Nadzór nad gazami pod ciśnieniem

Rysunek 1: Licznik cząstek Lasair III

Rysunek 2: Dyfuzor wysokociśnieniowy (HPD)

Ten artykuł dotyczy podstawowych relacji między objętością powietrza lub gazu, ciśnieniem i przepływem oraz tego, jak te parametry wpływają na pomiar cząstek. Omawia również prostą instalację jako alternatywną metodę przy okazjonalnym pomiarze gazów obojętnych pod ciśnieniem.

Objętość, ciśnienie i przepływ
Gdy określona ilość medium (powietrza lub gazu) porusza się z obszaru o wyższym ciśnieniu do obszaru o niższym ciśnieniu, ta ruch powoduje zmiany w ciśnieniu i przepływie. Precyzyjny licznik cząstek musi uwzględniać te zmiany, ponieważ mogą wystąpić nagle. Mierniki masowego przepływu lub czujniki ciśnienia wewnątrz licznika cząstek zapewniają stały przepływ przy zmieniającym się ciśnieniu lub objętości.

Objętość, ciśnienie i przepływ mają różne jednostki miary, tzn. są od siebie różne i stanowią wyzwanie dla licznika cząstek. Objętość to ilość przestrzeni zajmowanej przez trójwymiarowy obiekt i jest wyrażana w jednostkach sześciennych (np. metry sześcienne lub stopy sześcienne). Ciśnienie to ilość siły na jednostkę powierzchni i jest mierzone w kilogramach na metr kwadratowy, w jednostce Pascala (Pa). Typową jednostką jest bar (1 bar = 10^5 Pa) lub dokładniej mbar (1 mbar = 100 Pa = 1 hPa). W krajach anglojęzycznych często używa się jednostki PSI (funt na cal kwadratowy; 1 PSI = 0,068948 bar). Przepływ to ilość medium przemieszczającego się w określonym czasie i zwykle wyrażany jest w litrach na minutę (LPM) lub stopach sześciennych na minutę (CFM).

Ciśnienie ma największy wpływ na prędkość przepływu i objętość próbki do analizy przez licznik cząstek. Projekt licznika cząstek wymaga zrozumienia prawa Boyle'a (patrz poniżej), które mówi, że wzrost ciśnienia powoduje zmniejszenie objętości.

P1V1 = P2V2
(gdzie P = ciśnienie, V = objętość)

Stosując powyższe równanie, można zrozumieć, że jeden metr sześcienny powietrza na poziomie morza nie jest równy jednemu metrowi sześciennemu powietrza na wysokości około 1500 m. Wyższa wysokość i odpowiednio niższe ciśnienie atmosferyczne pozwalają powietrzu się rozprężać.

W porównaniu do ciśnienia na poziomie morza, ciśnienie atmosferyczne na około 1500 m spada o około 20%. Na przykład: jeśli objętość powietrza na poziomie morza zawiera 10 cząstek, to ta sama objętość na wysokości 1500 m będzie zawierać około 8 cząstek. Wynika to z faktu, że cząstki rozkładają się na powiększoną objętość, która zwiększyła się do około 120%. Bez uwzględnienia różnicy ciśnienia, pomiaru przepływu i kontroli, licznik cząstek ustawiony na przepływ 1 CFM na poziomie morza będzie na wyższych wysokościach podawał znacznie mniej dokładne dane o cząstkach. W naszym przykładzie licznik "zobaczy" wtedy tylko 6 cząstek, co daje wynik o około 25% mniejszy.

Kontrola przepływu
Konieczne są korekty objętościowe dla ciśnienia otoczenia. Liczniki cząstek zazwyczaj mają pomiar i kontrolę przepływu, dzięki czemu można dostosować prędkość obrotową pompy lub umożliwić nadmiar powietrza obejście komory pomiarowej.

Te kontrole są regulowane, albo przez oprogramowanie, mechanicznie, albo automatycznie na podstawie ciśnienia otoczenia. Każda metoda monitoruje ciśnienie otoczenia, które jest takie samo po obu stronach pompy, i ustawia prawidłowy przepływ pompy.

Jeśli licznik cząstek jest ustawiony na ciśnienie powietrza na poziomie morza (1013 hPa), a następnie przeniesiony na wysokość około 1500 m (830 hPa), licznik wymaga możliwości dostosowania do wysokości. Na przykład liczniki Lasair® III firmy Particle Measuring Systems (rysunek 1) automatycznie wykrywają stan nadciśnienia i odrzucają dane jako nieważne.

Monitorowanie gazów przy ciśnieniach wyższych niż normalne stanowi większe wyzwanie. Podłączenie przewodów gazowych pod ciśnieniem do licznika cząstek może przeciążyć jego system kontroli przepływu. Aby rozwiązać ten problem, opracowano wysokociśnieniowe dyfuzory (HPD). HPD (rysunek 2) redukują wysokie ciśnienie do normalnego ciśnienia na poziomie morza. Działają, odprowadzając nadmiar gazu do otoczenia lub dyfundując go. Dzięki temu system kontroli przepływu licznika cząstek może działać zgodnie z zamierzeniem.

Chociaż HPD jest dobrą opcją do okresowego pomiaru cząstek w wysokociśnieniowych gazach, niektórzy użytkownicy stosują prosty zawór nadciśnieniowy. Te zawory redukcyjne typu T można łatwo podłączyć do większości wysokociśnieniowych przewodów i stanowią rozwiązanie dla użytkowników, którzy sporadycznie testują swoje gazy. Jednak ta opcja jest droższa pod względem zużycia gazu, ponieważ zawory te wypuszczają więcej gazu, niż jest to konieczne do monitorowania. W miarę wzrostu liczby pomiarów koszty wysokociśnieniowego dyfuzora się wyrównują.

Podsumowanie
Wysokość nad poziomem odniesienia, a dokładniej mówiąc ciśnienie powietrza, ma istotny wpływ na liczniki cząstek i musi być brane pod uwagę przy monitorowaniu kontaminacji cząstkami. Licznik cząstek powinien oferować możliwość kompensacji różnych wysokości. Jeśli konieczne jest badanie wysokociśnieniowych gazów, użytkownik ma kilka opcji: specjalny licznik cząstek gazowych (np. HPGP 101c), HPD lub zawór redukcyjny typu T.

W tym artykule nie omawiano dedykowanych liczników gazów, ponieważ wykraczałoby to poza jego zakres. Decyzja zależy od wielkości cząstek do monitorowania, częstotliwości pobierania próbek i kosztów zużycia gazu.