Überwachung von Druckgasen

Abbildung 1: Lasair III Partikel-Zähler

Abbildung 2: Hochdruck-Diffusor (HPD)

Dieser Artikel befasst sich mit den grundlegenden Beziehungen zwischen Luft- oder Gasvolumen, Druck und Durchfluss, und wie diese Parameter eine Partikelzählung beeinflussen. Ebenso behandelt er eine einfache Installation als alternative Methode bei nur gelegentlicher Messung von inerten Druckgasen.

Volumen, Druck und Durchflussrate
Wenn eine bestimmte Menge eines Mediums (Luft oder Gas) sich von einem Bereich mit höherem Druck zu einem Bereich mit niedrigerem Druck bewegt, bewirkt diese Bewegung Änderungen in Druck und Durchflussrate. Ein genau arbeitender Partikelzähler muss diesen Veränderungen Rechnung tragen, weil sie sehr plötzlich auftreten können. Massendurchflussmesser oder Drucksensoren im Inneren des Partikelzählers sorgen bei sich änderndem Druck oder Volumen für eine konstante Strömung.

Volumen, Druck und Durchfluss haben unterschiedliche Maßeinheiten, d.h. sie sind verschieden und stellen somit Herausforderungen für den Partikelzähler dar. Volumen ist die Menge an Raum, der durch ein dreidimensionales Objekt besetzt ist und wird in kubischen Einheiten (z.B. Kubikmeter oder -fuß) angegeben. Der Druck ist die Menge an Kraft pro Flächeneinheit und wird gemessen in Kilogramm pro Quadratmeter mit der Maßeinheit Pascal (Pa). Die typischerweise angegebene Maßeinheit ist bar (1 bar = 105 Pa) oder exakter mbar (1 mbar = 100 Pa = 1 hPa). Im angloamerikanischen Raum wird oft auch die Einheit PSI verwendet (Pound per Square Inch; 1 PSI = 0,068948 bar). Die Durchflussrate ist die bewegte Menge des Mediums pro bestimmter Zeiteinheit und wird üblicherweise in Liter pro Minute (LPM) oder Kubikfuß pro Minute (CFM) angegeben.

Wohl hat der Druck den bedeutendsten Einfluss auf die Strömungsgeschwindigkeit und das Probenvolumen für die Analyse durch den Partikelzähler. Das Design eines Partikelzählers erfordert ein Verständnis von Boyles Gasgesetz (siehe unten), das besagt: mit zunehmendem Druck nimmt das Volumen ab.

P1V1 = P2V2
(wobei P = Druck und V = Volumen)

Durch Anwendung der obigen Gleichung kann man verstehen, dass ein Kubikmeter Luft auf Meereshöhe nicht gleich einem Kubikmeter Luft auf ca. 1.500 m Höhe ist. Die höhere Lage und der entsprechend niedrigere Atmosphärendruck erlauben der Luft sich auszudehnen.

Verglichen mit dem Druck auf Meereshöhe verringert sich der Atmosphärendruck bei ca. 1.500m Höhe um etwa 20%. Als Beispiel: Wenn ein Luftvolumen auf Meereshöhe 10 Teilchen enthält wird das gleiche Volumen auf 1.500m Höhe etwa 8 Teilchen enthalten. Dieses Ergebnis tritt auf, weil sich die vorhandenen Teilchen nun auf das erweiterte Volumen, das sich auf etwa 120% vergrößert hat, verteilen. Ohne Berücksichtigung der Druckdifferenz, Flussratenmessung und -kontrolle wird ein Partikelzähler, der auf einen Fluss von 1 CFM auf Meereshöhe eingestellt ist, auf größeren Höhen deutlich ungenauere Partikelzähldaten liefern. In unserem Beispiel „sieht“ dieser Partikelzähler dann nur 6 Partikel und damit ein um ca. 25% geringeres Ergebnis.

Kontrolle der Flussrate
Volumetrische Korrekturen für den Umgebungsdruck sind notwendig. Partikelzähler haben in der Regel eine Flussratenmessung und -kontrolle, so dass die Pumpendrehzahl angepasst werden kann oder überschüssige Luft die Messzelle umgehen kann.

Diese Kontrollen sind einstellbar, entweder durch Software, mechanisch oder werden basierend auf dem Umgebungsdruck automatisch geregelt. Jede Methode überwacht den Umgebungsdruck, der auf beiden Seiten der Pumpe identisch ist, und stellt die korrekte Strömungsrate der Pumpe ein.

Wenn ein Partikelzähler für den Luftdruck auf Meereshöhe (1.013 hPa) eingestellt wird und dann auf eine Höhe von ca. 1.500 m (830 hPa) verbracht wird, benötigt der Partikelzähler eine Möglichkeit zur Anpassung an die Höhe. Lasair ® III Partikelzähler von Particle Measuring Systems (Abbildung 1) zum Beispiel erkennen automatisch einen Überdruckzustand und lehnen die Daten als ungültig ab.

Die Überwachung von Gasen bei Drücken höher als dem Normaldruck stellt eine größere Herausforderung dar. Der Anschluss von Druckgasleitungen an einen Partikelzähler kann dessen Durchfluss-Kontrollsystem überfordern. Um dieses Problem zu lösen, wurden Hochdruck-Diffusoren (HPD) entwickelt. HPDs (Abbildung 2) reduzieren den Hochdruck auf den Normaldruck auf Meereshöhe. Sie wirken, in dem sie das überschüssige Gas in die Umgebung abgeben - oder diffusieren. So kann dann das Durchfluss-Kontrollsystem des Partikelzählers wie vorgesehen funktionieren.

Obwohl ein HPD eine gute Lösung für die periodische Partikelzählung in Hochdruckgasen ist, verwenden einige Anwender ein einfaches Überdruckventil. Diese Druckminder-T-Ventile lassen sich einfach mit den meisten Hochdruckleitungen verbinden und bieten so eine Lösung für Anwender, die nur gelegentlich ihre Gase testen. Allerdings ist diese Option teurer im Hinblick auf den Gasverbrauch, weil diese Ventile mehr Gas ablassen als für ein Monitoring nötig wäre. Wenn die Anzahl der Messungen zunimmt gleichen sich die Kosten für einen Hochdruck-Diffusor aus.

Fazit
Höhe über N.N., oder genauer gesagt der Luftdruck, hat einen erheblichen Einfluss auf Partikelzähler und muss bei der Überwachung von Partikelkontaminationen beachtet werden. Der Partikelzähler sollte eine Möglichkeit bieten verschiedene Höhen zu kompensieren. Wenn die Untersuchung von Hochdruckgasen erforderlich ist, hat der Anwender mehrere Möglichkeiten: Einen speziellen Gas-Partikelzähler (z.B. HPGP 101c), einen HPD oder ein Druckminder-T-Ventil.

Dedizierte Gaszähler wurden in diesem Artikel nicht diskutiert, weil sie über dessen Rahmen hinausgehen. Die Entscheidung ist einfach eine Frage der zu überwachenden Partikelgrößen, die Häufigkeit der Probenahme und der Kosten des Gasverbrauchs.