Nyomásgázok felügyelete

Ábra 1: Lasair III részecskeszámláló

Ábra 2: Nagynyomású diffúzor (HPD)

Ez a cikk az alapvető kapcsolatokkal foglalkozik a levegő vagy gáz térfogata, nyomás és áramlás között, valamint azzal, hogy ezek a paraméterek hogyan befolyásolják a részecskeszámlálást. Szintén tárgyalja az egyszerű telepítést, mint alternatív módszert, ha csak alkalomszerűen mérjük inert nyomásgázokat.

Térfogat, nyomás és áramlási sebesség
Amikor egy adott mennyiségű közeg (levegő vagy gáz) egy magasabb nyomású területről egy alacsonyabb nyomású terület felé mozog, ez a mozgás változásokat okoz a nyomásban és az áramlási sebességben. Egy pontos részecskeszámláló meg kell, hogy értse ezeket a változásokat, mert nagyon hirtelen is előfordulhatnak. Tömegáram-mérők vagy nyomásérzékelők a részecskeszámláló belsejében biztosítják a folyamatos áramlást, még változó nyomás vagy térfogat esetén is.

A térfogat, nyomás és áramlási sebesség különböző mértékegységekkel rendelkeznek, azaz különböznek egymástól, és ez kihívásokat jelent a részecskeszámláló számára. A térfogat az a tér, amit egy háromdimenziós tárgy elfoglal, és köbméterben vagy lábban van megadva. A nyomás az erő mennyisége felületegységenként, és kilogramm per négyzetméterben mérik, Pascal (Pa) egységben. A jellemzően megadott mértékegység a bar (1 bar = 10^5 Pa) vagy pontosabban a mbar (1 mbar = 100 Pa = 1 hPa). Az angolszász térségben gyakran használják a PSI egységet is (font per négyzet inch; 1 PSI = 0,068948 bar). Az áramlási sebesség az adott időegység alatt mozgó közeg mennyisége, és általában liter per percben (LPM) vagy köbméter per percben (CFM) adják meg.

Nyilván a nyomás a legfontosabb hatással van a mozgási sebességre és a mintavételi térfogat méretére a részecskeszámlálás során. A részecskeszámláló tervezése megköveteli a Boyle-görbét (lásd lent), amely kimondja: a nyomás növekedésével a térfogat csökken.

P1V1 = P2V2
(ahol P = nyomás és V = térfogat)

A fent említett egyenlet alkalmazásával megérthetjük, hogy egy köbméter levegő tengerszinten nem ugyanaz, mint egy köbméter levegő kb. 1500 méter magasságban. A magasabb fekvés és az ennek megfelelően alacsonyabb légköri nyomás lehetővé teszi a levegő kiterjedését.

Összehasonlítva a tengerszinti nyomással, kb. 1500 méteren a légköri nyomás kb. 20%-kal csökken. Például: ha egy levegőmennyiség tengerszinten 10 részecskét tartalmaz, ugyanaz a térfogat kb. 8 részecskét tartalmaz 1500 méteren. Ez azért történik, mert a meglévő részecskék most az megnövekedett, kb. 120%-os térfogatban oszlanak el. Nyomáskülönbség, áramlási sebesség mérése és szabályozása nélkül egy 1 CFM áramlásra beállított részecskeszámláló magasabb magasságon jóval pontatlanabb eredményeket adhat. A példánkban ez a részecskeszámláló csak 6 részecskét "lát", ami kb. 25%-os csökkenést jelent az eredményben.

Áramlási sebesség szabályozása
Légköri nyomásra korrigáló térfogat szerinti kalibrációkra van szükség. A részecskeszámlálók általában rendelkeznek áramlási sebesség mérésével és szabályozásával, így a szivattyú fordulatszámát lehet állítani, vagy a felesleges levegő elkerülheti a mérőcellát.

Ezek a szabályozások beállíthatók szoftverrel, mechanikusan vagy automatikusan a környezeti nyomás alapján. Minden módszer figyeli a környezeti nyomást, amely mindkét oldalon azonos a szivattyú körül, és beállítja a szivattyú megfelelő áramlási sebességét.

Ha egy részecskeszámlálót tengerszinti nyomásra (1.013 hPa) állítunk be, majd kb. 1500 méterre (830 hPa) szállítjuk, akkor a részecskeszámlálónak alkalmazkodnia kell a magassághoz. A Particle Measuring Systems Lasair® III részecskeszámláló például automatikusan felismeri a túlnyomásos állapotot, és érvényteleníti az adatokat.

A gázok nyomásának figyelése magasabb, mint a normál nyomás, nagyobb kihívást jelent. A nyomásgázvezetékek csatlakoztatása a részecskeszámlálóhoz túlterhelheti a folyadékszabályozó rendszert. Ennek megoldására fejlesztettek ki magasnyomású diffúzorokat (HPD). Az HPD-k (2. ábra) csökkentik a magas nyomást a normál nyomásra tengerszinten. Működés közben a felesleges gázt a környezetbe engedik vagy diffundálják, így a részecskeszámláló áramlás-szabályozó rendszere megfelelően működhet.

Bár egy HPD jó megoldás a magasnyomású gázok időszakos részecskeszámlálására, néhány felhasználó egyszerű túlnyomásos szelep alkalmazását választja. Ezek a nyomáscsökkentő T-szelepek könnyen csatlakoztathatók a legtöbb magasnyomású vezetékhez, és megoldást nyújtanak azok számára, akik csak alkalmanként tesztelik a gázokat. Azonban ez a lehetőség drágább a gázfelhasználás szempontjából, mivel több gázt engednek ki, mint amennyire a monitorozáshoz szükség lenne. Ahogy a mérések száma növekszik, a magasnyomású diffúzor költségei kiegyenlítődnek.

Összegzés
A magasság a tengerszint felett, vagy pontosabban a levegő nyomása jelentős hatással van a részecskeszámlálókra, és figyelembe kell venni a részecskeszennyezés monitorozásánál. A részecskeszámlálónak képesnek kell lennie különböző magasságok kompenzálására. Ha magasnyomású gázokat kell vizsgálni, a felhasználónak több lehetősége van: egy speciális gáz-részecskeszámláló (pl. HPGP 101c), egy HPD vagy egy nyomáscsökkentő T-szelep.

Ebben a cikkben nem tárgyaltuk a dedikált gázrészecskeszámlálókat, mivel azok túlmutatnak a kereteken. A döntés egyszerűen a monitorozandó részecskeméret, a mintavétel gyakorisága és a gázfogyasztási költségek kérdése.