I en tidligere artikkel med tittelen "Slik fungerer en oksygenanalysator" beskrev og forklarte vi prinsippene for de teknologiene som oftest brukes i gassanalyse for å bestemme oksygenkonsentrasjonen i en gassblanding.
Vi har vurdert følgende teknologier for oksygenmåling:
Avhengig av hvilken målemetode som brukes, har hver oksygenanalysator sine fordeler og ulemper. Vi beskrev også fordelene og ulempene ved hver enkelt teknologi i forrige artikkel.
Oksygenanalysatorer er de mest brukte gassanalysatorene innen industri og forskning. Bruksområdene er derfor svært mangfoldige. En oksygenanalysator brukes når det er viktig å måle oksygenkonsentrasjonen for å garantere kvaliteten, sikkerheten eller effektiviteten til et produkt eller en prosess.
Oksygenanalysatorer brukes for eksempel til å overvåke pusteluften i cockpiten på fly, til å regulere forbrenningen i avfallsforbrenningsanlegg, til å måle oksygenmengden i vakuumpakket mat eller til å forebygge eksplosjonsfare ved å måle oksygeninnholdet i oljetanker.
Alle disse bruksområdene krever ulike regler og metoder for installasjon av måleinstrumenter.
Når du kjenner til de ulike oksygenanalyseteknologiene som finnes på markedet, er neste trinn å velge riktig oksygenanalysator for ditt bruksområde. Formålet med denne artikkelen er å liste opp og beskrive kriteriene som må vurderes når du skal ta dette valget.
Kriterium nr. 1: Oksygenkonsentrasjonsnivå og ytelse
Kriterium nr. 2: Den generelle sammensetningen av gassblandingen som skal analyseres
Kriterium nr. 3: Omgivelsesforhold og installasjonsbegrensninger
Kriterium nr. 4: Tilgjengelig utstyr på stedet
Kriterium nr. 5: Tildelte budsjetter
Valget av oksygenanalysator med hensyn til teknologi om bord vil særlig avhenge av oksygenkonsentrasjonen i gassblandingen som skal analyseres, og hvilken måleytelse som kreves.
For svært lave oksygennivåer (under 1 %, eller på ppm-nivå, for "parts per million") er det ofte nødvendig med analyse ved hjelp av gasskromatografi, men noen elektrokjemiske oksygenanalysatorer, oksygenanalysatorer med zirkoniumoksid og noen laser-oksygenanalysatorer kan også gjøre dette.
For høyere oksygennivåer (fra 1 til 21 %, eller enda høyere) er den mest brukte oksygenanalysatoren den paramagnetiske oksygenanalysatoren. Zirkonia-oksygenanalysatorer og elektrokjemiske oksygenanalysatorer er også mye brukt til å måle oksygennivåer mellom 0 % og 25 %.
Det er viktig å velge riktig teknologi for å sikre nøyaktige og pålitelige målinger for det aktuelle oksygenkonsentrasjonsnivået.
Hver teknologi har også sine egne spesifikke egenskaper når det gjelder metrologisk ytelse.
Og selv om målenøyaktighetene er relativt like, er det verdt å merke seg at laseroksygenanalysatoren skiller seg ut med en svært fin oppløsning og et større dynamisk område enn konkurrerende teknologier. Senere i denne artikkelen skal vi også se nærmere på denne teknologiens større kalibreringsstabilitet og fordelene dette gir brukeren.
De vanligste oksygenanalysatorene som brukes til å måle oksygen i røykgasser, for eksempel i forbindelse med utslippskontroll, er imidlertid fortsatt de som bruker zirkoniumoksid og paramagnetisk teknologi. Derfor er de aller fleste oksygenanalysatorer som er QAL1-sertifisert av TÜV for disse bruksområdene, basert på disse teknologiene.
Ved valg av oksygenanalysator er det viktig å ta hensyn til den totale sammensetningen av gassblandingen som analyseres, i tillegg til selve oksygenkonsentrasjonen.
Paramagnetiske gassanalysatorer og lasergassanalysatorer er kjent for å være de mest "gassmatriseuavhengige". Laser- og paramagnetiske teknologier er med andre ord minst følsomme for kryssinterferens. I de aller fleste tilfeller vil målingene til en paramagnetisk gassanalysator og en lasergassanalysator ikke påvirkes av tilstedeværelsen av andre gassforbindelser i blandingen.
Derimot bør man unngå å bruke en oksygenanalysator av zirkoniumoksid når blandingen som analyseres inneholder store mengder svovelforbindelser, og også hvis den er brannfarlig. I det første tilfellet vil zirkoniumdioksidsensoren bli for tidlig degradert, og i det andre tilfellet vil målingen bli fullstendig blokkert.
Det lønner seg også å velge en laser oksygenanalysator for korrosive gassblandinger, forutsatt at lasergassanalysatoren er av typen in situ through. I dette tilfellet er det ingen kontakt mellom den korrosive gassblandingen som skal analyseres og analysatorkomponentene, som er beskyttet av en luft- eller nitrogenrensing.
I tillegg til at gassblandingen som skal analyseres, kan være korrosiv, kan den også være tungt lastet med faste partikler. De mest tradisjonelle gassanalysatorene, som paramagnetiske eller elektrokjemiske oksygenanalysatorer, bør også unngås, ettersom de vanligvis er konstruert for å ta imot gasser som er kjent for å være rene. På den annen side vil de spesielle egenskapene til såkalte gjennomstrømningslasergassanalysatorer også her gjøre det mulig å foreta målinger i en svært støvete gassmatrise.
Når du skal velge en oksygenanalysator for en gitt applikasjon, er miljøet og installasjonsbegrensningene det viktigste kriteriet å ta hensyn til.
Det første steget er å bestemme seg for om man skal installere en ekstraktiv oksygenanalysator eller en in situ-oksygenanalysator. Vi har tidligere utarbeidet et verktøy i form av en karusell som viser hvilke elementer som bør vurderes når man skal velge mellom en in situ- og en ekstraktiv gassanalysator: Se karusellen.
Karusell5 viktige kriterier for å velge mellom in situ- og ekstraktiv gassanalyse
Last ned karusellen og velg den gassanalysatoren som passer best til din industrielle applikasjon!
En av disse konfigurasjonene vil bli foretrukket ut fra plass- og tilgjengelighetskriterier, miljøforhold, ytelseskrav, vedlikehold, budsjett og løsningens livssyklus.
Generelt sett er en in-situ oksygenanalysator å foretrekke når det er lite plass tilgjengelig i nærheten av målepunktet. Man må imidlertid ta hensyn til omgivelsesforholdene på målestedet. Det kan for eksempel dreie seg om vibrasjoner, temperatur, eksplosjonsfarlige områder eller tilstedeværelsen av et sterkt magnetfelt.
De fleste oksygenanalyseteknologier finnes i in situ- og ekstraktive versjoner.
Noen av disse teknologiene er imidlertid bedre egnet til den ene eller den andre av disse konfigurasjonene.
Den paramagnetiske analysatoren med optisk deteksjon er bedre egnet til en ekstraktiv konfigurasjon, særlig fordi vektstanganalysatoren krever spesiell forsiktighet når det gjelder måleomgivelsene. For eksempel kan vibrasjonene i industriprosessen unngås ved å flytte analysatoren bort fra målepunktet, noe som er ekstraktivt.
Zirkoniumoksidanalysatoren og laseroksygenanalysatoren brukes ofte i begge konfigurasjoner.
Fordelene med laseroksygenanalysatoren utnyttes imidlertid mye bedre når den er montert in situ og traverserende. Som vi så ovenfor, muliggjør den permanente rensingen av optikken direkte, vedlikeholdsfri analyse med svært kort responstid. Man må imidlertid også være oppmerksom på at det kan forekomme lavfrekvente vibrasjoner som kan forstyrre justeringen av optikken.
Endelig brukes den elektrokjemiske oksygenanalysatoren nesten utelukkende i beskyttede miljøer i ekstraktiv modus.
Avhengig av hvilken teknologi som brukes, kan en oksygenanalysator kreve tilleggsutstyr som strømforsyning eller referansegass.
Når man skal velge analyseteknologi, er det derfor viktig å tenke nøye gjennom både gassanalysatorens behov og hvilke hjelpemidler som kan stilles til rådighet.
Med unntak av bærbare instrumenter med batteri, krever en oksygenanalysator alltid strømtilførsel.
Den kan som regel kobles direkte til det lokale strømnettet (115-230 VAC), men krever en omformer hvis enheten drives av likestrøm (vanligvis 24 VDC).
I de fleste prosjekter er det derfor nødvendig å sørge for en egnet strømforsyning til installasjonsstedet for oksygenanalysatoren, uansett hvilken teknologi som brukes.
Hvilke gasser som kreves, varierer imidlertid fra en teknologi til en annen.
Alle oksygenanalysatorer trenger standardgasser for å kalibrere nullpunkt og span, med mer eller mindre hyppige intervaller avhengig av teknologien.
Paramagnetiske og elektrokjemiske gassanalysatorer må rekalibreres daglig, ukentlig eller til og med månedlig, avhengig av hvor stor måledrift du ønsker å tillate, og dermed hvor nøyaktig måling du ønsker å opprettholde. Flasker med standardgass må da installeres "permanent", enten du bruker manuell eller automatisk kalibrering med et dedikert system for gassinjeksjon via magnetventiler.
For disse to teknologiene bør nullkalibreringsgassen være en oksygenfri gass, som oftest rent nitrogen. Det er imidlertid også mulig å bruke en blanding som inneholder en nitrogenbase og noen få ppm av en annen komponent som brukes til å kalibrere en annen analysator.
Hvis installasjonen for eksempel er utstyrt med en infrarød analysator som måler CO (karbonmonoksid) mellom 0 og 1000 ppm, og en paramagnetisk oksygenanalysator som måler mellom 0 og 21 %, kan den samme flasken som inneholder 900 ppm CO i nitrogen, brukes til både oksygennullkalibrering og CO-spennkalibrering.
Uansett hvilken teknologi som brukes til oksygenanalysatoren, bør kalibreringsgassen ha et oksygeninnhold som ligger nær analysatorens fulle måleområde. Hvis måleområdet er 0-21 %, kan man for eksempel bruke en flaske som inneholder 20 % oksygen i nitrogen.
Av hensyn til økonomi og brukervennlighet brukes ofte omgivelsesluft som kalibreringsgass. I lave høyder inneholder luften vi puster inn en stabil mengde på rundt 21 % oksygen. Man bør imidlertid være oppmerksom på variasjoner i høyde over havet og i luftfuktighet, slik at man ikke risikerer å forvrenge målingene ved feilkalibrering hvis oksygennivået varierer av disse grunnene.
Det er også viktig å merke seg at nullkalibreringsgassen ikke må være oksygenfri, men må inneholde en liten mengde oksygen når det gjelder oksygenanalysatoren for zirkoniumoksid, og bare i dette tilfellet. Hvis oksygenanalysatoren måler på en skala fra 0 til 21 %, bør nullkalibreringsgassen for eksempel inneholde 1 til 2 % oksygen.
Zirconia-oksygenanalysatorer og laseroksygenanalysatorer har også ofte større kalibreringsstabilitet. Kalibreringsperiodene kan være så lange som 6 måneder, eller til og med et år når det gjelder laserteknologi. I slike tilfeller er det ikke nødvendigvis nødvendig å oppbevare standardflasker med stor kapasitet i nærheten av analysatoren. En mindre, bærbar flaske kan brukes fra tid til annen.
I tillegg til standardgasser, som, som navnet antyder, brukes til å kalibrere analysatorer, krever noen oksygenanalysatorer også bruk av en referansegass. Dette gjelder spesielt paramagnetiske analysatorer med mikromassestrømningsmåler. For at den skal fungere, trenger den en permanent injeksjon av en liten mengde nitrogen eller luft, avhengig av hvilken måleskala som er valgt.
Som vi så tidligere, trenger laseroksygenanalysatoren en permanent spylegass for å garantere perfekt metrologi og renhet i sender- og mottakeroptikken, hvis det dreier seg om en in situ-versjon. Avhengig av prosessgasstemperaturen kan denne spylegassen være luft eller nitrogen.
Det er svært viktig å forutse disse kravene, først og fremst fordi de er avgjørende for driften av oksygenanalysatorene. Hvis de ikke er installert før instrumentet tas i bruk, vil det ikke være mulig å bruke det. For det andre representerer installasjonen av disse verktøyene ofte en betydelig kostnad i prosjektets primærfase, men også en driftskostnad som må tas med i betraktningen når man velger type oksygenanalysator.
Budsjettfasen er avgjørende for ethvert prosjekt. Det er de tekniske kravene som styrer prosjektteamene og innkjøpsavdelingene. Men det omvendte gjelder også, for budsjettet som er satt av til prosjektet eller modulen, vil også påvirke hvilket handlingsrom ingeniøren har til å designe den løsningen som kreves.
Kostnadene som skal tas i betraktning er innkjøpskostnader og driftskostnader.
Selve innkjøpskostnadene består av kostnadene for innkjøp av oksygenanalysatoren og kostnadene for installasjonsarbeid, igangkjøring og familiarisering med det nye utstyret.
Verktøyene som kreves for å betjene oksygenanalysatoren, representerer også en innkjøpskostnad. Installasjonen krever ikke bare levering av utstyr, men også installasjonstjenester. Dette spenner fra enkel logistikk til potensielt tungt anleggs- og metallarbeid, som ofte innebærer arbeid i høyden og krever bygging av stillas.
Kostnadene ved å kjøpe en oksygenanalysator varierer avhengig av hvilken teknologi som velges. Elektrokjemiske oksygenanalysatorer og oksygenanalysatorer med zirkoniumdioksid er generelt de rimeligste. Deretter kommer paramagnetiske oksygenanalysatorer, som har en litt dyrere teknologi. Til slutt kommer laser-oksygenanalysatorer, som krever en høyere innkjøpspris.
Ved prosjektplanlegging på mellomlang til lang sikt vil det imidlertid ofte være mulig å balansere budsjettene når ikke bare innkjøpskostnadene, men også driftskostnadene for oksygenanalysatoren tas med i beregningen.
For eksempel vil en elektrokjemisk oksygenanalysator som er økonomisk mer attraktiv på kjøpstidspunktet, ha et høyt driftsbudsjett fordi den krever regelmessig utskifting av målecellen. Det vil også være nødvendig med mer regelmessig og potensielt omfattende vedlikehold for å sikre at analysatoren forblir i perfekt driftstilstand fra et måleteknisk synspunkt. Når det gjelder en ekstraktiv oksygenanalysator, må prøvetakingskomponenter som filtre, pumper og tørketromler vedlikeholdes eller til og med skiftes ut med jevne mellomrom. Dette kalles forebyggende vedlikehold, men det kan også være korrigerende.
Det samme vedlikeholdsnivået vil være nødvendig for paramagnetiske oksygenanalysatorer med optisk deteksjon (dumbbell-type). Selv om cellen anses som permanent, er den relativt skjør og må skiftes ut på et eller annet tidspunkt, til en relativt høy kostnad.
Den paramagnetiske oksygenanalysatoren med mikromassestrømningsmåler, som er mer robust, krever ikke utskifting av cellen, men bruk av en referansegass, og driftskostnadene for denne må tas med i beregningen. Prøvetakingselementene må alltid vedlikeholdes på samme måte når de brukes i et ekstraktivt analysesystem.
In situ-oksygenanalysatorer med zirkoniumoksid (analysatorer som installeres direkte på industriprosessen, røret, skorsteinen, ovnen osv.) krever svært lite vedlikehold. I tillegg er de ofte robuste og har vanligvis lang levetid, forutsatt at de velges og installeres med omhu.
Når oksygenanalyseteknologi med zirkoniumoksid brukes i en ekstraktiv analysator, er den samme robustheten en fordel når det gjelder å redusere vedlikeholdsbehovet, men prøvetakingssystemet må fortsatt vedlikeholdes.
Hvis laseroksygenanalysatoren er av ekstraktiv type, vil den ha de samme begrensningene og dermed de samme vedlikeholdskostnadene som en ekstraktiv gassanalysator. Men fordi kalibreringen er mer stabil, vil den kreve færre kalibreringsoperasjoner og logisk nok mindre forbruk av standardgass.
Hvis laseroksygenanalysatoren er montert in situ på hver side av et rør, en ovn eller en skorstein, vil vedlikeholdsoperasjoner være sjeldne og raske, og kostnadene for strømforsyningen er ubetydelige, sammenlignet med en ekstraktiv analyseinstallasjon, som ofte bruker mye strøm. På den annen side må driftsbudsjettet ta høyde for løpende forbruk av spylegass, enten det er nitrogen eller tørket og avoljet trykkluft.
Når de tekniske kravene er definert, er det viktig åvurdere ikke bare kostnadene ved innkjøp og installasjon av oksygenanalysatoren, men også driftskostnadene. Disse vil være knyttet til driften av utstyret gjennom hele prosjektet, og til og med på slutten av produktets livssyklus. De sistnevnte komponentene vil bli stadig dyrere i årene som kommer, på grunn av endringer i arbeids-, energi- og råvarekostnadene.
