قياس التدفق

مقياس التدفق Flow measurement، هوتحديد كمية المائع المتحركة. يمكن قياس التدفق بطرق مختلفة.

يتم تجميع أمتار من المائع المزاح-الموجب في حجم ثابت من المائع ثم يحسب عدد مرات الحجم الذي يملأ معيار التدفق. الطرق الأخرى لقياس التدفق تعتمد على القوى التي تنتج من التيار المتدفق أثناء تعديها ضيق معروف, لحساب التدفق الغير مباشر. قد يقاس التدفق بقياس سرعة السائل في منطقة معروفة.

إن فهم كمية المائع المارة عبر أنبوب أوقناة أوأي منشأة أخرى هي من أبرز المعلومات التي يجب حتى يعهدها المهندس بالنسبة إلى المشروعات المائية خصوصاً والمشروعات ذات الصلة بالموائع، مثل النفط والغاز عموماً سواء أكان في فترة التصميم أم الاستثمار، إذ لا يمكن تصميم شبكة إمداد مياه استهلك أوري من دون فهم كمية المياه الواجب توفيرها. ولا يمكن تصميم خط لنقل النفط أوالغاز دون فهم كمية النفط أوالغاز الواجب إمراره. كما أنه لا يمكن توزيع مياه الشرب والري على الأحياء أوالحقول بكميات محددة من دون أداة أووسيلة تقيس ذلك.

مقياس التدفق أوالتصريف هوالأداة أوالوسيلة التي تمكن من قياس كمية المائع المارة خلال واحدة الزمن عبر وسط معين. ويمكن حتىقد يكون الوسط أنبوباً أوقناة أونهراً أومفرغ سد أومضخة أوعنفة.

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

نظرة تاريخية

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

وكان المهندس ولتمن أول من قدَّم أداة لقياس التدفقات المائية لا تعتمد على معادلة برنوللي، حيث صمّم دولاباً مزوداً بريش يدور عند مرور السائل خلاله، وبفهم عدد دورات الدولاب يتم فهم كمية التصريف. وبعد ذلك اقتصر الهجريز في تطوير أجهزة قياس التدفق على حمل دقة هذه الأجهزة، ولكن المبدأ كان يعتمد دوماً على معادلة برنوللي أومبدأ جهاز ولتمَن.

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

أنواع المقاييس ومبادئ عملها

توجد ثلاث طرق رئيسة مختلفة المبدأ لقياس التدفق عبر مبتر أنبوب أوقناة. وهذه الطرائق هي الآتية:

الطريقة الحجمية

عداد ولتمن.

مبدأ عمل عداد ولتمن.

يتم قياس حجم السائل المار في الأنبوب أوالقناة 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 هوv (m3)، وأن الزمن هوT(sec)، فإن التدفق المار Q (m2/sec) هو:

والعداد هوأداة 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 هجريب العداد على الأنبوب المراد قياس كمية السائل المارة عبره.

توجد أنواع كثيرة لعدادات المياه، وهي تصنف حسب مبدأ العمل إلى:

1- عدادات حجمية.

2- عدادات السرعة: وهي أداة هجرب داخل جسم مغلق. وتتكون من أجزاء متحركة تدار مباشرة بسرعة تدفق المياه. والأجزاء المتحركة هي دولاب يدور عند مرور المياه فيه، ويرتبط بمجموعة من المسننات، التي تتصل بدورها مع مؤشرة تقوم بجمع حجم التدفق. وتوجد لعداد السرعة عدة نماذج، هي:

أ- عداد ولتمن: هوجسم أنبوبي، يحتوي على دولاب قابل للدوران حول جذع ينطبق على محور الأنبوب. ويتألف الدولاب من مجموعة شفرات حلزونية الشكل، لها شكل انسيابي. ويرتبط الدولاب عن طريق مجموعة مسننات مع المؤشرة. ويتناسب عدد دورات الدولاب مع سرعة المياه المارة في العداد.

ب - العداد أحادي القاذف: هوعداد سرعة، يتكون من دولاب توربيني، يدار بحركة المياه. ويدور هذا الدولاب حول محور عمودي على اتجاه تدفق المياه. وسمي أحادي القاذف؛ لأن التيار المائي يصطدم بالدولاب من مكان واحد على المحيط الخارجي للدولاب.

ج- العداد متعدد القواذف: يشبه العداد أحادي القاذف، والفرق الوحيد هوحتى التيار المائي قبل حتى يصطدم بالدولاب، يدخل إلى حجرة تحتوي على عدة ثقوب على شكل قواذف. ومن هذه القواذف تخرج التيارات المائية، وتصطدم بالدولاب في عدة أمكنة على المحيط، تؤدي إلى تدويره.

الكيفية التكاملية

في هذه الطريقة يتم قياس سرعات الجريان عبر مبتر الأنبوب أوالقناة في عدد من النقاط. فإذا كانت قيمة سرعة الجريان هي u عند شريحة صغيرة مساحتها dA من مبتر الجريان، فإن التدفق المار عبر المبتر هو:

ولكن ما يتم عملياً هوإنجاز التكامل السابق بصورة عددية أوتخطيطية. حيث ترسم خطوط توزع السرعة عبر المبتر، وتحسب المساحات المحصورة بين جميع خطين متجاورين. ويتم حساب التصريف المار بين جميع خطين بضرب المساحة المحصورة بين هذين الخطين بقيمة السرعة الوسطية للجريان بينهما. ولحساب التصريف الكلي عبر المبتر يتم جمع التصاريف الجزئية بين جميع خطين متجاورين.

منحنيات توزع سرعة الجريان عبر نهر

الطريقة المباشرة

يتم قياس التدفق عبر مبتر معين بشكل مباشر عن طريق وسيلة إظهار، أوبتطبيق المعادلات. وهناك عدة طرائق لقياس التدفقات، تعتمد على مبادئ وأسس مختلفة، منها ما يأتي:

1- الطرق التي تعتمد على معادلة الطاقة: حيث يتم استخدام أجهزة أوأدوات، تعتمد في حساب التدفق على تطبيق معادلة الطاقة. ومن هذه الأجهزة:

جهاز ڤنتوري.

فتحات الأنابيب.

أ- جهاز فنتوري: يتألف هذا الجهاز من أنبوب يتغير مبتره تدريجياً مع اتجاه الجريان إلى حتى يصل إلى قيمة صغرى، ثم يتوسع بالتدريج حتى يأخذ من حديث قيمته الأولى، كما في الشكل (3). وتنسب تسمية هذا الجهاز البسيط إلى الإيطالي فنتوري Venturi الذي قدّمه عام 1791، ويستعمل لقياس التدفق المار في أنبوب ما. ويُصادف كثيراً في محطات ضخ مياه الري والشرب، وكذلك في شبكات الأنابيب، إذ يوضع في طريق الجريان بشكل يمر منه تام التدفق المراد قياسه في هذا الأنبوب. حيث يؤدي مرور السائل في الأنبوب المتضيق إلى تسارعه في اتجاه الجريان، مما يؤدي إلى حصول هبوط في الضغط. وحسب معادلة الطاقة. فإن هناك علاقة بين معدل الجريان وبين هبوط الضغط ومن ثم يمكن تحديد مقدار التدفق المار في الأنبوب. ويمكن قياس فرق الضغط المتشكل عند المبتر المتضيق وقبله باستخدام مانومتر يوضع في داخله سائل ذوكتلة نوعية معروفة. ويحسب التدفق المار في جهاز فنتوري من العلاقة:

حيث أن:

- Q: التدفق المار في الأنبوب (m3/s).

- h: فرق الارتفاع في سائل المانومتر (m).

- K: ثابت يتعلق بالكتلة النوعية للسائل المار وسائل المانومتر ونسبة قطر المبتر المتضيق إلى قطر الأنبوب قبل التضيق.

ب - فتحات الأنابيب: يعتمد مبدأ عمل فنتوري المبين في الفقرة السابقة على تغير مبتر الأنبوب المتضيق، بحيثقد يكون مبتر الجريان عند العنق أصغر منه عند مدخل الأنبوب المتضيق. يمكن الحصول على نتيجة مماثلة بهجريب صفيحة تحتوي على فتحة قطرها أصغر من القطر الداخلي للأنبوب. تعد هذه الطريقة أبسط وأقل كلفة من أنبوب فنتوري، وتؤدي الغرض نفسه، إلا حتى ذلكقد يكون على حساب فاقد الاحتكاك. ويمكن حساب التصريف النظري من العلاقة السابقة نفسها، غير حتى التصريف العمليقد يكون أقل من ذلك بكثير، لأن فاقد الاحتكاك هناقد يكون كبيراً.

ج- الهدّارات: الهدّار هوفتحة كبيرة ليس لها حرف علوي، ويجري الماء من فوقها بتأثير الضاغط المتشكل أمامها. والهدارات منشآت مائية مهمة، تستعمل لأغراض متعددة، منها قياس غزارة الجريان المارة في الأقنية. وهي تستخدم كثيراً في مشروعات شبكات الري والصرف والسدود ومحطات الضخ، وفي مختلف المشروعات المائية الأخرى. ولها أشكال عديدة منها عريض العتبة، ورقيق الحافة المستطيل، ورقيق الحافة المثلثي. ويحسب التدفق المار عبر الهدار المستطيل رقيق الحافة من العلاقة:

حيث أن:

- Q: التدفق المار(m3 /s).

- h: الضاغط الهندسي (m).

- b: عرض الهدار.

- Cd: معامل التصريف.

أما التدفق المار عبر الهدار المثلثي رقيق الحافة ذي الرأس القائم فيحسب من العلاقة:

منظر عام لهدار مستطيل رقيق الحافة.

منظر عام لهدار مثلثي رقيق الحافة.

قياس التدفق باستخدام الأمواج فوق الصوتية

مبدأ عمل مقياس التدفق باستخدام الأمواج فوق الصوتية.

صورة لمقياس التدفق باستخدام الأمواج فوق الصوتية مع جهاز إظهار القياس.

تستخدم تقنيات صوتية في قياس التدفقات. وهذه التقنية تعتمد على قياس الفترة الزمنية اللازمة لتقدم موجة صوتية بين بترتين الكترونيتين تشكلان معاً عداد التدفق. تؤدي إحدى البتر دور المصدر الصوتي بينما تقوم البترة الأخرى باستقبال هذه الموجة الصوتية بعد عبورها مسافة معروفة ضمن الوسط المدروس. من المعلوم حتى زمن الانتنطق اللازم لموجة صوتية عبر مسافة معلومة،قد يكون مساوياً جداء سرعة الصوت في الوسط المدروس بالمسافة المقطوعة، وذلك عند خلوالوسط المدروس من أي جريانات. في حين يتغير زمن انتنطق هذه الموجة على نحويتناسب مع التدفق الموجود.قد يكون الفرق بين الزمنين (سائل ساكن وسائل متحرك) مرتبطاً مباشرةً بظاهرة دوبلر، مما يمكن المستخدم من تحديد سرعة التدفق المقاسة على نحوسهل وسريع باستخدام معادلات دوبلر. وتتميز هذه العدادات بسهولة الهجريب وعدم وجود فواقد هدروليكية تنتج من استخدامها. كما يمكن استخدامها مع السوائل الخطرة التي يتوجب تجنب وجود فتحات في أنابيبها وذلك لتخفيض احتمالات التسرب، حيث هجرب على الأنبوب من الخارج. وقليلاً ما تتأثر جودة القياسات بتغيرات كثافة السائل المتدفق أوحرارته أوناقليته الكهربائية أوالحرارية.

استخدامات مقاييس التدفق

لمقاييس التدفق استخدامات عديدة. فهي هجرب في جميع مراكز إنتاج المياه من آبار ومحطات ضخ لتحديد كمية التدفق، كما هجرب في مراكز الضخ الرئيسة في حقول النفط والغاز. وفي مفرغات السدود يجري أيضاً هجريب هذه الأجهزة لتقدير كمية المياه الخارجة من المفرغ. هجرب أيضاً أجهزة قياس التدفق على مستوى الحقول الزراعية لإمكانية توزيع مياه الري على المقاسم الزراعية بالمقنن المطلوب.

وقد ُبدئ اليوم باستخدام مقاييس التدفق طريقةً لإدارة شبكات مياه الشرب من أجل ضبط التسربات في الشبكات؛ حيث يتم هجريب مقياس تدفق عند جميع نقطة تفرع من الشبكة. وبمقارنة مجموع التدفقات عند نقاط التفرع من الشبكة مع التدفق الكلي الداخل إلى الشبكة، يمكن رصد المناطق التي تستهلك كميات كبيرة من المياه والتي يمكن حتى تعزى إلى حدوث تسربات. وبعد ذلك يتم التحري عن سبب حدوثها.