5 critérios para escolher um analisador de oxigénio

Analisámos as seguintes tecnologias de medição de oxigénio:

• Analisador paramagnético de oxigénio
• Analisador eletroquímico de oxigénio
• Analisador de oxigénio em zircónio
• Analisador de oxigénio a laser

Dependendo do método de medição utilizado, cada analisador de oxigénio tem as suas vantagens e desvantagens. Também descrevemos as vantagens e desvantagens de cada tecnologia no artigo anterior.

Todas estas aplicações requerem regras e métodos diferentes para a instalação de instrumentos de medição.
Uma vez conhecidas as diferentes tecnologias de análise de oxigénio disponíveis no mercado, o passo seguinte é escolher o analisador de oxigénio adequado para a sua aplicação. O objetivo deste artigo é enumerar e descrever os critérios a avaliar ao fazer esta escolha.

A escolha de um analisador de oxigénio basear-se-á em 5 critérios:

Critério n.º 1: Nível de concentração de oxigénio e desempenho
Critério n.º 2: Composição global da mistura de gases a analisar
Critério n.º 3: Condições ambientais e limitações da instalação
Critério n.º 4: Utilidades disponíveis no local
Critério n.º 5: Orçamentos atribuídos

Para teores de oxigénio muito baixos (inferiores a 1%, ou ao nível de ppm, para "partes por milhão"), será frequentemente necessária uma análise por cromatografia gasosa, mas alguns analisadores electroquímicos de oxigénio, analisadores de oxigénio de zircónio e alguns analisadores de oxigénio a laser também o podem fazer.

Cada tecnologia tem também as suas próprias características específicas em termos de desempenho metrológico.

E embora as precisões de medição sejam relativamente próximas, é notável que o analisador de oxigénio a laser se destaque pela sua resolução muito fina e gama dinâmica mais ampla do que as tecnologias concorrentes. Mais adiante neste artigo, analisaremos também a maior estabilidade de calibração desta tecnologia e as vantagens que isso traz para o utilizador.

No entanto, os analisadores de oxigénio mais utilizados para medir o oxigénio nos gases de combustão para fins regulamentares no controlo das emissões atmosféricas, por exemplo, continuam a ser os que utilizam tecnologias de zircónio e paramagnéticas. Por esta razão, a grande maioria dos analisadores de oxigénio certificados QAL1 pela TÜV para estas aplicações baseia-se nestas tecnologias.

Os analisadores de gases paramagnéticos e os analisadores de gases a laser têm a reputação de serem os mais "independentes da matriz de gás". Por outras palavras, as tecnologias laser e paramagnética são as menos susceptíveis a interferências cruzadas. Na grande maioria das aplicações, as medições de um analisador de gases paramagnético e de um analisador de gases a laser não serão afectadas pela presença de qualquer outro composto gasoso na mistura.

Finalmente, para além da corrosividade da mistura gasosa a analisar, esta pode também estar muito carregada de partículas sólidas. Os analisadores de gases mais tradicionais, como os analisadores de oxigénio paramagnéticos ou electroquímicos, devem também ser evitados, uma vez que são geralmente concebidos para receber gases reputados limpos. Por outro lado, também neste caso, as características específicas do chamado analisador de gás a laser de fluxo contínuo permitirão efetuar medições numa matriz gasosa muito poeirenta.

O primeiro passo é decidir se se deve instalar um analisador de oxigénio extrativo ou um analisador de oxigénio in situ. Produzimos anteriormente uma ferramenta sob a forma de um carrossel que apresenta os elementos a considerar ao escolher entre um analisador de gases in situ e um extrativo: Ver o carrossel.

A maior parte das tecnologias de análise de oxigénio estão disponíveis nas versões in situ e extractiva.

No entanto, algumas destas tecnologias são mais adequadas a uma ou outra destas configurações.

O analisador paramagnético do tipo barra com deteção ótica está mais bem adaptado a uma configuração extractiva, em especial porque as suas barras exigem cuidados especiais em termos de ambiente de medição. Por exemplo, as vibrações do processo industrial podem ser evitadas afastando o analisador do ponto de medição, o que é extrativo.

Finalmente, o analisador eletroquímico de oxigénio é utilizado quase exclusivamente em ambientes protegidos em modo de extração.

Ao escolher uma tecnologia de análise, é portanto importante considerar cuidadosamente tanto as necessidades do analisador de gases como as utilidades que podem ser disponibilizadas.

Exceto no caso de um instrumento portátil equipado com uma bateria, um analisador de oxigénio necessita sempre de uma fonte de alimentação.

Todos os analisadores de oxigénio necessitam de gases padrão para calibrar o seu zero e a sua escala, a intervalos mais ou menos frequentes, dependendo da tecnologia.

Os analisadores de gases paramagnéticos e electroquímicos terão de ser recalibrados diariamente, semanalmente ou mesmo mensalmente, dependendo do desvio de medição que se pretenda permitir e, por conseguinte, da precisão de medição que se pretenda manter. As garrafas de gás padrão terão então de ser instaladas "permanentemente", quer se utilize a calibração manual ou automática com um sistema dedicado de injeção de gás através de válvulas solenóides.

Para estas duas tecnologias, o gás de calibração do zero deve ser um gás isento de oxigénio: na maior parte dos casos, azoto puro. No entanto, é também possível uma mistura contendo uma base de azoto e alguns ppm de outro componente utilizado para calibrar um segundo analisador.

Por razões económicas e de facilidade de operação, o ar ambiente é frequentemente utilizado como gás de calibração. A baixas altitudes, o ar que respiramos contém uma quantidade estável de cerca de 21% de oxigénio. No entanto, deve prestar-se atenção às variações de altitude, por um lado, e de humidade do ar, por outro, para não correr o risco de distorcer as medições através de operações de calibração erradas, se o nível de oxigénio variar por estas razões.

Note-se igualmente que, no caso do analisador de oxigénio de zircónio, e apenas neste caso, o gás de calibração zero não deve ser isento de oxigénio, mas deve conter uma pequena quantidade de oxigénio. Se o analisador de oxigénio de zircónio medir numa escala de 0 a 21%, o gás de calibração do zero deve conter, por exemplo, 1 a 2% de oxigénio.

Os analisadores de oxigénio de zircónio e os analisadores de oxigénio a laser beneficiam também frequentemente de uma maior estabilidade de calibração. Os períodos de calibração podem ser tão longos como 6 meses, ou mesmo um ano no caso da tecnologia laser. Neste caso, não é necessariamente necessário manter garrafas padrão de grande capacidade permanentemente perto do analisador. Pode ser utilizada ocasionalmente uma garrafa mais pequena e portátil.

Para além dos gases padrão, que, como o seu nome indica, são utilizados para calibrar os analisadores, alguns analisadores de oxigénio exigem também a aplicação de um gás de referência. É o caso, nomeadamente, do analisador paramagnético com um microfluxómetro de massa. Para funcionar, necessita de uma injeção permanente de um pequeno fluxo de azoto ou de ar, consoante as escalas de medição seleccionadas.

Como vimos anteriormente, o analisador de oxigénio a laser necessitará de um gás de purga permanente para garantir uma metrologia perfeita e a limpeza das ópticas do transmissor e do recetor, se for uma versão in situ de pilha cruzada. Dependendo da temperatura do gás de processo, este gás de purga pode ser ar ou azoto.

É muito importante prever estas necessidades de serviços públicos, em primeiro lugar porque são essenciais para o funcionamento dos analisadores de oxigénio em causa. Se os serviços de utilidade pública não forem instalados antes da entrada em serviço do instrumento, não será possível pô-lo a funcionar. Em segundo lugar, a instalação destes serviços representa frequentemente um custo significativo na fase primária do projeto, mas também um custo de funcionamento que deve ser tido em conta na escolha do tipo de analisador de oxigénio.

Os custos a ter em conta são os custos de aquisição e os custos de exploração.

Os custos de aquisição são compostos pelos custos associados à aquisição do analisador de oxigénio e pelos custos associados aos trabalhos de instalação, colocação em funcionamento e familiarização com o novo equipamento.

No entanto, o planeamento de projectos a médio e longo prazo mostrará frequentemente um reequilíbrio dos orçamentos quando são tidos em conta não só os custos de aquisição mas também os custos de funcionamento do analisador de oxigénio.

Por exemplo, um analisador eletroquímico de oxigénio que seja financeiramente mais atraente no momento da compra terá um orçamento de funcionamento elevado porque exigirá a substituição regular da sua célula de medição. Será também necessária uma manutenção mais regular e potencialmente extensa para garantir que o analisador se mantenha em perfeitas condições de funcionamento do ponto de vista metrológico. No caso de um analisador de oxigénio extrativo, os componentes de recolha de amostras, como filtros, bombas e secadores, terão de ser sujeitos a manutenção ou mesmo substituídos periodicamente. É a chamada manutenção preventiva, mas também pode ser correctiva.

O mesmo nível de manutenção do analisador será necessário para os analisadores paramagnéticos de oxigénio com deteção ótica (tipo haltere). Mesmo que a célula seja considerada permanente, é relativamente frágil e terá de ser substituída a dada altura, a um custo relativamente elevado.
O analisador paramagnético de oxigénio com um micro caudalímetro mássico, que é mais robusto, não exige a substituição da célula, mas sim a aplicação de um gás de referência, cujo custo de funcionamento deve ser tido em conta no cálculo global. Sempre utilizado num sistema de análise extractiva, os elementos de amostragem devem ser mantidos da mesma forma.

O analisador de oxigénio a laser, se for do tipo extrativo, terá as mesmas limitações e, por conseguinte, os mesmos custos de manutenção que qualquer analisador de gases extractivos. Mas, dado que a sua calibração é mais estável, necessitará de menos operações de calibração e, logicamente, de um menor consumo de gás padrão.

Se o analisador de oxigénio a laser for montado in situ em ambos os lados de um tubo, forno ou chaminé, as operações de manutenção serão raras e rápidas e o custo da alimentação eléctrica insignificante, em comparação com uma instalação de análise extractiva, que consome frequentemente muita eletricidade. Por outro lado, o orçamento de funcionamento deverá incluir o custo do consumo contínuo de gás de purga, quer se trate de azoto ou de ar comprimido seco e sem óleo.

Neste artigo, revimos e detalhamos os 5 principais critérios a ter em conta na escolha de um analisador de oxigénio: a concentração de oxigénio pretendida e o desempenho metrológico exigido, a matriz de gás a analisar, o ambiente de medição, as utilidades necessárias e os custos relativos.

Embora esta lista não seja exaustiva, constitui uma base para um estudo multicritério destinado a orientar as equipas de projeto ou os gestores de operações para uma solução adequada às suas necessidades.