En un artículo anterior titulado "Cómo funciona un analizador de oxígeno", detallamos y explicamos los principios de las tecnologías más utilizadas en el análisis de gases para determinar la concentración de oxígeno de una mezcla gaseosa.
Revisamos las siguientes tecnologías de medición de oxígeno:
En función del método de medición utilizado, cada analizador de oxígeno tiene sus ventajas e inconvenientes. También describimos las ventajas e inconvenientes de cada tecnología en el artículo anterior.
Los analizadores de oxígeno son los analizadores de gases más utilizados en la industria y la investigación. La gama de aplicaciones es, por tanto, extremadamente diversa. Un analizador de oxígeno se utiliza siempre que la medición de la concentración de oxígeno es importante para garantizar la calidad, seguridad o eficiencia de un producto o proceso.
Los analizadores de oxígeno se utilizan, por ejemplo, para controlar el aire respirable en la cabina de un avión, regular la combustión en una incineradora de residuos, medir la cantidad de oxígeno en alimentos envasados al vacío o prevenir el riesgo de explosión midiendo el contenido de oxígeno en tanques de almacenamiento de petróleo.
Todas estas aplicaciones requieren normas y métodos diferentes para instalar los instrumentos de medición. Una vez que conozca las diferentes tecnologías de análisis de oxígeno disponibles en el mercado, el siguiente paso es elegir el analizador de oxígeno adecuado para su aplicación. El objetivo de este artículo es enumerar y describir los criterios que deben evaluarse a la hora de realizar esta elección.
La elección de un analizador de oxígeno se basará en 5 criterios:
Criterio N°1: El nivel de concentración de oxígeno y el rendimiento Criterio N°2 : La composición global de la mezcla de gases a analizar Criterio N°3 : Las condiciones ambientales y las limitaciones de la instalación Criterio N°4: Los servicios disponibles in situ Criterio N°5: Los presupuestos asignados
Criterio nº 1: ¿Qué analizador de oxígeno debe elegir, en función del nivel de concentración de O2 de que se trate y del rendimiento requerido?
La elección del analizador de oxígeno en términos de tecnología de a bordo dependerá, en particular, del nivel de concentración de oxígeno en la mezcla de gases a analizar y del rendimiento de medición requerido.
Para niveles de oxígeno muy bajos (por debajo del 1%, o a nivel de ppm, por "partes por millón"), a menudo se requerirá el análisis por cromatografía de gases, pero algunos analizadores de oxígeno electroquímicos, analizadores de oxígeno de circonio y algunos analizadores de oxígeno láser también son capaces de hacerlo.
Para niveles de oxígeno superiores (del 1 al 21%, o incluso más), el analizador de oxígeno más utilizado es el analizador de oxígeno paramagnético. Los analizadores de oxígeno de óxido de circonio y los analizadores de oxígeno electroquímicos también se utilizan ampliamente para medir niveles de oxígeno entre el 0% y el 25%.
Es importante elegir la tecnología adecuada para garantizar mediciones precisas y fiables en función del nivel de concentración de oxígeno de que se trate.
Cada tecnología tiene también sus propias características específicas en términos de rendimiento metrológico.
Y aunque las precisiones de medición son relativamente cercanas, cabe destacar que el analizador de oxígeno por láser destaca por su resolución muy fina y su rango dinámico más amplio que las tecnologías de la competencia. Más adelante en este artículo también analizaremos la mayor estabilidad de calibración de esta tecnología, y las ventajas que ello aporta al usuario.
Sin embargo, los analizadores de oxígeno más utilizados para medir el oxígeno en los gases de combustión con fines reglamentarios en el control de las emisiones atmosféricas, por ejemplo, siguen siendo los que emplean tecnologías de óxido de circonio y paramagnéticas. Por este motivo, la gran mayoría de los analizadores de oxígeno certificados QAL1 por TÜV para estas aplicaciones se basan en estas tecnologías.
Criterio nº 2: ¿Qué analizador de oxígeno debe elegirse en función de la composición global de la mezcla gaseosa que vaya a analizarse?
A la hora de elegir un analizador de oxígeno, además del nivel de concentración del propio oxígeno, es importante tener en cuenta la composición global de la mezcla de gases analizada.
Los analizadores de gases paramagnéticos y los analizadores de gases láser tienen fama de ser los más "independientes de la matriz de gas". En otras palabras, las tecnologías láser y paramagnéticas son las menos susceptibles a las interferencias cruzadas. En la gran mayoría de las aplicaciones, las mediciones de un analizador de gases paramagnético y de un analizador de gases láser no se verán afectadas por la presencia de ningún otro compuesto gaseoso en la mezcla.
Por el contrario, debe evitarse el uso de un analizador de oxígeno de óxido de circonio cuando la mezcla analizada contenga grandes cantidades de compuestos de azufre, y también si es inflamable. En el primer caso, el sensor de óxido de circonio se degradaría prematuramente y, en el segundo, la medición se inhibiría por completo.
También merece la pena elegir un analizador láser de oxígeno para mezclas de gases corrosivos, siempre que el analizador láser de gases sea del tipo "in situ through". En este caso, no hay contacto entre la mezcla de gases corrosivos que se va a analizar y los componentes del analizador, que están protegidos por una purga de aire o nitrógeno.
Por último, además de la corrosividad de la mezcla de gases a analizar, también puede estar muy cargada de partículas sólidas. También deben evitarse los analizadores de gases más tradicionales, como los analizadores paramagnéticos o electroquímicos de oxígeno, ya que suelen estar diseñados para recibir gases que tienen fama de limpios. Por otro lado, también en este caso, las características específicas del llamado analizador de gas láser de flujo pasante permitirán realizar mediciones en una matriz de gas muy polvorienta.
Criterio nº 3: ¿Qué analizador de oxígeno debe elegirse en función de las condiciones ambientales y las limitaciones de la instalación?
A la hora de elegir un analizador de oxígeno para una aplicación determinada, el criterio más delicado a tener en cuenta es sin duda el entorno y las limitaciones de la instalación.
El primer paso es decidir si instalar un analizador de oxígeno extractivo o un analizador de oxígeno in situ. Anteriormente hemos elaborado una herramienta en forma de carrusel que presenta los elementos que deben tenerse en cuenta a la hora de elegir entre un analizador de gases in situ y uno extractivo: Véase el carrusel.
Carrusel
5 criterios esenciales para elegir entre análisis de gases in situ o extractivos
Descargue el carrusel y elija el analizador de gases adecuado para su aplicación industrial.
Se optará por una u otra de estas configuraciones en función de criterios de espacio y accesibilidad, condiciones ambientales, prestaciones requeridas, facilidad de mantenimiento, presupuestos y ciclo de vida de la solución.
En general, un analizador de oxígeno in situ es preferible cuando se dispone de poco espacio cerca del punto de medición. Sin embargo, debe prestarse atención a las condiciones ambientales en el punto de medición. Éstas incluyen limitaciones en términos de vibraciones, temperatura, zonas explosivas o la presencia de un campo magnético intenso.
La mayoría de las tecnologías de análisis de oxígeno están disponibles en versiones in situ y extractivas.
Sin embargo, algunas de estas tecnologías se adaptan mejor a una u otra de estas configuraciones.
El analizador paramagnético de tipo barbilla con detección óptica se adapta mejor a una configuración extractiva, en particular porque sus barbillas requieren un cuidado particular en cuanto al entorno de medición. Por ejemplo, las vibraciones del proceso industrial pueden evitarse alejando el analizador del punto de medición, que es extractivo.
Tanto el analizador de oxígeno de óxido de circonio como el analizador de oxígeno láser se utilizan con mucha frecuencia en ambas configuraciones.
Sin embargo, las ventajas del analizador láser de oxígeno se aprovechan mucho mejor cuando se monta in situ y se desplaza. De hecho, como hemos visto anteriormente, la purga permanente de la óptica permite realizar análisis directos, sin mantenimiento y con un tiempo de respuesta muy corto. Sin embargo, también hay que prestar atención a la posible presencia de vibraciones de baja frecuencia, que podrían perturbar la alineación de la óptica.
Por último, el analizador electroquímico de oxígeno se utiliza casi exclusivamente en entornos protegidos en modo extractivo.
Criterio nº 4: ¿Qué analizador de oxígeno debe elegirse en función de los servicios disponibles in situ?
Dependiendo de la tecnología utilizada, un analizador de oxígeno puede necesitar servicios como una fuente de alimentación o gas de referencia.
Por lo tanto, a la hora de elegir una tecnología de análisis, es importante considerar detenidamente tanto las necesidades del analizador de gases como las utilidades de que puede disponer.
Excepto en el caso de un instrumento portátil equipado con una batería, un analizador de oxígeno siempre requiere una fuente de alimentación.
En la mayoría de los casos, puede conectarse directamente a la red local de CA (115-230 VCA), pero necesitará un convertidor si el aparato se alimenta con tensión continua (normalmente 24 VCC).
Por tanto, en la mayoría de los proyectos, sea cual sea la tecnología utilizada, es necesario encaminar una fuente de alimentación adecuada hasta el punto de instalación del analizador de oxígeno.
Sin embargo, los gases necesarios difieren de una tecnología a otra.
Todos los analizadores de oxígeno necesitarán gases patrón para calibrar su cero y su span, a intervalos más o menos frecuentes en función de la tecnología.
Los analizadores de gases paramagnéticos y electroquímicos deberán recalibrarse diaria, semanal o incluso mensualmente, en función de la deriva de medición que se desee permitir y, por tanto, de la precisión de medición que se desee mantener. Para ello, deberán instalarse "permanentemente" botellas de gas patrón, tanto si se utiliza la calibración manual como la automática con un sistema específico de inyección de gas mediante electroválvulas.
Para estas dos tecnologías, el gas de calibración del cero debe ser un gas sin oxígeno: lo más frecuente es el nitrógeno puro. Sin embargo, también es posible una mezcla que contenga una base de nitrógeno y algunas ppm de otro componente utilizado para calibrar un segundo analizador.
Por ejemplo, si la instalación está equipada con un analizador de infrarrojos que mide CO (monóxido de carbono) entre 0 y 1000 ppm, y un analizador paramagnético de oxígeno que mide entre 0 y 21%, la misma botella que contiene 900 ppm de CO en nitrógeno puede utilizarse tanto para la calibración cero de oxígeno como para la calibración span de CO.
Sea cual sea la tecnología utilizada para el analizador de oxígeno, el gas de calibración span debe tener un contenido de oxígeno próximo al span completo del analizador. Si el intervalo de medición es de 0-21%, puede utilizarse, por ejemplo, una botella que contenga un 20% de oxígeno en nitrógeno.
Por razones de economía y facilidad de manejo, el aire ambiente suele utilizarse como gas de calibración. A baja altitud, el aire que respiramos contiene una cantidad estable de alrededor del 21% de oxígeno. Sin embargo, hay que prestar atención a las variaciones de altitud, por un lado, y de humedad del aire, por otro, para no correr el riesgo de distorsionar las mediciones mediante operaciones de calibración erróneas si el nivel de oxígeno varía por estos motivos.
También debe tenerse en cuenta que en el caso del analizador de oxígeno de óxido de circonio, y sólo en este caso, el gas de calibración cero no debe estar exento de oxígeno, sino que debe contener una pequeña cantidad de oxígeno. Si el analizador de oxígeno de óxido de circonio mide en una escala de 0 a 21%, el gas de calibración cero debe contener, por ejemplo, de 1 a 2% de oxígeno.
Los analizadores de oxígeno de óxido de circonio y los analizadores de oxígeno láser también suelen beneficiarse de una mayor estabilidad de calibración. Los periodos de calibración pueden llegar a ser de 6 meses, o incluso de un año en el caso de la tecnología láser. En este caso, no es necesariamente necesario mantener botellas patrón de gran capacidad permanentemente cerca del analizador. De vez en cuando puede utilizarse una botella más pequeña y portátil.
Además de los gases estándar, que como su nombre indica se utilizan para calibrar los analizadores, algunos analizadores de oxígeno también requieren la aplicación de un gas de referencia. Esto es especialmente cierto en el caso del analizador paramagnético con un caudalímetro másico micro. Para funcionar, necesita la inyección permanente de un pequeño flujo de nitrógeno o aire, en función de las escalas de medición seleccionadas.
Como hemos visto anteriormente, el analizador láser de oxígeno necesitará un gas de purga permanente para garantizar una metrología perfecta y la limpieza de las ópticas del transmisor y del receptor, si se trata de una versión cross-stack in situ. Dependiendo de la temperatura del gas de proceso, este gas de purga puede ser aire o nitrógeno.
Es muy importante prever estos requisitos de utilidades, en primer lugar porque son esenciales para el funcionamiento de los analizadores de oxígeno en cuestión. Si no se instalan antes de poner en servicio el instrumento, no será posible utilizarlo. En segundo lugar, la instalación de estos servicios suele representar un coste significativo en la fase primaria del proyecto, pero también un coste de funcionamiento que debe tenerse en cuenta a la hora de elegir el tipo de analizador de oxígeno.
Criterio nº 5: ¿Qué analizador de oxígeno debe elegirse en función del presupuesto asignado al proyecto?
Para cualquier proyecto, la fase de presupuestación es crucial. Los requisitos técnicos guían a los equipos de proyecto y a los departamentos de compras. Pero lo contrario también es cierto, ya que el presupuesto asignado al proyecto o módulo en cuestión también repercutirá en el margen de maniobra de que dispondrá el ingeniero para diseñar la solución necesaria.
Los costes que hay que tener en cuenta son los de compra y los de explotación.
Los costes de compra se componen a su vez de los costes asociados a la adquisición del analizador de oxígeno y de los costes asociados a los trabajos de instalación, puesta en marcha y familiarización con el nuevo equipo.
Los servicios necesarios para el funcionamiento del analizador de oxígeno también representan un coste de adquisición. Su instalación requerirá no sólo el suministro de equipos, sino también servicios de instalación. Éstos van desde la simple logística hasta trabajos de ingeniería civil y chapa metálica potencialmente pesados, que a menudo implican trabajos en altura que requieren el montaje de andamios.
El coste de adquisición de un analizador de oxígeno varía en función de la tecnología elegida. Los analizadores de oxígeno electroquímicos y de óxido de circonio suelen ser los menos caros. Le siguen los analizadores de oxígeno paramagnéticos, cuya tecnología es ligeramente más cara. Por último, los analizadores de oxígeno láser requieren un precio de compra más elevado.
Sin embargo, la planificación de proyectos a medio y largo plazo suele mostrar un reequilibrio de los presupuestos cuando se tienen en cuenta no sólo los costes de adquisición, sino también los de funcionamiento del analizador de oxígeno.
Por ejemplo, un analizador electroquímico de oxígeno que sea económicamente más atractivo en el momento de la compra tendrá un presupuesto de funcionamiento elevado porque requerirá la sustitución periódica de su célula de medición. También será necesario un mantenimiento más regular y potencialmente extenso para garantizar que el analizador se mantiene en perfectas condiciones de funcionamiento desde el punto de vista metrológico. En el caso de un analizador de oxígeno extractivo, los componentes de muestreo como filtros, bombas y secadores deberán revisarse o incluso sustituirse periódicamente. Esto se denomina mantenimiento preventivo, pero también puede ser correctivo.
El mismo nivel de mantenimiento del anal izador será necesario para los analizadores paramagnéticos de oxígeno con detección óptica (tipo mancuerna). Aunque la célula se considere permanente, es relativamente frágil y habrá que sustituirla en algún momento, con un coste relativamente elevado. El analizador paramagnético de oxígeno con micro caudalímetro másico, que es más robusto, no requiere la sustitución de la célula, sino la aplicación de un gas de referencia, cuyo coste de funcionamiento debe tenerse en cuenta en el cálculo global. Siempre utilizado en un sistema de análisis extractivo, los elementos de muestreo deben mantenerse de la misma manera.
Los analizadores de oxígeno de óxido de circonio in situ (analizadores instalados directamente en el proceso industrial, tubería, chimenea, horno, etc.) requieren muy poco mantenimiento. Es más, siempre que se elijan e instalen con cuidado, suelen ser robustos y suelen tener una larga vida útil.
Cuando se utiliza la tecnología de análisis de oxígeno de óxido de circonio en un analizador extractivo, esta misma robustez sigue siendo una ventaja en términos de reducción de las operaciones de mantenimiento, pero el sistema de muestreo sigue necesitando revisiones.
El analizador de oxígeno láser, si es de tipo extractivo, tendrá las mismas limitaciones y, por tanto, los mismos costes de mantenimiento que cualquier analizador de gas extractivo. Pero como su calibración es más estable, requerirá menos operaciones de calibración y, lógicamente, menos consumo de gas patrón.
Si el analizador de oxígeno Láser se monta in situ a ambos lados de una tubería, horno o chimenea, las operaciones de mantenimiento serán escasas y rápidas y el coste de la alimentación eléctrica insignificante, en comparación con una instalación de análisis extractivo, que suele consumir mucha electricidad. En cambio, el presupuesto de funcionamiento deberá incluir el coste del consumo continuo de gas de purga, ya sea nitrógeno o aire comprimido seco y desaceitado.
Una vez definidos los requisitos técnicos, es importanteevaluar no sólo el coste de adquisición e instalación del analizador de oxígeno, sino también los costes de funcionamiento. Estos estarán relacionados con el buen funcionamiento del equipo a lo largo del proyecto, e incluso al final del ciclo de vida del producto. Estos últimos componentes serán cada vez más elevados en los próximos años debido a la evolución del coste de la mano de obra, la energía y las materias primas.
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Nuestros expertos pueden asesorarle sobre el analizador de gases ideal.
En este artículo, hemos revisado y detallado los 5 criterios principales que deben tenerse en cuenta a la hora de elegir un analizador de oxígeno: la concentración de oxígeno buscada y el rendimiento metrológico requerido, la matriz de gas que debe analizarse, el entorno de medición, las utilidades requeridas y los costes relativos.
Aunque esta lista no es exhaustiva, sirve de base para un estudio multicriterio que oriente a los equipos de proyecto o a los responsables de operaciones hacia una solución adaptada a sus necesidades.
