2023-05-11

Gaskoncentrationsenheter och enhetsomvandlingar

Den grundläggande enhetsomräkningen från antal molekyler till en vikt-per-volymenhet är enkel eftersom en molekyl av en viss typ alltid har samma vikt, "molekylmassan", med hänsyn tagen till naturliga variationer i atomisotoper.
I själva verket räknar man naturligtvis aldrig antalet molekyler, utan skalar (kalibrerar) bara avläsningen av ett instrument till exempelvis mikrogram per kubikmeter, vilket motsvarar den förväntade koncentrationen där mätningarna äger rum.

Volym, temperatur och tryck

Det finns dock en hake med koncentrationer i vikt-per-volym. Volymen beror på temperatur och tryck vid mättillfället. Alternativt uttryckt tar samma antal molekyler (vikt) upp olika volymer vid olika temperaturer och tryck.

Det är inte ett problem i en in situ-övervakningsanordning där mätningarna görs i molekylernas verkliga miljö. Problemet uppstår i provtagningsanordningar där mätningarna vanligtvis görs i en sluten mätcell som är separerad från den faktiska provtagningspunkten. Det är troligt att cellen har en annan temperatur och/eller ett annat tryck än gasblandningen vid provtagningspunkten.

Normaliseringsstandarder

Vid den grundläggande omvandlingen till en vikt-per-volymenhet är volymen i fråga den faktiska volymen i mätcellen, med den temperatur och det tryck som den råkar ha. Detta är förmodligen inte representativt för förhållandena vid provtagningspunkten. För att undvika förvirring är det därför praxis att normalisera volymen till ett specifikt standardförhållande.

Inom industrin är standarden nästan alltid 0 °C och 1 atm (en atmosfär = 101,325 kPa). I applikationer för luftkvalitet kan temperaturstandarden variera. Länder inom Europeiska unionen och länder som i övrigt följer EU:s standarder tillämpar en temperatur på 20 °C medan USA och länder som följer amerikanska standarder tillämpar en temperatur på 25 °C. I båda fallen kallas den volym vi kommer fram till ofta för den normaliserade volymen eller den standardiserade volymen - båda uttrycken används och betyder samma sak.

Vikt per volymenhet

Beroende på typ av molekyl är vikt-per-volymenheten ofta mg/m³ eller g/m³ i industriella sammanhang och µg/m³ eller i några fall ng/m³ eller mg/m³ i tillämpningar för omgivningsluft. Volymdelen av en vikt-per-normaliserad volymenhet uttrycks ibland som m3N där N anger normaliseringen. Ibland utelämnas dock N, och det kan i alla händelser betyda olika temperaturstandarder. Det är därför viktigt att kontrollera vilken typ av normalisering, om någon, som en uppsättning data faktiskt representerar.

In-situ-instrument anger ofta koncentrationerna i vikt-per-normaliserad volym även om det inte finns någon skillnad mellan ”provtagningspunkten” och ”mätpunkten”. Det kan ofta vara ett lagstadgat krav, men det krävs vanligtvis också att det finns möjligheter att kalibrera instrumenten mot kända gaskoncentrationer som anges i volym-per-volymenheter.

Volym-per-volym-enheter

När vikten per normaliserad volym har fastställts är det också möjligt att räkna om koncentrationen till en volym-per-volymenhet, som är en alternativ standard för att uttrycka koncentrationer. Detta är också en fråga om naturkonstanter som bara beror på typen av molekyl. Molekylmassan kommer in i bilden igen, men även molvolymen som också är en naturkonstant, idealt 22,414 m³/kmol vid 0 °C och 1 atm.

Att gå från vikt-per-normaliserad volym till volym-per-volym är bara en fråga om att multiplicera med en konstant faktor, även om det är olika faktorer för varje typ av molekyl och varje normaliseringsstandard. Faktorn kan beräknas utifrån den molära volymen och massan hos de enskilda atomelementen i molekylen, men alla faktorer är fasta så de plockas vanligtvis bara från en tabell.

Den volym-per-volymenhet som används i industriella sammanhang är vanligtvis ppm (volymetriska delar per miljon) eller i vissa fall % (volymetrisk procent), medan motsvarande enhet i luftkvalitetsapplikationer ofta är ppb (volymetriska delar per miljard) eller i några fall ppm.

Andra normaliseringar

Inom industrin kan normalisering också göras till torr gas och/eller en fast syrgasnivå. Uttrycket "torr gas" har sin bakgrund i att vatteninnehållet i rökgasen ofta är stort (procentnivåer) och att provtagningsinstrument kräver att gasblandningen behandlas genom torkning innan den leds in i en cell där koncentrationsmätningarna kan göras. Sådana instrument har ofta inget annat val än att uttrycka koncentrationen i "torr gas" eftersom det inte finns någon parallell mätning av hur mycket fukt (vattenmolekyler) som har avlägsnats från gasblandningen. Som ett resultat har detta blivit en möjlig normaliseringsstandard.

Även instrument som kan mäta koncentrationer i våt gas (dvs. en gasblandning som innehåller vattenånga) kan ha ett alternativ för att matematiskt subtrahera vatteninnehållet och presentera en torr koncentration. En förutsättning för detta är naturligtvis att den absoluta vattenkoncentrationen också mäts, parallellt med den gas eller de gaser som skall presenteras i "torra" enheter.

Normalisering av syre och gränsvärden för utsläpp

Normalisering till en fast syrenivå är ett sätt att låta utsläppsgränserna uttryckas som koncentrationer, automatiskt skalade mot pannans storlek, utan att också behöva mäta gasflödet och sedan uttrycka utsläppen i vikt-per-tidsenhet. Syrenivån efter en förbränningsprocess är ett mått på hur mycket överskottsluft som släpps igenom ("mager förbränning") och följer med förbränningsprodukterna ut genom skorstenen. Ju högre syrenivå, desto mer överskottsluft i rökgaserna och desto mer utspädning (i form av lägre koncentration) av de föroreningar som släpps ut i den omgivande luften. Genom att normalisera till en fast syrgasnivå kan koncentrationerna dock uttryckas oberoende av hur mager förbränningsprocessen är, och fasta utsläppsgränser kan sedan fastställas i form av koncentrationer.