μs/cm للحصول على قياسات تدفّق جيدة بوساطة الحسّاس.
اعتبارات أخرى للإنشاء
تستطيع حسّاسات التدفّق المغناطيسي قياس مجموعة واسعة من السوائل وإضافةً إلى ذلك يمكن أن تُبطّن بالتفلون أو مواد أخرى لحماية الأنبوب من التآكل من الداخل بفعل بعض السوائل مثل الملاط والأحماض.
أنواع حسّاسات التدفّق المغناطيسيّة
يوجد أنواع أخرى من حسّاسات التدفّق المغناطيسي التي يمكن استخدامها، مثل نوع الإدخال insertion الذي يُستخدم مع أحجام الأنابيب الأكبر، وحسّاسات التدفّق المغناطيسي منخفضة التدفق low-flow والتي يبلغ قطرها عادة من ⅛ انش إلى ½ انش.
تأريض حسّاس التدفّق المغناطيسي
يجب اتّباع توصيات الشركة المصنّعة بشأن التأريض عند تركيب حسّاس التدفق المغناطيسي في الأنابيب. يُنتج حسّاس التدفّق المغناطيسي إشارةً كهربائيّة وهي عبارة عن جهدٍ مستمرّ منخفض جداً، وجهد شارد stray voltages على امتداد الأنبوب (الجهد الشارد هو جهد كهربائي بين جسمين لا ينبغي أن يكون بينهما أيّ فرق في الجهد الكهربائي) بسبب معدّات اللحام أو أحمال كهربائية كبيرة أخرى في المصنع.
بالنسبة للأنابيب المعدنية، يجب ربط الحوافّ الخارجية وغلاف المرسل وتثبيتها.
أمّا الأنابيب البلاستيكية أو غيرها من الأنابيب غير الموصلة يجب تركيب حلقات التأريض (وهي مسارات للتيار غير المرغوب به) الموصى بها من قبل الشركة المصنعة لمنع تشكل جهد شارد.
يوصى أيضا باستخدام حلقات التأريض للسوائل ذات الموصلية المنخفضة التي تقلّ عن 100 μs/cm.
جهاز إرسال حسّاس التدفّق المغناطيسي
تُستخدم أجهزة الإرسال التي تحوّل الجهد المستمرّ المنخفض الناتج عن السائل المتدفق إلى إشارات يمكن توصيلها بجهاز التحكّم دائماً مع حسّاسات التدفق ومنها:
Profibus PA
Foundation Fieldbus
IO-Link
إذ يتراوح خرجها بين 4 إلى 20 مللي أمبير.
مواصفات حسّاس التدفق المغناطيسي:
يجب مراعاة بعض الجوانب المهمّة إلى جانب موصلية السائل والحاجة إلى حلقات التأريض لتحديد حسّاس التدفّق المغناطيسي المناسب، فإذا كان السائل يسبّب التآكل يجب استخدام بطانة مناسبة، ويمكن استبدال هذه البطانة عندما تصبح قديمة، وهي لا تؤثر على دقّة القياس.
يمكن أن تساعد معرفة معدّل التدفّق الأعلى والأدنى للعملية على تحديد نطاق التدفّق الذي يمكن لنموذج محدّد من حسّاسات التدفّق المغناطيسي قياسه، يوجد لكلّ نموذج نقطة انقطاع منخفضة التدفّق وسرعة قصوى يستطيع قياسهما بدقة.
في حال عدم امتلاء الأنبوب باستمرار سيؤثر ذلك على دقّة التدفّق، ولذلك يجب تثبيت الحسّاس عند نقطة منخفضة أو في مسار مائل لأعلى من الأنبوب لضمان امتلاء كامل أثناء التشغيل.
الخلاصة
تحدّثنا في هذه المقالة عن مبدأ عمل حسّاس التدفّق المغناطيسي وخصائصه الفيزيائيّة وكيفيّة استخدامه في القياسات الصناعيّة وأنظمة التحكّم، مبيّنين العلاقة الخطيّة بين سرعة السائل المتدفّق والإشارة الكهربائيّة الناتجة وفقَ قانون فاراداي.
إضافةً إلى فوائد استخدام تقنيّات التأريض المناسِبة واختيار الموقع الأفضل للتركيب ومعرفة حدّ التدفّق الأدنى والأعلى للحسّاس لضمان قياس التدفّق بدقّة.
| ترجمة: | أماني صالح |
| مراجعة: | ايليا سليمان |
| تدقيق لغوي: | تيماء العبيد |
| تحرير: | نور شريفة |
