Pomiary z wykorzystaniem analizatorów przemysłowych. Wielka czwórka inaczej

Kiedy w ciągłym procesie technologicznym zachodzi potrzeba monitorowania wielkości regulowanej, która znajduje się poza „wielką czwórką” (ciśnienie, przepływ, temperatura i poziom), zazwyczaj realizują to niektóre analizatory przemysłowe. Również ta grupa przyrządów ma swoje cztery podgrupy.

Wyróżniamy analizatory:

    • składu – wykrywanie i mierzenie specyficznych składników chemicznych w strumieniu medium,
    • elektrochemiczne – mierzenie stężenia określonych jonów, najczęściej jonów wodoru (pH),
    • spektrofotometryczne – wykorzystanie charakterystyk absorpcji światła do wykrywania i mierzenia określonych składników,
    • własności fizycznych – mierzenie ciężaru właściwego, gęstości, lepkości itp.

Odkąd procesy wytwarzania są na ogół przeznaczone do realizacji określonych zadań, to skład lub charakterystyka wytwarzanego produktu powinny mieścić się w stosunkowo wąskim przedziale. Na przykład, dopóki analizator szerokiego pasma widma, który może wykryć każdą nieznaną substancję w badanej próbce produktu, może być wykorzystany tylko w laboratorium, dopóty raczej nie znajdzie praktycznego zastosowania w środowisku przemysłowym. Chromatograf gazowy i spektrometr masowy mogą określić ilościowo szeroką gamę substancji, ale ich koszt i relatywna złożoność powodują, że są stosowane tylko wtedy, gdy nie można tego wykonać prostszą i łatwiejszą metodą.

Przemysłowy fotometr promieniowania podczerwonego PIR3503  firmy ABB działa w paśmie widma promieniowania podczerwonego (IR)  i w jego pobliżu (NIR). Akceptuje osiem różnych długości fali promieniowania. Jest używany w rafineriach i zakładach chemicznych. 

– Klienci pytają nas bardziej o niezawodność, niż dokładność pomiarów – mówi Gary Brewer, szef produktu oddziału automatyzacji procesów ABB. – Jeśli analizator ulegnie awarii, to cały proces produkcyjny może zostać zatrzymany. Tak więc reguła oparta na doświadczeniu polega na stosowaniu możliwie najprostszej techniki, która zapewni potrzebny pomiar.

Próbując określić ilościowo zawartość jakiegoś składnika w produkcie, powinniście dokładnie wiedzieć, jakiej substancji szukacie. W sytuacji, gdy ma być przeprowadzony więcej niż jeden test, prawdopodobnie będzie potrzebny więcej niż jeden analizator lub sposób analizy.

Rozważając przykład, w którym zadanie polega na analizie wypływających z kotła gazów kominowych, decydującym jest określenie ilościowe zawartości dwutlenku siarki (SO2 ), tlenków azotu (Nox ), gazów kwaśnych i rtęci. Zawartość dwutlenku siarki można mierzyć poprzez absorpcję promieniowania podczerwonego lub nadfioletowego. Do pomiarów Nox stosowana jest chemiluminescencja lub promieniowanie nadfioletowe. Do rtęci potrzebne jest promieniowanie nadfioletowe. Gazy kwaśne mogą wymagać użycia chromatografu gazowego lub spektrometru masowego. Chociaż promieniowanie nadfioletowe można wykorzystać w trzech z wymienionych czterech pomiarów, to w takiej sytuacji prawdopodobnie konieczne będzie użycie więcej niż jednego czujnika. Być może nawet będzie konieczne użycie oddzielnego czujnika do każdej substancji. Dostępne są czujniki do pomiaru wielu składników, ale nie są to wyroby handlowe ze względu na cenę i poziom skomplikowania.

Niektóre względnie proste próby, takie jak pomiary pH lub zawartości tlenu, mogą być prowadzone za pomocą czujki umieszczonej w strumieniu medium. Jednak tylko niektóre analizy są tak proste. Większość wymaga pobrania próbki produktu i dostarczenia do urządzenia, na którym wykonane zostaną bardziej złożone operacje analityczne. Ten proces pobierania próbki i dostarczania do laboratorium może być zautomatyzowany i wykonywany w odpowiednich odstępach czasu. Oddzielnym zagadnieniem są metody projektowania instalacji rurowych, umożliwiających takie właśnie pobieranie próbek do analizatora. Ze względów oszczędnościowych w niektórych przypadkach jedno urządzenie może obsługiwać więcej niż jedną linię technologiczną. Każda metoda analizy ma określony czas trwania. Pomiary wykorzystujące podczerwień są na tyle szybkie, że mogą być prowadzone w sposób ciągły, podczas gdy chromatograf gazowy może potrzebować 30 minut na wykonanie kompletnego testu.

Najważniejszą sprawą przy wyborze analizatora jest – podobnie jak przy wyborze każdego przyrządu – dobra znajomość prowadzonego procesu technologicznego oraz informacji najbardziej istotnej w strategii regulacji tego procesu.

Artykuł pod redakcją inż. Józefa Czarnula,
specjalisty automatyka z wieloletnim doświadczeniem
w projektowaniu i uruchamianiu układów automatyki