في مقال سابق بعنوان "كيف يعمل محلل الأكسجين"، قمنا بتفصيل وشرح مبادئ التقنيات الأكثر استخدامًا في تحليل الغازات لتحديد تركيز الأكسجين في خليط الغاز.
استعرضنا تقنيات قياس الأكسجين التالية:
اعتمادًا على طريقة القياس المستخدمة، لكل محلل أكسجين مزاياه وعيوبه. وقد وصفنا أيضًا مزايا وعيوب كل تقنية في المقالة السابقة.
أجهزة تحليل الأكسجين هي أجهزة تحليل الغاز الأكثر استخدامًا على نطاق واسع في الصناعة والبحوث. وبالتالي فإن مجموعة التطبيقات متنوعة للغاية. يتم استخدام محلل الأكسجين كلما كان قياس تركيز الأكسجين مهمًا لضمان جودة أو سلامة أو كفاءة المنتج أو العملية.
تُستخدم أجهزة تحليل الأكسجين، على سبيل المثال، لمراقبة هواء التنفس في قمرة قيادة الطائرة، أو لتنظيم الاحتراق في محرقة النفايات، أو لقياس كمية الأكسجين في الطعام المعبأ بالتفريغ، أو لمنع خطر الانفجار عن طريق قياس محتوى الأكسجين في صهاريج تخزين النفط.
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.
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
سيعتمد اختيار محلل الأكسجين من حيث التكنولوجيا الموجودة على متن الطائرة بشكل خاص على مستوى تركيز الأكسجين في خليط الغاز المراد تحليله، وأداء القياس المطلوب.
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.
بالنسبة لمستويات الأكسجين الأعلى (من 1 إلى 21٪، أو حتى أعلى)، فإن محلل الأكسجين الأكثر استخدامًا هو محلل الأكسجين البارامغناطيسي. كما تُستخدم أجهزة تحليل الأكسجين الزركونيا وأجهزة تحليل الأكسجين الكهروكيميائية على نطاق واسع لقياس مستويات الأكسجين بين 0% و25%.
من المهم اختيار التقنية المناسبة لضمان دقة وموثوقية القياسات اعتمادًا على مستوى تركيز الأكسجين المعني.
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.
عند اختيار محلل الأكسجين، بالإضافة إلى مستوى تركيز الأكسجين نفسه، من المهم النظر في التركيب الكلي لمزيج الغاز الذي يتم تحليله.
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.
وعلى العكس من ذلك، يجب تجنب استخدام محلل الأكسجين الزركونيا عندما يحتوي المخلوط الذي يتم تحليله على كميات كبيرة من مركبات الكبريت، وكذلك إذا كان قابلاً للاشتعال. في الحالة الأولى، قد يتحلل حساس الزركونيا قبل الأوان، وفي الحالة الثانية، قد يتم إعاقة القياس تمامًا.
يجدر أيضًا اختيار محلل الأكسجين بالليزر لمخاليط الغازات المسببة للتآكل، شريطة أن يكون محلل الغاز بالليزر من النوع الذي يتم في الموقع من خلال. في هذه الحالة، لا يوجد تلامس بين خليط الغاز المتآكل المراد تحليله ومكونات المحلل، والتي تكون محمية بواسطة تطهير الهواء أو النيتروجين.
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.
عند اختيار محلل أكسجين لتطبيق معين، فإن المعيار الأكثر حساسية الذي يجب مراعاته هو بالتأكيد قيود البيئة والتركيب.
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.
كاروسيل5 معايير أساسية للاختيار بين التحليل الموضعي أو الاستخراجي للغازات
قم بتنزيل الرف الدائري واختر محلل الغاز الأنسب لتطبيقك الصناعي!
سيتم تفضيل واحد أو أكثر من هذه التكوينات على أساس معايير المساحة وإمكانية الوصول، والظروف البيئية، والأداء المطلوب، وقابلية الصيانة، والميزانيات ودورة حياة الحل.
وبصفة عامة، يفضل استخدام محلل الأكسجين في الموقع عند توفر مساحة صغيرة بالقرب من نقطة القياس. ومع ذلك، يجب الانتباه إلى الظروف المحيطة عند نقطة القياس. ويشمل ذلك القيود من حيث الاهتزاز أو درجة الحرارة أو المناطق القابلة للانفجار أو وجود مجال مغناطيسي قوي.
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.
يشيع استخدام كل من محلل أكسجين الزركونيا ومحلل الأكسجين بالليزر في كلا التكوينين.
ومع ذلك، يتم استغلال فوائد محلل الأكسجين بالليزر بشكل أفضل بكثير عندما يتم تركيبه في الموقع واجتيازه. في الواقع، كما رأينا أعلاه، يتيح التطهير الدائم للبصريات إجراء تحليل مباشر لا يحتاج إلى صيانة، مع زمن استجابة قصير جدًا. ومع ذلك، يجب الانتباه أيضًا إلى احتمال وجود اهتزازات منخفضة التردد، والتي يمكن أن تخل بمحاذاة البصريات.
وأخيرًا، يُستخدم محلل الأكسجين الكهروكيميائي بشكل حصري تقريبًا في البيئات المحمية في الوضع الاستخراجي.
اعتمادًا على التقنية المستخدمة، قد يحتاج محلل الأكسجين إلى مرافق مثل مصدر طاقة أو غاز مرجعي.
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.
في معظم الحالات، يمكن توصيله مباشرةً بالتيار المتردد المحلي (115-230 فولت تيار متردد)، ولكن سيتطلب الأمر محولاً إذا كان الجهاز يعمل بجهد تيار مستمر (عادةً 24 فولت تيار مستمر).
وبالتالي، في معظم المشاريع، مهما كانت التقنية المستخدمة، من الضروري توجيه مصدر طاقة مناسب إلى نقطة تركيب محلل الأكسجين.
ومع ذلك، تختلف غازات المرافق المطلوبة من تقنية إلى أخرى.
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.
على سبيل المثال، إذا كان التركيب مزودًا بمحلل أشعة تحت الحمراء لقياس أول أكسيد الكربون (أول أكسيد الكربون) بين 0 و1000 جزء في المليون، ومحلل أكسجين بارامغناطيسي لقياس ما بين 0 و21%، يمكن استخدام نفس الزجاجة التي تحتوي على 900 جزء في المليون من ثاني أكسيد الكربون في النيتروجين لمعايرة الأكسجين صفر ومعايرة مدى ثاني أكسيد الكربون.
أيًا كانت التقنية المستخدمة في محلل الأكسجين، يجب أن يحتوي غاز المعايرة على محتوى أكسجين قريب من المدى الكامل للمحلل. إذا كان نطاق القياس 0-21%، فيمكن استخدام أسطوانة تحتوي على 20% من الأكسجين في النيتروجين، على سبيل المثال.
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.
بالنسبة لأي مشروع، تعتبر مرحلة إعداد الميزانية أمراً بالغ الأهمية. فالمتطلبات الفنية توجه فرق المشروع وأقسام المشتريات. ولكن العكس صحيح أيضًا، حيث إن الميزانية المخصصة للمشروع أو الوحدة المعنية سيكون لها أيضًا تأثير على مجال العمل المتاح للمهندس لتصميم الحل المطلوب.
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.
تمثل المرافق اللازمة لتشغيل محلل الأكسجين أيضًا تكلفة شراء. ولا يتطلب تركيبها توريد المعدات فحسب، بل يتطلب أيضاً خدمات التركيب. وتتراوح هذه الخدمات من الخدمات اللوجستية البسيطة إلى أعمال الهندسة المدنية والصفائح المعدنية الثقيلة المحتملة، والتي غالباً ما تنطوي على أعمال في أماكن مرتفعة تتطلب تركيب سقالات.
تختلف تكلفة شراء محلل الأكسجين وفقًا للتقنية المختارة. عادةً ما تكون أجهزة تحليل الأكسجين الكهروكيميائية والزركونيا هي الأقل تكلفة. وتأتي بعد ذلك أجهزة تحليل الأكسجين البارامغناطيسية التي تكون تقنيتها أغلى قليلاً. وأخيرًا، تتطلب أجهزة تحليل الأكسجين بالليزر سعر شراء أعلى.
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.
تتطلب أجهزة تحليل الأكسجين الزركونيا في الموقع (أجهزة التحليل المثبتة مباشرة على العملية الصناعية، الأنابيب، المدخنة، الفرن، إلخ) صيانة قليلة جدًا. وعلاوة على ذلك، شريطة أن يتم اختيارها وتركيبها بعناية، فإنها غالبًا ما تكون قوية وعادة ما يكون لها عمر خدمة طويل.
عند استخدام تقنية تحليل الأكسجين الزركونيا في محلل استخلاصي، تظل هذه المتانة نفسها ميزة من حيث تقليل عمليات الصيانة، ولكن لا يزال نظام أخذ العينات بحاجة إلى الصيانة.
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.
بمجرد تحديد المتطلبات الفنية، من المهمتقييم ليس فقط تكاليف شراء وتركيب محلل الأكسجين، ولكن أيضًا تكاليف التشغيل. وستكون هذه التكاليف مرتبطة بالتشغيل السلس للمعدات طوال فترة المشروع، وحتى في نهاية دورة حياة المنتج. وستكون هذه المكونات الأخيرة مرتفعة بشكل متزايد في السنوات المقبلة بسبب التغيرات في تكلفة العمالة والطاقة والمواد الخام.
