L'industria automobilistica, chimica, petrolchimica e metallurgica, la ricerca scientifica e medica, la produzione di energia e la protezione dell'ambiente sono solo alcuni dei principali settori che richiedono un'ampia gamma di tecnologie, in particolare in termini di strumentazione eanalisi dei gas.
Queste includono industrie tradizionali, dalla lavorazione degli alimenti al cemento e alla raffinazione. Siamo sempre più coinvolti in nuovi settori energetici, come la metanizzazione e le celle a combustibile, solo per citarne alcuni.
Le nuove attività richiedono spesso tecnologie di misura innovative e più efficienti. Allo stesso tempo, le nostre industrie tradizionali si evolvono rapidamente per tenere il passo. Al crocevia, le tecnologie di strumentazione e analisi dei gas disponibili sul mercato sono altrettanto varie.
Tecnologie per la misurazione dell'ossigeno gassoso
L'analisi dei gas è uno degli strumenti del vasto campo della strumentazione industriale. Oggi gli analizzatori di gas sono presenti in ogni settore. Svolgono un ruolo attivo nell'aumentare i livelli di qualità della produzione e nell'ottimizzare l'efficienza dei processi industriali. La posta in gioco è generalmente sia economica che ecologica.
Gli analizzatori di ossigeno sono di gran lunga gli analizzatori di gas più utilizzati nell'industria e nella ricerca. Tuttavia, le tecnologie utilizzate e i metodi di implementazione variano notevolmente da un'applicazione all'altra.
Negli ultimi vent'anni queste tecnologie hanno fatto notevoli progressi. In questa sede passiamo in rassegna i principi di misurazione dell'ossigeno più utilizzati oggi nell'industria e nella ricerca. Indicheremo i vantaggi e gli svantaggi di ciascuna tecnologia di analisi dell'ossigeno.
Le tecnologie di misurazione dell'ossigeno più comunemente utilizzate sono :
Esistono infatti due principi di rilevamento distinti e quindi due tipi altrettanto diversi di analizzatori paramagnetici di ossigeno.
Ma ognuno sfrutta, come suggerisce il nome, la proprietà "paramagnetica", o "suscettibilità magnetica", della molecola di ossigeno.
Analizzatore di ossigeno paramagnetico con rilevamento ottico
Gli analizzatori di ossigeno paramagnetici di tipo Dumbbell utilizzano la rilevazione ottica. Le piccole sfere del manubrio sono riempite di azoto (N2). Quando l'ossigeno entra nella cella attraverso un campo magnetico, il manubrio tende a ruotare e lo specchio situato al centro dell'asse restituisce un segnale luminoso diverso da quello a riposo. Una volta elaborata, questa differenza di segnale è proporzionale alla pressione parziale dell'ossigeno nella cella e quindi, una volta calibrato l'analizzatore, alla concentrazione di ossigeno in % in volume.
I vantaggi dell'analizzatore di ossigeno paramagnetico con rilevamento ottico:
Questo metodo gode di un'ottima reputazione.
L'analizzatore di ossigeno paramagnetico con rilevamento ottico è spesso richiesto dalle normative locali o dalle aziende.
La cella è compatta.
Si tratta di uno strumento metrologico ad alte prestazioni, con pochissime interferenze da parte di altri composti gassosi.
Svantaggi dell 'analizzatore di ossigeno paramagnetico con rilevamento ottico:
Tuttavia, è relativamente fragile a causa dell'assemblaggio meticoloso dei manubri.
Costoso da acquistare e sostituire in caso di danni accidentali.
Analizzatore di ossigeno paramagnetico con microflussometro di massa
Quando il campione di gas viene posto in un campo magnetico, le molecole di ossigeno vengono attratte. Ciò produce una pressione che viene rilevata da un microflussimetro di massa.
I vantaggi dell'analizzatore di ossigeno paramagnetico con microflussimetro di massa :
L'analizzatore paramagnetico di ossigeno con microflussimetro di massa è rinomato per la sua robustezza, in quanto non vi è alcun contatto tra l'elemento sensibile e il gas da misurare, né parti in movimento.
È anche veloce.
Soffre poco di interferenze incrociate.
Beneficia di un'ampia scala dinamica.
Svantaggi dell'analizzatore di ossigeno paramagnetico con microflussimetro di massa :
L'analizzatore paramagnetico di ossigeno con microflussimetro, invece, richiede l'uso permanente di un gas di riferimento (spesso azoto).
La cella elettrochimica O2 è una sorta di cella a combustibile. L'ossigeno presente nel campione da analizzare viene diffuso attraverso il diaframma. Una corrente scorre tra i due elettrodi attraverso un elettrolita. Passa anche attraverso un resistore e un termistore, attraverso i quali viene misurata una tensione. Questa tensione è proporzionale alla concentrazione di ossigeno.
I vantaggi degli analizzatori elettrochimici di ossigeno :
Robusto.
Compatto.
Poco costoso.
Non è soggetto a interferenze grazie all'elettrolita acido utilizzato.
Svantaggi degli analizzatori elettrochimici di ossigeno :
La cella elettrochimica di ossigeno ha lo svantaggio di degradarsi con l'uso. Pertanto, deve essere sostituita periodicamente.
Che cos'è un analizzatore di ossigeno in zirconia?
L'analizzatore di ossigeno in zirconia sfrutta la particolarità dell'ossido di zirconio (ZrO2) che, se riscaldato ad alta temperatura, si comporta come un elettrolita solido nei confronti degli ioni di ossigeno. Se gli elettrodi di platino collegati a ciascun lato dell'elettrolita solido sono esposti a una diversa pressione parziale di ossigeno su ciascun lato, si verifica una reazione elettrochimica e si raccoglie una forza elettromotrice sugli elettrodi.
Da un punto di vista microscopico, questa reazione elettrochimica avviene alla triplice interfaccia tra l'elettrolita solido, l'elettrodo e l'ossigeno.
Lato alta pressione parziale: O2 + 4e- >> 2O2- (ionizzazione)
La forza elettromotrice generata (E) soddisfa l'equazione di Nernst.
I vantaggi dell'analizzatore di ossigeno in zirconia :
La sua robustezza è stata provata e testata per decenni.
L'analizzatore di ossigeno in zirconia è preciso e stabile, con intervalli di calibrazione fino a 6 mesi o addirittura un anno.
L'elemento sensibile non è un materiale di consumo e ha una durata di vita fino a 5 o addirittura 10 anni.
Il costo della soluzione è relativamente basso.
L'elemento sensibile è regolato ad alta temperatura (800°C), quindi può essere utilizzato per analizzare gas freddi e caldi e umidi.
Svantaggi dell'analizzatore di ossigeno in zirconia :
Lo svantaggio della tecnologia riscaldata è che l'analizzatore deve essere in grado di dissipare il suo calore. La versione estrattiva è meno facile da inserire in un analizzatore multigas e spesso è oggetto di una piccola scatola esterna, da montare separatamente all'interno del sistema.
A causa della tecnologia stessa, basata sulla ionizzazione ad alta temperatura, non è possibile utilizzare un analizzatore di ossigeno allo zirconio per misurare la concentrazione di ossigeno in un gas combustibile.
Che cos'è un analizzatore laser di ossigeno?
Gli analizzatori laser sono più precisamente noti come analizzatori a diodo laser sintonizzabile (TDL). Si tratta di uno strumento ottico che utilizza un raggio laser a infrarossi emesso da un trasmettitore e diretto verso un ricevitore. La tecnica di misurazione si basa sull'assorbimento della luce da parte delle molecole di gas presenti tra il trasmettitore e il ricevitore.
La maggior parte dei gas assorbe la luce a determinate lunghezze d'onda e l'assorbimento è una funzione diretta della concentrazione del gas.
La lunghezza d'onda del laser viene analizzata su una determinata linea di assorbimento, specifica per la molecola in questione, evitando così praticamente qualsiasi interferenza da parte di altre molecole presenti. La concentrazione di gas misurata è quindi proporzionale all'ampiezza della linea di assorbimento.
I vantaggi degli analizzatori laser di ossigeno :
L'analizzatore di ossigeno laser offre prestazioni ineguagliabili, in particolare in termini di stabilità di calibrazione, gamma dinamica e interferenze incrociate.
La versione in situ ha il vantaggio di non avere alcuna parte a contatto con il gas da misurare. È quindi possibile analizzare gas, ad esempio, umidi e/o molto polverosi.
Infine, ma non meno importante, è robusto perché non ci sono parti in movimento.
Svantaggi dell'analizzatore laser :
Il principale svantaggio degli analizzatori laser di ossigeno è il loro prezzo. Sebbene questa tecnologia sia diventata molto più disponibile negli ultimi 25 anni, rimane un'alternativa costosa alle tecniche più tradizionali.
Nella versione in situ, deve anche essere permanentemente spurgato con un gas privo di ossigeno. Di solito si tratta di azoto. Tranne che alle alte temperature, quando la linea di assorbimento analizzata è specifica al di sopra di una certa temperatura.
Studiamo insieme le vostre esigenze e scegliamo l'analizzatore di ossigeno ideale.
Abbiamo studiato le quattro tecnologie per la misurazione dell'ossigeno gassoso e presentato i vantaggi e gli svantaggi di ciascuna. Naturalmente, a seconda dell'uso previsto, dei budget stanziati e delle competenze dei team, l'una o l'altra sarà più appropriata. La scelta dell'analizzatore di ossigeno ideale sarà quindi sistematicamente oggetto di uno studio multicriterio.
