أتمتة العمليات- تجهيزات قياس الحراة والضغط Process Automation System-Temperature & Pressure Instruments

يتم استخدام مصطلح أتمتة العمليات (Process Automation System PAS) للتعبير عن التحكم التلقائي في سير عملية إنتاجية ما مثل إنتاج المواد الكيميائية وتسلسل العمليات ضمن مصافي النفط ومصانع الورق، معامل الغاز، محطات تحلية ومعالجة المياه، معامل الأغذية (مثل السكر) ومحطات توليد الطاقة الكهربائية. غالبًا ما يستخدم نظام أتمتة العمليات (PAS) شبكات ربط مختلفة لربط التجهيزات الحقلية (Instruments)، والمشغلات (Actuators) وحدات التحكم (Control Systems) ومحطات المشغلين والمهندسين(Stations) بعضها مع بعض، وتختلف هذه الشبكات وبنيتها باختلاف التجهيزات التي يتم التخاطب فيما بينها، تسمى هذه بالشبكات الصناعية (Industrial Networks) والتي تستخدم بدورها بروتوكولات تخاطب خاصة لإتمام عملية الربط بروتوكول (Industrial Protocol).

التجهيزات الحقلية Instruments

تجهيزات قياس الحرارة Temperature Transmitter :

يعتبر قياس درجة الحرارة بشكل دقيق وموثوق وطويل الأمد شرطاً أساسيّاً لنجاح معظم عمليّات الإنتاج والمعالجة لذلك يجب ضبط وصناعة ومعايرة كل جزء مستخدم من هذا الحساس، يتكون حساس الحرارة المستخدم من المكونات التالية:

· مقياس الحرارة الكامل (Thermometer) بشكليه المدمج (Compact) والمجزّأ (Modular).

وهناك عدة معلومات أساسية مطلوبة عند اختيار حساس الحرارة وهي:

-         مجال الحرارة المطلوب قياسه.

-         قيمة ضغط المادة المطلوب قياس درجة حرارتها.

-         طول غمد الحساس وهو الجزء الداخل ضمن الجزء المراد قياس درجة حرارته.

-         طريقة وصل الحساس مع الجزء الميكانيكي (process connection) وهو عادة إما (برغي الغوظ Thread) أو (Flange)

-         وجود مبدل (Transmitter)لقيمة القياس من ميلي فولط او أوم الى ميلي أمبير(4-20 ma ).

-         هل سيتم استخدام الحساس ضمن بيئة صناعية أو هل هو مخصص للأغذية (High genic) (من أجل اختيار المعدن المناسب المصنوع منه الحساس).

-         هل المبدل على تماس مباشر مع الحساس (Compact) أم بعيد عنه Modular))(عادة هنا يتم تركيب المرسل على سكة ضمن لوحة منفصلة من أجل حماسة المرسل من درجات الحرارة العالية لوسط القياس).

· غمد تركيب الخليّة الحراريّة (Thermowell):

-         وهو عبارة عن أنبوب معدني يستخدم لحماية الحساس من الاتصال المباشر مع الوسط المراد قياسه، وطريقة الوصل أيضا مع الجزء الميكانيكي (process connection) (Thread) أو (Flange)

· خليّة قياس الحرارة (Temperature Cell) بأنواعها المختلفة.

 RTD resistance temperature detectorأو Thermocable ويتم اختيارها عادة بناء على المجال الحراري المطلوب قياسه.

 الثيرموكبلThermocable: يتألف الثيرموكبل من معدنين ناقلين مختلفين متصلين مع بعضهما من طرف ومن الطرف الآخر يبقى المعدنين حرين يتموضعان عند نقطة القياس. عندما تتعرض النهاية المفتوحة لدرجة حرارة ينشأ بين طرفيها فرق جهد كهربائي يتناسب مع الحرارة المطبقة على الطرف الحر.

يعتبر الثيرموكبل مناسب وملائم لقياس درجات حرارة عالية حتى +1800 درجة مئوية ويعتمد الحد الأعلى لمجال عمل المقياس على نوعية المعادن المستخدمة في القياس ولذلك تنقسم الى أنواع B, C, D, R, S  E, J, K, L, N, T, U .

يتميز الثيرموكبل بقدرته على الاستجابة السريعة لتغير درجات الحرارة ومقاومته العالية لاهتزازات الوسط المحيط.

المقاومة الكاشفة للحرارة resistance temperature detector RTD: تتألف المقاومة الكاشفة لدرجة الحرارة من مادة تتغير مقاومتها بتغير درجة الحرارة التي تتعرض لها. تعتبر المقاومة الكاشفة لدرجة الحرارة مناسبة للمجالات الحرارية التي تتراوح بين-200 و +600 درجة مئوية وتتميز هذه المقاومة بدقة القيمة المقاسة.

تعتبر المقاومة Pt100 من أشهر المقاومات الكاشفة للحرارة فهي تتكون من معدن البلاتينيوم الذي يعطي قيمة مقاومة مقدارها 100 أوم عند درجة حرارة 0 مئوية، تتميز هذه المقاومة بتغيراتها الخطية مع تغير درجة الحرارة وبمعامل حراري ثابت ° C-10.003851.

· مرسل قياس الحرارة (Temperature Transmitter):

يمثل مرسل القياس الأداة التي من خلالها يتم تحويل القيم المعبرة عن الحرارة (مقاومة -فولط) الى شكلها المعياري (ميلي أمبير مثلا 4-20 ma)، ويمكن لمرسل القياس أن يعطي قيمة القياس على شكل بروتوكول وعادة يتم استخدام بروتوكول HART وفي حالات خاصة يمكن للمرسل أن يرسل قيمة القياس بشكل لاسلكي من خلال (Bluetooth)، أو بروتوكول Profibus PA.

وأخيرا يمكن لحساسات الحرارة أن تحوي على خرج رقمي digital (Temperatures Switch) عند قيمة محددة يمكن معايرتها بالإضافة الى الخرج التمثيلي الذي يعطي قراءة مستمرة لقيمة الحرارة.

هناك مصطلح (SIZING) يعبر عن اختيار مواصفات الحساس المطلوبة بدقة.

 

تجهيزات قياس الضغط Pressure Transmitter:

يعد قياس الضغط أحد أهم العوامل الحساسة والحيوية في أغلب الصناعات لكافة الأوساط السائلة منها أو الغازية أو الابخرة حتى. ويعبر الضغط عن القوة المطبقة على سطح ما ضمن مساحة محددة فهو يتناسب طرديا مع القوة وعكسيا مع المساحة.

الأداة الأساسية لقياس الضغط يتم من خلال غشاء(Diaphragm) يكون على تماس مباشر مع الوسط المراد قياس ضغطه، يتصل هذا الغشاء بأحد طرفي مكثف والذي يكون عادة من السيراميك أو المعدن، عند تغير الضغط الداخل الى حجرة القياس يتغير البعد بين لبوسي المكثف بمقدار الضغط الداخل وهذا ما يعطينا مؤشر على قيمة الضغط المقاس.

تنقسم أجهزة القياس المتعلقة بمراقبة الضغط إلى:

أجهزة قياس الضغط وأجهزة قياس فرق الضغط ومفاتيح الضغط.

 يمكن من خلال أجهزة قياس فرق الضغط قياس الجريان (التدفق) للغازات أو بعض السوائل أو معرفة مستوى السوائل في الخزانات استنادا إلى فرق الضغط أعلى وأسفل الخزان.

هناك اعتبار هام جدا عند اختيار حساس الضغط ألا وهو هل الضغط المطلوب قياسه مطلق (Absolute) أم نسبي (Gauge)

Gauge الضغط النسبي: يكون الضغط المقاس بين الضغط الجوي النظامي ونقطة الضغط المراد قياسها (مثل قياس الضغط أسفل خزان مفتوح من الأعلى). 

Absolute الضغط المطلق: يكون الضغط المقاس بين نقطتين لا علاقة للضغط الجوي بهما (مثل قياس الضغط أسفل خزان مضغوط مغلق ومضغوط من الأعلى).

مفاتيح الضغط Pressure Switch:

تعطي مفاتيح الضغط إشارة خرج رقمية عند الوصول إلى قيمة الضغط المطلوبة والمبرمجة مسبقا.

هناك بعض المواصفات الأساسية والتي يجب تحديدها عن اختيار مفتاح الضغط المطلوب وهي:

-         قيمة الضغط المطلوبة.

-         طريقة وصل مفتاح الضغط مع الوسط المقاس.

-         المادة المقاسة من أجل تحديد المادة التي يجب أن يكون مصنوع منها الجهاز هل هي غذائية أم لا.

-         درجة حرارة الوسط المقاس.

مرسلات الضغط Pressure Transmitter:

يُستخدم حساس الضغط لحساب قيمة الضغط المطلوب للسوائل والغازات والأبخرة.

تعتبر معايير اختيار حساس الضغط نفسها عند مفاتيح الضغط وهي:

-         مجال الضغط المطلوب قياسه.

-         درجة حرارة الوسط المراد قياسه.

-         البيئة المطلوبة لعمل الحساس هل هي غذائية ام صناعية.

-         طريقة وصل الجهاز مع وسط القياس.

يمكن استخدام حساس الضغط ليكون أساساً لحساب المستوى من خلال العلاقة التالية:

الضغط= كثافة المادة* تسارع الجاذبية الأرضية * ارتفاع المادة

حساسات فرق الضغط Differential Pressure Transmitter: يستخدم حساس فرق الضغط لبيان فرق الضغط بين النقطتين المراد قياسهما ويمكن لهذه الدلالة الانطلاق منها لحساب المستوى، التدفق، الحجم، الكتلة. 

يتم وصل حساس الضغط العالي HP عند نقطة القياس الستاتيكية أسفل الخزان، وحساس الضغط المنخفض LP أعلى الخزان ويتم ارسال قيمتي الضغط الى المرسل Transmitter والذي يقوم بدوره بحساب فرق الضغط ثم قيمة المستوى.

اعتبارات اختيار حساس فرق الضغط مشابهة لاعتبارات اختيار باقي الحساسات.