Mauro Ogido, 2019 Analizadores de Gases Continuos · 2019. 6. 26. · § Analizador multicomponente...

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Analizadores de Gases Continuos Mauro Ogido, 2019

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    Analizadores de Gases ContinuosMauro Ogido, 2019

  • © ABB Group

    Varias longitudes de onda de luzIR son absorbidascaracterísticamente según lasdiferentes configuraciones deuniones químicas en lasdiferentes moléculas.

    1

    32

    4

    Métodos Ópticos de Análisis

  • © ABB Group

    Materia vs Interacción con la Luz

    MoléculasÁtomos

    Vibraciones

    Enlace (e-)

    Estiramiento Simétrico Estiramiento Asimétrico Flexión

    MateriaMateria

  • Ley de Lambert-BeerMétodos Ópticos de Análisis

    Ley de Lambert-Beer

    Donde– P0 Potencia Emitida por la fuente de luz– P Potencia Transmitida a través de la celda– a l Es el coeficiente de absortividad específica

    (propia de cada compuesto a unaTemperatura determinada, a unalongitud de onda determinada)

    – b Es la longitud del camino óptico (celda)– c Es la concentración del analito

    bcaePP

    bcaPP

    bcaPP

    bPcaP

    l

    l

    l

    l

    -=

    -=

    ¶-=¶

    ¶-=¶

    0

    0

    ln

  • Métodos Ópticos de AnálisisTecnologías de ABB

    © ABB Group

    NDIRNDIR FiltrosFiltros FTIRFTIR LASERLASER

    § Infrarrojo no dispersivo

    § La selectividad selogra utilizandodetectoresespecíficos

    § Se utiliza una lámparauniversal

    § Se pueden medirmúltiples componentescon múltiplesdetectores

    § URAS (FRANKFURT)

    § Se selecciona lalongitud de ondamediate dispersion ofiltración de luz

    § Se utilizan lámparasuniversales (UV – IR)

    § Se pueden medirmultiples componentscon multiples filtros

    § Limas 11 UV/IR(FRANKFURT) –PUV/PIR/PFO(LEWISBURG)

    § Se miden lasabosorcionessimultáneamente atodas las longitudes deonda

    § Se utiliza una lámparauniversal

    § Se obtiene uninterferograma y porTransformada deFourier se obtiene unespectro

    § MB3000 / MB3600 /FTPA2000 (QUEBEC)

    § ACF-NT (FRANKFURTcon tecnología deQUEBEC)

    § Se sintoniza el laser auna determinadalongitud de onda

    § TDLS (Tunable DiodeLaser Spectroscopy):Se puede medir unsolo componente LS25/ LS4000(FRANKFURT)

    § CEAS (CavityEnhanced AbsorptionSpectroscopy): OA-ICOS (Off-AxisIntegrated CavityOutput Spectroscopy)Permite mediciónmulticomponente convarios emisores deLaser. Permite bajasconcentraciones (ppb)(LGR)

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    Analizador NDIR(Infrarrojo No Dispersivo)

  • © ABB Group

    NDIRURAS – PMU Frankfurt

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    Uras26 Principio NDIRCaracterísticas

    § Para medición de componentes que absorben eninfrarrojo

    § Analizador multicomponente que puede medirsimultáneamente 1 a 4 gases en un módulo

    § Combinable con analizador de O2 Magnos206 osensor electroquímico

    § Calibración rutinaria de Span con celdas decalibración.

    § Rangos libremente configurables, hasta 1:20

  • NDIRURAS – PMU Frankfurt

    © ABB Group

    Chopper wheelRadiation Unit(Lámpara)

    Shutter

    N2

    Celda de Medición

    CO

    Detector

    § La selectividad selogra utilizando

    detectores específicos

    § Se utiliza una lámparauniversal

  • © ABB Group

    N2

    CO SO2

    NO CH4

    N2

    N2

    N2

    N2

    NO

    CH4

    N2

    N2

    N2

    CO

    SO2

    p

    Uras 14with 4 measuredcomponentsand calibration cells

    NDIRURAS – PMU Frankfurt

    § Se pueden medirmúltiples componentescon múltiplesdetectores

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    Uras26Calibración con Celdas de Calibración

    § Calibración de Cero y Span sin necesidad debotellas de gas patrón

    § Cero:Nitrógeno

    § Span:Celda de Calibración

    § Vida útil > 10 años

    § Más de 20 años de experiencia enfabricación de celdas de calibraciónPrinciple

    Uras with calibrationcells

    Calibration cell

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    Uras26Reference for calibration cells

    § Calibration cells tested by German TÜVfor emission monitoring applications

    § Test period: 8 - 10 years for CO, CO2, NO,SO2deviation of the set point< 0,5% per year

    § Our recommendation for emission monitoringsystems

    „check of the complete system with flowingtest gases once a year“

    stability test of withCO filled calibrationcells by TÜV

    TÜV certificate

    300

    350

    400

    450

    500

    Jan 90 Jan 92 Jan 94 Jan 96 Jan 98 Jan 00

    CO [ppm]

    Gerät 1L Gerät 2L

    Drift:< 0,3 % v. MW /a

  • © ABB20-06-2019 Engineering I 2011: Uras26 | 13

    Uras26HistoryThe success story started in 1938

    Karl LuftErwin Lehrer

    Uras (~1950),still running

    Uras 1License H&B

    1952Uras26

    First Usable NDIR-Spectrometer

  • Métodos Ópticos de AnálisisTecnologías de ABB

    © ABB Group

    NDIRNDIR FiltrosFiltros FTIRFTIR LASERLASER

    § Infrarrojo no dispersivo

    § La selectividad selogra utilizandodetectoresespecíficos

    § Se utiliza una lámparauniversal

    § Se pueden medirmúltiples componentescon múltiplesdetectores

    § URAS (FRANKFURT)

    § Se selecciona lalongitud de ondamediate dispersion ofiltración de luz

    § Se utilizan lámparasuniversales (UV – IR)

    § Se pueden medirmultiples componentscon multiples filtros

    § Limas 11 UV/IR(FRANKFURT) –PUV/PIR/PFO(LEWISBURG)

    § Se miden lasabosorcionessimultáneamente atodas las longitudes deonda

    § Se utiliza una lámparauniversal

    § Se obtiene uninterferograma y porTransformada deFourier se obtiene unespectro

    § MB3000 / MB3600 /FTPA2000 (QUEBEC)

    § ACF-NT (FRANKFURTcon tecnología deQUEBEC)

    § Se sintoniza el laser auna determinadalongitud de onda

    § TDLS (Tunable DiodeLaser Spectroscopy):Se puede medir unsolo componente LS25/ LS4000(FRANKFURT)

    § CEAS (CavityEnhanced AbsorptionSpectroscopy): OA-ICOS (Off-AxisIntegrated CavityOutput Spectroscopy)Permite mediciónmulticomponente convarios emisores deLaser. Permite bajasconcentraciones (ppb)(LGR)

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    Analizador UV

  • © ABB Group

    UVLimas

  • UVLimas

    © ABB Group

    calibration wheel

    sample cell

    Referencedetector

    filter wheel

    beam splitter

    Measurementdetector

    UV- Lamp

    interference filterλM + λV

    gas filter

    IR- Lamp

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    Fotómetro de Proceso UV

    Para medición continua y selectiva de SO2,NO y NO2

    Module, separated, without covers

    Meas detector

    Sample cellSSI-board

    Ref detector

    EDL

    Beam splitterFilter wheel

    Calibration wheel

    UVLimas

  • © ABB Group

    UVLimas

  • © ABB Group

    UVLimas

    § Functionality optimized for combustionapplications

    § Measuring components max 3 + 1measuring ranges 2 ratio 1:5

    § Measuring components and ranges:smallest biggest

    NO 0…50 0…5000 ppmNO2 0…50 0… 200 ppmSO2 0…100* 0… 50 000 ppm

    NOx as NO + NO2§ Integrated QAL3 solution

    Limas23 analyzer module

    * range corrected

  • © ABB Group

    § Usage of reliable assemblies

    § UV – lamp with high lifetime(approx. > 3 years )stable Electrodeless Discharge Lampe

    § Quartz sample cellsresistant against corrosive sample gases

    § Gas filled calibration cellssealed and chemical inert with high stability

    § Calibration without test gas bottles§ zero point with ambient air§ span point with calibration cells

    UVLimas

  • © ABB Group

    -8-7-6-5-4-3-2-1012345

    Month2 60 9

    response of calibration cell NO2

    response of the test gas bottle NO2

    analysis of the test gas bottle

    Limas response [ % ]

    § Calibration:with gas filled quartz cellswithout test gas bottles

    § zero point with ambient airspan point with ambient air + gas filledcells

    § reference measurements showed stabilityvalues of the set point of

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    Principio de MediciónAnalizador de O2TermomagnéticoMagnos27

  • © ABB20-06-2019 Enter filename via "View - Header and Footer...". Apply to all. | 24

    NS

    Comportamiento Paramagnético del Oxígeno

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    Susceptibilidad Magnética del OxígneoRelativo a O2 = 100%

    cm3/mol %x 10 E-6

    O2 3449 100,00NO 1461 42,36

    NO2 150 4,35CO2 -21 -0,61N2 -12 -0,35H2 -3,98 -0,12

    SO2 -18,2 -0,53CO -9,8 -0,28CH4 -17,4 -0,50

    C2H6 -26,8 -0,78C3H8 -38,6 -1,12

    Molar Magnetic Susceptibility

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    Analizador Termomagnético

    Imán

    Calefactor(hilo calefaccionado)

    Magnos27Principio de Medición

  • © ABB20-06-2019 Enter filename via "View - Header and Footer...". Apply to all. | 27

    N

    S

    N

    S

    Gas adjustment(CS – correctionat Zero-Point)

    Resistores dependientes de temperatura(Pt/Glass ... ca. 180 °C)

    Bypass

    Magnos27Principio de Medición

    § Sistema de dos cámaras(lado medición y referencia)

    § Solamente la cámara de mediciónestá ubicada en un campomagnético

    § Resistores dependiente detemperatura

    § Efecto de Medición:Caudal circulatorio aumentadoproporcional a la concentraciónde oxígeno medido porconductividad térmica

    § Solamente para gases de escapacon dependencias conocidas(O2/SO2)

  • © ABB20/06/2019 Enter filename via "View - Header and Footer...". Apply to all. | 28

    AO2000-Magnos27Caractéristicas

    Para aplicaciones severas§ Diseño de Celda robusto, sin partes

    móviles

    § Alta tolerancia al polvo

    § Elementos sensors sellados con vidrios

    § Apropiado para gases corrosivos

    Mínimo Rango de Medición: 0 – 3 vol.%§ Presición mejorada por corrección de

    presión

  • © ABB20-06-2019 Enter filename via "View - Header and Footer...". Apply to all. | 29

    Acondicionamiento deMuestra

  • © ABB Group

    LáserLS4000

  • © ABB Group

    Process purging isapplied to keep the

    optical windowsclean.

    Analog outputsDigital outputs

    Analog inputs (optional)Service Port (Ethernet)

    Power supply

    Receiver unitTransmitter unit

    Junction box

    The influence oftemperature and

    pressure variationsis eliminated by

    automatic dynamiccorrection.

    Stand-aloneoperation

    (without AO2000control unit)

    Compact &flameproof (Ex-d)

    housing approved foruse in hazardous

    areas.Purging flange

    LáserLS4000

  • © ABB Group

    High precision Suitable for harshprocess conditions

    Fast and direct Safe, compact and easy

    LáserLS4000

  • © ABB Group

    Highly selectivemeasurement is virtuallycross interference free.§ Due to the narrow spectral

    width of the laser beam andthe narrow scan window,only the absorption by thetarget gas component ismeasured.

    § Consequently, highselectivity and accuracy areachieved and themeasurement is virtuallycross-interference free.

    Targetabsorption

    line

    Laser scan window

    Absorptionlines of

    accompanyinggases

    LáserLS4000

  • © ABB Group

    -0.1

    0.1

    0.3

    0.5

    0.7

    0.9

    1.1

    1.3

    1.5

    00.10.20.30.40.50.60.70.80.91

    Peak 1 Peak 2 Filters (3) Measure, Measure, Reference

    Estamos acostumbrados a ver espectros de este tipo:- Picos suaves

    Los fotómetros operan a resoluciones muy bajas (un filtro típico de infrarrojotiene un ancho de banda de 10-20nm)

    Debido a ésto, los fotómetros están limitados a áreas amplias de absorciónde longitud de onda.

    Para realizar un análisis libre de interferencia, no puede haber uncomponente cuyo espectro se solape con las áreas filtradas.

    Láser vs IR Convencional

  • © ABB Group

    A altas resoluciones, algunos gases presentan estructuras de picofino (picos dentro de picos). Cada pico generalmente está bienresuelto y bien separado.

    Ejemplos de estos gases son CO, CO2, SO2, NO, C2H2, NH3, HF,HCl, O2, H2O

    Mientras la banda de abosrción es tiene un ancho de decenas denanómetros (nm), cada pico individual tiene un 0.1-0.2nm de ancho

    Estructura de Pico fino

  • Interferencia de Espectro

    © ABB Group

    0.00E+00

    5.00E-03

    1.00E-02

    1.50E-02

    2.00E-0215

    38

    1537

    1536

    1535

    1534

    1533

    1532

    1531

    1530

    1529

    1528

    CO2 H2O

    0.00E+005.00E-041.00E-031.50E-032.00E-032.50E-033.00E-033.50E-034.00E-034.50E-035.00E-03

    1536

    1535

    1535

    1535

    1535

    1535

    1535

    1534

    1534

    1534

    1534

    1534

    1534

    1534

    1533

    1533

    1533

    1533

    1533

    Interference Free CO2 Peaks

    Espectro de 10nm (típico ancho debanda de un filtro óptico) de CO2 yH2O.

    Un espectrómetro de baja resolución(fotómetro de filtro) reportaría todaesta sección entera como un valor deabsorbancia.

    No es posible la discriminación entreel CO2 y el H2O.INTERFERENCIA.

  • © ABB Group

    0.00E+005.00E-041.00E-031.50E-032.00E-032.50E-033.00E-033.50E-034.00E-034.50E-035.00E-03

    1536

    1535

    1535

    1535

    1535

    1535

    1535

    1534

    1534

    1534

    1534

    1534

    1534

    1534

    1533

    1533

    1533

    1533

    1533

    1 7 13 19 25 31 37 43 49 55 61 67 73 79 85 91 97103109115121127133139145151

    Los láser de diodo tienen emisiones de longitudes de línea muydelgadas, típicamente 0.00004nm.

    Por esta causa, se puede analizar en un pico único definido, que notiene solapamiento.

    Interferencia de Espectro

  • Beneficios de Medición con Láser

    © ABB Group

    Sensibilidad. Tan bajo como 10-6(ppm), menor con aumento delongitud de paso óptico.

    Selectividad. La línea delgada delláser permite resolver líneas deabsorción únicas. Esto proporcionamás posibilidades de picos para usarpara una medición.

    Potencia. Los lásers de diodotienen una potencia de 0.5mW a35mW, en un haz altamenteconcentrado, lo cual proporcionamediciones en procesos con altacarga de particulado.

  • © ABBSlide 39

    IngenieríaParámetros Importantes

    Temperatura de Proc.

    Presión de Proceso

    Polvo (tipo, carga)

    Longitud de Paso

    Gases Acompañantes

    Ancho de picos

    Altura y forma de picos

    Refracción Transmisión ↓

    Sensibilidad

    Parámetros de Proceso Efecto en:

    Mantenimiento

    Límite de Detección

  • Parámetros de Proceso a tener en cuentaPresión y Temperatura de Proceso

    © ABBSlide 40

    Temperatura Presión

    § Las alturas de los picos dependen de la temperatura

    § Aparición de algunos picos depende de la temperatura

    § El ancho de los picos depende de la temperatura, presión, gases acompañantes(ensanchamiento de picos)

  • Transmitter unit Receiver unit

    Parámetros a tener en cuentaLa presión y temperatura tienen efecto en la medición

    Measuring componentAccompanying gasesDust

    Slide41

    © ABB |

    bar abs

    Vol%

    Vol%

    Absorption

    Wavelength

    Realconcentration

    Measuredconcentration

    100

    100

    1

    3

    2

    0

    Process pressure

  • IngenieríaCorrección Dinámica Automática

    § Como se vio, la altura y forma de las líneas de absorcióndependen de la temperatura y presión del gas de proceso.

    § Las fluctuaciones en las presiones y temperaturas delproceso llevarían a errores en la medición.

    § La influencia de las variaciones de la presión ytemperatura se eliminan con una corrección automáticadinámica.

    § Dependiendo de la aplicación se requieren transmisoresde presión y temperatura (4-20mA).

    © ABB20 de junio de 2019 | 42

  • El polvo reduce la señal en el detector

    DustTransmission

    Dust, transmissionSignal withoutdust

    Measuring componentAccompanying gasesDust

    Signal at detector

    Slide43

    © ABB |

    Signal withdust

    Parámetros a tener en cuenta

  • Parámetros a tener en cuenta

    Measuring componentAccompanying gasesDust

    Help

    Slide44

    © ABB |

    Aire deInstrumento parapurga de proceso

    La purga previene la deposición de polvo ycontaminantes en los components ópticos

    Aire deInstrumento parapurga de proceso

  • Help

    Measuring componentAccompanying gasesDust

    Purga de ProcesoLa purga de proceso con aire de instrumento causaerrores en la medición de oxígeno

    O2

    Slide45

    © ABB |

    Absorción

    Vol%

    Vol%

    Realconcentration

    Measuredconcentration

    100

    100

    Aire deInstrumento parapurga de proceso

    Aire deInstrumento parapurga de proceso

  • Purga de Proceso

    Se utiliza nitrógeno para evitar errores

    O2

    Help

    Slide46

    © ABB |

    Accompanying gasesDust

    Instrument air forprocess purging

    N2

    Instrument air forprocess purgingN2 N2

    Vol%

    Vol%

    Realconcentration

    Measuredconcentration

    100

    100

    Absorption