Współczynnik konwersji

Mieszanki gazowe i współczynnik konwersji

Regulatory przepływu typu ERG stabilizują masę przepływającego gazu. Zależność opisująca wynik pomiaru ( napięcie na wyjściu układu pomiarowego) (1) ma postać:

(1)

gdzie:
Uv - wynik pomiaru [V],
K - stała konstrukcyjna
N - współczynnik korekcji molekularnej
Cp - ciepło właściwe gazu [cal/g°K]
r- ciężar właściwy gazu w temp.0 C [G/dm3]
P - przepływ gazu [cm3/min]

Dlatego istnieje konieczność indywidualnego skalowania regulatora dla przepływającego rodzaju gazu. Regulatory są skalowane w mililitrach standardowych (20°C;1013,25hPa ) na minutę(Sml/min) lub w Scm3/min w standardzie skalowań są też stosowane warunki normalne (0°C,1013,25hPa. Oznaczenia skalowania dla warunków normalnych zapisywane są jako Nml/min lub Ncm3/min. Konieczne jest posługiwanie się współczynnikiem konwersji przy zmianie przepływającego gazu dające większą dokładność pomiaru (ustawienia) przepływu przeskalowanie regulatora na gaz przetaczany. Ilość objętościowa przetaczanego gazu jest proporcjonalna do jego współczynników konwersji (2)

(2)
gdzie:
P1 - przepływ gazu 1
P2 - przepływ gazu 2
k1 - współczynnik konwersji gazu 1
k2 - współczynnik konwersji gazu 2

Obliczenie współczynnika konwersji z wystarczającą dokładnością powinno uwzględniać oprócz ciepła właściwego i ciężaru właściwego gazu też zależność współczynnika od budowy molekularnej gazu. Określono wielkość przepływu jako zależność:

(3)

gdzie:
K - stała
N - współczynnik korekcji molekularnej ( Tabela 1)
Cp - ciepło właściwe gazu [cal/g°K]
r - ciężar właściwy gazu [G/dm3]
TABELA 1
Budowa cząsteczki gazuN
jednoatomowy (argon, hel, neon, ksenon, itp.)1,030
dwuatomowy (tlenek węgla, tlen, azot, wodór, itp.1,000
trójatomowy (dwutlenek węgla, dwutlenek siarki, itp. ) 0,941
wieloatomowe ( amoniak, metan, butan, itp. )0,880

Zależność określająca współczynnik konwersji można wyznaczyć wprowadzając do zależności (2) zależność (3):

(4)

gdzie:
indeksem 1 oznaczono dane dla gazu 1,
indeksem 2 oznaczono dane dla gazu 2.

Wprowadzając dane dla warunków standardowych (tzn. 1013.25hPa; 20o C ) np. dla azotu k1= 1,00 ; N1= 1,00 ; r1=1,1651 G/dm3 ; Cp1=0,2488 cal/goC ; K1=K2 - pomiar wykonywany na tym samym urządzeniu, otrzymamy zależnożć pozwalającą na wyliczenie współczynnika konwersji dla dowolnego gazu w stosunku do azotu.

(5)

Teraz wyliczenie współczynnika konwersji w stosunku do azotu nie nastręcza problemów jeżeli znane są wartości ciepła właściwego i ciężaru właściwego dla interesującego nas gazu. Przetaczanie mieszanek gazowych wieloskładnikowych i precyzyjne określenie wielkości przepływu mieszanek związane jest z koniecznością wyliczenia współczynnika konwersji dla mieszaniny gazów. Należy zatem wyliczyć parametry mieszanki gazowej takie jak: wypadkowy ciężar właściwy rM, wypadkowe ciepło właściwe gazu CpM współczynnik korekcji molekularnej NM. Wypadkowy ciężar właściwy mieszanki określa zależność (6):

(6)
gdzie:
rm - wypadkowy ciężar właściwy mieszanki,
Pt- przepływ składnika mieszanki,
PM - przepływ mieszanki,
rt - ciężar wypadkowy składnika mieszanki,

Wypadkowe ciepło właściwe mieszanki określa zależność (7):


(7)
gdzie:
CpM - ciepło właściwe mieszanki,
Pt ; PM - jak wyżej,
Cpt - ciepło właściwe składnika mieszanki,

Wypadkowy współczynnik korekcji molekularnej określa zależność (8):


(8)

gdzie:
NM - wypadkowy współczynnik korekcji molekularnej,
Pt ; PM - jak wyżej,
Nt - współczynnik korekcji molekularnej składnika mieszanki,

Współczynnik konwersji mieszanki określa zależność (9):


(9)
gdzie:
kM - współczynnik konwersji mieszanki gazowej,
Cp ; r ; N - z indeksem 1 dotyczy gazu, na które urządzenie zostało przeskalowane,
Pt ; PM - jak wyżej,
Cp ; r ; N - z indeksem t dotyczy składnika mieszanki.

Współczynnik konwersji w stosunku do azotu będzie miał postać jak niżej (10)

(10)

Podczas przetaczania gazów przez regulatory przepływu typu ERG należy zawsze pamiętać, że zanieczyszczenia przetaczanego gazu zachowują się jak mieszanki gazowe i ich obecność w przetaczanym gazie powoduje, że przepływ może być nieco inny od wartości zadawanych. Oczywiste jest, że przy stałym składzie przetaczanego gazu stabilność przepływu będzie zgodna z parametrami urządzenia a wartość przepływu zgodna ze składem mieszanki. Należy zwrócić uwagę na zanieczyszczenia przetaczanych gazów substancjami i łatwo kondensującymi się lub rozkładającymi się pod wpływem warunków istniejących wewnątrz regulatota np. podwyższonej temperatury ponieważ w rurce pomiarowej czujnika przepływu panuje podwyższona temperatura do wartości max 200 st. C. Substancje rozkładające się w takiej temperaturze lub osadzające się w tej temperaturze będą powodowały zmianę wartości przepływu w miarę zachodzącego procesu. Rozkładające się substancje zmienią skład mieszanki lub zmienią stałą konstrukcyjną urządzenia. Przykładem może być osadzanie się krzemu wewnątrz regulatora w tym w obrębie czujnika przy rozkładzie silanu (SiH4) co powoduje zmianę jego czułości a w efekcie zmianę wartości przepływu.

Współczynniki Konwersji


GAZSYMBOLKNKS
AcetylenC2H20,580,6025
AmoniakNH30,740,7323
ArgonAr1.421,4457
ArsenowodórAsH30,670,6746
AzotN211,0001
ButanC4H100,260,2635
BromowodórHBr11,0011
Bromek MetyluCH2Br0,580,5844
ChlorCl20,860,8599
Clorek EtyluC2H5Cl0,390,3898
Chlorek MetyluCH3Cl0,630,631
ClorowodórHCl0,961,0002
Dwutlenek SiarkiSO20,680,6885
Dwutlenek WęglaCO20,730,7395
Dwutlenek AzotuNO20,740,7382
EtanC2H60,50,498
EtylenC2H40,60,5997
FluorF20,980,9801
Fluorek MetyluCH3F0,560,56
FosforowodórPH30,760,7603
Freon12CCl2F20,350,3544
HelHe1,421,446
KryptonKr1,421,4454
KsenonXe1,411,4473
MetanCH40,720,7188
Nadtlenek AzotuN2O0,710,714
NeonNe1,421,4471
Powietrze (suche)-10,8825
PropanC3H80,340,3415
SiarkowodórH2S0,80,7936
SilanSiH40,60,5985
Sześciofluorek WolframuWF60,190,1909
TlenO20,941,0039
Tlenek AzotuNO0,920,9973
Tlenek WęglaCO11,0012
WodórH21,011,0121
Izobuten--0,19
ButenC4H8  0,2995

l.p.

gaz

symb.

KN

1

Acetylene

C2H2

0,5829

2

Air ( dry )

-

0,8810

3

Ammonia

NH3

0,7311

4

Argon

Ar

1,4433

5

Arsine

AsH3

0,6735

6

Butane

C4H10

0,2631

7

Butene

C4H8

0,2990

8

Carbon Dioxide

CO2

0,7382

9

Carbon Monoxide

CO

0,9995

10

Chlorine

Cl2

0,8585

11

Cyanogen

C2N2

0,4505

12

Ethane

C2H6

0,4972

13

Ethyl Chloride

C2H5Cl

0,3891

14

Ethylene

C2H4

0,5987

15

Fluorine

F2

0,9784

16

Freon12

CCl2F2

0,3538

17

Helium

He

1,4435

18

Hydrogen

H2

1,0101

19

Hydrogen Bromide

HBr

0,9994

20

Hydrogen Chloride

HCl

0,9985

21

Hydrogen Fluoride

HF

1,0299

22

Hydrogen Iodide

HI

1,0287

23

Hydrogen Sulfide

H2S

0,7923

24

Isobutane

CH(CH3)3

0,1897

25

Krypton

Kr

1,4430

26

Methane

CH4

0,7176

27

Methyl Acetylene

C3H4

0,4313

28

Methyl Bromide

CH2Br

0,5835

29

Methyl Chloride

CH3Cl

0,6300

30

Methyl Fluoride

CH3F

0,5591

31

Neon

Ne

1,4447

32

Nitric Oxide

NO

0,9956

33

Nitrogen

N2

1,0000

34

Nitrogen Dioxide

NO2

0,7369

35

Nitrous Oxide

N2O

0,7128

36

Oxygen

O2

1,0036

37

Phosphine

PH3

0,7590

38

Propane

C3H8

0,3512

39

Silane

SiH4

0,5975

40

Sulfur Dioxide

SO2

0,6873

41

Tungsten Hexafluoride

WF6

0,1906

42

Xenon

Xe

1,4449

43*

Sulfur Hexafluoride

SF6

0,2463


Opr. "BETA-ERG" Sp. z o.o. 95r