As indústrias automóvel, química, petroquímica e metalúrgica, a investigação científica e médica, a produção de energia e a proteção do ambiente são apenas alguns dos grandes sectores que recorrem a uma gama muito vasta de tecnologias, nomeadamente em termos de instrumentação eanálise de gases.
Estas incluem indústrias tradicionais, desde a transformação de alimentos até ao cimento e à refinação. Estamos cada vez mais envolvidos em novos sectores energéticos, como a metanização e as células de combustível, para citar apenas alguns.
As novas actividades exigem frequentemente tecnologias de medição inovadoras e mais eficientes. Ao mesmo tempo, as nossas indústrias tradicionais estão a evoluir rapidamente para acompanhar o ritmo. Na encruzilhada, as tecnologias de instrumentação e análise de gás disponíveis no mercado são igualmente variadas.
Tecnologias de medição do oxigénio gasoso
A análise de gases é uma das ferramentas no vasto domínio da instrumentação industrial. Atualmente, os analisadores de gases podem ser encontrados em todos os domínios. Desempenham um papel ativo no aumento dos níveis de qualidade da produção e na otimização da eficiência dos processos industriais. Os desafios são geralmente económicos e ecológicos.
Os analisadores de oxigénio são, de longe, os analisadores de gases mais utilizados na indústria e na investigação. Mas as tecnologias utilizadas e os métodos de implementação variam muito de uma aplicação para outra.
Estas tecnologias avançaram consideravelmente nas últimas duas décadas. Aqui analisamos os princípios de medição do oxigénio mais utilizados atualmente na indústria e na investigação. Apontaremos as vantagens e desvantagens de cada tecnologia de análise de oxigénio.
As tecnologias de medição de oxigénio mais utilizadas são :
Na realidade, existem dois princípios de deteção distintos e, por conseguinte, dois tipos igualmente diferentes de analisadores paramagnéticos de oxigénio.
Mas cada um deles explora, como o nome indica, a propriedade "paramagnética", ou "suscetibilidade magnética", da molécula de oxigénio.
Analisador paramagnético de oxigénio com deteção ótica
Os analisadores de oxigénio paramagnéticos do tipo haltere utilizam a deteção ótica. As pequenas esferas do haltere estão cheias de azoto (N2). Quando o oxigénio entra na célula através de um campo magnético, o haltere tende a rodar e o espelho situado no centro do eixo devolve um sinal luminoso diferente do sinal em repouso. Uma vez processada, esta diferença de sinal é proporcional à pressão parcial de oxigénio na célula e, portanto, uma vez calibrado o analisador, à concentração de oxigénio em % por volume.
Vantagens do analisador paramagnético de oxigénio com deteção ótica:
Este método tem uma reputação muito boa.
O analisador de oxigénio paramagnético com deteção ótica é muitas vezes exigido por regulamentos locais ou por profissões.
A célula é compacta.
É um instrumento metrológico de elevado desempenho, com muito pouca interferência de outros compostos gasosos.
Desvantagens do analisador paramagnético de oxigénio com deteção ótica:
É, no entanto, relativamente frágil devido à montagem meticulosa dos halteres.
Caro para comprar e substituir em caso de danos acidentais.
Analisador paramagnético de oxigénio com micro caudalímetro mássico
Quando a amostra de gás é colocada num campo magnético, as moléculas de oxigénio são atraídas. Isto produz uma pressão que é detectada por um microfluxómetro de massa.
Vantagens do analisador de oxigénio paramagnético com micro-medidor de caudal mássico :
O analisador de oxigénio paramagnético com microfluxómetro mássico é conhecido pela sua robustez, uma vez que não há contacto entre o elemento sensor e o gás a medir, nem peças móveis.
Também é rápido.
Sofre pouco com as interferências cruzadas.
Beneficia de uma grande escala dinâmica.
Desvantagens do analisador paramagnético de oxigénio com micro caudalímetro mássico :
O analisador paramagnético de oxigénio com microfluxómetro mássico, por outro lado, exige a utilização permanente de um gás de referência (frequentemente azoto).
A célula eletroquímica de O2 é um tipo de célula de combustível. O oxigénio presente na amostra a analisar difunde-se através do diafragma. Entre os dois eléctrodos circula uma corrente através de um eletrólito. Passa também por uma resistência e um termistor, através dos quais é medida uma tensão. Esta tensão é proporcional à concentração de oxigénio.
Vantagens dos analisadores electroquímicos de oxigénio :
Robusto.
Compacto.
Barato.
Não sujeito a interferências graças ao eletrólito ácido utilizado.
Desvantagens dos analisadores electroquímicos de oxigénio :
A célula eletroquímica de oxigénio tem a desvantagem de se degradar à medida que é utilizada. Por conseguinte, deve ser substituída periodicamente.
O que é um analisador de oxigénio de zircónio?
O analisador de oxigénio de z ircónio utiliza a caraterística especial do óxido de zircónio (ZrO2) que, quando aquecido a alta temperatura, se comporta como um eletrólito sólido em relação aos iões de oxigénio. Se os eléctrodos de platina ligados a cada lado do eletrólito sólido forem expostos a uma pressão parcial de oxigénio diferente em cada lado, ocorre uma reação eletroquímica e é recolhida uma força eletromotriz nos eléctrodos.
De um ponto de vista microscópico, esta reação eletroquímica ocorre na tripla interface entre o eletrólito sólido, o elétrodo e o oxigénio.
Lado de alta pressão parcial: O2 + 4e- >> 2O2- (ionização)
Lado de baixa pressão parcial: 2O2- >> O2 + 4e- (molecularização)
A força eletromotriz gerada (E) satisfaz a equação de Nernst.
As vantagens do analisador de oxigénio em zircónio :
A sua robustez foi testada e comprovada durante décadas.
O analisador de oxigénio em zircónio é preciso e estável, com intervalos de calibração até 6 meses ou mesmo um ano.
O elemento sensível não é um consumível e tem uma vida útil de 5 ou mesmo 10 anos.
O custo da solução é relativamente baixo.
O elemento sensível é regulado a alta temperatura (800°C), pelo que pode ser utilizado para analisar tanto gases frios como quentes e húmidos.
Desvantagens do analisador de oxigénio em zircónio :
A desvantagem da tecnologia de aquecimento é o facto de o analisador ter de ser capaz de dissipar o seu calor. A versão extractiva é menos fácil de instalar num analisador multigás e é frequentemente objeto de uma pequena caixa externa, a instalar separadamente no sistema.
Devido à própria tecnologia, baseada na ionização a alta temperatura, não é possível utilizar um analisador de oxigénio de zircónio para medir a concentração de oxigénio num gás combustível.
O que é um analisador de oxigénio a laser?
Os analisadores laser são mais precisamente conhecidos como analisadores laser de díodo sintonizável (TDL). Trata-se de um instrumento ótico que utiliza um feixe de laser infravermelho emitido por um emissor e dirigido para um recetor. A técnica de medição baseia-se na absorção da luz pelas moléculas de gás presentes entre o emissor e o recetor.
A maioria dos gases absorve a luz em determinados comprimentos de onda específicos, e a absorção é uma função direta da concentração do gás.
O comprimento de onda do laser é analisado numa determinada linha de absorção, específica da molécula em questão, evitando assim praticamente qualquer interferência de outras moléculas presentes. A concentração de gás medida é, por conseguinte, proporcional à amplitude da linha de absorção.
As vantagens dos analisadores de oxigénio por laser :
O analisador de oxigénio a laser oferece um desempenho inigualável, especialmente em termos de estabilidade de calibração, gama dinâmica e interferência cruzada.
A versão in situ tem a vantagem de não ter qualquer peça em contacto com o gás a medir. Por conseguinte, é possível analisar gases que estejam, por exemplo, húmidos e/ou muito poeirentos.
Por último, mas não menos importante, é robusto porque não tem partes móveis.
Desvantagens do analisador laser :
A principal desvantagem dos analisadores de oxigénio a laser é o seu preço. Embora esta tecnologia se tenha tornado muito mais disponível nos últimos 25 anos, continua a ser uma alternativa cara às técnicas mais tradicionais.
Na versão in situ, deve também ser permanentemente purgado com um gás isento de oxigénio. Este gás é geralmente o azoto. Exceto a altas temperaturas, quando a linha de absorção analisada é específica acima de uma determinada temperatura.
Vamos estudar juntos as suas necessidades e escolher o analisador de oxigénio ideal.
Estudámos as quatro tecnologias de medição do oxigénio gasoso e apresentámos as vantagens e desvantagens de cada uma. Evidentemente, em função da utilização prevista, dos orçamentos atribuídos e das competências das equipas, uma ou outra será mais adequada. A escolha do analisador de oxigénio ideal será, portanto, sistematicamente objeto de um estudo multicritério.
