Analyzátory plynů Fuji Electric

Automobilový, chemický, petrochemický či hutní průmysl, energetika nebo ochrana životního prostředí – to jsou některé z hlavních oblastí, kde se využívá velmi široké spektrum měřicí a analytické techniky Fuji Electric. Analyzátory plynu aktivně přispívají ke zvyšování kvality výroby a k optimalizaci a efektivitě průmyslových procesů. Fuji Electric nabízí široký sortiment analyzátorů pro kontinuální měření koncentrace složek plynů v provozních podmínkách a analyzátorů plynů in situ pro optimalizaci procesů spalování.

Extraktivní infračervené analyzátory NDIR

Analyzátory NDIR (Nondispersive Infrared) jsou určené k měření koncentrace plynů absorbujících infračervené záření. Extraktivní analyzátory plynu Fuji umožňují kontinuální měření až pěti složek současně. Jde o měření obsahu CO, CO₂, NO_x, SO₂, CH₄ a N₂O. Dvojatomová molekula kyslíku neabsorbuje infračervené světlo, a proto musí být k měření obsahu O₂ po­užita jiná analytická metoda.

Základem NDIR je senzor hmotnostního průtoku, který určuje množství infračerveného světla absorbovaného měřicí kyvetou. Hmotnostní průtokoměr převádí absorpci infračerveného světla na elektrický signál. Díky nízké impedanci má senzor vynikající odolnost proti rušení a díky absenci pohyblivých částí je analyzátor obzvláště odolný proti vibracím.

Dvoupaprskový analyzátor ZKJ

Na obr. 1 je analyzátor NDIR ZKJ pro měření pěti složek v plynu, na obr. 2 je jeho schéma. Tento analyzátor ve dvoupaprskovém uspořádání je ideální pro přesné měření s velkým rozsahem koncentrací.

Analyzátor je vybaven zdrojem infračerveného světla, které je směrováno do referenční a měřicí kyvety. V referenční kyvetě je plyn, který infračervené záření neabsorbuje. V detektoru jsou dvě komůrky naplněné měřeným plynem, mezi nimiž je kanálek, v kterém se měří hmotnostní průtok. Jestliže v měřicí kyvetě nedojde k absorpci infračerveného záření, absorbuje se až v komůrce detektoru. Obě komůrky se absorpcí zahřejí stejně a v měřicím kanálku nic neteče. Jestliže však v měřicí cele dojde k absorpci záření, příslušná komůrka se zahřeje méně a začne do ní proudit plyn z druhé komůrky. Porovnáváním s referen­ční hodnotou se určí měřená koncentrace dané látky. Rotující segment střídavě zakrývá zdroj světla a tím signál moduluje. Typ ZKJ umožňuje současné a kontinuální měření pěti plynů, s detekčním rozsahem od 20 ppm. Rozsah měření pro všechny plyny je uveden v tab. 1.

Jednopaprskový analyzátor ZPA

Analyzátor ZPA v jednopaprskovém uspořádání je nejvíce vhodný pro běžná provozní měření, kde není třeba široký měřicí rozsah (obr. 3). Na rozdíl od ZKJ má jen jednu měřicí celu, která se střídavě plní měřeným a referenčním plynem. Konstrukčně je to jednodušší řešení, avšak je nutné použít ventil pro střídavé plnění cely měřeným a referenčním plynem. Využití má při měření spalin ze spaloven odpadu, kotlů a různých průmyslových pecí. Vyznačuje se vynikající stabilitou v čase. Vestavěný displej zobrazuje měřené koncentrace všech pěti složek najednou. K dispozici jsou volitelné funkce, jako je ovládání automatické kalibrace, korekce atmosférického tlaku, alarmy, dálkový přepínač rozsahu apod.

Speciální analyzátor bioplynu ZPAF

Analyzátory složení biologických plynů měří současně až čtyři plynné složky bioplynu: CH₄ a CO₂ prostřednictvím jednopaprs­kového analyzátoru NDIR, H₂S elektrolytickým senzorem s konstantním potenciálem a k tomu O₂ pomocí palivového článku.

Unikátní konstrukce měřicí kyvety snižuje náklady na údržbu. Přístroj ZPAF je ideál­ní pro skládky a úložiště odpadů, autoklávy, kvasný průmysl a odkalovací jednotky.

Analýza obsahu kyslíku

Již bylo zmíněno, že k měření obsahu kyslíku nelze po­užít metodu NDIR. Jak tedy měřit obsah kyslíku? Nejčastěji se používá paramagnetická nebo elektrochemická metoda nebo měření se zirkonovou sondou.

Paramagnetická metoda využívá skutečnost, že se molekuly kyslíku vlivem magnetického pole přitahují. Výsledkem je tlak, který je detekován hmotnostním mikroprůtokoměrem (obr. 4). Tento princip využívá paramagnetický analyzátor kyslíku ZAJ. Vyniká robustností, neboť nemá žádné pohyblivé části a mezi detekčním senzorem a měřeným plynem nedochází ke kontaktu. Analyzátor ZAJ je rychlý, s odezvou do 2 s. Má široký dynamický rozsah, netrpí na křížové interference a je odolný proti rušení jinými plyny (H₂, CO₂ atd.). Naproti tomu paramagnetický analyzátor kyslíku vyžaduje trvalé používání referenčního plynu (nejčastěji dusíku).

Elektrochemický senzor O₂ je ve své podstatě palivový článek. Kyslík z analyzovaného vzorku difunduje přes membránu článku. Elektrický proud protéká mezi dvěma elektrodami přes elektrolyt, přes rezistor a termistor. Na svorkách termistoru se měří napětí, které je přímo úměrné koncentraci kyslíku na membráně. Toto řešení je robustní, kompaktní a levné. Navíc díky kyselému elektrolytu málo podléhá rušení. Elektrochemický senzor pro měření obsahu kyslíku lze použít u analyzátorů ZKJ a ZPA.

Zirkonový in situ analyzátor kyslíku ZFK8 je speciálně navržen pro kontinuální měření koncentrace kyslíku ve spalinách a kouři z kotlů v elektrárnách, průmyslových pecích a spalovnách odpadů. Měření kyslíku se používá k regulaci poměru vzduch–palivo na hořácích v řízeném systému, aby se zajistila optimální účinnost procesu. Analyzátor ZFK8 je ideálně vhodný pro kontrolu a optimalizaci přebytečného vzduchu při spalování a významně snižuje spotřebu paliva.

Provoz analyzátoru kyslíku je založen na vlastnosti oxidu zirkoničitého (ZrO₂), který se při zahřívání na vysoké teploty chová jako pevný elektrolyt a vede kyslíkové ionty. Analyzátor měří koncentrace O₂ detekcí elektromotorické síly generované rozdílem obsahu O₂ mezi vzduchem a vzorkem plynu. In situ analyzátor O₂ se zirkonovou sondou dosahuje přesnosti měření ±1 % naměřené koncentrace kyslíku. Systém je v závislosti na zvoleném typu vhodný i pro procesy s teplotami až 1 500 °C. Konstrukce z korozivzdorné oceli 316L zaručuje vynikající odolnost proti vlhkému a korozivnímu prostředí. Převodník je vybaven LCD displejem a alarmem se zvukovou a vizuální signalizací při překročení nastavených limitů. Navíc je zirkonový analyzátor dostupný pod označením ZFKX i v provedení ATEX a je vhodný pro monitorování spalování v nebezpečných prostorách. Tyto analyzátory splňují mezinárodní normy a mají certifikaci CE, UL, CSA, ATEX a QAL1.

Laserový analyzátor plynů ZSS

Laserový analyzátor plynů ZSS je optický přístroj, který využívá infračervený laserový paprsek vycházející z vysílače a směřující na přijímač (obr. 7). Technika měření je založena na absorpci světla molekulami plynu přítomnými mezi vysílačem a přijímačem. Většina plynů absorbuje světlo při specifických vlnových délkách a absorpce je přímo úměrná koncentraci plynu. Vlnová délka laseru se analyzuje na dané absorpční linii, specifické pro požadovanou molekulu, čímž se zabrání téměř jakékoliv interferenci s jinými přítomnými molekulami. Naměřená koncentrace plynu je tedy úměrná amplitudě absorpční čáry.

Laserový analyzátor obsahu kyslíku nabízí bezkonkurenční výkon včetně stability kalibrace, dynamiky stupnice a křížové interference. Jde o měření in situ, žádný prvek není v kontaktu s měřeným plynem (obr. 8). Proto lze analyzovat i mokré nebo velmi prašné plyny. Hlavní nevýhodou laserového analyzátoru kyslíku zůstává jeho cena. Přestože tato technika za posledních 25 let značně pokročila, zůstává drahou alternativou k tradičnějším technikám.

S-Flow – nový kompaktní ultrazvukový příložný průtokoměr na tenká potrubí

Řada osvědčených příložných ultrazvukových průtokoměrů Fuji Electric se v létě 2023 rozrostla o nový kompaktní přístroj pro průměry potrubí 8 až 32 mm. Hlavním přínosem pro tenká potrubí je právě kompaktní provedení, elektronika vysílače i přijímače v jenom přístroji s jednoduchou klávesnicí a dvouřádkovým displejem
(obr. 9).

Princip měření je stejný jako u ostatních příložných ultrazvukových průtokoměrů, jde o metodu měření rozdílu časů průchodu ultrazvuku v jednom a v opačném směru, z níž se detekuje průtočná rychlost a podle průřezu trubky se počítá průtok, přičemž jeho integrací (totalizací) pak proteklý objem kapaliny. Metoda je vhodná pro různé tekutiny s dostatečně konstantní viskozitou, bez pevných částic a s omezenou tolerancí k bublinám plynu. Součástí přístroje může být příložný teploměr.

Vhodné využití oproti konvenčním měřicím přístrojům je v aplikacích s velkou hustotou potrubí, kde není místo pro separátní elektronické vyhodnocovací jednotky. Široké uplatnění lze dále hledat v topných a chladicích systémech budov a v průmyslu.

Přístroj je průběžně k zapůjčení a vyzkoušení ve firmě Amtek.

Závěrem

V sortimentu japonské firmy Fuji Electric pro procesní měření je kompletní nabídka tlakoměrů flexibilní evropské výroby, dále příložné ultrazvukové průtokoměry a také právě zmíněné analyzátory plynů, mezi nimiž vyniká zirkonová sonda, a to i v provedení ATEX, vícesložkové NDIR extraktivní analyzátory a jejich modifikace určená pro bioplyn.

Analyzátory plynů Fuji Electric jsou navrženy s ohledem na co nejjednodušší uvedení do provozu, ovládání i údržbu. Jsou vybaveny autokalibračními a autodiagnostickými funkcemi. Fuji Electric k nim dodává kompletní příslušenství pro úpravu vzorku.

Na český trh tuto techniku dodává firma Amtek. Více informací čtenáři najdou na www.amtek.cz/cs/analyzatoryplynu.

Ing. Matej Šofranko, AMTEK, spol. s r. o.

Obr. 1. Analyzátor ZKJ pro měření pěti složek v plynu

Obr. 2. Schéma principu měření dvoukanálovým analyzátorem NDIR

Obr. 3. Analyzátor ZPA v jednopaprskovém uspořádání

Obr. 4. Analyzátor bioplynu ZPAF na měření metanu, oxidu uhličitého, sirovodíku a kyslíku

Obr. 5. Schéma měření obsahu kyslíku paramagnetickou metodou

Obr. 6. Zirkonová sonda ZKF8 pro měření obsahu kyslíku s ejektorem, který přivádí spaliny k sondě

Obr. 7. Vyhodnocovací jednotka a uspořádání laserového detektoru analyzátoru ZSS

Obr. 8. Měření laserovým analyzátorem plynů

Obr. 9. Kompaktní ultrazvukový příložný průtokoměr S-Flow

Tab. 1. Měřené komponenty a rozsahy analyzátorů ZKJ a ZPA