Als het gaat om naleving van industrienormen en veiligheid, is de keuze van een gasanalysator een cruciale beslissing voor een ingenieur. Deze taak wordt steeds complexer met de steeds verder ontwikkelende technologieën (NDIR, FID, TCD, FTIR, massaspectrometrie), en een verkeerde keuze kan uiteindelijk leiden tot kostbare fouten.
Een verkeerde keuze bij de selectie van gasanalysatoren kan leiden tot diverse negatieve gevolgen, waaronder onherstelbare metingen, minder efficiënte processystemen en verhoogde risico's door niet-gemeten gasafwijkingen. De aanschafkosten vormen slechts één aspect van de totale kosten. Daarnaast zijn er veel kosten op de lange termijn, zoals onderhoudskosten en kosten als gevolg van systeemdegradatie in de loop der tijd.
De selectie van gasanalysatoren staat centraal in deze handleiding. Het biedt een gestructureerde, logische en objectieve methode voor de analyse en selectie van gasanalysatoren. De selectie, analyse en het ontwerp van procesregelinstrumenten zijn gebaseerd op een gedegen kennis van gasanalyse en diepgaande expertise in het betreffende vakgebied.
Bij de keuze van een gasanalysator is een gedegen kennis van de toepassing essentieel. Het is belangrijk om precies te begrijpen waarvoor de analysator gebruikt zal worden, welke gassen gemeten moeten worden en onder welke omstandigheden (temperatuur, druk, vochtigheid, enz.).
Als het doel van de toepassing niet duidelijk is gedefinieerd, zal de analyzer – hoe geavanceerd ook – waarschijnlijk misleidende of onjuiste resultaten opleveren. De nauwkeurigheid waarmee een gasanalysator gas meet, hangt doorgaans volledig af van hoe goed de analyzer is ontworpen voor de behoeften van de gebruiker.
De eerste stap is het identificeren van de exacte doelgassen, zoals CO, O₂, H₂S, VOC's, CH₄ of NOx. Het is even belangrijk om rekening te houden met achtergrondgassen die de meetnauwkeurigheid kunnen beïnvloeden. Daarnaast moet het verwachte concentratiebereik duidelijk worden gedefinieerd, of het nu gaat om detectie op spoorniveau in ppm of ppb, of om metingen op hoger percentageniveau.
Omgevingsfactoren bepalen de betrouwbaarheid op lange termijn vaak meer dan de sensortechnologie zelf. Factoren zoals temperatuur, druk, luchtvochtigheid, stof, trillingen en blootstelling aan corrosieve stoffen kunnen de prestaties aanzienlijk beïnvloeden. In industriële omgevingen moet ook rekening worden gehouden met classificaties voor gevaarlijke zones, zoals ATEX of de Class I Division-normen, om een veilige werking te garanderen.
Belangrijke technische parameters die geëvalueerd moeten worden, zijn onder meer:
Een andere cruciale overweging betreft de monstermatrix. Een schone en droge gasstroom verschilt van een hete en natte processtroom, of een stroom die deeltjes bevat. De monstermatrix is vaak bepalend voor de stabiliteit van een analyse in de loop der tijd, of voor de noodzaak tot frequent onderhoud en herkalibratie.
Een constructievere benadering is het vereenvoudigen van de steekproefmatrix. Dit is gemakkelijker met een gestructureerde selectiemethode, of zelfs met behulp van een besluitvormingskader. De mogelijkheid om snel de juiste analysetechnologieën te selecteren met behulp van een interactieve selectietool op basis van de variabelen in de steekproefmatrix, leidt de gebruiker naar toepassingsspecifieke oplossingen in plaats van standaardoplossingen.
Verschillende gasanalysatoren werken volgens verschillende meetprincipes en zijn elk ontworpen voor een specifieke toepassing. Door deze basisprincipes te begrijpen, kunt u snel bepalen welk apparaat het beste bij uw proces past, in plaats van alleen op specificaties af te gaan.
NDIR (niet-dispersieve infrarood) analysatoren Ze meten hoeveel infrarood licht wordt geabsorbeerd door gassen zoals CO, CO₂, CH₄ en NOx. Vanwege hun stabiliteit en geringe onderhoudsbehoefte worden ze veel gebruikt voor emissiemonitoring, HVAC-systemen en algemene procesbesturing.
FID-analysatoren (Flame Ionization Detector) verbranden het monster met behulp van een waterstofvlam en meten zo de ionisatie van de koolwaterstoffen. FID-analysatoren worden gebruikt voor totale koolwaterstoffen (VOC)-monitoring voor industriële en milieudoeleinden.
TCD (Thermal Conductivity Detector) analysatoren Ze detecteren veranderingen in de thermische geleidbaarheid tussen gassen. Ze zijn eenvoudig maar effectief, vooral voor toepassingen zoals het controleren van de zuiverheid van waterstof of eenvoudige binaire gasmengsels.
Elektrochemische sensoren genereren een elektrisch signaal door middel van een chemische reactie. Deze sensoren zijn compact en worden veel gebruikt in draagbare veiligheidsapparaten voor gassen zoals O₂, CO, H₂S en NH₃.
FTIR-systemen (Fourier Transform Infrared) kunnen meerdere gassen tegelijk analyseren met behulp van infraroodspectra. Ze zijn geavanceerder en worden gebruikt bij emissietesten en onderzoek waarbij detectie van meerdere gassen nodig is.
Massaspectrometers (MS/RGA) leveren zeer gedetailleerde gassamenstellingen door ionen op basis van massa te scheiden. Ze worden doorgaans gebruikt in zeer nauwkeurig onderzoek, vacuümsystemen en voor detectie op spoorniveau.
Gaschromatografie (GC) Het scheidt gascomponenten voordat ze afzonderlijk worden gedetecteerd. Het is het meest geschikt voor complexe mengsels en zeer nauwkeurige laboratorium- of kwaliteitscontrolewerkzaamheden.
Elke technologie lost een ander soort probleem op, dus de juiste keuze hangt minder af van de mogelijkheden alleen en meer van hoe en waar de technologie gebruikt zal worden.
Bij de keuze voor een gasanalysator is meer nodig dan alleen inzicht in verschillende technologieën. Wanneer een apparaat wordt gebruikt voor water- of gastoepassingen, zijn meetmogelijkheden, operationele bruikbaarheid en kosten op lange termijn belangrijke factoren voor de betrouwbaarheid van een analysator.
Bij elke selectie staat de technische prestatie van de analyzer centraal.
De analysers worden gepresenteerd als zijnde van uitstekende nauwkeurigheid en precisie. Nauwkeurigheid verwijst naar hoe dicht de meting bij de werkelijke waarde ligt, en precisie naar de herhaalbaarheid. De beweringen van bedrijven worden afgemeten aan hun prestaties.
Begrenzingsfactoren zijn gerelateerd aan de prestaties en bepalen het vermogen van de analysator om het gas te meten in aanwezigheid van andere componenten. Slechte begrenzingsfactoren leiden tot kruisgevoeligheid, wat inhoudt dat de meting van één gas wordt waargenomen in de aanwezigheid van meerdere gascomponenten.
De reactietijd is een belangrijke factor bij het meten van dynamische processen. Een snelle reactietijd is cruciaal in veiligheidstoepassingen om tijdige detectie van blootstelling aan een gevaarlijk gas te garanderen.
Bij gasmetingen zijn detectielimieten en gasmeting van belang. De meting van gas, dat doorgaans schadelijk is of ervoor zorgt dat iemand het gas verlaat, is essentieel om te voldoen aan de minimale wettelijke eisen.
Betrouwbaarheid van de meting hangt nauw samen met de meetprestaties van het gas. Een hoge MTBF (Mean Time Between Failure) is essentieel voor een goede meting.
De praktische bruikbaarheid bepaalt vaak hoe efficiënt de analyzer op de lange termijn presteert.
Het is van cruciaal belang om de gebruiks- en onderhoudsvereisten te begrijpen, inclusief wat en wanneer filters en interne componenten moeten worden onderhouden of vervangen. De beschikbaarheid van reserveonderdelen bepaalt of er storingen optreden of dat de dienstverlening volledig uitvalt.
Kalibratie is een andere belangrijke factor. Dit kan bestaan uit nulpunts- en bereikkalibratie met behulp van gecertificeerde gassen, en de frequentie moet overeenkomen met zowel de richtlijnen van de fabrikant als de kritische aard van het proces.
Integratiemogelijkheden zijn essentieel in moderne industriële omgevingen. De analyzer moet communicatie met bestaande systemen zoals DCS, PLC of data-acquisitieplatformen ondersteunen. Gangbare protocollen zijn onder andere Modbus, Ethernet/IP, 4–20mA en OPC UA.
Vanuit praktisch oogpunt mogen robuustheid voor ruwe omgevingen en basiscyberbeveiliging voor verbonden systemen niet over het hoofd worden gezien, vooral in digitaal geïntegreerde fabrieken.
De gebruikersinterface speelt ook een rol in de dagelijkse werkzaamheden. Duidelijke displays, eenvoudige bediening, gegevensregistratie, exportmogelijkheden en bewaking op afstand kunnen de gebruiksvriendelijkheid aanzienlijk verbeteren.
De kosten zijn niet het bedrag dat de klant betaalt. De totale kosten bestaan uit de analyseapparatuur, de bemonsteringsapparatuur en de installatie. Het belangrijkste cijfer is de totale eigendomskostprijs (TCO).
De totale eigendomskosten (TCO) omvatten de kosten van verbruiksartikelen (filters, lampen, sensoren en reagentia) en kalibratiegas. TCO omvat de kosten van onderhoudscontracten, energiekosten en kosten als gevolg van uitval van apparatuur voor onderhoud (service of plotselinge uitval).
Vaak lopen de uiteindelijke kosten van een onjuiste analyse veel hoger op dan de geschatte kosten. Inefficiënte processen als gevolg van slechte meetkwaliteit kunnen leiden tot boetes van de toezichthouder en veiligheidsrisico's. Hierdoor wordt de selectie van de analyseapparatuur een belangrijke beslissing op het gebied van risicomanagement in plaats van een puur technische afweging.
De rol van de leverancier wordt vaak onderschat, maar wordt cruciaal na de installatie. Goede technische ondersteuning en een goed gestructureerd trainingsprogramma voor operators en onderhoudspersoneel dragen bij aan de effectiviteit van het systeem op lange termijn. Dit wordt aangevuld door de vermindering van het operationele risico op lange termijn dankzij de beschikbaarheid van onderdelen en applicatieondersteuning.
Een andere belangrijke overweging is het schaalvermogen van het systeem. Naarmate de tijd verstrijkt, veranderen ook de processen en regelgeving in de industriële sector. Het analysesysteem moet zich ook aan deze veranderingen kunnen aanpassen. Het juiste systeem kan ervoor zorgen dat de behoeften van het proces blijven evolueren door een modulair ontwerp, configureerbare en flexibele instellingen en continu bijgewerkte software.
De meeste gasanalysesystemen zijn geoptimaliseerd voor de analysatoren zelf, en het bemonsteringssysteem wordt als secundair beschouwd. Dit is praktisch een van de oorzaken van de meeste meetfouten. Zelfs een hoogwaardige analysator biedt geen betrouwbare meetnauwkeurigheid en -precisie als het gasmonster de analysator niet bereikt in een schone, stabiele en, belangrijker nog, representatieve toestand van het daadwerkelijke proces.
Een bemonsteringssysteem moet zodanig ontworpen zijn dat het gas dat de analysator bereikt, vrij is van vervormingen als gevolg van verontreiniging door procesgas, condensatie en/of drukschommelingen. In de meeste industriële toepassingen heeft de kwaliteit van een bemonsteringssysteem een grotere invloed op de meetnauwkeurigheid dan de technologie van de analysator zelf.
Een typisch gasbemonsteringssysteem bestaat uit verschillende onderling verbonden componenten, die elk een specifieke rol spelen bij het waarborgen van de integriteit van het monster:
Elk element werkt samen om de chemische samenstelling en de fysieke toestand van het monster te behouden, van extractie tot meting.
Er zijn talloze voorbeelden uit de industrie die aantonen hoe de keuze voor de beste gasanalysator uit de vele beschikbare opties wordt geoptimaliseerd door de eisen van de betreffende sector te kennen. Factoren zoals wettelijke voorschriften, reactiesnelheid van het gas, precisie, robuustheid en levensduur zijn bijvoorbeeld bepalend voor de uiteindelijke keuze van een gasanalysator.
Bij het monitoren van emissies is de naleving van de geldende regelgeving van het grootste belang. Systemen moeten voldoen aan de voorwaarden voor het meten van de gasemissies van NOx, SO₂, CO, CO₂ en O₂ door middel van gasstromen met hoge temperaturen en een hoog gehalte aan fijnstof.
De gebruikelijke methode om dit probleem aan te pakken is het gebruik van FTIR- en/of NDIR-gasanalyse. Wanneer een VOC moet worden gemeten, wordt een FID gebruikt. Voor afvalverbrandingsinstallaties en afvalverbrandingsinstallaties is het gebruik van FTIR CEMS de beste oplossing, omdat deze een totaaloplossing biedt voor de meting van meerdere componenten en de vereiste nauwkeurigheid voor naleving van de regelgeving garandeert.
In dit onderdeel worden de verschillende aspecten van de wettelijke vereisten behandeld. Niet alleen worden de emissies gemeten om aan de regelgeving te voldoen, maar ook de gevolgen van diverse bedrijfsactiviteiten worden gemeten en vervolgens verminderd door optimalisatie van die activiteiten.
In de procesindustrie is een snelle en nauwkeurige controle van de productie essentieel. Deze controle is van groot belang, met name bij procesgassen. De stabiliteit en betrouwbaarheid van het systeem moeten gedurende het gehele proces gewaarborgd blijven.
In dit verband wordt het gebruik van NDIR, TCD, procesgaschromatografie en/of massaspectrometrie bepaald door de complexiteit van het proces. Bijvoorbeeld, bij de productie van ethyleen wordt een procesgaschromatograaf vaak gebruikt om de zuiverheid van het product te bewaken en vervolgens het proces in de regelkring te controleren.
Bij veiligheidstoepassingen zijn snelheid en betrouwbaarheid cruciaal. Het doel is om ongevallen te voorkomen door gevaarlijke, brandbare of giftige gassen vroegtijdig op te sporen.
Het merendeel van de toepassingen betreft elektrochemische sensoren, katalytische detectoren en NDIR-systemen, afhankelijk van het type gas. Wanneer snelle respons, alarm en naleving van veiligheidsvoorschriften alle drie noodzakelijk zijn in een besloten ruimte, is een draagbare elektrochemische analyzer absoluut een uitstekende optie.
Omdat veiligheid voorop staat, zijn standaardvoorschriften voor ATEX-, UL- of CSA-goedkeuringen voor gevaarlijke zones verplicht voor situaties in besloten ruimtes.
Met betrekking tot zeer gevoelige apparaten voor het opsporen van verontreinigende stoffen, wordt bij het ontwerp rekening gehouden met milieumonitoringssystemen die gedurende langere perioden onbeheerd kunnen functioneren.
Afhankelijk van de te meten verontreinigende stof worden doorgaans NDIR-, FID- en selectieve elektrochemische sensoren gebruikt. Ze zijn met name geschikt voor continue monitoring, zoals in een stedelijk luchtkwaliteitsnetwerk.
In onderzoek en ontwikkeling zijn veelzijdige analysesystemen over het algemeen essentieel. Toepassingen omvatten doorgaans de analyse van complexe mengsels, reacties of geavanceerde materialen.
Voorbeelden van dergelijke analysesystemen zijn GC-MS, FTIR of massaspectrometrie. GC-MS wordt bijvoorbeeld voornamelijk gebruikt in farmaceutisch onderzoek voor de analyse van reactiepaden om het bestaan van reactietussenproducten aan te tonen.
Zoals bij alle toepassingen beïnvloeden veranderende operationele doelstellingen de selectieparameters. Het is echter essentieel om de mogelijkheden van de analyzer af te stemmen op de procesomstandigheden van de doelmarkt, in plaats van willekeurige richtlijnen op te leggen.
Een betrouwbare gasanalyse is afhankelijk van alle drie de componenten die in de titel van dit hoofdstuk worden genoemd: de installatie, de kalibratie en het onderhoud. Veel gasanalysatoren kunnen geen betrouwbare gasanalyse leveren vanwege installatieproblemen die te wijten zijn aan mechanische en omgevingsfactoren.
Een correcte installatie beïnvloedt de prestaties van de gasanalysator door de analyse stabiel en nauwkeurig te houden. Een correct gekalibreerde analysator levert geen betrouwbare analyse op als deze niet correct is geïnstalleerd.
Kalibratie is essentieel voor het behoud van meetnauwkeurigheid gedurende de levensduur van de analysator. Het zorgt ervoor dat de meetwaarden consistent blijven met bekende referentiestandaarden.
De nulkalibratie wordt uitgevoerd met een gas dat geen meetbare hoeveelheid van de te meten component bevat, zoals stikstof of schone instrumentlucht. Hiermee wordt de basislijn van het systeem vastgesteld.
Bij bereikkalibratie wordt een gecertificeerd gas gebruikt met een bekende concentratie van de te analyseren stof. In veeleisendere toepassingen wordt meerpuntskalibratie gebruikt om de nauwkeurigheid over het volledige meetbereik te verbeteren in plaats van op één enkel punt.
Een goede documentatie is eveneens cruciaal. Kalibratiegegevens moeten volledig traceerbaar worden bijgehouden, inclusief details over de gebruikte kalibratiegassen en hun certificeringsnormen. Dit is vaak een vereiste voor naleving van de regelgeving in gereguleerde sectoren.
Een systeem kan operationeel duurzaam worden gehouden door het implementeren van een preventief onderhoudsschema. Dit omvat over het algemeen het regelmatig vervangen van filters, het inspecteren van de monsternameleidingen, het controleren van de lampen of sensoren en het verifiëren van het systeem om de prestaties te evalueren volgens de aanbevelingen van de fabrikant.
Vroege tekenen van prestatievermindering moeten worden aangepakt tijdens het oplossen van problemen. Dit kan worden gedaan aan de hand van instabiele metingen, signaalafwijkingen of het ontvangen van onverwachte foutcodes. Het is raadzaam om deze problemen vroegtijdig aan te pakken om langdurige en foutieve storingen in het systeem te voorkomen.
De prestaties van het systeem kunnen worden verbeterd door modernisering. Dit kan worden bereikt met behulp van nieuwere softwareapplicaties of nieuwere firmware. Actuele systemen bieden modernere interfaces voor integratie met de besturingssystemen.
Het systeem is in zijn geheel afhankelijk van een duurzame discipline bij installaties, kalibratieprocedures en preventief onderhoud.
Bij de keuze van een gasanalysator moet rekening worden gehouden met de wettelijke voorschriften, met name in sectoren waar strenge emissienormen, eisen op het gebied van veiligheid en productkwaliteit gelden. Het systeem moet aan alle wettelijke eisen voldoen om door klanten en/of toezichthouders legaal en openbaar te worden geaccepteerd en gebruikt.
Verschillende industrieën vallen onder verschillende regelgeving, en de analyseapparatuur moet vanaf het begin aan deze eisen voldoen.
De analysator moet tevens voldoen aan veiligheids-, kwaliteits- en prestatieborgingskaders die de veiligheid en kwaliteit garanderen.
Certificeringen voor gevaarlijke zones: Apparatuur die wordt gebruikt in zones met explosiegevaar of andere potentieel gevaarlijke situaties moet voldoen aan de normen van ATEX, IECEx, UL en CSA. Deze normen specificeren de geschiktheid van apparatuur voor specifieke zones, indelingen en gasgroepen.
Kwaliteitsmanagementsystemen: ISO 9001 behandelt de productie van producten op een aanvaardbaar kwaliteitsniveau. ISO/IEC 17025 behandelt kalibratielaboratoria en certificeert de betrouwbaarheid van de gemeten waarden.
Meet- en analysenormen: De gasanalysenormen, die ASTM- of ISO-normen kunnen zijn, specificeren de erkende normen voor gasanalyse. Deze normen bevorderen de consistentie van analyseresultaten en zorgen ervoor dat analyseresultaten vergelijkbaar zijn binnen verschillende gasanalysegebieden en industrieën. Traceerbaarheid van resultaten naar normen op nationaal meetniveau is verplicht voor naleving van de normen.
Kies de juiste gasanalysator door rekening te houden met uw doelgassen, omgevingsomstandigheden, de betrouwbaarheid van het bemonsteringssysteem en wettelijke certificeringen (EPA, ATEX, ISO) – en niet alleen door technologieën te vergelijken.