В предыдущей статье "Как работает кислородный анализатор" мы подробно описали и объяснили принципы работы технологий, наиболее часто используемых в газовом анализе для определения концентрации кислорода в газовой смеси.
Мы рассмотрели следующие технологии измерения кислорода:
В зависимости от используемого метода измерения каждый анализатор кислорода имеет свои преимущества и недостатки. Мы также описали преимущества и недостатки каждой технологии в предыдущей статье.
Кислородные анализаторы - самые распространенные газоанализаторы в промышленности и научных исследованиях. Поэтому спектр их применения чрезвычайно разнообразен. Кислородный анализатор используется в тех случаях, когда измерение концентрации кислорода необходимо для обеспечения качества, безопасности или эффективности продукта или процесса.
Кислородные анализаторы используются, например, для контроля воздуха в кабине самолета, для регулирования горения в мусоросжигательной печи, для измерения количества кислорода в вакуумных упаковках продуктов питания или для предотвращения риска взрыва путем измерения содержания кислорода в резервуарах для хранения нефти.
Все эти области применения требуют различных правил и методов установки измерительных приборов.
После того как вы узнали о различных технологиях анализа кислорода, представленных на рынке, следующим шагом будет выбор подходящего анализатора кислорода для вашего применения. Цель этой статьи - перечислить и описать критерии, на которые следует обратить внимание при выборе.
Критерий N°1: Уровень концентрации кислорода и производительность
Критерий N°2: Общий состав анализируемой газовой смеси
Критерий N°3: Условия окружающей среды и ограничения по установке
Критерий N°4: Коммуникации, имеющиеся на объекте
Критерий N°5: Выделенные бюджетные средства
Выбор анализатора кислорода с точки зрения бортовой технологии зависит, в частности, от уровня концентрации кислорода в анализируемой газовой смеси и требуемой производительности измерений.
Для определения очень низких уровней кислорода (менее 1 %, или на уровне ppm, что означает "части на миллион") часто требуется анализ методом газовой хроматографии, но некоторые электрохимические анализаторы кислорода, циркониевые анализаторы кислорода и некоторые лазерные анализаторы кислорода также способны на это.
Для измерения более высоких уровней кислорода (от 1 до 21% и даже выше) наиболее широко используется парамагнитный анализатор кислорода. Циркониевые кислородные анализаторы и электрохимические кислородные анализаторы также широко используются для измерения уровня кислорода от 0 до 25 %.
Важно выбрать правильную технологию, чтобы обеспечить точные и надежные измерения в зависимости от уровня концентрации кислорода.
Каждая технология также имеет свои особенности с точки зрения метрологических характеристик.
И хотя точность измерений относительно близка, следует отметить, что лазерный анализатор кислорода отличается очень тонким разрешением и более широким динамическим диапазоном по сравнению с конкурирующими технологиями. Позже в этой статье мы также рассмотрим более высокую стабильность калибровки этой технологии и преимущества, которые она дает пользователю.
Однако для измерения содержания кислорода в дымовых газах, например, при контроле выбросов в атмосферу, чаще всего используются анализаторы кислорода на основе циркония и парамагнитных технологий. По этой причине подавляющее большинство кислородных анализаторов, сертифицированных TÜV по стандарту QAL1 для этих применений, основаны на этих технологиях.
При выборе анализатора кислорода, помимо уровня концентрации самого кислорода, важно учитывать общий состав анализируемой газовой смеси.
Парамагнитные газоанализаторы и лазерные газоанализаторы известны тем, что они наиболее "независимы от газовой матрицы". Другими словами, лазерные и парамагнитные технологии наименее чувствительны к перекрестным помехам. В подавляющем большинстве случаев на измерения парамагнитного газоанализатора и лазерного газоанализатора не влияет присутствие в смеси каких-либо других газообразных соединений.
И наоборот, следует избегать использования циркониевого анализатора кислорода, если анализируемая смесь содержит большое количество сернистых соединений, а также если она легко воспламеняется. В первом случае циркониевый сенсор будет преждевременно деградировать, а во втором - измерение будет полностью заблокировано.
Также стоит выбрать лазерный анализатор кислорода для коррозионных газовых смесей, если лазерный газоанализатор относится к типу проходных in situ. В этом случае отсутствует контакт между анализируемой коррозионной газовой смесью и компонентами анализатора, которые защищены продувкой воздухом или азотом.
Наконец, помимо коррозионной активности анализируемой газовой смеси, она может быть сильно загрязнена твердыми частицами. Следует также избегать наиболее традиционных газоанализаторов, таких как парамагнитные или электрохимические анализаторы кислорода, поскольку они, как правило, предназначены для получения газов, которые считаются чистыми. С другой стороны, особенности так называемого проходного лазерного газоанализатора позволяют проводить измерения в очень запыленной газовой среде.
При выборе анализатора кислорода для конкретного применения наиболее важным критерием, безусловно, является окружающая среда и ограничения, связанные с установкой.
Прежде всего, необходимо решить, какой газоанализатор установить - экстракционный или in situ. Ранее мы выпустили инструмент в виде карусели, представляющий элементы, которые следует учитывать при выборе между газоанализатором in situ и экстракционным газоанализатором: см. карусель.
Карусель5 основных критериев выбора между газовым анализом in situ и экстракционным анализом
Загрузите карусель и выберите газоанализатор, наиболее подходящий для вашего промышленного применения!
Та или иная конфигурация будет предпочтительнее, исходя из критериев пространства и доступности, условий окружающей среды, требуемой производительности, удобства обслуживания, бюджета и жизненного цикла решения.
Вообще говоря, анализатор кислорода на месте предпочтительнее, когда вблизи точки измерения мало свободного пространства. Однако необходимо обращать внимание на условия окружающей среды в точке измерения. К ним относятся ограничения по вибрации, температуре, взрывоопасным зонам или наличию сильного магнитного поля.
Большинство технологий анализа кислорода выпускаются в вариантах in situ и экстрактивного анализа.
Однако некоторые из этих технологий лучше подходят для одной или другой конфигурации.
Парамагнитный анализатор штангового типа с оптическим детектированием лучше подходит для экстрактивной конфигурации, в частности потому, что его штанги требуют особого внимания к условиям измерения. Например, вибрации промышленного процесса можно избежать, переместив анализатор подальше от точки измерения, что является экстрактивным.
Циркониевый анализатор кислорода и лазерный анализатор кислорода очень часто используются в обеих конфигурациях.
Однако преимущества лазерного анализатора кислорода гораздо лучше используются, когда он установлен на месте и перемещается. Как мы видели выше, постоянная продувка оптики позволяет проводить прямой анализ без технического обслуживания и с очень коротким временем отклика. Однако следует также обратить внимание на возможное присутствие низкочастотных вибраций, которые могут нарушить центровку оптики.
Наконец, электрохимический анализатор кислорода используется почти исключительно в защищенных средах в экстрактивном режиме.
В зависимости от используемой технологии анализатор кислорода может нуждаться в таких элементах, как источник питания или эталонный газ.
Поэтому при выборе технологии анализа важно тщательно продумать как потребности газоанализатора, так и доступные утилиты.
За исключением портативных приборов, оснащенных батареей, анализатор кислорода всегда нуждается в источнике питания.
Чаще всего его можно подключить непосредственно к местной сети переменного тока (115-230 В переменного тока), но если устройство питается от постоянного напряжения (обычно 24 В постоянного тока), потребуется преобразователь.
Поэтому в большинстве проектов, независимо от используемой технологии, необходимо обеспечить подходящий источник питания к месту установки анализатора кислорода.
Однако для разных технологий требуются разные газы.
Всем анализаторам кислорода требуются стандартные газы для калибровки нуля и диапазона, с более или менее частыми интервалами в зависимости от технологии.
Парамагнитные и электрохимические газоанализаторы необходимо перекалибровать ежедневно, еженедельно или даже ежемесячно, в зависимости от того, какой дрейф измерений вы хотите допустить, и, соответственно, какую точность измерений вы хотите поддерживать. Баллоны со стандартным газом должны быть установлены "на постоянной основе", независимо от того, используете ли вы ручную или автоматическую калибровку с помощью специальной системы впрыска газа через электромагнитные клапаны.
Для этих двух технологий нулевой калибровочный газ должен быть бескислородным: чаще всего это чистый азот. Однако возможно использование смеси, содержащей азотную основу и несколько ppm другого компонента, используемого для калибровки второго анализатора.
Например, если установка оснащена инфракрасным анализатором, измеряющим CO (угарный газ) в диапазоне от 0 до 1000 ppm, и парамагнитным анализатором кислорода, измеряющим от 0 до 21%, один и тот же баллон, содержащий 900 ppm CO в азоте, можно использовать как для калибровки нуля кислорода, так и для калибровки диапазона CO.
Независимо от технологии, используемой для анализатора кислорода, калибровочный газ для диапазона должен иметь содержание кислорода, близкое к полному диапазону анализатора. Если диапазон измерений составляет 0-21%, можно использовать баллон, содержащий, например, 20% кислорода в азоте.
По соображениям экономии и простоты эксплуатации в качестве калибровочного газа часто используется окружающий воздух. На небольших высотах воздух, которым мы дышим, стабильно содержит около 21 % кислорода. Однако следует обращать внимание на колебания высоты над уровнем моря, с одной стороны, и влажности воздуха - с другой, чтобы не исказить результаты измерений в результате ошибочных калибровочных операций, если уровень кислорода изменится по этим причинам.
Следует также отметить, что в случае циркониевого анализатора кислорода, и только в этом случае, нулевой калибровочный газ не должен быть бескислородным, а должен содержать небольшое количество кислорода. Если циркониевый анализатор кислорода измеряет по шкале от 0 до 21 %, то нулевой калибровочный газ должен содержать, например, от 1 до 2 % кислорода.
Циркониевые и лазерные анализаторы кислорода также часто отличаются большей стабильностью калибровки. Период калибровки может достигать 6 месяцев, а в случае лазерной технологии - даже года. В этом случае нет необходимости постоянно держать рядом с анализатором стандартные бутылки большого объема. Время от времени можно использовать переносной флакон меньшего объема.
Помимо стандартных газов, которые, как следует из названия, используются для калибровки анализаторов, некоторые кислородные анализаторы также требуют применения эталонного газа. Особенно это касается парамагнитного анализатора с микромассовым расходомером. Для его работы необходимо постоянное введение небольшого потока азота или воздуха, в зависимости от выбранной шкалы измерения.
Как мы видели ранее, лазерный анализатор кислорода нуждается в постоянном продувочном газе для обеспечения идеальной метрологии и чистоты оптики передатчика и приемника, если это кросс-стек in situ. В зависимости от температуры технологического газа таким продувочным газом может быть воздух или азот.
Очень важно предусмотреть эти требования к инженерным коммуникациям, прежде всего потому, что они необходимы для работы соответствующих кислородных анализаторов. Если инженерные коммуникации не будут установлены до ввода прибора в эксплуатацию, то его эксплуатация будет невозможна. Во-вторых, установка этих коммуникаций часто представляет собой значительные расходы на начальном этапе проекта, а также эксплуатационные расходы, которые необходимо учитывать при выборе типа анализатора кислорода.
Для любого проекта этап составления бюджета имеет решающее значение. Техническими требованиями руководствуются проектные группы и отделы закупок. Но верно и обратное: бюджет, выделенный на проект или модуль, также влияет на свободу действий инженера при разработке необходимого решения.
Необходимо учитывать затраты на приобретение и эксплуатационные расходы.
Затраты на приобретение складываются из расходов на приобретение кислородного анализатора, а также расходов, связанных с монтажом, вводом в эксплуатацию и ознакомлением с новым оборудованием.
Коммуникации, необходимые для работы анализатора кислорода, также представляют собой расходы на приобретение. Для их установки потребуются не только поставки оборудования, но и услуги по монтажу. Они варьируются от простой логистики до потенциально тяжелых строительных работ и работ с листовым металлом, часто включающих работы на высоте, требующие возведения лесов.
Стоимость приобретения анализатора кислорода зависит от выбранной технологии. Электрохимические и циркониевые анализаторы кислорода, как правило, самые недорогие. Далее следуют парамагнитные анализаторы кислорода, технология которых несколько дороже. Наконец, лазерные анализаторы кислорода требуют более высокой цены.
Однако среднесрочное и долгосрочное планирование проектов часто показывает перераспределение бюджетов, когда учитываются не только затраты на покупку, но и эксплуатационные расходы на кислородный анализатор.
Например, электрохимический анализатор кислорода, более привлекательный с финансовой точки зрения на момент покупки, будет иметь значительный эксплуатационный бюджет, поскольку потребует регулярной замены измерительной ячейки. Также потребуется более регулярное и потенциально обширное техническое обслуживание, чтобы гарантировать, что анализатор остается в идеальном рабочем состоянии с точки зрения метрологии. В случае анализатора экстрактивного кислорода необходимо периодически обслуживать или даже заменять такие компоненты отбора проб, как фильтры, насосы и осушители. Это называется профилактическим обслуживанием, но оно может быть и корректирующим.
Такой же уровень обслуживания анализатора потребуется и для парамагнитных анализаторов кислорода с оптическим детектором (типа "гантель"). Даже если ячейка считается постоянной, она относительно хрупкая и в определенный момент ее придется заменить, причем по довольно высокой цене.
Парамагнитный анализатор кислорода с микромассовым расходомером, который является более надежным, требует не замены ячейки, а применения эталонного газа, эксплуатационные расходы на который должны быть учтены в общем расчете. Всегда используется в системе экстрактивного анализа, пробоотборные элементы должны обслуживаться аналогичным образом.
Циркониевые анализаторы кислорода in situ (анализаторы, устанавливаемые непосредственно на промышленный процесс, трубу, дымоход, печь и т. д.) требуют очень мало обслуживания. Более того, при условии тщательного выбора и установки они отличаются надежностью и, как правило, имеют длительный срок службы.
При использовании циркониевой технологии анализа кислорода в экстракционном анализаторе эта же надежность остается преимуществом с точки зрения сокращения операций по техническому обслуживанию, но система отбора проб все равно нуждается в обслуживании.
Лазерный анализатор кислорода, если он экстракционного типа, будет иметь те же ограничения и, следовательно, те же затраты на обслуживание, что и любой экстракционный газоанализатор. Но поскольку его калибровка более стабильна, он требует меньшего количества операций калибровки и, что логично, меньшего расхода стандартного газа.
Если лазерный анализатор кислорода установлен на месте по обе стороны трубы, печи или дымохода, то техническое обслуживание будет проводиться редко и быстро, а затраты на электропитание будут незначительными, по сравнению с установкой для экстракционного анализа, которая часто потребляет много электроэнергии. С другой стороны, в эксплуатационный бюджет придется включить расходы на постоянное потребление продувочного газа, будь то азот или осушенный и обезжиренный сжатый воздух.
После определения технических требований важнооценить не только затраты на приобретение и установку анализатора кислорода, но и эксплуатационные расходы. Они будут связаны с бесперебойной работой оборудования на протяжении всего проекта и даже в конце жизненного цикла продукта. В последующие годы эти расходы будут все более высокими в связи с изменением стоимости рабочей силы, энергии и сырья.
