Dohled nad stlačenými plyny

Obrázek 1: Lasair III analyzátor částic

Obrázek 2: Vysočinnostní difuzor (HPD)

Tento článek se zabývá základními vztahy mezi objemem vzduchu nebo plynu, tlakem a průtokem a tím, jak tyto parametry ovlivňují počet částic. Rovněž pojednává o jednoduché instalaci jako alternativní metodě při občasném měření inertních tlakových plynů.

Objem, tlak a průtok
Když se určitá množství média (vzduchu nebo plynu) pohybují z oblasti s vyšším tlakem do oblasti s nižším tlakem, způsobí tento pohyb změny v tlaku a průtoku. Přesně fungující počítač částic musí tyto změny zohlednit, protože mohou nastat velmi náhle. Hmotnostní průtokoměry nebo tlakové senzory uvnitř počítače částic zajišťují stálý tok při měnícím se tlaku nebo objemu.

Objem, tlak a průtok mají odlišné jednotky měření, tj. jsou různé a představují tak výzvy pro počítač částic. Objem je množství prostoru obsazeného trojrozměrným objektem a je uváděn v kubických jednotkách (například kubický metr nebo kubická stopa). Tlak je množství síly na jednotku plochy a měří se v kilogramech na čtvereční metr s jednotkou Pascal (Pa). Typicky uváděnou jednotkou je bar (1 bar = 10^5 Pa) nebo přesnější mbar (1 mbar = 100 Pa = 1 hPa). Ve Spojených státech a Velké Británii se často používá i jednotka PSI (Pound per Square Inch; 1 PSI = 0,068948 bar). Průtok je množství média pohybujícího se za určitý čas a obvykle se uvádí v litrech za minutu (LPM) nebo kubických stop za minutu (CFM).

Tlak má nejvýznamnější vliv na rychlost proudění a objem vzorku pro analýzu počítačem částic. Konstrukce počítače částic vyžaduje pochopení Boyleova zákona plynů (viz níže), který říká: s rostoucím tlakem se objem zmenšuje.

P1V1 = P2V2
(kde P = tlak a V = objem)

Použitím výše uvedené rovnice lze pochopit, že jeden kubický metr vzduchu v nadmořské výšce u moře není stejný jako kubický metr vzduchu ve výšce přibližně 1500 m. Vyšší nadmořská výška a odpovídající nižší atmosférický tlak umožňují vzduchu se rozšířit.

Ve srovnání s tlakem na úrovni moře se atmosférický tlak ve výšce cca 1500 m sníží o přibližně 20 %. Například: pokud jedno objemové množství vzduchu obsahuje na úrovni moře 10 částic, ve stejné velikosti objemu ve výšce 1500 m bude obsahovat asi 8 částic. Tento výsledek nastává proto, že se částice nyní rozdělují do rozšířeného objemu, který se zvětšil na přibližně 120 %. Bez zohlednění rozdílu tlaku, měření průtoku a kontroly bude počítač částic nastavený na průtok 1 CFM na úrovni moře při vyšší nadmořské výšce poskytovat výrazně nepřesná data o počtu částic. V našem příkladu „uvidí“ tento počítač částic pouze 6, což je přibližně o 25 % méně.

Kontrola průtoku
Je nutná korekce objemu vzhledem k okolnímu tlaku. Počítače částic obvykle mají měření a řízení průtoku, takže lze upravit otáčky čerpadla nebo nechat přebytečný vzduch obejít měřicí komoru.

Tato řízení jsou nastavitelné, buď prostřednictvím softwaru, mechanicky nebo se automaticky řídí na základě okolního tlaku. Každá metoda sleduje okolní tlak, který je na obou stranách čerpadla stejný, a nastaví správný průtok čerpadla.

Pokud je počítač částic nastaven na tlak vzduchu na úrovni moře (1.013 hPa) a poté je přesunut do výšky cca 1500 m (830 hPa), je třeba, aby počítač částic měl možnost přizpůsobit se nadmořské výšce. Například přístroj Lasair® III od Particle Measuring Systems (obrázek 1) automaticky rozpozná přetlakový stav a data odmítne jako neplatná.

Sledování plynů při tlacích vyšších než je normální tlak představuje větší výzvu. Připojení tlakových plynových vedení k počítači částic může přetížit jeho systém řízení průtoku. Aby se tento problém vyřešil, byly vyvinuty vysokotlaké difuzory (HPD). HPD (obrázek 2) snižují vysoký tlak na normální tlak na úrovni moře. Fungují tak, že přebytečný plyn uvolní do okolí nebo difuzují. Díky tomu může systém řízení průtoku počítače částic fungovat tak, jak má.

Ačkoliv HPD představuje dobrou řešení pro periodické měření částic v plynech pod vysokým tlakem, někteří uživatelé používají jednoduchý přetlakový ventil. Tyto regulační ventily typu T lze snadno připojit k většině vysokotlakých vedení a nabízejí řešení pro uživatele, kteří testují plyny jen občas. Nicméně tato možnost je dražší z hlediska spotřeby plynu, protože tyto ventily uvolní více plynu, než je nutné pro monitoring. Pokud se počet měření zvýší, náklady na vysokotlaký difuzor se vyrovnají.

Závěr
Výška nad N.N., nebo přesněji řečeno tlak vzduchu, má významný vliv na počítače částic a musí být zohledněna při sledování kontaminace částicemi. Počítač částic by měl umožnit kompenzaci různých nadmořských výšek. Pokud je třeba sledovat plyny pod vysokým tlakem, má uživatel několik možností: speciální počítač částic pro plyny (například HPGP 101c), HPD nebo regulační ventil typu T.

V tomto článku nebyly diskutovány speciální plynové počítače částic, protože jejich zařazení přesahuje rámec tohoto textu. Rozhodnutí závisí jednoduše na velikosti částic, které je třeba sledovat, frekvenci odběrů vzorků a nákladech na spotřebu plynu.