Comment les pressions sous-atmosphériques affectent-elles les débits ?

Alicat U mass flow and pressure application training

Le débitmètre massique d’un client ne mesure pas correctement à la moitié d’une atmosphère. Qu’est-ce qui se passe ? Mesurer le débit massique sous pressions sous-atmosphériques peut être difficile parce que cela change les débits volumétriques. Dans cet article, nous examinons ce qui se produit exactement dans ces conditions et comment vous pouvez vous assurer que votre débitmètre massique ou volumétrique est correctement calibré pour votre utilisation.

Les effets de la pression sur la masse et le volume des gaz statiques

La pression est une mesure de la force exercée sur une surface. Selon la loi des gaz parfaits (PV=nRT), à mesure que la pression (P) augmente, le volume d’espace occupé par le gaz (V) diminue. Ceci se produit parce que les gaz sont compressibles, et leurs molécules se rapprochent les unes des autres à mesure que la pression augmente. Si la pression diminue, alors les molécules s’éloignent et occupent un plus grand volume. Néanmoins, dans chaque cas, le nombre de molécules d’air à l’intérieur du volume (v, masse molaire) demeure constant.

Air at 2 atm Mass: 500 scm3 Volume: 250 cm3

Masse d’air à 2 atm : 500 ccnm Volume : 250 cm3

Représentons-nous un contenant flexible, non élastique comme un ballon en mylar. Nous le remplissons avec 500 cm3 d’air à pression atmosphérique (1 atm, environ 14,696 psia) et une température ambiante standard (25°C). Si nous doublons la pression à 2 atm, les molécules d’air se rapprochent, et le volume est comprimé à 250 cm3. Si nous divisons la pression originale de moitié à 0,5 atm, le volume double à 1 000 cm3. Si nous divisons de nouveau la pression à 0,25 atm, le volume augmente jusqu’à 2 000 cm3. À chaque fois, nous n’avons ni enlevé ni ajouté d’air, et donc la masse molaire de l’air à l’intérieur du contenant demeure 500 ccnm d’air.

Air at 0.25 atm Mass: 500 scm3 Volume: 2000 cm3

Masse d’air à 0,25 atm : 500 ccnm Volume : 2 000 cm3

Air at 1 atm Mass: 500 scm3 Volume: 500 cm3

Masse d’air à 1 atm : 500 ccnm Volume : 500 cm3

Les effets de la pression de ligne sur les gaz en mouvement

Lorsque l’air est mis en mouvement, son volume continue de fluctuer avec la pression comme nous l’avons vu plus haut. Doubler la pression de ligne diminue de moitié le débit volumétrique, et diminuer la pression de ligne augmente le débit volumétrique. Néanmoins, le nombre de molécules d’air qui circulent (débit massique) ne change pas.

Pressure effects on air in motion

Calibrer les débitmètres pour les pressions sous-atmosphériques

Les débitmètres massiques basés sur la pression différentielle ont des canaux d’écoulement internes qui sont calibrés pour les débits volumétriques les plus élevés qu’on s’attend à voir circuler dans ces canaux.  Lorsque ces débitmètres sont utilisés pour des applications sous-atmosphériques, ils ont peut-être besoin d’être surdimensionnés afin de pouvoir gérer les augmentations de débits volumétriques.

Prenez par exemple le débitmètre massique Alicat fabriqué pour 500 ccnm à pleine échelle (M-500SCCM-D). Si nous faisons circuler 500 ccnm au double de pression (2 atm), le débit volumétrique baisse à 250 ccm. Cette diminution du volume réel du débit d’air ne pose aucun problème pour mesurer le débit parce que le débitmètre est capable de gérer le double de cette quantité.

Maintenant, si nous souhaitons faire circuler le même 500 ccnm à 0,5 atm, nous savons que le débit volumétrique va doubler à 1 000 ccm. Notre débitmètre calibré pour 500 ccnm est trop petit ; à la place, nous devrions utiliser un débitmètre calibré pour 1 000 ccnm (M-1SLPM-D). Pour conserver la plus grande résolution de débit massique, nous devrions spécifier des plages personnalisées de 500 ccnm (masse) et 1 000 ccm (volumétrique). De même, à 0,25 atm le débitmètre devrait être construit pour quatre fois le débit massique souhaité (M-2SLPM-D) et échelonné pour 500 ccnm et 2 000 ccm.

De manière générale, les débitmètres massiques Alicat peuvent être utilisés à 0,8 atm/11,5 psia sans être surdimensionnés. Nous pouvons surdimensionner les débitmètres pour les utiliser à des pressions aussi basses que 0,2 atm/2,9 psia.

Calibrer les régulateurs de débit pour les pressions sous-atmosphériques et sous vide

À la différence des débitmètres, les régulateurs de débit massique basés sur la pression différentielle n’ont pas besoin d’être surdimensionnés pour être utilisés dans des conditions sous-atmosphériques. Pour ces applications, nous localisons la vanne de régulation proportionnelle du côté aval du régulateur. Ceci forme une barrière sonique qui protège le détecteur de débit de l’expansion volumétrique du gaz. Dans l’exemple ci-dessous, la tête de mesure à l’intérieur du régulateur voit toujours les débits à un niveau de pression d’air ambiant (1 atm). Le gaz entre dans un environnement sous-atmosphérique (0,25 atm) et se détend seulement après avoir passé la vanne. Comme dans l’exemple précédent, le débit massique demeure constant lorsque le gaz transitionne de 1 atm vers 0,25 atm.

Pressure effects on volumetric flow for controllers

Si vous avez des questions sur votre application sous-atmosphérique ou sous vide, veuillez contacter Alicat (info@alicat.com ou 888-290-6060) afin que l’un de nos ingénieurs d’applications puisse vous aider à trouver la bonne solution.

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