ISO 6145-7:2018
(Main)Gas analysis — Preparation of calibration gas mixtures using dynamic methods — Part 7: Thermal mass-flow controllers
Gas analysis — Preparation of calibration gas mixtures using dynamic methods — Part 7: Thermal mass-flow controllers
ISO 6145 is a series of documents dealing with various dynamic methods used for the preparation of calibration gas mixtures. This document specifies a method for continuous preparation of calibration gas mixtures, from nominally pure gases or gas mixtures by use of thermal mass-flow controllers. The method is applicable to preparation of mixtures of non-reacting species, i.e. those which do not react with any material of construction of the flow path in the thermal mass-flow controller or the ancillary equipment. If this method is employed for preparation of calibration gas mixtures the optimum performance is as follows: the relative expanded measurement uncertainty U, obtained by multiplying the standard uncertainty by a coverage factor k = 2, is not greater than 2 %. If pre-mixed gases are used instead of pure gases, mole fractions below 10−6 can be obtained. The measurement of mass flow is not absolute and the flow controller requires independent calibration. The merits of the method are that a large quantity of the calibration gas mixture can be prepared on a continuous basis and that multi-component mixtures can be prepared as readily as binary mixtures if the appropriate number of thermal mass-flow controllers is utilized. NOTE Gas blending systems, based upon thermal mass-flow controllers, and some including the facility of computerization and automatic control, are commercially available.
Analyse des gaz — Préparation des mélanges de gaz pour étalonnage à l'aide de méthodes dynamiques — Partie 7: Régulateurs thermiques de débit massique
L'ISO 6145 est une série de documents qui traitent des diverses méthodes dynamiques utilisées pour la préparation des mélanges de gaz pour étalonnage. Le présent document spécifie une méthode de préparation en continu de mélanges de gaz pour étalonnage, à partir de gaz nominalement purs ou de mélanges de gaz, à l'aide de régulateurs thermiques de débit massique. La méthode s'applique à la préparation de mélanges de gaz non réactifs, c'est-à-dire des gaz qui ne réagissent avec aucun des matériaux utilisés pour la fabrication du circuit de gaz du régulateur thermique de débit massique ou des équipements auxiliaires. Si cette méthode est employée pour la préparation de mélanges de gaz pour étalonnage, la performance optimale est la suivante: l'incertitude de mesure relative élargie U, obtenue en multipliant l'incertitude-type par un facteur d'élargissement k = 2, n'est pas supérieure à 2 %. Lorsque des prémélanges gazeux sont utilisés à la place de gaz purs, il est possible d'obtenir des fractions molaires inférieures à 10−6. Le mesurage du débit massique n'étant alors pas suffisamment précis, le régulateur de débit doit faire l'objet d'un étalonnage indépendant. Cette méthode a pour principal mérite de permettre la préparation en continu d'un mélange de gaz pour étalonnage en grande quantité ainsi que de rendre la préparation de mélanges à plusieurs constituants aussi simple que celle de mélanges ne comptant que deux constituants, à condition d'utiliser le nombre approprié de régulateurs thermiques de débit massique. NOTE Des systèmes permettant le mélange des gaz à partir de régulateurs thermiques de débit massique existent dans le commerce, certains offrant la possibilité d'informatiser et d'automatiser les commandes.
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 6145-7
Third edition
2018-12
Gas analysis — Preparation of
calibration gas mixtures using
dynamic methods —
Part 7:
Thermal mass-flow controllers
Analyse des gaz — Préparation des mélanges de gaz pour étalonnage
à l'aide de méthodes dynamiques —
Partie 7: Régulateurs thermiques de débit massique
Reference number
©
ISO 2018
© ISO 2018
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be reproduced or utilized otherwise in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, or posting
on the internet or an intranet, without prior written permission. Permission can be requested from either ISO at the address
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Published in Switzerland
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Contents Page
Foreword .iv
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Symbols . 2
5 Principle . 2
6 Set-up . 2
6.1 General . 2
6.2 Thermal mass-flow controller using a constant current supply . 3
6.3 Thermal mass-flow controller under constant temperature control . 3
7 Preparation of gas mixtures . 4
7.1 Description of the experimental procedure . . 4
7.2 Range of validity . 6
7.3 Operating conditions . 6
8 Calculations. 7
8.1 Volume fraction . 7
8.2 Sources of uncertainty . 7
8.3 Uncertainty of measurement . 8
Annex A (informative) Pre-mixed gases for the preparation of mixtures of high dilution .9
Annex B (informative) Practical hints .10
Annex C (informative) Calculation of uncertainties .12
Bibliography .14
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www .iso .org/patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the
World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT) see www .iso
.org/iso/foreword .html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 158, Analysis of gases.
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www .iso .org/members .html.
This third edition cancels and replaces the second edition (ISO 6145-7:2009), which has been technically
revised. The main changes compared to the previous edition are as follows:
— correction of some errors in the formulae in Annexes A and C;
— minor editorial corrections.
A list of all parts in the ISO 6145 series can be found on the ISO website.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 6145-7:2018(E)
Gas analysis — Preparation of calibration gas mixtures
using dynamic methods —
Part 7:
Thermal mass-flow controllers
1 Scope
ISO 6145 is a series of documents dealing with various dynamic methods used for the preparation of
calibration gas mixtures. This document specifies a method for continuous preparation of calibration
gas mixtures, from nominally pure gases or gas mixtures by use of thermal mass-flow controllers. The
method is applicable to preparation of mixtures of non-reacting species, i.e. those which do not react
with any material of construction of the flow path in the thermal mass-flow controller or the ancillary
equipment.
If this method is employed for preparation of calibration gas mixtures the optimum performance is
as follows: the relative expanded measurement uncertainty U, obtained by multiplying the standard
uncertainty by a coverage factor k = 2, is not greater than 2 %.
−6
If pre-mixed gases are used instead of pure gases, mole fractions below 10 can be obtained. The
measurement of mass flow is not absolute and the flow controller requires independent calibration.
The merits of the method are that a large quantity of the calibration gas mixture can be prepared on a
continuous basis and that multi-component mixtures can be prepared as readily as binary mixtures if
the appropriate number of thermal mass-flow controllers is utilized.
NOTE Gas blending systems, based upon thermal mass-flow controllers, and some including the facility of
computerization and automatic control, are commercially available.
2 Normative references
The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content
constitutes requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For
undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 6143, Gas analysis — Comparison methods for determining and checking the composition of calibration
gas mixtures
ISO 6145-1, Gas analysis — Preparation of calibration gas mixtures using dynamic volumetric methods —
Part 1: Methods of calibration
ISO 7504, Gas analysis — Vocabulary
ISO 12963, Gas analysis — Comparison methods for the determination of the composition of gas mixtures
based on one- and two-point calibration
ISO 19229, Gas analysis — Purity analysis and the treatment of purity data
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 7504 apply.
ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https: //www .iso .org/obp
— IEC Electropedia: available at: http: //www .electropedia .org/
4 Symbols
C Heat capacity (at constant pressure)
p
i,k Indices for components in a gas or gas mixture
j Index for a parent gas
m Mass
p Pressure
q Number of components in the gas mixture
q Mass flow rate
m
q Volume flow rate
V
T Temperature
V Volume
Φ Heat flux
ϕ Volume fraction of a component in a parent gas
φ Volume fraction of a component in a gas mixture
ρ Density
5 Principle
The continuous preparation of calibration gas mixtures from nominally pure gases or other gas
mixtures by the use of commercially available thermal mass-flow controllers is described. By
adjustment of the set-points on the mass flow controllers to pre-determined values, it is possible to
change the composition of the gas mixture rapidly and in a continuously variable manner. By selection
of appropriate combinations of thermal mass-flow controllers and with use of pure gases, the volume
fraction of the component of interest in the matrix gas can be varied by a factor of 1 000.
6 Set-up
6.1 General
To prepare a gas mixture, each gaseous component is passed through a calibrated thermal mass flow
controller (TMC) at a known and controlled flow rate and at constant pressure. Accurate flow meters
are used to measure the relevant flow rates in order to achieve an acceptable level of uncertainty
regardless of the setting of the mass flow controller (see also ISO 6145-1).
A TMC consists of a measuring unit for mass flow and a proportioning valve which is controlled by an
electronic unit (see also Reference [1] and [2]).
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6.2 Thermal mass-flow controller using a constant current supply
The flowing gas is passed through a heater connected to a constant current supply and the temperature
is sensed upstream and downstream from the heater.
Figure 1 shows the working principle of a TMC and its key parts: heater, temperature sensors and
associated circuitry. The two temperature sensors, one upstream and one downstream from the heater
form two arms of a Wheatstone bridge circuit, which is balanced to give zero reading when there is
no gas flow. When there is a gas flow through the system a temperature difference, ΔT, is established
between the two sensors such that the heat flux, Φ, is given by Formula (1):
ΦΔ=CTq (1)
pm
Key
1 temperature sensor 1 5 current supply
2 heater 6 wheatstone bridge
3 temperature sensor 2 7 differential amplifier
4 gas supply 8 signal readout
Figure 1 — Principle of a thermal mass-flow controller with constant current supply
The difference in temperature between sensors results in a potential difference across the Wheatstone
bridge circuit and thus a signal. The signal is compared with an adjustable reference voltage in a
differential amplifier. The resulting output signal is in turn used for operating a control valve to
regulate the flow of gas.
6.3 Thermal mass-flow controller under constant temperature control
In the system, shown in Figure 2, the parent gas passes through three heaters in sequence, each of
which is connected into an arm of a self-regulating Wheatstone bridge. Instead of the difference in
temperature being measured, the input to each heater is such that the temperature distribution along
the flow path is uniformly maintained. The Wheatstone bridge current is proportional to the heat loss
and therefore proportional also to the mass flow of the gas. The output signal is again used to operate a
solenoid valve to control the mass flow rate.
Key
1 heater 1 5 current supply
2 heater 2 6 wheatstone bridge
3 heater 3 7 differential amplifier
4 gas supply 8 signal readout
Figure 2 — Thermal mass-flow controller under constant temperature control
In the preparation of multicomponent mixtures, it is generally necessary to use one mass-flow controller
for each component. Dual-channel controllers are available and may be used in the preparation of
binary mixtures or, for example, preparation of mixtures of a given gas in air.
7 Preparation of gas mixtures
7.1 Description of the experimental procedure
A schematic diagram of the arrangement for preparation of binary mixtures is shown in Figure 3.
The pressure and temperature at the time of the calibration shall be recorded. Depending on the gases
to be mixed and their departure from ideality, the volume fraction can be somewhat influenced by the
ambient pressure and temperature. The pressure and temperature at the time of calibration of the
analyser should be as near as possible to those prevalent at the time the TMCs were checked by the
comparison method ISO 6143 or ISO 12963 (see 7.3).
Compositions of calibration gas mixtures are normally expressed by volume fractions but
manufacturers’ accuracy specifications for thermal mass-flow controllers are usually expressed in
terms of percentage of the full scale of the instrument. The relative expanded uncertainty of 2 %, which
is quoted in the Scope of this document, is 2 % of the volume fraction of the calibration component of
the mixture. This value assumes optimum use of each TMC in the system, which means that each is
operated at, or very near to, its maximum flow rate. Thus, if a TMC is operated at 10 % of full scale, the
expanded uncertainty expressed as percentage of maximum flow (as distinct from relative expanded
uncertainty) can be ±1 %, but if expressed instead as a percentage of the actual flow rate the relative
expanded uncertainty becomes 10 %.
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Key
Matrix gas: Calibration component:
1 cylinder of pressurized gas 7 cylinder of pressurized gas
2 pressure regulator 8 pressure regulator
3 shut-off valve 9 shut-off valve
4 filter against contamination 10 filter against contamination
5 thermal mass-flow controller 11 thermal mass-flow controller
6 shut-off valve 12 shut-off valve
13 mixing vessel
Figure 3 — Mixing apparatus for preparation of binary gas mixtures
by means of thermal mass-flow controllers
A binary mixture containing the calibration component at volume fraction 1:11 could be prepared by
use of two TMCs each of full scale 1 000 mL/min by operating one at 100 mL/min and the other at
1 000 mL/min. However, the expanded uncertainty associated with the flow rate of the former would
be ±10 % of flow rate and the relative expanded uncertainty in the volume fraction would be ±9 %. Use
one TMC with a full scale range of 100 ml/min and a second one with a full scale range of 1 000 ml/min,
both being operated very close to full scale, so that the mixture has a volume fraction with a relative
expanded uncertainty of 2 %.
The same requirement shall be observed relative to preparation of multi component mixtures.
A method for which there is no requirement for calibration against external standards of gas flow rate
or volume fraction is described briefly in Annex B, and the reference to the publication which provides
the complete description is given in the bibliography.
As shown in Figure 3, gas cylinders (1) and (7)containing the matrix gas and the component of interest
respectively are connected to the thermal mass-flow controllers (5) and (11) through pressure
regulators (2) and (8) and shut-off valves (3) and (9). The two in-line filters (4) and (10) provide
protection against contamination. The gases from the flow controllers enter the mixing vessel (13).
The recommended working range for the pressure regulators is 60 kPa (0,6 bar) to 600 kPa (6,0 bar).
The pressure regulator for the “gaseous component” shall also be suitable for the particular component
involved (e.g. the diaphragm shall be of stainless steel or other co
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 6145-7
Troisième édition
2018-12
Analyse des gaz — Préparation des
mélanges de gaz pour étalonnage à
l'aide de méthodes dynamiques —
Partie 7:
Régulateurs thermiques de débit
massique
Gas analysis — Preparation of calibration gas mixtures using
dynamic methods —
Part 7: Thermal mass-flow controllers
Numéro de référence
©
ISO 2018
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publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,
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être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
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Publié en Suisse
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Sommaire Page
Avant-propos .iv
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 2
4 Symboles . 2
5 Principe . 2
6 Configuration . 2
6.1 Généralités . 2
6.2 Régulateur thermique de débit massique utilisant un générateur de courant constant . 3
6.3 Régulateur thermique de débit massique opérant à température constante . 3
7 Préparation de mélanges de gaz . 4
7.1 Description du mode opératoire expérimental . 4
7.2 Domaine de validité . 6
7.3 Conditions de fonctionnement . 7
8 Calculs . 7
8.1 Fraction volumique . 7
8.2 Sources d’incertitude . 8
8.3 Incertitude de mesure . 8
Annexe A (informative) Prémélanges gazeux utilisés pour la préparation de mélanges
fortement dilués .10
Annexe B (informative) Conseils pratiques .11
Annexe C (informative) Calcul des incertitudes .13
Bibliographie .15
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.
L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier, de prendre note des différents
critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www
.iso .org/directives).
L’attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l’élaboration du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l’ISO (voir www .iso .org/brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion
de l’ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: www .iso .org/iso/fr/avant -propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 158, Analyse des gaz.
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes
se trouve à l’adresse www .iso .org/fr/members .html.
Cette troisième édition annule et remplace la deuxième édition (ISO 6145-7:2009), qui a fait l’objet d’une
révision technique. Les principales modifications par rapport à l’édition précédente sont les suivantes:
— correction de certaines erreurs dans les formules des Annexes A et C;
— corrections éditoriales mineures.
Une liste de toutes les parties de la série ISO 6145 se trouve sur le site web de l’ISO.
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NORME INTERNATIONALE ISO 6145-7:2018(F)
Analyse des gaz — Préparation des mélanges de gaz pour
étalonnage à l'aide de méthodes dynamiques —
Partie 7:
Régulateurs thermiques de débit massique
1 Domaine d’application
L’ISO 6145 est une série de documents qui traitent des diverses méthodes dynamiques utilisées pour
la préparation des mélanges de gaz pour étalonnage. Le présent document spécifie une méthode de
préparation en continu de mélanges de gaz pour étalonnage, à partir de gaz nominalement purs ou
de mélanges de gaz, à l’aide de régulateurs thermiques de débit massique. La méthode s’applique à
la préparation de mélanges de gaz non réactifs, c’est-à-dire des gaz qui ne réagissent avec aucun des
matériaux utilisés pour la fabrication du circuit de gaz du régulateur thermique de débit massique ou
des équipements auxiliaires.
Si cette méthode est employée pour la préparation de mélanges de gaz pour étalonnage, la performance
optimale est la suivante: l’incertitude de mesure relative élargie U, obtenue en multipliant l’incertitude-
type par un facteur d’élargissement k = 2, n’est pas supérieure à 2 %.
Lorsque des prémélanges gazeux sont utilisés à la place de gaz purs, il est possible d’obtenir des
−6
fractions molaires inférieures à 10 . Le mesurage du débit massique n’étant alors pas suffisamment
précis, le régulateur de débit doit faire l’objet d’un étalonnage indépendant.
Cette méthode a pour principal mérite de permettre la préparation en continu d’un mélange de gaz pour
étalonnage en grande quantité ainsi que de rendre la préparation de mélanges à plusieurs constituants
aussi simple que celle de mélanges ne comptant que deux constituants, à condition d’utiliser le nombre
approprié de régulateurs thermiques de débit massique.
NOTE Des systèmes permettant le mélange des gaz à partir de régulateurs thermiques de débit massique
existent dans le commerce, certains offrant la possibilité d’informatiser et d’automatiser les commandes.
2 Références normatives
Les documents suivants cités dans le texte constituent, pour tout ou partie de leur contenu, des
exigences du présent document. Pour les références datées, seule l’édition citée s’applique. Pour les
références non datées, la dernière édition du document de référence s’applique (y compris les éventuels
amendements).
ISO 6143, Analyse des gaz — Méthodes comparatives pour la détermination et la vérification de la
composition des mélanges de gaz pour étalonnage
ISO 6145-1, Analyse des gaz — Préparation des mélanges de gaz pour étalonnage à l’aide de méthodes
volumétriques dynamiques — Méthodes d’étalonnage
ISO 7504, Analyse des gaz — Vocabulaire
ISO 12963, Analyse des gaz — Méthodes de comparaison pour la détermination de la composition des
mélanges de gaz basées sur un ou deux points d'étalonnage
ISO 19229, Analyse des gaz — Analyse de pureté et traitement des données de pureté
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l’ISO 7504 s’appliquent.
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https: //www .iso .org/obp
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse http: //www .electropedia .org/
4 Symboles
C Capacité thermique (à pression constante)
p
i,k Indices pour les constituants d’un gaz ou d’un mélange de gaz
j Indice pour un gaz parent
m Masse
p Pression
q Nombre de constituants dans le mélange de gaz
q Débit massique
m
q Débit volumique
V
T Température
V Volume
Φ Flux de chaleur
ϕ Fraction volumique d’un constituant dans un gaz parent
φ Fraction volumique d’un constituant dans un mélange de gaz
ρ Masse volumique
5 Principe
La préparation en continu de mélanges de gaz pour étalonnage, à partir de gaz nominalement purs
ou d’autres mélanges de gaz, en utilisant les régulateurs thermiques de débit massique disponibles
sur le marché, est décrite. Le réglage des points de consigne sur les régulateurs de débit massique à
des valeurs prédéterminées permet de modifier rapidement et de manière continuellement variable
la composition du mélange de gaz. En choisissant des combinaisons appropriées de régulateurs
thermiques de débit massique et en utilisant des gaz purs, il est possible de faire varier d’un facteur
1 000 la fraction volumique du constituant ciblé dans la matrice gazeuse.
6 Configuration
6.1 Généralités
Pour préparer un mélange de gaz, chaque constituant gazeux passe dans un régulateur thermique de
débit massique étalonné, à un débit contrôlé connu et à pression constante. Des débitmètres précis sont
2 © ISO 2018 – Tous droits réservés
utilisés pour mesurer les débits pertinents afin d’obtenir un niveau d’incertitude acceptable, quel que
soit le réglage du régulateur de débit massique (voir également l’ISO 6145-1).
Un régulateur thermique de débit massique est constitué d’une unité de mesurage du débit massique et
d’une vanne de mélange à commande électronique (voir également les Références [1] et [2]).
6.2 Régulateur thermique de débit massique utilisant un générateur de courant
constant
Le débit gazeux traverse un dispositif de chauffage raccordé à un générateur de courant constant, deux
capteurs mesurant la température en amont et en aval du dispositif de chauffage.
La Figure 1 présente le principe de fonctionnement d’un régulateur thermique de débit massique et
de ses principaux éléments: dispositif de chauffage, capteurs de température et circuits qui leur
sont associés. Les deux capteurs de température, situés l’un en amont et l’autre en aval du dispositif
de chauffage, forment les deux bras du circuit du pont de Wheatstone, réglé pour afficher «zéro» en
l’absence de débit. Lorsqu’un flux gazeux passe dans le circuit, une différence de température, ΔT, se
crée entre les deux capteurs, produisant un flux de chaleur, Φ, donné par la Formule (1):
ΦΔ=CTq (1)
pm
Légende
1 capteur de température 1 5 alimentation électrique
2 dispositif de chauffage 6 pont de Wheatstone
3 capteur de température 2 7 amplificateur différentiel
4 alimentation en gaz 8 affichage du signal
Figure 1 — Principe d’un régulateur thermique de débit massique avec générateur de courant
constant
La différence de température entre les capteurs conduit à une différence de potentiel dans le circuit
du pont de Wheatstone et donc à un signal. Le signal est comparé à une tension de référence réglable
dans un amplificateur différentiel. Le signal de sortie qui en résulte actionne à son tour une vanne de
régulation qui règle le débit du gaz.
6.3 Régulateur thermique de débit massique opérant à température constante
Dans le système illustré à la Figure 2, le gaz parent traverse trois dispositifs de chauffage montés en
série, chacun d’eux étant raccordé à l’un des bras du pont de Wheatstone autorégulateur. Au lieu de
mesurer une différence de température, la tension à l’entrée de chaque dispositif de chauffage est
réglée de façon à obtenir une répartition uniforme de la température le long du flux de gaz. Le courant
à la sortie du pont de Wheatstone est proportionnel à la perte calorifique et donc au débit massique du
gaz. Le signal de sortie est à nouveau utilisé pour actionner la vanne solénoïde permettant de réguler le
débit massique.
Légende
1 dispositif de chauffage 1 5 alimentation électrique
2 dispositif de chauffage 2 6 pont de Wheatstone
3 dispositif de chauffage 3 7 amplificateur différentiel
4 alimentation en gaz 8 affichage du signal
Figure 2 — Régulateur thermique de débit massique opérant à température constante
La préparation de mélanges à plusieurs constituants implique généralement l’utilisation d’un régulateur
de débit massique par constituant. Il existe des régulateurs à deux canaux qui peuvent être utilisés
pour préparer des mélanges à deux constituants ou encore des mélanges d’air avec un gaz donné.
7 Préparation de mélanges de gaz
7.1 Description du mode opératoire expérimental
La Figure 3 représente schématiquement le système utilisé pour la préparation de mélanges à deux
constituants.
La pression et la température doivent être enregistrées au moment de l’étalonnage. En fonction des gaz
à mélanger et de leur écart par rapport à un gaz parfait, la pression et la température ambiantes peuvent
avoir une certaine incidence sur la fraction volumique. Au moment de l’étalonnage de l’analyseur,
il convient que la pression et la température soient aussi proches que possible de celles prévalant au
moment du contrôle des régulateurs thermiques de débit massique selon la méthode comparative de
l’ISO 6143 ou de l’ISO 12963 (voir 7.3).
Les compositions des mélanges de gaz pour étalonnage sont normalement exprimées en fractions
volumiques, mais les spécifications d’exactitude des fabricants concernant les régulateurs thermiques
de débit massique sont généralement exprimées en pourcentage de la pleine échelle de l’instrument.
4 © ISO 2018 – Tous droits réservés
L’incertitude élargie relative de 2 % mentionnée dans le domaine d’application du présent document
correspond à 2 % de la fraction volumique du constituant d’étalonnage dans le mélange. Cette valeur
suppose une utilisation optimale de chaque régulateur thermique de débit massique dans le système,
ce qui signifie que chacun fonctionne à son débit maximal ou à un débit très proche de celui-ci. Ainsi, si
un régulateur thermique de débit massique fonctionne à 10 % de la pleine échelle, l’incertitude élargie,
exprimée en pourcentage du débit maximal (distincte de l’incertitude élargie relative), peut-être
de ± 1 %; par contre, exprimée en termes de pourcentage du débit réel, l’incertitude élargie relative est
alors de 10 %.
Légende
Matrice gazeuse: Constituant d’étalonnage:
1 bouteille de gaz sous pression 7 bouteille de gaz sous pression
2 régulateur de pression 8 régulateur de pression
3 vanne d’arrêt 9 vanne d’arrêt
4 filtre protégeant contre d’éventuelles contaminations10 filtre protégeant contre d’éventuelles contaminations
5 régulateur thermique de débit massique 11 régulateur thermique de débit massique
6 vanne d’arrêt 12 vanne d’arrêt
13 chambre de mélange
Figure 3 — Appareil de mélange permettant la préparation de mélanges de gaz à deux
constituants au moyen de régulateurs thermiques de débit massique
Un mélange à deux constituants contenant le constituant d’étalonnage à une fraction volumique de 1:11
pourrait être préparé à l’aide de deux régulateurs thermiques de débit massique, chacun de 1 000 ml/
min en pleine échelle, en faisant fonctionner l’un à 100 ml/min et l’autre à 1 000 ml/min. Toutefois,
l’incertitude élargie associée au débit du premier serait de ± 10 % du débit et l’incertitude élargie
relative de la fraction volumique serait de ± 9 %. Pour que le mélange ait une incertitude élargie relative
de la fraction volumique de 2 %, utiliser un régulateur thermique de débit massique ayant une pleine
échelle de 100 ml/min et un second ayant une pleine échelle de 1 000 ml/min, tous deux fonctionnant
très près de leur pleine échelle.
La même exigence doit être respectée en ce qui concerne la préparation des mélanges à plusieurs
constituants.
L’Annexe B décrit brièvement une méthode pour laquelle il n’y a aucune exigence relative à l’étalonnage
par rapport à des étalons externes de débit gazeux ou de fraction volumique, la référence à la publication
qui en donne une description complète figurant dans la bibliographie.
Comme illustré à la Figure 3, les bouteilles de gaz (1) et (7) contenant respectivement la matrice gazeuse
et le constituant ciblé sont raccordées aux régulateurs thermiques de débit massique (5) et (11) via les
régulateurs de pression (2) et (8) et les vannes d’arrêt (3) et (9). Les deux filtres (4) et (10), montés en
ligne, protègent le système contre une éventuelle contamination. Les gaz sortent des régulateurs de
débit pour entrer dans la chambre de mélange (13).
Le domaine de travail recommandé pour les régulateurs de pression est compris entre 60 kPa (0,6 bar)
et 600 kPa (6,0 bar). Le régulateur de
...
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