Przemysłowe analizatory wilgoci — rozwiązania do monitorowania śladowego H₂O i punktu rosy

Higrometry z chłodzonym lustrem pozostają metrologicznie identyfikowalnym wzorcem do kalibracji punktu rosy, ale w terenowych instalacjach gazu ziemnego nie sprawdzają się jako urządzenia sterujące: lustro jest podatne na zanieczyszczenie węglowodorami, mechaniczny układ chłodzenia potrzebuje od 30 do 300 sekund na każdy odczyt, a każdy cykl czyszczenia powoduje przestój instalacji osuszania. TDLAS to nowoczesne rozwiązanie do pomiarów w terenie — bez ruchomych elementów optycznych, z czasem odpowiedzi poniżej 2 sekund, bez materiałów eksploatacyjnych w ogniwie pomiarowym i z natywnym wyjściem 4–20 mA / Modbus / HART, które umożliwia zamknięcie pętli regulacji w systemie DCS. Higrometr z chłodzonym lustrem warto zachować w laboratorium do corocznej weryfikacji, a TDLAS stosować do pomiarów online.

Wybierz ZS8100-H2O, gdy potrzebny jest szeroki zakres dynamiczny (0,1 ppm to 30 %vol H₂O), instalacja w terenie z opcjonalną obudową do strefy zagrożonej wybuchem ATEX Zone 1 (zakres potwierdzany dla danego certyfikatu), krótki czas odpowiedzi przy pomiarach śladowych ilości ppm w gazie ziemnym lub procesowym oraz pełna łączność przemysłowa, w tym HART. Kompaktowy / przenośny wariant TDLAS sprawdzi się, gdy pomiar mieści się w zakresie niskich wartości ppm w pomieszczeniu, instalacja znajduje się wewnątrz budynku lub szafy, a lepszym rozwiązaniem mechanicznym jest kompaktowy panel o szerokości ½ stelaża z wbudowanym układem kondycjonowania próbki — typowe zastosowania obejmują sprężone powietrze, gaz do aparatury, suszenie tworzyw sztucznych i czystość produktów farmaceutycznych. Ten wariant jest dostępny po analizie projektu, a nie jako samodzielny produkt katalogowy SKU. W razie wątpliwości poproś o konsultację inżynierską; dobierzemy urządzenie do przepływu i ciśnienia próbki oraz rysunków stref zagrożonych wybuchem.

Pomiar TDLAS opiera się na spektroskopowej absorpcji linii wody zgodnie z fizycznym prawem Beera-Lamberta, a nie na powierzchni czujnika, której właściwości ulegają dryftowi, dlatego ponowna kalibracja jest potrzebna rzadziej niż w przypadku przyrządów pojemnościowych lub elektrochemicznych. GESHINE określa 5-letni odstęp między kalibracjami ZS8100-H2O w typowych warunkach procesu, a ZS8100-H2O przeprowadza automatyczny cykl weryfikacji względem wewnętrznego ogniwa pomiarowego odniesienia między wizytami serwisowymi; sposób i harmonogram weryfikacji kompaktowej konfiguracji lub wersji przenośnej są ustalane dla każdego projektu. Weryfikację z zachowaniem spójności pomiarowej względem higrometru z chłodzonym lustrem lub innego wzorca odniesienia o potwierdzonej spójności pomiarowej można przeprowadzić w terenie według udokumentowanego harmonogramu, aby spełnić wymagania systemu jakości lub rozliczeń transferu paliwa.

Obudowa terenowa ZS8100-H2O jest dostępna w wariancie do strefy zagrożonej wybuchem ATEX Zone 1 — oznaczenie Ex, grupa gazowa i strefa są potwierdzane dla danego certyfikatu. Urządzenie ma obudowę przeciwwybuchową oraz przepusty po stronie procesu z przyłączami sygnałowymi do stref zagrożonych wybuchem, zgodnie z wymaganiami rysunków instalacji. Typowa instalacja obejmuje dedykowany przewód szybkiej pętli poboru próbki, podłączony do kolektora na wylocie instalacji osuszania, reduktor ciśnienia, filtr koalescencyjny i regulator przepływu dobrane tak, aby zapewnić znamionowy przepływ 0,5–2 L/min do analizatora. Sygnał 4–20 mA / Modbus / HART należy poprowadzić przez odpowiednią barierę lub separator do sterowni. Należy zawsze przestrzegać zasad prowadzenia okablowania określonych w IEC 60079 oraz rysunków stref zagrożonych wybuchem dla danego zakładu, zatwierdzonych przez odpowiedzialnego inżyniera.

Tak. Stężenie pary wodnej i punkt rosy są termodynamicznie równoważne przy danym ciśnieniu, dlatego analizator może podawać wyniki w jednostce wymaganej przez system nadrzędny. ZS8100-H2O podaje stężenie w ppm jako natywną wartość pomiarową i umożliwia przeliczenie na urządzeniu na °C punktu rosy, lb/MMscf do rozliczeń handlowych lub ciśnienie cząstkowe — jednostkę wybiera się w interfejsie HMI lub przez interfejs cyfrowy. Jednostki dostępne w kompaktowym / przenośnym wariancie są potwierdzane dla danego projektu. Ponieważ punkt rosy zmienia się wraz z ciśnieniem, a wartość w ppm nie, należy upewnić się, że wybrana jednostka raportowania odpowiada ciśnieniu, dla którego określono specyfikację odniesienia.

Czujnik Al₂O₃ to cienka, porowata warstwa dielektryczna, której pojemność zmienia się, gdy woda adsorbuje się w porach. Geometria porów powoli zmienia się pod wpływem cykli temperaturowych, zanieczyszczeń, reaktywnych składników i powtarzających się skoków zawartości wilgoci. W efekcie to samo stężenie po sześciu lub dwunastu miesiącach daje inną wartość pojemności. Producenci kompensują tę zmianę, przeprowadzając coroczną kalibrację fabryczną, ale pomiędzy kalibracjami użytkownik nie ma możliwości zweryfikowania w terenie wielkości dryftu. TDLAS omija ten problem, ponieważ pomiar opiera się na absorpcji konkretnej linii absorpcyjnej wody, która jest stałą fizyczną i nie zmienia się z upływem czasu.

TDLAS dobrze sprawdza się w kolektorach gazów masowych UHP, gdzie wymagane są stabilne pomiary na poziomie poniżej ppb, ponieważ metoda nie wymaga materiałów eksploatacyjnych w ogniwie pomiarowym, elektrolitu, który ulega zużyciu, ani mechanicznego lustra podatnego na zanieczyszczenie. W najbardziej krytycznych punktach poboru próbki w narzędziach do litografii i ALD do potwierdzenia pomiaru przy waflu krzemowym nadal bywają stosowane metody pomocnicze. Jednak na poziomie dystrybucji gazów masowych TDLAS eliminuje problem dryftu typowy dla przyrządów pojemnościowych i elektrolitycznych. W sprawie doboru metody i protokołów weryfikacji dla konkretnych warunków w środowiskach o ultrawysokiej czystości należy zapoznać się z przewodnikami branżowymi wymienionymi w sekcji „Źródła” poniżej.

Reprezentatywność pomiaru wilgoci zależy od układu poboru próbki. W przypadku ZS8100-H2O należy zapewnić krótką pętlę poboru próbki z odgałęzieniem od głównego przewodu, reduktor ciśnienia obniżający je do ~1 barg, filtr koalescencyjny chroniący ogniwo pomiarowe przed przenikaniem cieczy oraz przepływomierz utrzymujący przepływ na poziomie 0,5–2 L/min. W kompaktowym / przenośnym wariancie TDLAS wbudowany filtr i regulator przepływu obsługują bezpośrednio próbkę o niskim przepływie; dokładny zakres przepływu jest ustalany dla danego projektu. Należy unikać długich, ślepych przewodów poboru próbki z rurek higroskopijnych (nylon i Teflon® mogą być dopuszczalne, ale do pomiarów śladowych preferowana jest stal nierdzewna), ponieważ wilgoć resztkowa w rurkach będzie pochłaniana, a następnie uwalniana przez wiele dni.

Tak. ZS8100-H2O udostępnia sygnał 4–20 mA z HART, Modbus RTU i Modbus TCP do integracji z systemem DCS i systemem archiwizacji danych procesowych, a także punkt końcowy OPC-UA dla platform cyfrowego bliźniaka zakładu i konserwacji predykcyjnej. Kompaktowy / przenośny wariant TDLAS zapewnia standardowe wyjścia analogowe i szeregowe do prostych integracji; ich dostępność potwierdza się dla danego projektu. W ZS8100-H2O każde wskazanie — stężenie wilgoci, status weryfikacji wewnętrznego odniesienia, przepływ próbki i temperatura obudowy — jest dostępne pod osobnym adresem rejestru. Dzięki temu można łatwo przypisać dane analizatora do dowolnego popularnego przemysłowego systemu sterowania lub archiwizacji danych, bez projektowania specjalnej bramy komunikacyjnej, warstw konwersji protokołów ani niestandardowych sterowników po stronie zakładu.

Wymagania dotyczące wilgoci przy rozliczeniach handlowych określa ISO 18453 (gaz ziemny — korelacja między zawartością wody a punktem rosy wody), natomiast ASTM D5454 opisuje metodę pomiaru wilgoci elektronicznymi analizatorami. GPA 2261 dotyczy analizy składu gazu ziemnego metodą chromatografii gazowej, a nie kryteriów akceptacji wilgoci. TDLAS podaje bezpośredni pomiar ułamka molowego, który można przeliczyć na punkt rosy przy ciśnieniu określonym w umowie. Zapewnia też pełną cyfrową identyfikowalność pomiaru i nie ma ruchomego elementu pomiarowego, który mógłby zwiększyć niepewność między rozliczeniami. W razie sporu można przeprowadzić weryfikację względem higrometru z chłodzonym lustrem z zachowaniem identyfikowalności, pobierając próbkę z tej samej pętli; TDLAS zapewnia ciągły zapis danych pomiędzy weryfikacjami.

Wskazanie wilgoci przez TDLAS może się zmieniać przy zmianie gazu tła, ponieważ sąsiednie linie absorpcyjne innych składników zniekształcają linię wody — jest to wpływ współabsorpcji. TDLAS wykorzystuje odizolowaną linię H₂O, ale skrzydła silnych pasm absorpcyjnych, takich jak metan (C1), etan (C2) i CO₂, mogą nakładać się na pasmo wody lub poszerzać je pod wpływem ciśnienia. Samo poszerzenie zależy od składu gazu tła. Dlatego urządzenie skalibrowane dla jednego składu może wskazywać nieco za dużo lub za mało, gdy zmieniają się proporcje C1/C2/CO₂, mimo że rzeczywista zawartość wilgoci pozostaje bez zmian. Dobre analizatory TDLAS kompensują ten efekt, wybierając linię o minimalnym nakładaniu się z innymi pasmami, stosując korekty poszerzenia zależne od składu i, w razie potrzeby, uwzględniając dane o gazie tła. Jeśli skład strumienia znacznie się zmienia (zakres matrycy gazowej ustalany dla projektu), należy przekazać inżynierowi ds. zastosowań przewidywany zakres składu, aby dobrał linię i model poszerzenia do tych warunków, a nie do jednego nominalnego składu.

Przy pomiarze śladowej wilgoci w przewodach gazów o wysokiej czystości (UHP) większe zmiany dotyczą układu poboru próbki niż analizatora — przy ustalonej dla projektu granicy pomiaru śladowego głównym źródłem błędu stają się przewody i złączki. Woda osadza się na powierzchniach wewnętrznych i powoli z nich uwalnia, dlatego pomiary śladowe wymagają elektropolerowanej stali nierdzewnej lub całkowicie obojętnych chemicznie elementów zwilżanych, połączeń spawanych lub z uszczelnieniem czołowym, braku rurek higroskopijnych i minimalnej liczby odcinków martwych. Pojedynczy wilgotny odcinek martwy może przez wiele godzin uwalniać wilgoć z powrotem do strumienia. Układ musi być też szczelny, aby zapobiec przedostawaniu się wody z otoczenia, i wymaga długiego, udokumentowanego osuszania przed uznaniem wskazań za wiarygodne (czas przedmuchiwania ustalany dla projektu). Inne są również zasady weryfikacji: przy poziomach śladowych wyniki sprawdza się względem generatora wilgoci lub wzorca odniesienia, a nie gazu wzorcowego o stężeniu górnym, oraz weryfikuje się całą pętlę, nie tylko ogniwo pomiarowe. TDLAS nadaje się do tego zastosowania, ponieważ nie ma elementu pomiarowego, który zużywałby się z upływem czasu, ale to dyscyplina przy pobieraniu próbki pozwala uzyskać wiarygodny wynik pomiaru śladowego.

Limity emisji określone w przepisach są zazwyczaj raportowane dla gazu suchego, przy standardowej referencyjnej zawartości O₂ (6% dla węgla, 11% dla biomasy, 15% dla turbiny gazowej, 0% dla odpadów). Dlatego zawartość wilgoci w spalinach trzeba zmierzyć, aby przeliczyć wskazanie analizatora dla gazu wilgotnego na raportowaną wartość dla gazu suchego. Pomiar wilgoci w spalinach metodą TDLAS łączy się z pomiarami O₂, SO₂ i NOₓ, aby wykonać pełną korektę CEMS dla gazu suchego. W elektrowniach wilgoć w spalinach wykorzystuje się również jako zmienną procesową przy optymalizacji sprawności cieplnej.

Monitorowanie wilgoci znajduje zastosowanie w przetwórstwie gazu ziemnego (osuszanie za pomocą TEG / sit molekularnych, rozliczenia handlowe w gazociągach), przemyśle petrochemicznym (osuszanie etylenu / propylenu / chloru w celu ochrony katalizatorów), przemyśle półprzewodnikowym (dostarczanie gazów UHP do trawienia plazmowego, CVD, ALD), instalacjach separacji powietrza (czystość tlenu / azotu / argonu), energetyce (wilgoć w spalinach do korekty CEMS i optymalizacji sprawności cieplnej), systemach sprężonego powietrza (weryfikacja osuszaczy powietrza do aparatury) oraz przemyśle spożywczym i farmaceutycznym (kontrola atmosfery podczas liofilizacji i inertyzacji).