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In un precedente articolo intitolato "Come funziona un analizzatore di ossigeno", abbiamo descritto e spiegato in dettaglio i principi delle tecnologie più utilizzate nell'analisi dei gas per determinare la concentrazione di ossigeno in una miscela gassosa.
Abbiamo infatti esaminato le seguenti tecnologie di misurazione dell'ossigeno:
A seconda del metodo di misurazione utilizzato, ogni analizzatore di ossigeno presenta vantaggi e svantaggi. Abbiamo anche descritto nell'articolo precedente quali sono i vantaggi e gli svantaggi di ciascuna tecnologia.
L'analizzatore di ossigeno è l'analizzatore di gas più utilizzato nell'industria e nella ricerca. Il ventaglio di applicazioni è quindi estremamente diversificato. Infatti, un analizzatore di ossigeno viene utilizzato ogni volta che la misurazione della concentrazione di ossigeno è importante per garantire la qualità, la sicurezza o l'efficienza di un prodotto o di un processo.
Gli analizzatori di ossigeno vengono utilizzati, ad esempio, per controllare l'aria respirabile nella cabina di pilotaggio di un aereo, per regolare la combustione di un inceneritore di rifiuti, per misurare la quantità di ossigeno negli imballaggi alimentari sottovuoto o ancora per prevenire i rischi di esplosione misurando il contenuto di ossigeno nei serbatoi di stoccaggio del petrolio.
Si tratta di applicazioni che richiedono regole e metodi di implementazione diversi per gli strumenti di misurazione.
Una volta acquisite le informazioni sulle diverse tecnologie di analisi dell'ossigeno disponibili sul mercato, il passo successivo consiste nello scegliere l'analizzatore di ossigeno più adatto alla propria applicazione. Lo scopo di questo articolo è elencare e descrivere i criteri da valutare per effettuare questa scelta.
Criterio n. 1: Livello di concentrazione dell'ossigeno e prestazioni
Criterio n. 2: Composizione complessiva della miscela gassosa da analizzare
Criterio n. 3: Condizioni ambientali e vincoli di installazione
Criterio n. 4: Servizi disponibili in loco
Criterio n. 5: Budget stanziati
La scelta dell'analizzatore di ossigeno in termini di tecnologia integrata dipenderà in particolare dal livello di concentrazione di ossigeno nella miscela gassosa da analizzare e dalle prestazioni di misurazione richieste.
Per livelli di ossigeno molto bassi (inferiori all'1% o a livello di ppm, ovvero "parti per milione"), sarà spesso necessaria un'analisi mediante gascromatografia, ma anche alcuni analizzatori di ossigeno elettrochimici, analizzatori di ossigeno allo zirconio e alcuni analizzatori di ossigeno laser sono in grado di eseguire tale analisi.
Per livelli di ossigeno più elevati (da 1 a 21% o anche oltre), l'analizzatore di ossigeno più utilizzato è l'analizzatore di ossigeno paramagnetico. Anche l'analizzatore di ossigeno allo zirconio e l'analizzatore di ossigeno elettrochimico sono molto diffusi per misurare i livelli di ossigeno compresi tra lo 0% e il 25%.
È importante scegliere la tecnologia giusta per garantire misurazioni accurate e affidabili in base al livello di concentrazione di ossigeno in questione.
Ogni tecnologia presenta le proprie specificità anche in termini di prestazioni metrologiche.
Sebbene le precisioni di misurazione siano relativamente simili, è importante sottolineare che l'analizzatore di ossigeno laser si distingue per la sua risoluzione molto elevata e una dinamica di scala più ampia rispetto alle tecnologie concorrenti. Più avanti in questo articolo vedremo anche la maggiore stabilità di calibrazione di questa tecnologia e i vantaggi che ciò comporta per l'utente.
Tuttavia, gli analizzatori di ossigeno più comunemente utilizzati per le misurazioni dell'ossigeno nei fumi a fini normativi, ad esempio nel controllo delle emissioni atmosferiche, rimangono quelli che utilizzano le tecnologie allo zirconio e paramagnetica. Per questo motivo, la stragrande maggioranza degli analizzatori di ossigeno certificati QAL1 dal TÜV per queste applicazioni si basa su queste tecnologie.
Quando si sceglie un analizzatore di ossigeno, oltre al livello di concentrazione dell'ossigeno stesso, è importante tenere conto della composizione complessiva della miscela gassosa analizzata.
Gli analizzatori di gas paramagnetici e gli analizzatori di gas laser sono noti per essere i più "indipendenti dalla matrice gassosa". In altre parole, le tecnologie laser e paramagnetiche sono le meno sensibili alle interferenze incrociate. Nella stragrande maggioranza delle applicazioni, le misurazioni di un analizzatore di gas paramagnetico e di un analizzatore di gas laser non saranno influenzate dalla presenza di questo o quel composto gassoso nella miscela.
Al contrario, l'uso di un analizzatore di ossigeno allo zirconio è da evitare quando la miscela analizzata contiene elevate quantità di composti solforati, ma anche se è infiammabile. Infatti, nel primo caso, il sensore allo zirconio si deteriorerebbe prematuramente, mentre nel secondo la misurazione sarebbe completamente inibita.
Sarà inoltre interessante scegliere un analizzatore di ossigeno laser in caso di miscele gassose corrosive, a condizione che l'analizzatore di gas laser sia di tipo in situ a passaggio diretto. In questo caso, non vi è alcun contatto tra la miscela gassosa corrosiva da analizzare e i componenti dell'analizzatore, poiché questi ultimi sono protetti da uno spurgo con aria o azoto.
Infine, oltre alla corrosività della miscela gassosa da analizzare, questa può anche essere fortemente carica di particelle solide. Gli analizzatori di gas più tradizionali, come gli analizzatori di ossigeno paramagnetici o elettrochimici, sono da evitare perché generalmente progettati per ricevere gas considerati puliti. Al contrario, anche in questo caso, le specificità dell'analizzatore di gas laser detto "traversante" consentono la misurazione in una matrice gassosa molto polverosa.
Quando si sceglie un analizzatore di ossigeno per una determinata applicazione, il criterio più delicato da valutare è sicuramente quello dell'ambiente e dei vincoli di installazione.
Si tratterà innanzitutto di valutare l'opportunità di installare un analizzatore di ossigeno estrattivo o un analizzatore di ossigeno in situ. Abbiamo precedentemente redatto, sotto forma di carosello, uno strumento che presenta gli elementi da considerare per scegliere tra un analizzatore di gas in situ e un analizzatore di gas estrattivo: Vedi il carosello.
CaroselloScarica il carosello e scegli l'analizzatore di gas adatto alla tua applicazione industriale!
Una delle due configurazioni sarà privilegiata in base a criteri quali ingombro e accessibilità, condizioni ambientali, prestazioni richieste, manutenibilità, budget e ciclo di vita della soluzione.
In generale, un analizzatore di ossigeno in situ sarà preferibile quando lo spazio disponibile in prossimità del punto di misurazione è limitato. Tuttavia, sarà necessario prestare attenzione alle condizioni ambientali nel punto di prelievo. Si tratta di vincoli in termini di vibrazioni, temperature, zone a rischio di esplosione o presenza di un forte campo magnetico.
La maggior parte delle tecnologie di analisi dell'ossigeno sono disponibili in versioni in situ ed estrattive.
Tuttavia, alcune di queste tecnologie sono più adatte all'una o all'altra di queste configurazioni.
L'analizzatore paramagnetico con rilevamento ottico di tipo a bilancieri è più adatto a una configurazione estrattiva, in particolare a causa dei suoi bilancieri che richiedono una particolare attenzione in termini di ambiente di misurazione. Ad esempio, si eviteranno le vibrazioni del processo industriale spostando l'analizzatore dal punto di misurazione, di fatto estrattivo.
L'analizzatore di ossigeno allo zirconio e l'analizzatore di ossigeno laser sono entrambi comunemente utilizzati in entrambe le configurazioni.
I vantaggi dell'analizzatore di ossigeno laser sono tuttavia sfruttati al meglio quando viene montato in situ e in posizione trasversale. Infatti, come abbiamo visto in precedenza, lo spurgo permanente delle ottiche consente un'analisi diretta, senza manutenzione e con tempi di risposta molto brevi. Tuttavia, è necessario prestare attenzione anche all'eventuale presenza di vibrazioni a bassa frequenza, che potrebbero disturbare l'allineamento delle ottiche.
Infine, l'analizzatore elettrochimico dell'ossigeno viene utilizzato quasi esclusivamente in ambienti protetti in modalità estrattiva.
A seconda della tecnologia utilizzata, un analizzatore di ossigeno può richiedere servizi quali alimentazione elettrica o gas di riferimento.
È quindi importante, al momento della scelta della tecnologia di analisi, verificare attentamente da un lato le esigenze dell'analizzatore di gas e dall'altro le utilità che potranno essere messe a disposizione.
Ad eccezione degli strumenti portatili dotati di batteria, gli analizzatori di ossigeno richiedono sempre un'alimentazione elettrica.
Nella maggior parte dei casi potrà essere collegato direttamente alla rete elettrica locale (115-230 VCA), ma richiederà un convertitore nel caso di un apparecchio alimentato a tensione continua (in genere 24 VCC).
Pertanto, nella maggior parte dei progetti, indipendentemente dalla tecnologia utilizzata, è necessario fornire un'alimentazione elettrica adeguata fino al punto di installazione dell'analizzatore di ossigeno.
D'altra parte, da una tecnologia all'altra, i gas necessari sono diversi.
Tutti gli analizzatori di ossigeno necessitano di gas di calibrazione per calibrare il loro zero e la loro scala, con frequenze più o meno ravvicinate a seconda della tecnologia.
Gli analizzatori di gas paramagnetici ed elettrochimici dovranno essere ricalibrati quotidianamente, settimanalmente o mensilmente, a seconda della deriva di misura che si desidera autorizzare e quindi della precisione di misura che si desidera mantenere. Le bombole di gas di calibrazione dovranno quindi essere installate "in modo permanente", sia che si lavori con la calibrazione manuale o automatica con un sistema dedicato di iniezione dei gas tramite elettrovalvole.
Per entrambe queste tecnologie, il gas di calibrazione zero dovrà essere un gas privo di ossigeno: nella maggior parte dei casi azoto puro. Tuttavia, sarà possibile anche utilizzare una miscela contenente una base di azoto e alcune ppm di un altro componente utilizzato per la calibrazione di un secondo analizzatore.
Ad esempio, se l'impianto è dotato di un analizzatore a infrarossi che misura il CO (monossido di carbonio) tra 0 e 1000 ppm e di un analizzatore di ossigeno paramagnetico che misura tra 0 e 21%, la stessa bombola contenente 900 ppm di CO in azoto potrà essere utilizzata sia per la calibrazione dello zero dell'ossigeno che per la calibrazione della scala del CO.
Indipendentemente dalla tecnologia utilizzata per l'analizzatore di ossigeno, il gas di calibrazione della scala dovrà avere un contenuto di ossigeno vicino al fondo scala dell'analizzatore. Se la scala di misura è 0-21%, potrà essere utilizzata, ad esempio, una bombola contenente il 20% di ossigeno in azoto.
Per ragioni sia economiche che di facilità di utilizzo, spesso si utilizza anche l'aria ambiente come gas di calibrazione della scala. Infatti, a bassa altitudine, l'aria che respiriamo contiene una quantità stabile di ossigeno pari a circa il 21%. Tuttavia, è necessario prestare attenzione alle variazioni di altitudine da un lato e di umidità dell'aria dall'altro, al fine di non rischiare di falsare le misurazioni con operazioni di calibrazione errate in caso di variazioni del tasso di ossigeno dovute a tali fattori.
Va inoltre notato che nel caso dell'analizzatore di ossigeno allo zirconio, e solo in questo caso, il gas di calibrazione zero non deve essere privo di ossigeno, ma deve contenerne una piccola quantità. Se l'analizzatore di ossigeno allo zirconio misura su una scala da 0 a 21%, il gas di calibrazione zero dovrà contenere, ad esempio, dall'1 al 2% di ossigeno.
L'analizzatore di ossigeno allo zirconio e l'analizzatore di ossigeno laser beneficiano inoltre spesso di una maggiore stabilità della calibrazione. Gli intervalli di calibrazione possono arrivare fino a 6 mesi, o addirittura un anno nel caso della tecnologia laser. In questo caso, non è necessariamente richiesto di mantenere bottiglie di calibrazione di grande capacità sempre nelle vicinanze dell'analizzatore. È possibile utilizzare una bottiglia di dimensioni più piccole, o addirittura portatile, solo quando necessario.
Oltre ai gas di calibrazione, che come suggerisce il nome servono per calibrare gli analizzatori, alcuni analizzatori di ossigeno richiedono anche l'applicazione di un gas di riferimento. È il caso, in particolare, dell'analizzatore paramagnetico con micro-misuratore di portata massica. Quest'ultimo, infatti, per funzionare necessita di un'iniezione permanente di una piccola portata di azoto o aria, a seconda delle scale di misura selezionate.
Per quanto riguarda l'analizzatore di ossigeno laser, come abbiamo visto in precedenza, avrà bisogno di un gas di spurgo permanente per garantire una metrologia perfetta e la pulizia delle ottiche dell'emettitore e del ricevitore, se è in versione in situ attraversante ("cross-stack"). A seconda delle temperature del gas di processo, questo gas di spurgo potrà essere aria o azoto.
È molto importante anticipare correttamente tali esigenze in termini di utilità, da un lato perché sono indispensabili per il funzionamento degli analizzatori di ossigeno in questione. Se le utilità non vengono implementate prima della messa in servizio dello strumento, quest'ultimo non potrà essere utilizzato. D'altra parte, l'installazione di queste utilità rappresenta spesso un costo non trascurabile nella fase iniziale del progetto, ma anche un costo operativo da tenere in considerazione nella scelta del tipo di analizzatore di ossigeno.
Per qualsiasi progetto, la fase di definizione del budget è fondamentale. I requisiti tecnici guidano i team di progetto e i reparti acquisti. Ma vale anche il contrario, poiché il budget assegnato al progetto o al modulo in questione avrà un impatto anche sulla libertà di cui disporrà l'ingegnere per progettare la soluzione ricercata.
I costi da considerare sono i costi di acquisto e i costi operativi.
I costi di acquisto comprendono i costi relativi all'acquisto dell'analizzatore di ossigeno e i costi relativi ai lavori di installazione, messa in servizio e formazione sull'uso delle nuove apparecchiature.
Anche le utenze necessarie al funzionamento dell'analizzatore di ossigeno rappresentano un costo di acquisto. La loro installazione richiederà non solo la fornitura di materiale, ma anche servizi di installazione. Questi vanno dalla semplice logistica a lavori potenzialmente pesanti di ingegneria civile, carpenteria metallica, spesso con lavori in quota che richiedono la costruzione di ponteggi.
Il costo di acquisto di un analizzatore di ossigeno varia a seconda della tecnologia scelta. Gli analizzatori di ossigeno elettrochimici e allo zirconio sono in genere i meno costosi. Seguono gli analizzatori di ossigeno paramagnetici, la cui tecnologia è leggermente più costosa. Infine, gli analizzatori di ossigeno laser richiedono budget di acquisto più elevati.
Tuttavia, la pianificazione a medio o lungo termine di un progetto mostrerà spesso un riequilibrio dei budget quando si tiene conto non solo dei costi di acquisto, ma anche dei costi di esercizio dell'analizzatore di ossigeno.
Ad esempio, un analizzatore di ossigeno elettrochimico più conveniente al momento dell'acquisto comporterà un budget operativo significativo, poiché richiederà la sostituzione regolare della sua cella di misurazione. Sarà inoltre necessaria una manutenzione più regolare e potenzialmente importante per garantire il mantenimento di condizioni operative impeccabili dal punto di vista metrologico. Trattandosi di un analizzatore di ossigeno di tipo estrattivo, gli elementi di campionamento come filtri, pompe o essiccatori dovranno essere sottoposti a manutenzione o addirittura sostituiti periodicamente. Si parla di manutenzione preventiva, ma anche correttiva.
Lo stesso livello di manutenzione sarà necessario per gli analizzatori di ossigeno paramagnetico con rilevamento ottico (tipo bilanciere). Anche se la cella è considerata permanente, è relativamente fragile e prima o poi dovrà essere sostituita, con un costo relativamente elevato.
L'analizzatore di ossigeno paramagnetico con micro-misuratore di portata massica, più robusto, non richiede la sostituzione della cella, ma l'applicazione di un gas di riferimento, il cui costo operativo deve essere preso in considerazione nel calcolo complessivo. Sempre utilizzati in un sistema di analisi estrattiva, gli elementi di campionamento dovranno essere sottoposti alla stessa manutenzione.
Gli analizzatori di ossigeno allo zirconio montati in situ (analizzatori installati direttamente sul processo industriale, sulla condotta, sul camino, sul forno...) richiedono pochissima manutenzione. Inoltre, se scelti e installati con cura, sono spesso robusti e hanno normalmente una lunga durata.
Quando la tecnologia di analisi dell'ossigeno con zirconio viene utilizzata in un analizzatore estrattivo, la stessa robustezza rimane un vantaggio in termini di riduzione delle operazioni di manutenzione, ma rimane comunque necessaria la manutenzione del sistema di campionamento.
L'analizzatore di ossigeno laser, se di tipo estrattivo, presenterà gli stessi vincoli e quindi gli stessi costi di manutenzione di qualsiasi analizzatore di gas estrattivo. Tuttavia, poiché la stabilità della sua calibrazione è maggiore, richiederà meno operazioni di taratura e, logicamente, un minor consumo di gas di calibrazione.
Se l'analizzatore di ossigeno laser è montato in situ su entrambi i lati di una conduttura, di un forno o di un camino, le operazioni di manutenzione saranno rare e rapide e il costo dell'alimentazione elettrica trascurabile rispetto a un impianto di analisi estrattiva, spesso molto energivoro. D'altra parte, il budget operativo dovrà includere il costo del consumo permanente di gas di spurgo, sia che si tratti di azoto o di aria compressa essiccata e disoleata.
Una volta definita l'esigenza tecnica, è quindi importantevalutare non solo i costi di acquisto e di installazione dell'analizzatore di ossigeno, ma anche i costi operativi. Questi ultimi saranno legati al corretto funzionamento dell'apparecchiatura per tutta la durata del progetto, o addirittura fino alla fine del ciclo di vita del prodotto. Questi ultimi componenti saranno inoltre sempre più elevati nei prossimi anni a causa dell'evoluzione dei costi della manodopera, dell'energia e delle materie prime.
In questo articolo abbiamo esaminato e descritto in dettaglio i 5 criteri principali da considerare nella scelta di un analizzatore di ossigeno: la concentrazione di ossigeno ricercata e le prestazioni metrologiche richieste, la matrice gassosa da analizzare, l'ambiente di misurazione, le utilità necessarie e i relativi costi.
Sebbene questo elenco non sia esaustivo, costituisce una base di studio multicriterio che consente di orientare i team di progetto o i responsabili operativi verso una soluzione adeguata alle loro esigenze.
| Criterio | Descrizione | Tecnologia consigliata |
| Livello di concentrazione e prestazioni | Tecnologia adattata in base ai livelli (ppm o % di ossigeno) e ai requisiti di precisione. | Laser per ppm, Paramagnetico/Zirconio per % |
| Composizione della miscela gassosa | Impatto dei gas interferenti sulla misurazione. | Laser/Paramagnetico per indipendenza dalla matrice |
| Condizioni ambientali e vincoli | Ambiente difficile (temperatura, vibrazioni) e spazio. | Zirconio per la robustezza, laser in situ per le vibrazioni |
| Utilità disponibili | Alimentazione elettrica e gas di calibrazione necessari. | Zirconio/Paramagnetico per configurazione estrattiva |
| Bilancio | Costo iniziale e costi operativi a lungo termine. | Elettrochimico per budget limitato, Laser per manutenzione ridotta |
Vincent MECKLER
Direttore tecnico – Esperto in analisi dei gas
