Surveillance des gaz comprimés

Figure 1 : Particuleur Lasair III

Figure 2 : Diffuseur à haute pression (DHP)

Ce article traite des relations fondamentales entre le volume d'air ou de gaz, la pression et le débit, et comment ces paramètres influencent le comptage de particules. Il aborde également une installation simple comme méthode alternative pour une mesure occasionnelle des gaz inertes à pression.

Volume, pression et débit
Lorsqu'une quantité donnée d'un médium (air ou gaz) se déplace d'une zone à pression plus élevée vers une zone à pression plus basse, ce mouvement entraîne des changements de pression et de débit. Un compteur de particules précis doit prendre en compte ces variations, car elles peuvent survenir très soudainement. Des débitmètres massiques ou des capteurs de pression à l'intérieur du compteur de particules assurent un flux constant en cas de variation de pression ou de volume.

Le volume, la pression et le débit ont des unités de mesure différentes, c'est-à-dire qu'ils sont distincts et posent ainsi des défis pour le compteur de particules. Le volume est la quantité d'espace occupée par un objet tridimensionnel, exprimée en unités cubiques (par exemple, mètres cubes ou pieds cubes). La pression est la force exercée par unité de surface, mesurée en kilogrammes par mètre carré avec l'unité Pascal (Pa). L'unité généralement indiquée est le bar (1 bar = 10^5 Pa) ou plus précisément le mbar (1 mbar = 100 Pa = 1 hPa). Dans le monde anglo-saxon, l'unité PSI est également souvent utilisée (Pound per Square Inch ; 1 PSI = 0,068948 bar). Le débit est la quantité de médium déplacée par unité de temps et est habituellement exprimé en litres par minute (LPM) ou en pieds cubes par minute (CFM).

Il est vrai que la pression a l'influence la plus significative sur la vitesse d'écoulement et le volume d'échantillonnage pour l'analyse par le compteur de particules. La conception d'un compteur de particules nécessite une compréhension de la loi des gaz de Boyle (voir ci-dessous), qui stipule : avec l'augmentation de la pression, le volume diminue.

P1V1 = P2V2
(où P = pression et V = volume)

En appliquant l'équation ci-dessus, on comprend qu'un mètre cube d'air au niveau de la mer n'est pas équivalent à un mètre cube d'air à environ 1500 m d'altitude. La position plus élevée et la pression atmosphérique plus basse permettent à l'air de se dilater.

Comparé à la pression au niveau de la mer, la pression atmosphérique diminue d'environ 20 % à 1500 m d'altitude. Par exemple : si un volume d'air contient 10 particules au niveau de la mer, le même volume à 1500 m d'altitude contiendra environ 8 particules. Ce résultat se produit parce que les particules existantes se répartissent dans le volume élargi, qui a augmenté d'environ 120 %. Sans tenir compte de la différence de pression, de la mesure et du contrôle du débit, un compteur de particules réglé pour un débit de 1 CFM au niveau de la mer donnera des données de comptage de particules nettement moins précises à des altitudes plus élevées. Dans notre exemple, ce compteur "voit" alors seulement 6 particules, soit un résultat inférieur d'environ 25 %.

Contrôle du débit
Des corrections volumétriques pour la pression ambiante sont nécessaires. Les compteurs de particules disposent généralement d'une mesure et d'un contrôle du débit, permettant d'ajuster la vitesse de la pompe ou de contourner l'air excédentaire dans la cellule de mesure.

Ces contrôles sont réglables, soit par logiciel, mécaniquement, ou automatiquement en fonction de la pression ambiante. Chaque méthode surveille la pression ambiante, qui doit être identique des deux côtés de la pompe, et ajuste le débit de la pompe en conséquence.

Lorsqu'un compteur de particules est réglé pour une pression d'air au niveau de la mer (1.013 hPa) et qu'il est ensuite déplacé à une altitude d'environ 1500 m (830 hPa), le compteur doit pouvoir s'adapter à cette altitude. Par exemple, le compteur Lasair® III de Particle Measuring Systems (Figure 1) détecte automatiquement un état de surpression et rejette ces données comme invalides.

La surveillance des gaz à des pressions supérieures à la pression normale constitue un défi plus important. La connexion de conduites de gaz comprimé à un compteur de particules peut surcharger son système de contrôle du débit. Pour résoudre ce problème, des diffuseurs haute pression (HPD) ont été développés. Les HPD (Figure 2) réduisent la haute pression à la pression normale au niveau de la mer. Ils fonctionnent en évacuant le gaz excédentaire dans l'environnement ou en diffusant. Ainsi, le système de contrôle du débit du compteur peut fonctionner comme prévu.

Bien qu'un HPD soit une bonne solution pour le comptage périodique de particules dans des gaz à haute pression, certains utilisateurs utilisent une simple soupape de surpression. Ces vannes de réduction de pression T (pressure-reducing T-valves) se connectent facilement à la plupart des conduites à haute pression et offrent une solution pour les utilisateurs qui testent leurs gaz occasionnellement. Cependant, cette option est plus coûteuse en termes de consommation de gaz, car ces vannes évacuent plus de gaz que nécessaire pour une surveillance. Lorsque le nombre de mesures augmente, les coûts d'un diffuseur haute pression s'équilibrent.

Conclusion
L'altitude au-dessus du niveau de référence (N.N.), ou plus précisément la pression de l'air, a une influence significative sur les compteurs de particules et doit être prise en compte lors de la surveillance de la contamination particulaire. Le compteur de particules doit offrir une possibilité de compenser différentes altitudes. Lorsqu'il est nécessaire d'analyser des gaz à haute pression, l'utilisateur dispose de plusieurs options : un compteur de particules spécifique pour gaz (par exemple, HPGP 101c), un HPD ou une vanne de réduction de pression T.

Les compteurs de gaz dédiés n'ont pas été abordés dans cet article, car cela dépasserait son cadre. La décision dépend simplement des tailles de particules à surveiller, de la fréquence des prélèvements et du coût de consommation du gaz.