In einem früheren Artikel mit dem Titel "Wie funktioniert ein Sauerstoffanalysator?" haben wir die Prinzipien der in der Gasanalyse am häufigsten verwendeten Technologien zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in einem Gasgemisch ausführlich beschrieben und erläutert.
Dort haben wir nämlich die folgenden Technologien zur Sauerstoffmessung unter die Lupe genommen:
Je nach verwendeter Messmethode hat jeder Sauerstoffanalysator Vor- und Nachteile. Im vorherigen Artikel haben wir auch beschrieben, welche Vor- und Nachteile die einzelnen Technologien haben.
Der Sauerstoffanalysator ist der am häufigsten verwendete Gasanalysator in der Industrie und in der Forschung. Das Spektrum der Anwendungen ist daher äußerst vielfältig. Ein Sauerstoffanalysator wird immer dann eingesetzt, wenn die Messung der Sauerstoffkonzentration wichtig ist, um die Qualität, Sicherheit oder Effizienz eines Produkts oder eines Prozesses zu gewährleisten.
Sauerstoffanalysatoren werden z. B. eingesetzt, um die Atemluft im Cockpit eines Flugzeugs zu kontrollieren, um die Verbrennung in einer Müllverbrennungsanlage zu regulieren, um den Sauerstoffgehalt in vakuumverpackten Lebensmitteln zu messen oder um durch Messung des Sauerstoffgehalts in Öllagertanks Explosionsrisiken vorzubeugen.
Dies sind alles Anwendungen, die unterschiedliche Regeln und Methoden für die Aufstellung der Messgeräte erfordern.
Nachdem Sie sich über die verschiedenen auf dem Markt erhältlichen Technologien für die Sauerstoffanalyse informiert haben, besteht der nächste Schritt darin, den richtigen Sauerstoffanalysator für Ihre Anwendung auszuwählen. Der Zweck dieses Artikels besteht darin, die Kriterien aufzulisten und zu beschreiben, die bei der Durchführung dieser Auswahl zu bewerten sind.
Kriterium Nr. 1: Das Niveau der Sauerstoffkonzentration und die Leistung
Kriterium Nr. 2: Die Gesamtzusammensetzung des zu analysierenden Gasgemischs
Kriterium Nr. 3: Die Umgebungsbedingungen und Standortbeschränkungen
Kriterium Nr. 4: Die vor Ort verfügbaren Hilfsmittel
Kriterium Nr. 5: Die bereitgestellten Budgets
Die Wahl des Sauerstoffanalysators in Bezug auf die eingebettete Technologie hängt unter anderem von der Höhe der Sauerstoffkonzentration in dem zu analysierenden Gasgemisch und der erforderlichen Messleistung ab.
Bei sehr niedrigen Sauerstoffwerten (unter 1% oder im ppm-Bereich, für "parts per million") ist oft eine gaschromatographische Analyse erforderlich, aber auch einige elektrochemische Sauerstoffanalysatoren, Zirkoniumdioxid-Sauerstoffanalysatoren und einige Laser-Sauerstoffanalysatoren sind dazu in der Lage.
Für höhere Sauerstoffwerte (von 1 bis 21 % oder sogar darüber hinaus) ist der am häufigsten verwendete Sauerstoffanalysator der paramagnetische Sauerstoffanalysator. Der Zirkoniumdioxid-Sauerstoffanalysator und der elektrochemische Sauerstoffanalysator sind ebenfalls weit verbreitet, um Sauerstoffgehalte zwischen 0 % und 25 % zu messen.
Es ist wichtig, die richtige Technologie zu wählen, um genaue und zuverlässige Messungen in Abhängigkeit von der jeweiligen Sauerstoffkonzentration zu gewährleisten.
Jede Technologie hat ihre Besonderheiten auch in Bezug auf die metrologischen Leistungen.
Und obwohl die Messgenauigkeiten relativ ähnlich sind, ist es bemerkenswert, dass sich der Laser-Sauerstoffanalysator durch eine sehr feine Auflösung und eine größere Skalendynamik als konkurrierende Technologien auszeichnet. Weiter unten in diesem Artikel werden wir auch auf die größere Kalibrierungsstabilität dieser Technologie und die damit verbundenen Vorteile für den Benutzer eingehen.
Die am häufigsten verwendeten Sauerstoffanalysatoren für die Messung von Sauerstoff in Rauchgasen für regulatorische Zwecke, wie z. B. die Kontrolle von Luftemissionen, sind jedoch solche, die Zirkoniumdioxid- und paramagnetische Technologien verwenden. Aus diesem Grund basiert die überwiegende Mehrheit der vom TÜV QAL1-zertifizierten Sauerstoffanalysatoren für diese Anwendungen auf diesen Technologien.
Bei der Auswahl eines Sauerstoffanalysators ist es wichtig, neben dem Konzentrationsniveau des Sauerstoffs selbst auch die Gesamtzusammensetzung des zu analysierenden Gasgemisches zu berücksichtigen.
Paramagnetische Gasanalysatoren und Laser-Gasanalysatoren sind dafür bekannt, dass sie am "unabhängigsten von der Gasmatrix" sind. Mit anderen Worten: Die Laser- und die paramagnetische Technologie sind am wenigsten anfällig für Kreuzinterferenzen. In der überwiegenden Mehrheit der Anwendungen werden die Messungen eines paramagnetischen Gasanalysators und eines Laser-Gasanalysators nicht durch die Anwesenheit einer bestimmten anderen Gasverbindung in der Mischung beeinflusst.
Umgekehrt sollte die Verwendung eines Zirkoniumdioxid-Sauerstoffanalysators vermieden werden, wenn die zu analysierende Mischung große Mengen an Schwefelverbindungen enthält, aber auch, wenn sie entflammbar ist. Im ersten Fall würde der Zirkoniumdioxid-Sensor vorzeitig zerstört, im zweiten Fall würde die Messung vollständig gehemmt.
Ein Laser-Sauerstoffanalysator ist auch dann interessant, wenn ein korrosives Gasgemisch vorliegt, vorausgesetzt, der Laser-Gasanalysator ist ein In-situ-Durchgangstyp. In diesem Fall gibt es keinen Kontakt zwischen dem zu analysierenden korrosiven Gasgemisch und den Komponenten des Analysators, da diese durch eine Luft- oder Stickstoffspülung geschützt werden.
Schließlich kann das zu analysierende Gasgemisch neben der Korrosivität auch stark mit Feststoffpartikeln belastet sein. Traditionelle Gasanalysatoren wie paramagnetische oder elektrochemische Sauerstoffanalysatoren sollten ebenfalls vermieden werden, da sie in der Regel für die Aufnahme von Gasen vorgesehen sind, die als sauber gelten. Umgekehrt kann ein Laser-Gasanalysator auch in einer sehr staubigen Gasmatrix messen.
Bei der Auswahl eines Sauerstoffanalysators für eine bestimmte Anwendung ist das schwierigste Kriterium sicherlich das der Umgebung und der Installationsbeschränkungen.
Die Entscheidung, ob ein extraktiver Sauerstoffanalysator oder ein In-situ-Sauerstoffanalysator eingesetzt werden soll, muss bereits getroffen werden. Wir haben bereits ein Karussell erstellt, in dem die Elemente dargestellt werden, die bei der Entscheidung zwischen einem In-situ- und einem extraktiven Gasanalysator zu berücksichtigen sind: Siehe Karussell.
Karussell5 wesentliche Kriterien für die Wahl zwischen in situ und extraktiver Gasanalyse
Laden Sie das Karussell herunter und wählen Sie den richtigen Gasanalysator für Ihre industrielle Anwendung!
Die eine oder andere dieser Konfigurationen wird nach Kriterien wie Platzbedarf und Zugänglichkeit, Umgebungsbedingungen, Leistungsanforderungen, Wartbarkeit, Budgets und Lebenszyklus der Lösung bevorzugt.
Im Allgemeinen wird ein In-situ-Sauerstoffanalysator bevorzugt, wenn in der Nähe der Messstelle nur wenig Platz zur Verfügung steht. In diesem Fall müssen jedoch die Umgebungsbedingungen an der Messstelle beachtet werden. Dies gilt für Vibrationen, Temperaturen, explosionsgefährdete Bereiche und starke Magnetfelder.
Die meisten Technologien zur Sauerstoffanalyse gibt es in einer in-situ- und einer extraktiven Version.
Einige dieser Technologien eignen sich jedoch besser für die eine oder andere Konfiguration.
Der paramagnetische Hantel-Analysator mit optischer Erkennung eignet sich besser für eine extraktive Konfiguration, vor allem wegen der Hanteln, die eine besondere Sorgfalt bei der Messumgebung erfordern. So können z. B. Vibrationen des industriellen Prozesses vermieden werden, indem der Analysator von der Messstelle wegbewegt wird.
Sowohl der Zirkoniumdioxid-Sauerstoffanalysator als auch der Laser-Sauerstoffanalysator werden in beiden Konfigurationen sehr klassisch verwendet.
Die Vorteile des Laser-Sauerstoffanalysators können jedoch viel besser genutzt werden, wenn er in situ und durchgehend montiert ist. Wie bereits erwähnt, ermöglicht die permanente Spülung der Optik eine direkte, wartungsfreie Analyse mit einer sehr kurzen Reaktionszeit. Allerdings muss auch auf mögliche niederfrequente Vibrationen geachtet werden, die die Ausrichtung der Optik stören könnten.
Der elektrochemische Sauerstoffanalysator schließlich wird fast ausschließlich in geschützten Umgebungen im extraktiven Modus eingesetzt.
Je nach verwendeter Technologie kann ein Sauerstoffanalysator Hilfsmittel wie eine Stromversorgung oder ein Referenzgas benötigen.
Daher ist es bei der Auswahl der Analysetechnologie wichtig, die Anforderungen an den Gasanalysator einerseits und die Dienstprogramme, die zur Verfügung gestellt werden können, andererseits genau zu überprüfen.
Außer bei einem tragbaren Gerät mit Akku ist für einen Sauerstoffanalysator immer eine Stromversorgung erforderlich.
Es kann meist direkt an das örtliche Wechselstromnetz (115-230 VAC) angeschlossen werden, benötigt aber einen Konverter, wenn es sich um ein Gerät handelt, das mit Gleichspannung (in der Regel 24 VDC) betrieben wird.
Daher ist es in den meisten Projekten, unabhängig von der verwendeten Technologie, notwendig, eine geeignete Stromversorgung zum Installationsort des Sauerstoffanalysators zu führen.
Andererseits sind von einer Technologie zur anderen unterschiedliche Utility-Gase erforderlich.
Alle Sauerstoffanalysatoren benötigen Standardgas, um ihren Nullpunkt und ihre Skala zu kalibrieren, je nach Technologie in kürzeren oder kürzeren Abständen.
Paramagnetische und elektrochemische Gasanalysatoren müssen täglich, wöchentlich oder sogar monatlich neu kalibriert werden, je nachdem, wie viel Messdrift man zulassen möchte und wie hoch die Messgenauigkeit sein soll, die man beibehalten möchte. Dies gilt sowohl für die manuelle als auch für die automatische Kalibrierung mit Hilfe eines speziellen Gasinjektionssystems mit Magnetventilen.
Bei beiden Technologien muss das Nullkalibriergas ein sauerstofffreies Gas sein: in den meisten Fällen reiner Stickstoff. Allerdings ist auch eine Mischung möglich, die eine Stickstoffbasis und einige ppm einer anderen Komponente enthält, die zur Kalibrierung eines zweiten Analysators verwendet wird.
Wenn die Anlage beispielsweise mit einem Infrarotanalysator ausgestattet ist, der CO (Kohlenmonoxid) zwischen 0 und 1000 ppm misst, und mit einem paramagnetischen Sauerstoffanalysator, der zwischen 0 und 21 % misst, kann dieselbe Flasche mit 900 ppm CO in Stickstoff sowohl für die Sauerstoff-Nullkalibrierung als auch für die CO-Skalenkalibrierung verwendet werden.
Unabhängig von der für den Sauerstoffanalysator verwendeten Technologie sollte das Kalibriergas für den Messbereich einen Sauerstoffgehalt aufweisen, der nahe am vollen Messbereich des Analysators liegt. Wenn der Messbereich 0-21 % beträgt, kann z. B. eine Flasche mit 20 % Sauerstoff in Stickstoff verwendet werden.
Aus wirtschaftlichen und betrieblichen Gründen wird häufig auch die Umgebungsluft als Kalibriergas für die Skala verwendet. In geringer Höhe enthält die Atemluft nämlich eine stabile Menge von etwa 21 % Sauerstoff. Man sollte jedoch auf die Schwankungen der Höhe einerseits und der Luftfeuchtigkeit andererseits achten, damit man nicht Gefahr läuft, die Messungen durch falsche Kalibrierungsvorgänge zu verfälschen, wenn der Sauerstoffgehalt aus diesen Gründen schwankt.
Beachten Sie außerdem, dass beim Zirkoniumdioxid-Sauerstoffanalysator - und nur dann - das Nullkalibriergas nicht sauerstofffrei sein darf, sondern eine geringe Menge Sauerstoff enthalten muss. Wenn der Zirkoniumdioxid-Sauerstoffanalysator auf einer Skala von 0 bis 21 % misst, muss das Nullkalibriergas z. B. 1 bis 2 % Sauerstoff enthalten.
Der Zirkoniumdioxid-Sauerstoffanalysator und der Laser-Sauerstoffanalysator profitieren darüber hinaus häufig von einer größeren Stabilität der Kalibrierung. Die Kalibrierungsperioden können bis zu 6 Monate, bei der Lasertechnologie sogar bis zu einem Jahr betragen. In diesem Fall ist es nicht unbedingt notwendig, ständig große Standardflaschen in der Nähe des Analysators zu halten. Von Zeit zu Zeit kann eine kleinere oder sogar tragbare Flasche verwendet werden.
Neben den Standardgasen, die, wie der Name schon sagt, zur Kalibrierung der Analysatoren dienen, erfordern auch einige Sauerstoffanalysatoren die Anwendung eines Referenzgases. Dies gilt insbesondere für den paramagnetischen Analysator mit Mikro-Massendurchflussmesser. Dieser benötigt je nach gewählter Messskala eine ständige Injektion eines kleinen Stickstoff- oder Luftstroms, um zu funktionieren.
Was den Laser-Sauerstoffanalysator betrifft, so benötigt er, wie bereits erwähnt, ein permanentes Spülgas, um eine perfekte Messtechnik und die Sauberkeit der Sender- und Empfängeroptik zu gewährleisten, wenn er in situ als Cross-Stack-Version ausgeführt ist. Je nach Temperatur des Prozessgases kann es sich bei diesem Spülgas um Luft oder Stickstoff handeln.
Es ist sehr wichtig, diesen Bedarf an Utilities vorauszusehen, zum einen, weil sie für den Betrieb der betreffenden Sauerstoffanalysatoren unerlässlich sind. Wenn die Utilities nicht vor der Inbetriebnahme des Geräts eingerichtet werden, kann das Gerät nicht betrieben werden. Andererseits stellt die Einrichtung dieser Utilities häufig einen nicht zu vernachlässigenden Kostenfaktor in der Primärphase des Projekts dar, aber auch Betriebskosten, die bei der Wahl des Sauerstoffanalysatortyps berücksichtigt werden müssen.
Für jedes Projekt ist die Phase der Budgetierung entscheidend. Die technischen Anforderungen leiten die Projektteams und die Einkaufsabteilungen. Aber auch umgekehrt gilt: Das Budget, das dem Projekt oder dem betreffenden Modul zugewiesen wird, wirkt sich auch auf den Spielraum aus, den der Ingenieur hat, um die gewünschte Lösung zu entwerfen.
Die zu berücksichtigenden Kosten sind die Anschaffungskosten und die Betriebskosten.
Die Anschaffungskosten setzen sich wiederum aus den Kosten für die Anschaffung des Sauerstoffanalysators und den Kosten für die Installationsarbeiten, die Inbetriebnahme und die Einarbeitung in die neuen Geräte zusammen.
Die für den Betrieb des Sauerstoffanalysators erforderlichen Hilfseinrichtungen stellen ebenfalls einen Kostenfaktor bei der Anschaffung dar. Ihre Einrichtung erfordert nicht nur die Beschaffung von Material, sondern auch die Erbringung von Leistungen für die Einrichtung. Diese reichen von der einfachen Logistik bis hin zu potenziell schweren Tiefbau- und Kesselbauarbeiten, wobei häufig auch Arbeiten in der Höhe erforderlich sind, für die Gerüste errichtet werden müssen.
Die Kosten für den Kauf eines Sauerstoffanalysators variieren je nach der gewählten Technologie. Elektrochemische und Zirkoniumdioxid-Sauerstoffanalysatoren sind in der Regel am preiswertesten. Danach folgen die paramagnetischen Sauerstoffanalysatoren, deren Technologie etwas teurer ist. Laser-Sauerstoffanalysatoren schließlich erfordern in der Anschaffung höhere Budgets.
Die mittel- oder langfristige Planung eines Projekts wird jedoch häufig eine Neuausrichtung der Budgets zeigen, wenn nicht nur die Anschaffungskosten, sondern auch die Betriebskosten des Sauerstoffanalysators berücksichtigt werden.
Zum Beispiel wird ein elektrochemischer Sauerstoffanalysator, der zum Zeitpunkt des Kaufs finanziell attraktiver ist, ein hohes Betriebsbudget aufweisen, da er einen regelmäßigen Austausch der Messzelle erfordert. Eine regelmäßigere und möglicherweise umfangreichere Wartung ist ebenfalls erforderlich, um einen messtechnisch einwandfreien Betriebszustand zu gewährleisten. Bei einem extraktiven Sauerstoffanalysator müssen Probenahmeelemente wie Filter, Pumpen oder Trockner regelmäßig gewartet oder sogar ausgetauscht werden. Man spricht von vorbeugender, aber auch von korrektiver Wartung.
Das gleiche Maß an Wartung der Analysatoren wird auch für die optisch erfassten (hantelähnlichen) Analysatoren für paramagnetischen Sauerstoff erforderlich sein. Auch wenn die Zelle als dauerhaft gilt, ist sie relativ empfindlich und muss irgendwann mit relativ hohen Kosten ausgetauscht werden.
Der robustere Mikro-Massendurchflussmesser für paramagnetischen Sauerstoff erfordert keinen Austausch der Zelle, sondern die Anwendung eines Referenzgases, dessen Betriebskosten in die Gesamtberechnung einbezogen werden müssen. Da die Probenahmeelemente immer in einem extraktiven Analysesystem verwendet werden, müssen sie auf die gleiche Weise gewartet werden.
In-situ montierte Zirkoniumdioxid-Sauerstoffanalysatoren (Analysatoren, die direkt am industriellen Prozess, an der Rohrleitung, am Kamin, am Ofen ... installiert sind) erfordern nur sehr wenig Wartung. Außerdem sind sie bei sorgfältiger Auswahl und Installation oft robust und haben normalerweise eine lange Lebensdauer.
Wenn die Zirkoniumdioxid-Sauerstoffanalysetechnologie in einem extraktiven Analysator verwendet wird, bleibt die gleiche Robustheit ein Vorteil in Bezug auf die Reduzierung der Wartungsarbeiten, aber die notwendige Wartung des Probennahmesystems bleibt bestehen.
Der Laser-Sauerstoffanalysator, wenn es sich um einen extraktiven Typ handelt, hat die gleichen Einschränkungen und damit die gleichen Wartungskosten wie jeder extraktive Gasanalysator. Da die Stabilität der Kalibrierung jedoch höher ist, sind weniger Kalibrierungsvorgänge erforderlich und der Verbrauch an Standardgasen ist geringer.
Wenn der Laser-Sauerstoffanalysator an Ort und Stelle auf beiden Seiten einer Rohrleitung, eines Ofens oder eines Kamins montiert wird, sind die Wartungsarbeiten selten und schnell und die Kosten für die Stromversorgung vernachlässigbar, verglichen mit einer extraktiven Analyseanlage, die oft einen hohen Stromverbrauch hat. Im Betriebsbudget müssen jedoch die Kosten für den ständigen Verbrauch von Spülgas, sei es Stickstoff oder getrocknete und entölte Druckluft, berücksichtigt werden.
Sobald die technischen Anforderungen definiert sind, ist es wichtig,nicht nur die Kosten für den Kauf und die Einrichtung des Sauerstoffanalysators zubewerten, sondern auch die Betriebskosten. Die Betriebskosten sind für den reibungslosen Betrieb des Geräts während des gesamten Projekts und sogar am Ende des Produktlebenszyklus verantwortlich. Die Betriebskosten werden in den kommenden Jahren aufgrund der steigenden Kosten für Arbeit, Energie und Rohstoffe immer höher ausfallen.
