كيف يُستخدم مقياس ضغط أنبوبي على شكل U تفاضلي لتحديد انخفاض الضغط عبر صفيحة ذات فتحة؟

يحدد مقياس الضغط الأنبوبي على شكل U التفاضلي انخفاض الضغط عبر صفيحة ذات فتحة من خلال تحويل فرق الضغط إلى فرق قابل للقياس في مستوى السائل. يُوصَل طرفا مقياس الضغط بنقطتي أخذ الضغط قبل الصفيحة وبعدها. ثم يُحوَّل إزاحة العمود المقاسة إلى ضغط تفاضلي باستخدام كثافتي سائل المقياس وسائل العملية.

يُحصل على انخفاض الضغط من الاتزان الهيدروستاتيكي في الأنبوب على شكل U: عند جريان سائل بين نقطتي أخذ الضغط على الارتفاع نفسه، (\Delta p=p_1-p_2=(\rho_m-\rho_p)gd)، حيث يمثّل (d) الفرق بين مستويي سائل مقياس الضغط.

كيف يقيس مقياس الضغط انخفاض الضغط عبر الصفيحة ذات الفتحة

دور الصفيحة ذات الفتحة

تُحدث الصفيحة ذات الفتحة تقييدًا مقصودًا في الأنبوب. فعندما يمر السائل عبر الفتحة الأصغر، تزداد سرعته وينخفض ضغطه الساكن، مما ينتج فرق ضغط قابلًا للقياس بين الضغط قبل الصفيحة (p_1) والضغط بعدها (p_2).

ويرتبط فرق الضغط هذا بمعدل التدفق، ولذلك يمكن أن تعمل الصفيحة ذات الفتحة كجهاز لقياس التدفق.

توصيل نقاط أخذ الضغط

يُوصَل أحد فرعي مقياس الضغط التفاضلي بنقطة أخذ ضغط قبل الصفيحة، بينما يُوصَل الفرع الآخر بنقطة أخذ بعدها.

يكون الضغط قبل الصفيحة أعلى عادةً، لذلك ينخفض مستوى سائل مقياس الضغط في الجانب السابق للصفيحة ويرتفع في الجانب اللاحق عندما يكون سائل المقياس أكثر كثافة من سائل العملية.

قراءة الفرق بين مستويي السائل

بعد استقرار التدفق، قِس الفرق الرأسي (d) بين مستويي سائل مقياس الضغط.

القراءة هي الفرق بين المستويين، وليست ارتفاع أي عمود منفرد مقاسًا من مرجع اعتباطي.

حساب انخفاض الضغط

سائل عملية وسائل مقياس ضغط سائل

عندما يكون كل من سائل العملية وسائل مقياس الضغط سائلًا، يجب أخذ كثافة سائل العملية الموجود فوق سائل مقياس الضغط في الحسبان.

بالنسبة إلى نقطتي أخذ ضغط على الارتفاع نفسه:

[ \Delta p=p_1-p_2=(\rho_m-\rho_p)gd ]

حيث:

(\Delta p) = انخفاض الضغط عبر الصفيحة ذات الفتحة
(\rho_m) = كثافة سائل مقياس الضغط
(\rho_p) = كثافة سائل العملية
(g) = تسارع الجاذبية
(d) = الفرق بين مستويي سائل مقياس الضغط

تفترض المعادلة أن سائل مقياس الضغط أكثر كثافة من سائل العملية وأن خطوط التوصيل مملوءة بصورة صحيحة.

تدفق الغاز عبر الصفيحة

في حالة تيار عملية غازي، تكون كثافة الغاز عادةً أقل بكثير من كثافة سائل مقياس الضغط. ولذلك يمكن غالبًا إهمال حد كثافة سائل العملية:

[ \Delta p \approx \rho_mgd ]

يكون هذا التقريب مناسبًا فقط عندما تكون كثافة الغاز صغيرة بما يكفي مقارنةً بكثافة سائل مقياس الضغط، وعندما لا تجعل ظروف الضغط ودرجة الحرارة تأثيرات كثافة الغاز مهمة.

التصحيح لاختلاف ارتفاع نقاط أخذ الضغط

تنطبق المعادلة البسيطة مباشرةً عندما تكون نقطتا أخذ الضغط قبل الصفيحة وبعدها على الارتفاع نفسه.

إذا كانت نقطتا أخذ الضغط على ارتفاعين مختلفين، فيجب أيضًا تضمين الضغط الهيدروستاتيكي الناتج عن سائل العملية بين النقطتين. وفي هذه الحالة، استخدم موازنة ضغط كاملة بدلًا من تطبيق ((\rho_m-\rho_p)gd) دون تصحيح.

إجراء القياس العملي

إنشاء تدفق مستقر

شغّل المضخة أو المنفاخ واضبط صمام التحكم في التدفق حتى يصل النظام إلى حالة تشغيل مستقرة.

ينبغي السماح لتقلبات الضغط بالاستقرار قبل تسجيل إزاحة مقياس الضغط.

فحص توصيلات مقياس الضغط

يجب توصيل جانب الضغط العالي بنقطة أخذ الضغط قبل الصفيحة، وتوصيل جانب الضغط المنخفض بنقطة الأخذ بعدها.

يجب أن تكون خطوط النبض مملوءة بالكامل بسائل العملية وخالية من الهواء المحبوس. إذ يمكن لفقاعات الهواء أن تنضغط أو تتمدد، مما يؤدي إلى تأخر قراءة مقياس الضغط أو عدم دقتها.

تسجيل إزاحة مقياس الضغط

اقرأ المستويات عند ارتفاع العين لتجنب خطأ اختلاف المنظر. وسجّل الفرق الرأسي (d)، إلى جانب كثافة سائل العملية وكثافة سائل مقياس الضغط.

استخدم وحدات متسقة طوال الحساب، ولا سيما للكثافة وتسارع الجاذبية والطول.

حساب فقدان الضغط

عوّض الإزاحة المقاسة في المعادلة الهيدروستاتيكية المناسبة. والنتيجة هي انخفاض الضغط بين نقطتي أخذ الضغط عند الصفيحة.

على سبيل المثال، في حالة جريان سائل:

[ p_1-p_2=(\rho_m-\rho_p)gd ]

يشير الفرق الأكبر بين المستويين إلى انخفاض ضغط أكبر، بافتراض بقاء الكثافتين ثابتتين.

ربط انخفاض الضغط بمعدل التدفق

استخدام انخفاض الضغط عبر الصفيحة

يُستخدم انخفاض الضغط المقاس مع هندسة الصفيحة ومعامل التصريف لتقدير معدل التدفق.

بوجه عام، يزداد معدل التدفق تقريبًا مع الجذر التربيعي للضغط التفاضلي:

[ Q \propto \sqrt{\Delta p} ]

تعتمد العلاقة الدقيقة على أبعاد الصفيحة وخصائص السائل ومعامل التصريف.

معايرة جهاز تعليمي

في مصنع تجريبي أو مختبر لعمليات الوحدات، يمكن تشغيل مقياس التدفق ذي الصفيحة ذات الفتحة ضمن نطاق من معدلات التدفق باستخدام مقياس تدفق مرجعي، مثل مقياس تدفق دوراني مُعاير.

لكل نقطة تشغيل، سجّل معدل التدفق المرجعي وإزاحة مقياس الضغط المقابلة. حوّل الإزاحة إلى (\Delta p)، ثم أنشئ علاقة معايرة بين معدل التدفق وانخفاض الضغط.

تقييم أداء المعدات

يمكن استخدام طريقة القياس نفسها لدراسة فاقد الضغط، ومقارنة معدلات التدفق، وتقييم كيفية تأثير التقييدات في استهلاك طاقة السائل.

كما تساعد هذه الطريقة الطلاب على ربط المبدأ الهيدروستاتيكي لمقياس الضغط بقياس التدفق العملي في معدات العمليات.

فهم المفاضلات

مقياس الضغط بسيط لكنه ليس مريحًا دائمًا

لا يحتاج مقياس الضغط الأنبوبي على شكل U إلى مستشعر ضغط إلكتروني، ويوفر قياسًا بصريًا مباشرًا. لكنه أقل ملاءمة للتدفقات المتغيرة بسرعة، لأن مستويات السائل قد تتذبذب.

كما يتطلب وجود مشغّل لقراءة الإزاحة وتسجيلها، ما لم يكن النظام مجهزًا بأجهزة قياس إضافية.

تؤثر خصائص السوائل في النتيجة

يُعد تصحيح الكثافة ضروريًا للقياسات بين سائلين. وقد يؤدي إهمال كثافة سائل العملية إلى خطأ كبير في الضغط عندما تكون كثافتا سائل العملية وسائل مقياس الضغط متقاربتين.

وقد تتغير الكثافة أيضًا مع درجة الحرارة أو التركيز أو الضغط، لذلك ينبغي أن تمثل القيم المستخدمة ظروف التشغيل الفعلية.

يمكن أن تؤدي أخطاء التركيب إلى تشويه القراءة

يمكن أن يؤدي وضع نقاط أخذ الضغط بصورة غير صحيحة، أو انسداد خطوط النبض، أو التسربات، أو وجود غاز محبوس إلى إنتاج ضغط تفاضلي غير صحيح.

يجب تركيب نقاط أخذ الضغط عند الصفيحة وفق ترتيب القياس المقصود، مثل تكوين نقاط أخذ الضغط عند الزاوية أو الحافة المحدد، لأن موقع نقطة الأخذ يؤثر في فرق الضغط المقاس.

لا يمثل انخفاض الضغط المقاس دائمًا فقدان الضغط الدائم

يشمل الضغط التفاضلي بين نقطتي الأخذ تغير الضغط المرتبط بتسارع السائل عبر الصفيحة واستعادة الضغط اللاحقة، إضافةً إلى الفواقد غير العكوسة.

لذلك، لا ينبغي تفسير فرق الضغط المقاس بين نقطتي الأخذ تلقائيًا على أنه فقدان الضغط الدائم المتبقي بعيدًا في اتجاه مجرى الصفيحة.

كيفية تطبيق ذلك على مشروعك

استخدم النهج التالي عند تشغيل تجربة الصفيحة ذات الفتحة:

إذا كان تركيزك الأساسي هو تحديد انخفاض الضغط: صِل مقياس الضغط بين نقطتي الأخذ قبل الصفيحة وبعدها، وقِس الإزاحة الرأسية (d)، واحسب (\Delta p) باستخدام المعادلة المناسبة المصححة بالكثافة.
إذا كان تركيزك الأساسي هو قياس تدفق سائل: أدرج كثافتي سائل مقياس الضغط وسائل العملية، وتحقق من وجود نقطتي الأخذ على الارتفاع نفسه، واستخدم قيمة (\Delta p) الناتجة مع علاقة التدفق عبر الصفيحة.
إذا كان تركيزك الأساسي هو قياس تدفق الغاز: استخدم (\Delta p\approx\rho_mgd) فقط بعد التأكد من أن كثافة الغاز مهملة مقارنةً بكثافة سائل مقياس الضغط.
إذا كان تركيزك الأساسي هو المعايرة: سجّل إزاحة مقياس الضغط ومعدل التدفق المرجعي عند عدة نقاط تشغيل مستقرة، ثم أنشئ العلاقة بين معدل التدفق والضغط التفاضلي.
إذا كان تركيزك الأساسي هو دقة القياس: أزل الهواء المحبوس، وافحص وجود التسربات، واستخدم مواقع نقاط الأخذ الصحيحة، واقرأ مستويي السائل عند ارتفاع العين.

من خلال الجمع بين قراءة موثوقة لمقياس الضغط والاتزان الهيدروستاتيكي الصحيح، يمكن قياس انخفاض الضغط عبر صفيحة ذات فتحة ببساطة ودقة، وربطه بصورة مفيدة بتدفق السائل.

جدول الملخص:

عامل القياس	المعلومات الأساسية
نقاط التوصيل	صِل مقياس الضغط قبل الصفيحة ذات الفتحة وبعدها.
القيمة المقاسة	سجّل الفرق الرأسي، d، بين مستويي سائل مقياس الضغط.
معادلة جريان السائل	(\Delta p=(\rho_m-\rho_p)gd) لنقطتي أخذ ضغط على الارتفاع نفسه.
تقريب جريان الغاز	(\Delta p\approx\rho_mgd) عندما تكون كثافة الغاز مهملة.
العلاقة مع معدل التدفق	يزداد معدل التدفق عبر الصفيحة عمومًا مع الجذر التربيعي لانخفاض الضغط: (Q\propto\sqrt{\Delta p}).
فحوصات الدقة	أزل الهواء المحبوس، وافحص وجود التسربات، وتحقق من ارتفاع نقاط الأخذ، واستخدم الكثافات الصحيحة، واقرأ المستويات عند ارتفاع العين.
قيد مهم	لا يكون الضغط التفاضلي بين نقطتي الأخذ بالضرورة هو فقدان الضغط الدائم في اتجاه مجرى الصفيحة.

هل تحتاج إلى معدات موثوقة لتدريب ميكانيكا الموائع لأغراض التعليم أو البحث أو تطوير العمليات؟ تواصل مع LABPARK لمناقشة متطلباتك. توفر LABPARK مصانع تجريبية تعليمية ومهنية لعمليات الوحدات الكيميائية، والعمليات الحيوية والتقنيات الحيوية، وتطبيقات معالجة البيئة والمياه. تساعد أنظمتنا الجامعات ومعاهد البحوث والمؤسسات على توضيح قياس انخفاض الضغط، ومعايرة التدفق عبر الصفيحة، وسلوك الموائع، وأداء المعدات من خلال تجارب عملية قابلة للتكرار.