5 criteri per la scelta di un analizzatore di ossigeno

Abbiamo esaminato le seguenti tecnologie di misurazione dell'ossigeno:

• Analizzatore di ossigeno paramagnetico
• Analizzatore elettrochimico di ossigeno
• Analizzatore di ossigeno in zirconia
• Analizzatore laser di ossigeno

A seconda del metodo di misurazione utilizzato, ogni analizzatore di ossigeno presenta vantaggi e svantaggi. Abbiamo descritto i vantaggi e gli svantaggi di ciascuna tecnologia anche nell'articolo precedente.

Tutte queste applicazioni richiedono regole e metodi diversi per l'installazione degli strumenti di misura.
Una volta conosciute le diverse tecnologie di analisi dell'ossigeno disponibili sul mercato, il passo successivo è quello di scegliere l'analizzatore di ossigeno più adatto alla propria applicazione. Lo scopo di questo articolo è quello di elencare e descrivere i criteri da valutare per questa scelta.

La scelta di un analizzatore di ossigeno si baserà su 5 criteri:

Criterio N°1 : Il livello di concentrazione di ossigeno e le prestazioni
Criterio N°2 : La composizione complessiva della miscela di gas da analizzare
Criterio N°3 : Le condizioni ambientali e i vincoli dell'installazione
Criterio N°4 : I servizi disponibili in loco
Criterio N°5: I budget assegnati

Per livelli di ossigeno molto bassi (inferiori all'1%, o al livello ppm, per "parti per milione"), spesso è necessaria l'analisi mediante gascromatografia, ma sono in grado di farlo anche alcuni analizzatori elettrochimici di ossigeno, analizzatori di ossigeno a zirconia e alcuni analizzatori di ossigeno laser.

Ogni tecnologia presenta inoltre caratteristiche specifiche in termini di prestazioni metrologiche.

Sebbene le precisioni di misura siano relativamente vicine, l'analizzatore di ossigeno laser si distingue per la risoluzione molto fine e la gamma dinamica più ampia rispetto alle tecnologie concorrenti. Più avanti in questo articolo esamineremo anche la maggiore stabilità di calibrazione di questa tecnologia e i vantaggi che ne derivano per l'utente.

Tuttavia, gli analizzatori di ossigeno più comunemente utilizzati per misurare l'ossigeno nei gas di scarico per scopi normativi, ad esempio nel controllo delle emissioni atmosferiche, sono ancora quelli che utilizzano le tecnologie zirconia e paramagnetica. Per questo motivo, la maggior parte degli analizzatori di ossigeno certificati QAL1 dal TÜV per queste applicazioni si basa su queste tecnologie.

Gli analizzatori di gas paramagnetici e gli analizzatori di gas laser sono noti per essere i più "indipendenti dalla matrice di gas". In altre parole, le tecnologie laser e paramagnetiche sono le meno sensibili alle interferenze incrociate. Nella stragrande maggioranza delle applicazioni, le misure di un analizzatore di gas paramagnetico e di un analizzatore di gas laser non saranno influenzate dalla presenza di altri composti gassosi nella miscela.

Infine, oltre alla corrosività della miscela di gas da analizzare, questa può essere fortemente carica di particelle solide. Anche gli analizzatori di gas più tradizionali, come gli analizzatori di ossigeno paramagnetici o elettrochimici, dovrebbero essere evitati, poiché sono generalmente progettati per ricevere gas che sono considerati puliti. D'altra parte, anche in questo caso, le caratteristiche specifiche del cosiddetto analizzatore di gas laser a flusso passante consentiranno di effettuare misure in una matrice di gas molto polverosa.

Il primo passo è decidere se installare un analizzatore di ossigeno estrattivo o un analizzatore di ossigeno in situ. In precedenza abbiamo prodotto uno strumento sotto forma di carosello che presenta gli elementi da considerare nella scelta tra un analizzatore di gas in situ e uno estrattivo: vedi il carosello.

La maggior parte delle tecnologie di analisi dell'ossigeno è disponibile nelle versioni in situ ed estrattiva.

Tuttavia, alcune di queste tecnologie sono più adatte all'una o all'altra configurazione.

L'analizzatore paramagnetico a bilanciere con rilevamento ottico è più adatto a una configurazione estrattiva, in particolare perché i bilancieri richiedono una particolare attenzione all'ambiente di misura. Ad esempio, le vibrazioni del processo industriale possono essere evitate allontanando l'analizzatore dal punto di misura, che è estrattivo.

Infine, l'analizzatore elettrochimico di ossigeno viene utilizzato quasi esclusivamente in ambienti protetti in modalità estrattiva.

Quando si sceglie una tecnologia di analisi, è quindi importante considerare attentamente sia le esigenze dell'analizzatore di gas sia le utility che possono essere messe a disposizione.

Tranne nel caso di uno strumento portatile dotato di batteria, un analizzatore di ossigeno richiede sempre un'alimentazione elettrica.

Tutti gli analizzatori di ossigeno necessitano di gas standard per calibrare lo zero e lo span, a intervalli più o meno frequenti a seconda della tecnologia.

Gli analizzatori di gas paramagnetici ed elettrochimici dovranno essere ricalibrati su base giornaliera, settimanale o addirittura mensile, a seconda della deriva di misura che si desidera consentire e quindi della precisione di misura che si desidera mantenere. Le bombole di gas standard dovranno quindi essere installate in modo "permanente", sia che si utilizzi la calibrazione manuale o automatica con un sistema dedicato di iniezione del gas tramite valvole solenoidi.

Per queste due tecnologie, il gas di calibrazione dello zero deve essere un gas privo di ossigeno: più spesso azoto puro. Tuttavia, è possibile anche una miscela contenente una base di azoto e qualche ppm di un altro componente utilizzato per calibrare un secondo analizzatore.

Per motivi economici e di facilità di funzionamento, come gas di calibrazione viene spesso utilizzata l'aria ambiente. A bassa quota, l'aria che respiriamo contiene una quantità stabile di circa il 21% di ossigeno. Tuttavia, occorre prestare attenzione alle variazioni di altitudine, da un lato, e di umidità dell'aria, dall'altro, per non rischiare di falsare le misure con operazioni di calibrazione errate se il livello di ossigeno varia per questi motivi.

Si noti inoltre che nel caso dell'analizzatore di ossigeno allo zirconio, e solo in questo caso, il gas di calibrazione dello zero non deve essere privo di ossigeno, ma deve contenere una piccola quantità di ossigeno. Se l'analizzatore di ossigeno allo zirconio misura su una scala da 0 a 21%, il gas di calibrazione dello zero deve contenere, ad esempio, dall'1 al 2% di ossigeno.

Gli analizzatori di ossigeno a zirconia e gli analizzatori di ossigeno laser spesso beneficiano anche di una maggiore stabilità di calibrazione. I periodi di calibrazione possono durare fino a 6 mesi, o addirittura un anno nel caso della tecnologia laser. In questo caso, non è necessariamente necessario tenere le bottiglie standard di grande capacità sempre vicino all'analizzatore. È possibile utilizzare di tanto in tanto una bottiglia più piccola e portatile.

Oltre ai gas standard, che come suggerisce il nome sono utilizzati per calibrare gli analizzatori, alcuni analizzatori di ossigeno richiedono anche l'applicazione di un gas di riferimento. Ciò è particolarmente vero per l'analizzatore paramagnetico con un microflussimetro di massa. Per funzionare, ha bisogno di un'iniezione permanente di un piccolo flusso di azoto o di aria, a seconda delle scale di misura selezionate.

Come abbiamo visto in precedenza, l'analizzatore laser di ossigeno avrà bisogno di un gas di spurgo permanente per garantire una perfetta metrologia e la pulizia delle ottiche del trasmettitore e del ricevitore, se si tratta di una versione cross-stack in situ. A seconda della temperatura del gas di processo, questo gas di lavaggio può essere aria o azoto.

È molto importante prevedere questi requisiti di utilità, innanzitutto perché sono essenziali per il funzionamento degli analizzatori di ossigeno in questione. Se le utenze non vengono installate prima della messa in funzione dello strumento, non sarà possibile farlo funzionare. In secondo luogo, l'installazione di queste utenze rappresenta spesso un costo significativo nella fase primaria del progetto, ma anche un costo operativo che deve essere preso in considerazione nella scelta del tipo di analizzatore di ossigeno.

I costi da prendere in considerazione sono i costi di acquisto e i costi di esercizio.

I costi di acquisto sono costituiti dai costi associati all'acquisto dell'analizzatore di ossigeno e dai costi associati ai lavori di installazione, messa in funzione e familiarizzazione con la nuova apparecchiatura.

Tuttavia, la pianificazione del progetto a medio-lungo termine spesso mostra un riequilibrio del budget quando si tiene conto non solo dei costi di acquisto ma anche dei costi di gestione dell'analizzatore di ossigeno.

Ad esempio, un analizzatore elettrochimico di ossigeno più interessante dal punto di vista economico al momento dell'acquisto avrà un budget operativo elevato perché richiederà la sostituzione regolare della cella di misura. Sarà inoltre necessaria una manutenzione più regolare e potenzialmente estesa per garantire che l'analizzatore rimanga in perfette condizioni operative dal punto di vista metrologico. Nel caso di un analizzatore di ossigeno estrattivo, i componenti di campionamento come filtri, pompe ed essiccatori dovranno essere sottoposti a manutenzione o addirittura sostituiti periodicamente. Si tratta della cosiddetta manutenzione preventiva, ma può anche essere correttiva.

Lo stesso livello di manutenzione dell'analizzatore sarà richiesto per gli analizzatori di ossigeno paramagnetici con rilevamento ottico (tipo dumbbell). Anche se la cella è considerata permanente, è relativamente fragile e dovrà essere sostituita a un certo punto, a un costo relativamente elevato.
L'analizzatore paramagnetico di ossigeno con un microflussimetro di massa, più robusto, non richiede la sostituzione della cella, ma l'applicazione di un gas di riferimento, il cui costo operativo deve essere preso in considerazione nel calcolo complessivo. Utilizzato sempre in un sistema di analisi estrattiva, gli elementi di campionamento devono essere mantenuti allo stesso modo.

L'analizzatore di ossigeno laser, se di tipo estrattivo, avrà gli stessi vincoli e quindi gli stessi costi di manutenzione di qualsiasi analizzatore di gas estrattivo. Tuttavia, poiché la sua calibrazione è più stabile, richiederà meno operazioni di calibrazione e, logicamente, un minor consumo di gas standard.

Se l'analizzatore laser di ossigeno è montato in situ su entrambi i lati di un tubo, di un forno o di un camino, le operazioni di manutenzione saranno rare e rapide e il costo dell'alimentazione elettrica trascurabile, rispetto a un'installazione per l'analisi estrattiva, che spesso consuma molta elettricità. D'altro canto, il budget operativo dovrà includere il costo del consumo continuo del gas di spurgo, sia esso azoto o aria compressa essiccata e disoleata.

In questo articolo abbiamo esaminato e dettagliato i 5 criteri principali da tenere in considerazione nella scelta di un analizzatore di ossigeno: la concentrazione di ossigeno ricercata e le prestazioni metrologiche richieste, la matrice di gas da analizzare, l'ambiente di misura, le utenze richieste e i relativi costi.

Anche se questo elenco non è esaustivo, fornisce una base per uno studio multicriteriale per guidare i team di progetto o i responsabili operativi verso una soluzione adatta alle loro esigenze.