Vigilancia de gases comprimidos

Figura 1: Contador de partículas Lasair III

Figura 2: Difusor de alta presión (HPD)

Este artículo trata sobre las relaciones básicas entre volumen de aire o gas, presión y flujo, y cómo estos parámetros influyen en la conteo de partículas. También aborda una instalación sencilla como método alternativo para mediciones ocasionales de gases inertes a presión.

Volumen, presión y tasa de flujo
Cuando una cierta cantidad de un medio (aire o gas) se desplaza de una zona de mayor presión a una de menor presión, esta movimiento provoca cambios en la presión y en la tasa de flujo. Un contador de partículas que funcione con precisión debe tener en cuenta estos cambios, ya que pueden ocurrir de forma muy repentina. Los medidores de flujo másico o los sensores de presión en el interior del contador de partículas aseguran un flujo constante ante cambios en presión o volumen.

El volumen, la presión y la tasa de flujo tienen diferentes unidades de medida, es decir, son distintos y representan un desafío para el contador de partículas. El volumen es la cantidad de espacio ocupado por un objeto tridimensional y se expresa en unidades cúbicas (por ejemplo, metros cúbicos o pies cúbicos). La presión es la cantidad de fuerza por unidad de área y se mide en kilogramos por metro cuadrado con la unidad de medida Pascal (Pa). La unidad de medida típicamente indicada es bar (1 bar = 10^5 Pa) o mbar (1 mbar = 100 Pa = 1 hPa). En el mundo angloamericano, también se usa frecuentemente la unidad PSI (pounds per square inch; 1 PSI = 0,068948 bar). La tasa de flujo es la cantidad de medio en movimiento por unidad de tiempo y generalmente se expresa en litros por minuto (LPM) o pies cúbicos por minuto (CFM).

La presión tiene, sin duda, la mayor influencia en la velocidad de flujo y en el volumen de muestra para el análisis mediante el contador de partículas. El diseño de un contador de partículas requiere comprender la ley de gases de Boyle (ver abajo), que establece: a mayor presión, menor volumen.

P1V1 = P2V2
(donde P = presión y V = volumen)

Al aplicar la ecuación anterior, se puede entender que un metro cúbico de aire a nivel del mar no es igual a un metro cúbico de aire a aproximadamente 1.500 m de altura. La altitud superior y la menor presión atmosférica permiten que el aire se expanda.

En comparación con la presión a nivel del mar, la presión atmosférica en unos 1.500 m de altura disminuye aproximadamente un 20%. Por ejemplo: si un volumen de aire en el nivel del mar contiene 10 partículas, el mismo volumen a 1.500 m de altura tendrá aproximadamente 8 partículas. Este resultado se debe a que las partículas existentes ahora se distribuyen en un volumen expandido, que ha aumentado en aproximadamente un 120%. Sin tener en cuenta la diferencia de presión, la medición y control del flujo, un contador de partículas ajustado a un flujo de 1 CFM a nivel del mar dará datos de partículas mucho menos precisos en altitudes mayores. En nuestro ejemplo, este contador "verá" solo 6 partículas, resultando en una reducción de aproximadamente el 25% en el conteo.

Control de la tasa de flujo
Son necesarias correcciones volumétricas por presión ambiente. Los contadores de partículas generalmente tienen medición y control de flujo, de modo que la velocidad de la bomba pueda ajustarse o el aire en exceso pueda evitar la celda de medición.

Estos controles son ajustables, ya sea mediante software, mecánicamente o se regulan automáticamente en función de la presión ambiente. Cada método monitorea la presión ambiente, que debe ser igual en ambos lados de la bomba, y ajusta la tasa de flujo de la bomba en consecuencia.

Cuando un contador de partículas se configura para la presión atmosférica a nivel del mar (1.013 hPa) y luego se traslada a una altura de aproximadamente 1.500 m (830 hPa), el contador necesita una opción para ajustarse a la altitud. Por ejemplo, los contadores de partículas Lasair® III de Particle Measuring Systems (Figura 1) detectan automáticamente una condición de sobrepresión y rechazan los datos como inválidos.

La supervisión de gases a presiones superiores a la presión normal presenta un desafío mayor. La conexión de tuberías de gases comprimidos a un contador de partículas puede sobrecargar su sistema de control de flujo. Para resolver este problema, se han desarrollado diffusores de alta presión (HPD). Los HPD (Figura 2) reducen la presión del gas de alta presión a la presión normal a nivel del mar, disipando el exceso de gas en el entorno o difundiéndolo. De esta forma, el sistema de control de flujo del contador puede funcionar como se espera.

Aunque un HPD es una buena solución para conteos periódicos de partículas en gases de alta presión, algunos usuarios optan por una válvula de sobrepresión sencilla. Estas válvulas reguladoras de presión (T-Vent) se pueden conectar fácilmente a la mayoría de las tuberías de alta presión y ofrecen una solución para usuarios que solo realizan pruebas ocasionales de sus gases. Sin embargo, esta opción es más costosa en términos de consumo de gas, ya que estas válvulas liberan más gas del necesario para el monitoreo. Cuando aumenta la cantidad de mediciones, los costos de un diffusor de alta presión se compensan.

Conclusión
La altura sobre el nivel del mar, o más precisamente la presión del aire, tiene un impacto significativo en los contadores de partículas y debe considerarse en la supervisión de contaminaciones por partículas. El contador de partículas debe ofrecer la posibilidad de compensar diferentes altitudes. Cuando sea necesario analizar gases a alta presión, el usuario tiene varias opciones: un contador de partículas especializado para gases (por ejemplo, HPGP 101c), un HPD o una válvula reguladora de presión (T-Vent).

En este artículo no se discuten los contadores de gases dedicados, ya que están fuera de su alcance. La decisión es simplemente una cuestión de las partículas que se desean monitorear, la frecuencia de muestreo y los costos de consumo de gas.