في مقال سابق بعنوان "كيف يعمل محلل الأكسجين" ، قمنا بتفصيل وشرح مبادئ التقنيات الأكثر استخداما في تحليل الغاز لتحديد تركيز الأكسجين لخليط الغاز.
استعرضنا تقنيات قياس الأكسجين التالية:
اعتمادا على طريقة القياس المستخدمة ، كل محلل أكسجين له مزايا وعيوب. وصفنا أيضا في المقالة السابقة مزايا وعيوب كل تقنية.
محلل الأكسجين هو محلل الغاز الأكثر استخداما في الصناعة والبحث. نتيجة لذلك ، فإن مجموعة التطبيقات متنوعة للغاية. وذلك لأن محلل الأكسجين يستخدم كلما كان قياس تركيز الأكسجين مهما لضمان جودة أو سلامة أو كفاءة منتج أو عملية.
تستخدم أجهزة تحليل الأكسجين ، على سبيل المثال ، لمراقبة هواء التنفس في قمرة القيادة للطائرة ، أو لتنظيم احتراق محرقة النفايات ، أو لقياس كمية الأكسجين في عبوات المواد الغذائية المفرغة ، أو لمنع خطر الانفجار عن طريق قياس محتوى الأكسجين في صهاريج تخزين النفط.
هذه كلها تطبيقات تتطلب قواعد وطرق مختلفة لتنفيذ أدوات القياس.
بمجرد أن تكون على دراية بتقنيات تحليل الأكسجين المختلفة المتوفرة في السوق ، فإن الخطوة التالية هي اختيار محلل الأكسجين المناسب لتطبيقك. الغرض من هذه المقالة هو سرد ووصف المعايير التي سيتم تقييمها من أجل اتخاذ هذا الاختيار.
المعيار رقم 1: مستوى تركيز الأكسجين والأداء
المعيار رقم 2: التركيب العام لخليط الغاز المراد تحليله
المعيار رقم 3: الظروف البيئية وقيود التركيب
المعيار رقم 4: المرافق المتاحة في الموقع
المعيار رقم 5: الميزانيات المخصصة
يعتمد اختيار محلل الأكسجين من حيث التكنولوجيا الموجودة على متن الطائرة بشكل خاص على مستوى تركيز الأكسجين داخل خليط الغاز المراد تحليله ، وأداء القياس المطلوب.
بالنسبة لمستويات الأكسجين المنخفضة جدا (أقل من 1٪ ، أو جزء في المليون ، ل "أجزاء في المليون") ، غالبا ما تكون هناك حاجة إلى تحليل كروماتوغرافيا الغاز ، ولكن بعض أجهزة تحليل الأكسجين الكهروكيميائية ، وأجهزة تحليل الأكسجين الزركونيا ، وبعض أجهزة تحليل الأكسجين بالليزر قادرة أيضا على ذلك.
بالنسبة لمستويات الأكسجين الأعلى (من 1 إلى 21٪ أو أكثر) ، فإن محلل الأكسجين الأكثر استخداما هو محلل الأكسجين المغنطيسي. كما يستخدم محلل الأكسجين الزركونيا ومحلل الأكسجين الكهروكيميائي على نطاق واسع لقياس مستويات الأكسجين بين 0٪ و 25٪.
من المهم اختيار التكنولوجيا المناسبة لضمان قياسات دقيقة وموثوقة بناء على مستوى تركيز الأكسجين المعني.
كل تقنية لها أيضا خصائصها الخاصة من حيث الأداء المترولوجي.
وعلى الرغم من أن دقة القياس قريبة نسبيا ، فمن الجدير بالذكر أن محلل الأكسجين بالليزر يتميز بدقته الدقيقة للغاية وديناميكياته على نطاق أوسع من التقنيات المنافسة. سنرى أيضا لاحقا في هذه المقالة استقرار المعايرة الأكبر لهذه التقنية ، والفوائد التي توفرها للمستخدم.
ومع ذلك ، فإن أجهزة تحليل الأكسجين الأكثر استخداما لقياسات الأكسجين في غاز المداخن للأغراض التنظيمية مثل التحكم في انبعاثات الهواء هي تلك التي تستخدم تقنيات الزركونيا والبارامغناطيسية. لهذا السبب ، تعتمد الغالبية العظمى من أجهزة تحليل الأكسجين QAL1 المعتمدة من TÜV لهذه التطبيقات على هذه التقنيات.
عند اختيار محلل الأكسجين ، بالإضافة إلى مستوى تركيز الأكسجين نفسه ، من المهم مراعاة التركيب العام لخليط الغاز الذي يتم تحليله.
من المعروف أن أجهزة تحليل الغاز المغناطيسية وأجهزة تحليل الغاز بالليزر هي الأكثر "استقلالية عن مصفوفة الغاز". وبعبارة أخرى ، فإن تقنيات الليزر والبارامغناطيسية هي الأقل عرضة للتداخل المتبادل. في الغالبية العظمى من التطبيقات ، لن تتأثر قياسات محلل الغاز المغنطيسي ومحلل الغاز بالليزر بوجود أي مركب غازي آخر في الخليط.
من ناحية أخرى ، يجب تجنب استخدام محلل الأكسجين زركونيا عندما يحتوي الخليط الذي يتم تحليله على كميات كبيرة من مركبات الكبريت ، ولكن أيضا إذا كان قابلا للاشتعال. في الواقع ، في الحالة الأولى ، سيتحلل مستشعر الزركونيا قبل الأوان ، وفي الحالة الثانية ، سيتم تثبيط القياس تماما.
سيكون من المثير للاهتمام أيضا اختيار محلل الأكسجين بالليزر في حالة خليط الغاز المسبب للتآكل ، بشرط أن يكون محلل غاز الليزر من النوع عبر الموقع. في هذه الحالة ، لا يوجد اتصال بين خليط الغاز المسبب للتآكل المراد تحليله ومكونات المحلل ، حيث يحمي تطهير الهواء أو النيتروجين الأخير.
أخيرا ، بالإضافة إلى تآكل خليط الغاز المراد تحليله ، يمكن أيضا تحميله بدرجة عالية بجزيئات صلبة. يجب أيضا تجنب أجهزة تحليل الغازات الأكثر تقليدية مثل أجهزة تحليل الأكسجين المغناطيسية أو الكهروكيميائية لأنها مصممة بشكل عام لتلقي الغازات المعروفة بأنها نظيفة. من ناحية أخرى ، هنا أيضا ، ستسمح خصوصيات ما يسمى بمحلل الغاز بالليزر من خلال الثقب بالقياس في مصفوفة غاز شديدة الغبار.
عند اختيار محلل الأكسجين لتطبيق معين ، فإن أصعب معيار لفهمه هو بالتأكيد قيود البيئة والتركيب.
ستكون بالفعل مسألة اتخاذ قرار بشأن مصلحة إنشاء محلل أكسجين استخراجي ، أو محلل أكسجين في الموقع. لقد كتبنا سابقا أداة في شكل دائري يعرض العناصر التي يجب مراعاتها من أجل الاختيار بين محلل الغاز في الموقع ومحلل الغاز الاستخراجي : انظر الرف الدائري.
دائري5 معايير أساسية للاختيار بين تحليل الغاز في الموقع أو الاستخراجي
قم بتنزيل الرف الدائري واختر محلل الغاز المناسب لتطبيقك الصناعي!
سيتم تفضيل أي من هذه التكوينات بناء على البصمة وإمكانية الوصول والظروف البيئية ومتطلبات الأداء وقابلية الصيانة والميزانيات ودورة حياة الحل.
بشكل عام ، يفضل استخدام محلل الأكسجين في الموقع عند توفر مساحة صغيرة بالقرب من نقطة القياس. ومع ذلك ، سيكون من الضروري الانتباه إلى الظروف المحيطة عند نقطة النقر. نحن نتحدث هنا عن القيود من حيث الاهتزازات أو درجات الحرارة أو المناطق المتفجرة أو وجود مجال مغناطيسي قوي.
تتوفر معظم تقنيات تحليل الأكسجين في الموقع والإصدارات الاستخراجية.
ومع ذلك ، فإن بعض هذه التقنيات أكثر ملاءمة لواحد أو آخر من هذه التكوينات.
يعد محلل الاستشعار البصري المغنطيسي من نوع الدمبل أكثر ملاءمة للإعداد الاستخراجي ، خاصة بسبب الدمبل التي تتطلب عناية خاصة من حيث بيئة القياس. على سبيل المثال ، يمكن تجنب اهتزازات العملية الصناعية عن طريق تحريك المحلل بعيدا عن نقطة القياس ، والتي هي في الواقع استخراجية.
يتم استخدام كل من محلل الأكسجين زركونيا ومحلل الأكسجين بالليزر بشكل تقليدي للغاية في كلا التكوينين.
ومع ذلك ، يتم استغلال فوائد محلل الأكسجين بالليزر بشكل أفضل عندما يتم تركيبه في الموقع ومن خلال الفتحة. في الواقع ، كما رأينا أعلاه ، فإن النزيف الدائم للبصريات يسمح بالتحليل المباشر ، دون صيانة ، وبوقت استجابة قصير جدا. ومع ذلك ، ينبغي أيضا الانتباه إلى احتمال وجود اهتزازات منخفضة التردد ، والتي يمكن أن تزعج محاذاة البصريات.
أخيرا ، يتم استخدام محلل الأكسجين الكهروكيميائي بشكل حصري تقريبا في البيئات المحمية في وضع الاستخراج.
اعتمادا على التكنولوجيا المستخدمة ، قد يتطلب محلل الأكسجين مرافق مثل مصدر طاقة أو غاز مرجعي.
لذلك من المهم عند اختيار تقنية التحليل التحقق من احتياجات محلل الغاز من ناحية ، والمرافق التي يمكن توفيرها من ناحية أخرى.
باستثناء حالة وجود أداة محمولة مزودة ببطارية ، يتطلب محلل الأكسجين دائما مصدر طاقة.
في معظم الأحيان ، سيكون قادرا على الاتصال مباشرة بشبكة التيار المتردد المحلية (115-230 فولت تيار متردد) ، ولكنه سيتطلب محولا في حالة وجود جهاز يعمل بالجهد المباشر (عادة 24 فولت تيار مستمر).
لذلك ، في غالبية المشاريع ، بغض النظر عن التكنولوجيا المستخدمة ، من الضروري توفير مصدر طاقة مناسب إلى نقطة تركيب محلل الأكسجين.
من ناحية أخرى ، تختلف غازات المرافق المطلوبة من تقنية إلى أخرى.
ستتطلب جميع أجهزة تحليل الأكسجين غازات معايرة من أجل معايرة الصفر والحجم ، بترددات قريبة إلى حد ما من بعضها البعض اعتمادا على التكنولوجيا.
ستحتاج أجهزة تحليل الغاز المغناطيسية والكهروكيميائية إلى إعادة معايرتها على أساس يومي أو أسبوعي أو حتى شهري ، اعتمادا على انحراف القياس المسموح به ، وبالتالي دقة القياس التي يجب الحفاظ عليها. سيتعين بعد ذلك تثبيت أسطوانات الغاز القياسية "بشكل دائم" ، سواء تم إجراء المعايرة اليدوية أو التلقائية باستخدام نظام مخصص لحقن الغازات بواسطة صمامات الملف اللولبي.
بالنسبة لكلتا التقنيتين ، يجب أن يكون غاز المعايرة الصفرية غازا خاليا من الأكسجين: في معظم الأحيان النيتروجين النقي. ومع ذلك ، سيكون من الممكن أيضا وجود خليط يحتوي على قاعدة نيتروجين وعدد قليل في المليون من مكون آخر يستخدم لمعايرة محلل ثان.
على سبيل المثال ، إذا كانت المنشأة مجهزة بمحلل الأشعة تحت الحمراء الذي يقيس CO (أول أكسيد الكربون) بين 0 و 1000 جزء في المليون ، ومحلل الأكسجين المغنطيسي الذي يتراوح قياسه بين 0 و 21٪ ، يمكن استخدام نفس الأسطوانة التي تحتوي على 900 جزء في المليون من ثاني أكسيد الكربون في النيتروجين لكل من معايرة الأكسجين الصفرية ومعايرة ثاني أكسيد الكربون على نطاق واسع.
بغض النظر عن التكنولوجيا المستخدمة لمحلل الأكسجين ، يجب أن يكون غاز معايرة المقياس محتوى أكسجين قريبا من النطاق الكامل للمحلل. إذا كان مقياس القياس 0-21٪ ، فيمكن استخدام أسطوانة تحتوي على 20٪ أكسجين في النيتروجين ، على سبيل المثال.
لأسباب اقتصادية وسهولة التشغيل ، غالبا ما يتم استخدام الهواء المحيط كغاز معايرة على نطاق واسع. هذا لأنه على ارتفاعات منخفضة ، يحتوي الهواء الذي نتنفسه على كمية ثابتة من حوالي 21٪ أكسجين. ومع ذلك ، يجب الانتباه إلى الاختلافات في الارتفاع من ناحية ، والرطوبة من ناحية أخرى ، حتى لا يتم المخاطرة بتشويه القياسات عبر عمليات المعايرة الخاطئة في حالة اختلاف مستويات الأكسجين لهذه الأسباب.
وتجدر الإشارة أيضا إلى أنه في حالة محلل الأكسجين زركونيا ، وفي هذه الحالة فقط ، يجب ألا يكون غاز المعايرة الصفرية خاليا من الأكسجين ، ولكنه يحتوي على كمية صغيرة منه. إذا كان محلل الأكسجين الزركونيا يقيس على مقياس من 0 إلى 21٪ ، فيجب أن يحتوي غاز المعايرة الصفرية على 1 إلى 2٪ أكسجين على سبيل المثال.
بالإضافة إلى ذلك ، غالبا ما يستفيد محلل الأكسجين زركونيا ومحلل الأكسجين بالليزر من استقرار معايرة أعلى. يمكن أن تصل فترات المعايرة إلى 6 أشهر ، أو حتى سنة في حالة تقنية الليزر. في هذه الحالة ، قد لا يكون من الضروري الاحتفاظ بأسطوانات معايرة عالية السعة بشكل دائم بالقرب من المحلل. يمكن استخدام زجاجة أصغر أو حتى محمولة من حين لآخر.
بالإضافة إلى الغازات القياسية ، والتي ، كما يوحي الاسم ، تستخدم لمعايرة أجهزة التحليل ، تتطلب بعض أجهزة تحليل الأكسجين أيضا تطبيق غاز مرجعي. هذا هو الحال بشكل خاص مع محلل البارامغناطيسية مع مقياس التدفق الجزئي الشامل. من أجل التشغيل ، يحتاج الأخير إلى حقن دائم لتدفق صغير من النيتروجين أو الهواء ، اعتمادا على مقاييس القياس المختارة.
أما بالنسبة لمحلل الأكسجين بالليزر ، كما رأينا أعلاه ، فسوف يحتاج إلى غاز تطهير دائم لضمان القياس المثالي ونظافة بصريات المرسل والمستقبل ، إذا كان في إصدار المكدس المتقاطع في الموقع. اعتمادا على درجات حرارة غاز العملية ، قد يكون غاز التطهير هذا هو الهواء أو النيتروجين.
من المهم جدا توقع احتياجات المرافق هذه ، من ناحية لأنها ضرورية لتشغيل أجهزة تحليل الأكسجين المعنية. إذا لم يتم وضع الأدوات في مكانها قبل وضع الأداة في الخدمة ، فلن يكون من الممكن تشغيلها. من ناحية أخرى ، غالبا ما يمثل تنفيذ هذه المرافق تكلفة كبيرة في المرحلة الأولية من المشروع ، ولكن أيضا تكلفة تشغيل يجب أخذها في الاعتبار عند اختيار نوع محلل الأكسجين.
بالنسبة لأي مشروع ، فإن مرحلة الميزانية حاسمة. دليل المتطلبات الفنية لفرق المشروع وإدارات المشتريات. لكن العكس صحيح أيضا ، حيث أن الميزانية المخصصة للمشروع أو الوحدة المعنية سيكون لها أيضا تأثير على خط العرض الذي سيتعين على المهندس تصميم الحل المطلوب.
التكاليف التي يجب أخذها في الاعتبار هي تكاليف الشراء وتكاليف التشغيل.
تتكون تكاليف الشراء نفسها من التكاليف المتعلقة بشراء محلل الأكسجين ، والتكاليف المتعلقة بأعمال التركيب والتشغيل والتعامل مع المعدات الجديدة.
تمثل المرافق المطلوبة لتشغيل محلل الأكسجين أيضا تكلفة شراء. لن يتطلب تنفيذها توريد المعدات فحسب ، بل يتطلب أيضا خدمات التثبيت. تتراوح هذه من الخدمات اللوجستية البسيطة إلى أعمال الهندسة المدنية وصناعة الغلايات الثقيلة المحتملة ، وغالبا ما يتطلب العمل في المرتفعات تركيب السقالات.
تختلف تكلفة شراء محلل الأكسجين اعتمادا على التكنولوجيا المختارة. أجهزة تحليل الأكسجين الكهروكيميائية والزركونيا هي الأقل تكلفة بشكل عام. ثم هناك أجهزة تحليل الأكسجين المغناطيسية ، والتي هي أغلى قليلا في تقنيتها. أخيرا ، تتطلب أجهزة تحليل الأكسجين بالليزر ميزانيات أعلى للشراء.
ومع ذلك ، غالبا ما يظهر التخطيط متوسط الأجل أو طويل الأجل للمشروع إعادة توازن الميزانيات عند النظر ليس فقط في تكاليف الشراء ، ولكن أيضا في تكاليف تشغيل محلل الأكسجين.
على سبيل المثال ، سيكون لمحلل الأكسجين الكهروكيميائي الأكثر جاذبية من الناحية المالية في وقت الشراء ميزانية تشغيل كبيرة لأنه سيتطلب الاستبدال المنتظم لخلية القياس الخاصة به. وستكون هناك حاجة أيضا إلى مزيد من الصيانة المنتظمة والهامة لضمان الحفاظ على الظروف التشغيلية في ظروف تشغيلية لا تشوبها شائبة من وجهة نظر مترولوجية. نظرا لأن هذا محلل أكسجين استخراجي ، فستحتاج عناصر أخذ العينات مثل المرشحات أو المضخات أو المجففات إلى الصيانة أو الاستبدال بشكل دوري. نتحدث عن الصيانة الوقائية ، ولكن أيضا الصيانة التصحيحية.
ستكون هناك حاجة إلى نفس المستوى من صيانة المحلل لأجهزة تحليل الأكسجين المغناطيسية للاستشعار البصري (نوع الدمبل). حتى لو اعتبرت الخلية دائمة ، فهي هشة نسبيا وسيتعين استبدالها في مرحلة ما ، بتكلفة عالية نسبيا.
لا يتطلب محلل الأكسجين المغنطيسي الأكثر قوة لمقياس تدفق الكتلة الدقيقة استبدال الخلية ، ولكن تطبيق غاز مرجعي ، يجب أن تؤخذ تكلفة تشغيله في الاعتبار في الحساب العام. تستخدم دائما في نظام التحليل الاستخراجي ، وستحتاج عناصر أخذ العينات إلى الصيانة بنفس الطريقة.
تتطلب أجهزة تحليل الأكسجين الزركونيا المثبتة في الموقع (محلل مثبت مباشرة على العملية الصناعية ، والأنابيب ، والمدخنة ، والفرن ، وما إلى ذلك) القليل جدا من الصيانة. بالإضافة إلى ذلك ، وشريطة أن يتم اختيارها وتركيبها بعناية ، فإنها غالبا ما تكون قوية وعمرها الافتراضي طويل عادة.
عند استخدام تقنية تحليل الأكسجين الزركونيا في محلل استخراجي ، تظل هذه المتانة نفسها أحد الأصول من حيث تقليل عمليات الصيانة ، ولكن لا تزال هناك حاجة لصيانة نظام أخذ العينات.
سيقدم محلل الأكسجين بالليزر ، إذا كان من النوع الاستخراجي ، نفس القيود ، وبالتالي نفس تكاليف الصيانة مثل أي محلل غاز استخراجي. ومع ذلك ، نظرا لأن استقرار معايرته أكثر أهمية ، فإنه سيتطلب عمليات معايرة أقل واستهلاكا أقل منطقيا لغاز المعايرة.
إذا تم تركيب محلل الأكسجين بالليزر في الموقع على جانبي الأنبوب أو الفرن أو المدخنة ، فستكون عمليات الصيانة نادرة وسريعة وستكون تكلفة مصدر الطاقة ضئيلة ، مقارنة بمصنع التحليل الاستخراجي ، الذي غالبا ما يستهلك الكثير من الكهرباء. من ناحية أخرى ، يجب أن تتضمن ميزانية التشغيل تكلفة الاستهلاك الدائم لغاز التطهير ، سواء كان نيتروجين أو هواء مضغوط مجفف ومنزوع الزيت.
بمجرد تحديد الحاجة التقنية ، من المهم تقييم ليس فقط تكاليف شراء وتركيب محلل الأكسجين ، ولكن أيضا تكاليف التشغيل. ستكون هذه مرتبطة بالأداء السليم للمعدات طوال المشروع ، أو حتى في نهاية دورة حياة المنتج. وستكون المكونات الأخيرة مرتفعة بشكل متزايد في السنوات القادمة بسبب التغيرات في تكاليف العمالة والطاقة والمواد الخام.
