5 معايير لاختيار محلل الأكسجين

استعرضنا تقنيات قياس الأكسجين التالية:

• محلل الأكسجين شبه المغنطيسي
• محلل الأكسجين الكهروكيميائي
• محلل أكسجين زركونيا
• محلل الأكسجين بالليزر

اعتمادًا على طريقة القياس المستخدمة، لكل محلل أكسجين مزاياه وعيوبه. وقد وصفنا أيضًا مزايا وعيوب كل تقنية في المقالة السابقة.

تتطلب جميع هذه التطبيقات قواعد وأساليب مختلفة لتركيب أدوات القياس. بمجرد أن تكون على دراية بتقنيات تحليل الأكسجين المختلفة المتاحة في السوق، فإن الخطوة التالية هي اختيار محلل الأكسجين المناسب لتطبيقك. الغرض من هذه المقالة هو سرد ووصف المعايير التي يجب تقييمها عند القيام بهذا الاختيار.

يعتمد اختيار محلل الأكسجين على 5 معايير:

المعيار رقم 1 : مستوى تركيز الأكسجين والأداء المعياررقم 2 : التركيب الكلي لمزيج الغاز المراد تحليله المعيار رقم3 : الظروف المحيطة وقيود التركيب المعياررقم 4 : المرافق المتاحة في الموقعالمعيار رقم 5: الميزانيات المخصصة

بالنسبة لمستويات الأكسجين المنخفضة جدًا (أقل من 1٪، أو عند مستوى جزء في المليون، أي "جزء من المليون")، غالبًا ما يكون التحليل بواسطة كروماتوغرافيا الغاز مطلوبًا، ولكن بعض أجهزة تحليل الأكسجين الكهروكيميائية وأجهزة تحليل الأكسجين الزركونية وبعض أجهزة تحليل الأكسجين بالليزر قادرة على ذلك أيضًا.

لكل تقنية أيضًا ميزاتها الخاصة من حيث الأداء المترولوجي.

وعلى الرغم من أن دقة القياس متقاربة نسبيًا، إلا أنه من الملاحظ أن محلل الأكسجين بالليزر يتميز بدقة دقته الدقيقة جدًا ونطاقه الديناميكي الأوسع من التقنيات المنافسة. سنلقي نظرة لاحقًا في هذه المقالة أيضًا على ثبات المعايرة الأكبر لهذه التقنية، والفوائد التي يجلبها ذلك للمستخدم.

ومع ذلك، لا تزال أجهزة تحليل الأكسجين الأكثر استخدامًا لقياس الأكسجين في غازات المداخن لأغراض تنظيمية في التحكم في انبعاثات الهواء، على سبيل المثال، هي تلك التي تستخدم تقنيات الزركونيا والمغناطيسية البارامغناطيسية. ولهذا السبب، تعتمد الغالبية العظمى من أجهزة تحليل الأكسجين المعتمدة QAL1 من TÜV لهذه التطبيقات على هذه التقنيات.

تشتهر أجهزة تحليل الغازات شبه المغناطيسية وأجهزة تحليل الغازات بال ليزر بكونها الأكثر "استقلالية عن مصفوفة الغاز". وبعبارة أخرى، فإن تقنيات الليزر والتقنيات البارامغناطيسية هي الأقل حساسية للتداخل المتبادل. في الغالبية العظمى من التطبيقات، لن تتأثر قياسات محلل الغازات البارامغناطيسية ومحلل الغازات الليزرية بوجود أي مركب غازي آخر في الخليط.

وأخيرًا، بالإضافة إلى تآكل خليط الغاز المراد تحليله، قد يكون أيضًا محمّلًا بشدة بالجسيمات الصلبة. يجب أيضًا تجنب أجهزة تحليل الغازات الأكثر تقليدية، مثل أجهزة تحليل الأكسجين البارامغناطيسية أو الكهروكيميائية، لأنها مصممة عمومًا لاستقبال الغازات المشهورة بنظافتها. ومن ناحية أخرى، هنا مرة أخرى، ستتيح الميزات المحددة لما يسمى بمحلل الغازات الليزرية عبر التدفق العابر إمكانية إجراء القياسات في مصفوفة غازات شديدة الغبار.

تتمثل الخطوة الأولى في تحديد ما إذا كان يجب تركيب محلل أكسجين استخلاصي أو محلل أكسجين في الموقع. لقد أنتجنا سابقًا أداة في شكل قرص دائري يعرض العناصر التي يجب أخذها في الاعتبار عند الاختيار بين محلل الغاز الموضعي ومحلل الغاز الاستخراجي: انظر القرص الدائري.

تأتي معظم تقنيات تحليل الأكسجين في إصدارات موضعية واستخراجية.

ومع ذلك، فإن بعض هذه التقنيات أكثر ملاءمة لواحد أو أكثر من هذه التكوينات.

يعتبر المحلل البارامغناطيسي من نوع القضبان الحديدية المزود بكشف بصري أكثر ملاءمة للتكوين الاستخراجي، خاصةً لأن القضبان الحديدية تتطلب عناية خاصة من حيث بيئة القياس. على سبيل المثال، يمكن تجنب اهتزازات العملية الصناعية عن طريق تحريك المحلل بعيدًا عن نقطة القياس، وهو أمر استخلاصي، على سبيل المثال.

وأخيرًا، يُستخدم محلل الأكسجين الكهروكيميائي بشكل حصري تقريبًا في البيئات المحمية في الوضع الاستخراجي.

عند اختيار تقنية التحليل، من المهم بالتالي النظر بعناية في كل من احتياجات محلل الغاز والمرافق التي يمكن توفيرها.

باستثناء في حالة الأجهزة المحمولة المزودة ببطارية، يتطلب محلل الأكسجين دائمًا مصدر طاقة.

ستحتاج جميع أجهزة تحليل الأكسجين إلى غازات قياسية لمعايرة الصفر والمدى، على فترات متكررة أكثر أو أقل اعتمادًا على التقنية.

ستحتاج أجهزة تحليل الغازات شبه المغناطيسية والكهروكيميائية إلى إعادة المعايرة على أساس يومي أو أسبوعي أو حتى شهري، اعتمادًا على انجراف القياس الذي ترغب في السماح به، وبالتالي دقة القياس التي ترغب في الحفاظ عليها. سيتعين بعد ذلك تركيب أسطوانات الغاز القياسي "بشكل دائم"، سواء كنت تستخدم المعايرة اليدوية أو الأوتوماتيكية مع نظام مخصص لحقن الغاز عبر صمامات الملف اللولبي.

بالنسبة لهاتين التقنيتين، يجب أن يكون غاز المعايرة الصفري غازًا خاليًا من الأكسجين: غالبًا ما يكون نيتروجين نقي. ومع ذلك، من الممكن أيضًا استخدام خليط يحتوي على قاعدة نيتروجين وبضعة أجزاء في المليون من مكون آخر يستخدم لمعايرة محلل ثانٍ.

لأسباب تتعلق بالاقتصاد وسهولة التشغيل، غالبًا ما يُستخدم الهواء المحيط كغاز معايرة. في الارتفاعات المنخفضة، يحتوي الهواء الذي نتنفسه على كمية مستقرة تبلغ حوالي 21% من الأكسجين. ومع ذلك، يجب الانتباه إلى الاختلافات في الارتفاع من ناحية، وفي رطوبة الهواء من ناحية أخرى، حتى لا نخاطر بتشويه القياسات من خلال عمليات معايرة خاطئة إذا اختلف مستوى الأكسجين لهذه الأسباب.

وتجدر الإشارة أيضًا إلى أنه في حالة محلل الأكسجين الزركونيا وفي هذه الحالة فقط، يجب ألا يكون غاز المعايرة الصفري خاليًا من الأكسجين، ولكن يجب أن يحتوي على كمية صغيرة من الأكسجين. إذا كان محلل الأكسجين الزركونيا يقيس على مقياس من 0 إلى 21%، فيجب أن يحتوي غاز المعايرة الصفري، على سبيل المثال، على 1 إلى 2% من الأكسجين.

وغالبًا ما تستفيد أجهزة تحليل الأكسجين من زركونيا وأجهزة تحليل الأكسجين بالليزر أيضًا من ثبات أكبر في المعايرة. يمكن أن تصل فترات المعايرة إلى 6 أشهر، أو حتى سنة في حالة تقنية الليزر. في هذه الحالة، ليس من الضروري بالضرورة الاحتفاظ بزجاجات قياسية كبيرة السعة بشكل دائم بالقرب من المحلل. يمكن استخدام زجاجة صغيرة محمولة من وقت لآخر.

بالإضافة إلى الغازات القياسية، والتي تستخدم كما يوحي اسمها لمعايرة أجهزة التحليل، تتطلب بعض أجهزة تحليل الأكسجين أيضًا استخدام غاز مرجعي. وينطبق هذا بشكل خاص على المحلل البارامغناطيسي المزود بمقياس تدفق الكتلة الدقيقة. ولكي يعمل، فإنه يحتاج إلى حقن دائم لتدفق صغير من النيتروجين أو الهواء، اعتمادًا على مقاييس القياس المختارة.

كما رأينا سابقًا، سيحتاج محلل الأكسجين بالليزر إلى غاز تطهير دائم لضمان القياس المثالي ونظافة بصريات جهاز الإرسال والاستقبال إذا كان إصدارًا موقعيًا متقاطعًا. واعتمادًا على درجة حرارة غاز المعالجة، قد يكون غاز التطهير هذا هو الهواء أو النيتروجين.

من المهم جدًا توقع متطلبات المرافق هذه، أولًا لأنها ضرورية لتشغيل أجهزة تحليل الأكسجين المعنية. إذا لم يتم تركيب المرافق قبل تشغيل الجهاز، فلن يكون من الممكن تشغيله. وثانيًا، غالبًا ما يمثل تركيب هذه المرافق تكلفة كبيرة في المرحلة الأولية للمشروع، ولكن أيضًا تكلفة تشغيلية يجب أن تؤخذ في الاعتبار عند اختيار نوع محلل الأكسجين.

التكاليف التي يجب أخذها في الاعتبار هي تكاليف الشراء وتكاليف التشغيل.

وتتكون تكاليف الشراء نفسها من التكاليف المرتبطة باقتناء جهاز تحليل الأكسجين والتكاليف المرتبطة بأعمال التركيب والتشغيل التجريبي والتعرف على المعدات الجديدة.

ومع ذلك، غالبًا ما يُظهر تخطيط المشروع على المدى المتوسط إلى الطويل إعادة توازن الميزانيات عندما لا تؤخذ تكاليف الشراء فقط في الاعتبار، بل أيضًا تكاليف تشغيل محلل الأكسجين.

على سبيل المثال، سيكون لمحلل الأكسجين الكهروكيميائي الأكثر جاذبية من الناحية المالية وقت الشراء ميزانية تشغيل عالية لأنه سيتطلب استبدال خلية القياس الخاصة به بشكل منتظم. كما ستكون هناك حاجة أيضًا إلى صيانة أكثر انتظامًا وربما على نطاق واسع لضمان بقاء المحلل في حالة تشغيل مثالية من وجهة نظر القياس. في حالة محلل الأكسجين الاستخراجي، ستحتاج مكونات أخذ العينات مثل المرشحات والمضخات والمجففات إلى الصيانة أو حتى الاستبدال بشكل دوري. وهذا ما يسمى الصيانة الوقائية، ولكن يمكن أن تكون أيضاً تصحيحية.

وستكون هناك حاجة إلى نفس المستوى من صيانة المحلل بالنسبة لمحللات الأكسجين البارامغناطيسية المزودة بكشف بصري (نوع الدمبل).
حتى إذا كانت الخلية تعتبر دائمة، فهي هشة نسبيًا وسيتعين استبدالها في مرحلة ما، بتكلفة عالية نسبيًا. لا يتطلب محلل الأكسجين البارامغناطيسي المزود بمقياس تدفق الكتلة الصغيرة، وهو أكثر قوة، استبدال الخلية، ولكن استخدام غاز مرجعي، يجب أن تؤخذ تكلفة تشغيله في الاعتبار في الحساب الكلي. ودائمًا ما يستخدم في نظام التحليل الاستخراجي، يجب الحفاظ على عناصر أخذ العينات بنفس الطريقة.

سيكون لمحلل الأكسجين الليزري، إذا كان من النوع الاستخراجي، نفس القيود وبالتالي نفس تكاليف الصيانة مثل أي محلل غاز استخلاص. ولكن نظرًا لأن معايرته أكثر ثباتًا، فإنه سيتطلب عمليات معايرة أقل، ومن المنطقي أن يكون استهلاكه للغاز القياسي أقل.

إذا تم تركيب محلل الأكسجين الليزري في الموقع على جانبي أنبوب أو فرن أو مدخنة، فإن عمليات الصيانة ستكون نادرة وسريعة وتكلفة إمدادات الطاقة لا تذكر، مقارنةً بتركيب التحليل الاستخراجي، الذي يستهلك الكثير من الكهرباء في كثير من الأحيان. ومن ناحية أخرى، سيتعين أن تتضمن ميزانية التشغيل تكلفة الاستهلاك المستمر لغاز التطهير، سواء أكان النيتروجين أو الهواء المضغوط المجفف والمزال الزيت.

في هذه المقالة، قمنا بمراجعة وتفصيل المعايير الخمسة الرئيسية التي يجب أخذها في الاعتبار عند اختيار محلل الأكسجين: تركيز الأكسجين المطلوب والأداء المترولوجي المطلوب، ومصفوفة الغاز المراد تحليلها، وبيئة القياس، والمرافق المطلوبة والتكاليف النسبية.

على الرغم من أن هذه القائمة ليست شاملة، إلا أنها توفر أساسًا لدراسة متعددة المعايير لتوجيه فرق المشروع أو مديري العمليات نحو الحل المناسب لاحتياجاتهم.