Bewaking van drukgassen

Figuur 1: Lasair III Partikelmeter

Figuur 2: Hogedrukdiffusor (HPD)

Deze artikel behandelt de basisrelaties tussen lucht- of gasvolume, druk en doorstroming, en hoe deze parameters deeltjestelling beïnvloeden. Daarnaast bespreekt hij een eenvoudige installatie als alternatieve methode bij slechts af en toe meten van inert drukgas.

Volume, druk en doorstromingsnelheid
Wanneer een bepaalde hoeveelheid van een medium (lucht of gas) zich verplaatst van een gebied met hogere druk naar een gebied met lagere druk, veroorzaakt deze beweging veranderingen in druk en doorstromingsnelheid. Een nauwkeurig werkende deeltjesdetector moet rekening houden met deze veranderingen, omdat ze zeer plotseling kunnen optreden. Massastroommeters of druksensoren binnenin de deeltjesdetector zorgen bij veranderende druk of volume voor een constante stroming.

Volume, druk en doorstroming hebben verschillende eenheden, dat wil zeggen dat ze verschillend zijn en daardoor uitdagingen vormen voor de deeltjesdetector. Volume is de hoeveelheid ruimte die door een driedimensionaal object wordt ingenomen en wordt uitgedrukt in kubieke eenheden (bijvoorbeeld kubieke meter of kubieke voet). Druk is de hoeveelheid kracht per oppervlakte-eenheid en wordt gemeten in kilogram per vierkante meter met de eenheid Pascal (Pa). De meestal genoemde eenheid is bar (1 bar = 10^5 Pa) of preciezer mbar (1 mbar = 100 Pa = 1 hPa). In het Anglo-Amerikaanse gebied wordt vaak ook de eenheid PSI gebruikt (Pound per Square Inch; 1 PSI = 0,068948 bar). De doorstromingsnelheid is de verplaatste hoeveelheid van het medium per bepaalde tijdseenheid en wordt gewoonlijk uitgedrukt in liter per minuut (LPM) of kubieke voet per minuut (CFM).

Wel heeft de druk de belangrijkste invloed op de stromingssnelheid en het monstervolume voor analyse door deeltjesdetectors. Het ontwerp van een deeltjesdetector vereist begrip van de gaswet van Boyle (zie hieronder), die zegt: met toenemende druk neemt het volume af.

P1V1 = P2V2
(waarbij P = druk en V = volume)

Door toepassing van bovenstaande vergelijking kan men begrijpen dat een kubieke meter lucht op zeeniveau niet gelijk is aan een kubieke meter lucht op ongeveer 1.500 m hoogte. De hogere ligging en de bijbehorende lagere atmosferische druk laten de lucht uitzetten.

Vergeleken met de druk op zeeniveau daalt de atmosferische druk bij ongeveer 1.500 m hoogte met ongeveer 20%. Als voorbeeld: als een luchtvolume op zeeniveau 10 deeltjes bevat, zal hetzelfde volume op 1.500 m hoogte ongeveer 8 deeltjes bevatten. Dit resultaat ontstaat omdat de aanwezige deeltjes zich nu verdelen over het uitgebreide volume, dat met ongeveer 120% is toegenomen. Zonder rekening te houden met het drukverschil, de flowmeting en -controle, zal een op een flow van 1 CFM op zeeniveau ingestelde deeltjesdetector bij grotere hoogten duidelijk minder nauwkeurige deeltjesaantallen geven. In ons voorbeeld 'ziet' deze deeltjesdetector dan slechts 6 deeltjes, wat ongeveer 25% minder is.

Controle van de doorstroming
Volumetrische correcties voor de omgevingsdruk zijn noodzakelijk. Deeltjesdetectors hebben meestal een flowmeting en -controle, zodat de pomphoogte kan worden aangepast of overtollige lucht de meetcel kan omzeilen.

Deze controles zijn instelbaar, hetzij via software, mechanisch, of worden automatisch geregeld op basis van de omgevingsdruk. Elke methode bewaakt de omgevingsdruk, die aan beide zijden van de pomp gelijk is, en stelt de juiste stromingsnelheid van de pomp in.

Wanneer een deeltjesdetector wordt ingesteld voor de luchtdruk op zeeniveau (1.013 hPa) en vervolgens wordt verplaatst naar een hoogte van ongeveer 1.500 m (830 hPa), heeft de deeltjesdetector een mogelijkheid nodig om zich aan te passen aan de hoogte. Bijvoorbeeld de Lasair® III deeltjesdetector van Particle Measuring Systems (Figuur 1) detecteert automatisch een overdruktoestand en weigert de gegevens als ongeldig.

Het monitoren van gassen bij drukken hoger dan de normale druk vormt een grotere uitdaging. Het aansluiten van drukgasleidingen op een deeltjesdetector kan het doorstromingscontrole systeem overbelasten. Om dit probleem op te lossen, zijn hogedrukdiffusers (HPD) ontwikkeld. HPD's (Figuur 2) verlagen de hoge druk naar de normale druk op zeeniveau. Ze werken door het overtollige gas af te geven aan de omgeving - of te diffunderen. Zo kan het doorstromingscontrole systeem van de detector zoals bedoeld blijven functioneren.

Hoewel een HPD een goede oplossing is voor periodieke deeltjesmeting in hogedrukgassen, gebruiken sommige gebruikers een eenvoudig overdrukventiel. Deze drukverlaging-T-ventielen kunnen eenvoudig worden aangesloten op de meeste hogedrukleidingen en bieden zo een oplossing voor gebruikers die slechts af en toe hun gassen testen. Deze optie is echter duurder qua gasverbruik, omdat deze ventielen meer gas laten ontsnappen dan nodig is voor monitoring. Wanneer het aantal metingen toeneemt, worden de kosten van een hogedrukdiffuser gecompenseerd.

Conclusie
De hoogte boven N.N., of preciezer gezegd de luchtdruk, heeft een aanzienlijke invloed op deeltjesdetectors en moet worden meegenomen bij het monitoren van deeltjescontaminatie. De deeltjesdetector moet de mogelijkheid bieden om verschillende hoogten te compenseren. Wanneer het nodig is om hogedrukgassen te onderzoeken, heeft de gebruiker meerdere opties: een speciale gas-deeltjesdetector (bijvoorbeeld HPGP 101c), een HPD of een drukverlaging-T-ventiel.

Specifieke gasdetectors worden in dit artikel niet besproken omdat dat buiten de scope valt. De keuze is eenvoudigweg een kwestie van de te monitoren deeltjesgrootte, de frequentie van de bemonstering en de kosten van het gasverbruik.