Monitoraggio dei gas compressi

Figura 1: Contatore di particelle Lasair III

Figura 2: Diffusore ad alta pressione (HPD)

Questo articolo tratta delle relazioni fondamentali tra volume d'aria o gas, pressione e flusso, e di come questi parametri influenzino il conteggio delle particelle. Discutiamo anche di un'installazione semplice come metodo alternativo per misurazioni occasionali di gas inerti.

Volume, pressione e portata
Quando una certa quantità di un mezzo (aria o gas) si muove da una zona di pressione più alta a una di pressione più bassa, questa movimento provoca variazioni di pressione e di portata. Un contatore di particelle ben calibrato deve tener conto di queste variazioni, poiché possono verificarsi improvvisamente. Misuratori di portata di massa o sensori di pressione all’interno del contatore di particelle garantiscono un flusso costante in presenza di variazioni di pressione o volume.

Volume, pressione e portata hanno unità di misura diverse, cioè sono differenti e rappresentano una sfida per il contatore di particelle. Il volume è la quantità di spazio occupato da un oggetto tridimensionale ed è espresso in unità cubiche (ad esempio metri cubi o piedi cubici). La pressione è la quantità di forza per unità di superficie ed è misurata in kilogrammi per metro quadrato, con l’unità di misura Pascal (Pa). L’unità di misura tipica è bar (1 bar = 10^5 Pa) o più precisamente mbar (1 mbar = 100 Pa = 1 hPa). Nel mondo angloamericano si usa spesso anche l’unità PSI (Pound per Square Inch; 1 PSI = 0,068948 bar). La portata è la quantità di mezzo in movimento per unità di tempo e di solito viene espressa in litri al minuto (LPM) o piedi cubici al minuto (CFM).

Sebbene la pressione abbia l’influenza più significativa sulla velocità di flusso e sul volume di campionamento per l’analisi tramite il contatore di particelle, il design di quest’ultimo richiede una comprensione della legge dei gas di Boyle (vedi sotto), che afferma: all’aumentare della pressione, il volume diminuisce.

P1V1 = P2V2
(dove P = pressione e V = volume)

Applicando l’equazione sopra, si comprende che un metro cubo di aria a livello del mare non è uguale a un metro cubo di aria a circa 1500 m di altitudine. La maggiore altezza e la pressione atmosferica più bassa consentono all’aria di espandersi.

Rispetto alla pressione a livello del mare, a circa 1500 m di altitudine la pressione atmosferica diminuisce di circa il 20%. Per esempio: se un volume d’aria contiene 10 particelle a livello del mare, lo stesso volume a 1500 m con circa 830 hPa conterrà circa 8 particelle. Questo risultato si verifica perché le particelle si distribuiscono nel volume espanso, che si è ingrandito di circa il 120%. Senza considerare la differenza di pressione, la misurazione e il controllo della portata, un contatore di particelle impostato per un flusso di 1 CFM a livello del mare fornirà dati di particelle molto meno accurati a quote più elevate. Nel nostro esempio, questo contatore "vede" solo 6 particelle, con un risultato inferiore di circa il 25%.

Controllo della portata
Sono necessarie correzioni volumetriche per la pressione ambientale. I contatori di particelle di solito dispongono di sistemi di misurazione e controllo della portata, in modo che la velocità della pompa possa essere regolata o l’aria in eccesso possa bypassare la cella di misura.

Questi controlli sono regolabili, tramite software, meccanicamente o automaticamente in base alla pressione ambientale. Ogni metodo monitora la pressione ambientale, che deve essere uguale su entrambi i lati della pompa, e imposta la corretta portata della pompa.

Se un contatore di particelle viene impostato per la pressione atmosferica a livello del mare (1013 hPa) e poi trasferito a circa 1500 m di altitudine (830 hPa), il contatore deve poter adattarsi all’altitudine. Per esempio, i contatori Laser ® III di Particle Measuring Systems (Figura 1) riconoscono automaticamente uno stato di sovrappressione e rifiutano i dati come non validi.

Il monitoraggio dei gas a pressioni superiori alla pressione normale rappresenta una sfida maggiore. Collegare tubazioni di gas compressi a un contatore di particelle può sovraccaricare il sistema di controllo del flusso. Per risolvere questo problema, sono stati sviluppati diffusori ad alta pressione (HPD). Gli HPD (Figura 2) riducono la pressione elevata a quella normale a livello del mare, rilasciando o diffondendo il gas in eccesso nell’ambiente circostante, permettendo così al sistema di controllo del flusso del contatore di funzionare come previsto.

Sebbene un HPD rappresenti una buona soluzione per le misurazioni periodiche di particelle in gas ad alta pressione, alcuni utenti utilizzano una semplice valvola di sovrappressione. Queste valvole riduttrici di pressione (T-Vent) si collegano facilmente alla maggior parte delle tubazioni ad alta pressione e offrono una soluzione per gli utenti che testano i loro gas solo occasionalmente. Tuttavia, questa opzione è più costosa in termini di consumo di gas, perché queste valvole rilasciano più gas di quanto necessario per il monitoraggio. Quando il numero di misurazioni aumenta, i costi di un diffusore ad alta pressione si ammortizzano.

Conclusioni
L’altitudine sopra il livello del mare, o più precisamente la pressione dell’aria, ha un impatto significativo sui contatori di particelle e deve essere considerata nel monitoraggio della contaminazione da particelle. Il contatore di particelle dovrebbe offrire la possibilità di compensare diverse altitudini. Se è necessario analizzare gas ad alta pressione, l’utente ha diverse opzioni: un contatore di particelle specifico per gas (ad esempio HPGP 101c), un HPD o una valvola riduttrice di pressione (T-Vent).

In questo articolo non sono stati discussi contatori di gas dedicati, poiché esulano dal tema. La scelta dipende semplicemente dalle dimensioni delle particelle da monitorare, dalla frequenza di campionamento e dai costi di consumo del gas.