Yerinde (In-Situ) Baca Gazı Oksijen Analizörleri

Yerinde Baca Gazı Oksijen Analizörü Nedir?

Her yanma prosesinde, yakıtın tamamen yanabilmesi için teorik olarak gerekenden bir miktar fazla hava verilir. Bu fazlalığın doğrudan ölçüsü baca gazında kalan oksijendir. Fazla oksijeni sürekli ölçmek ve yakma havasını buna göre düzeltmek (O2 trim), kazan ve fırınlarda enerji maliyetini düşürmenin, emisyonları azaltmanın ve güvenli işletmenin temel araçlarından biridir.

Yerinde (in-situ) analizörde ölçüm elemanı bacanın dışında değil, doğrudan gaz akışının içindedir. Baca veya kanal duvarına flanşla bağlanan probun ucundaki zirkonya hücre, difüzör üzerinden kendisine ulaşan baca gazını ölçer. Numune hattı, pompa, soğutucu ve yoğuşma tahliyesi bulunmadığından numune gecikmesi ve koşullandırma kaynaklı hatalar ortadan kalkar; ölçüm, baca gazının gerçek bileşimi üzerinde yapılır.

Bu sayfada ele alınan analizörler genel amaçlı ve tehlikeli alan versiyonlarında sunulur. Prob, dijital mimaride HART veya FOUNDATION Fieldbus sinyalini doğrudan kendisi üretir; geleneksel mimaride ise ham sensör sinyalini uzak bir analizör elektroniğine gönderir. Oksijene ek olarak yanmamış yanıcı gazların da izlenmesi gereken uygulamalarda oksijen ve yanıcı gaz transmitterleri alternatif bir çözüm olarak değerlendirilebilir.

Zirkonya Oksijen Probunun Çalışma Prensibi

Zirkonya oksijen probu, yüksek sıcaklıkta oksijen iyonlarını ileten seramik bir elektrolitin iki yüzü arasındaki oksijen farkını elektrik gerilimine dönüştürür. Yerinde ölçüm zinciri şu adımlarla işler:

1.      Baca gazının difüzörden hücreye ulaşması: Prob ucundaki difüzör, baca gazının hücreye pasif difüzyonla ulaşmasını sağlarken partikülleri ve doğrudan gaz akışının darbesini sınırlar. Ölçüm, gazın bacadan dışarı taşınmadan bulunduğu noktada yapılır.

2.      Hücrenin ısıtılması ve sıcaklık kontrolü: Zirkonya ancak yüksek sıcaklıkta iyon iletkeni hâline geldiğinden, prob içindeki ısıtıcı hücreyi sabit çalışma sıcaklığında tutar. Hücre sıcaklığı bir termokupl ile sürekli ölçülür; bu değer hem sıcaklık kontrolünde hem de oksijen hesabında kullanılır.

3.      Referans hava ile karşılaştırma: Hücrenin iç yüzü, prob içinden beslenen temiz ve kuru referans havayı görür. Dış yüzdeki baca gazı ile iç yüzdeki referans hava arasındaki oksijen kısmi basınç farkı, oksijen iyonlarının seramik içinden göç etmesine yol açar.

4.      Hücre geriliminin oluşması: İyon göçü, hücrenin platin elektrotları arasında milivolt düzeyinde bir gerilim oluşturur. Baca gazındaki oksijen azaldıkça gerilim logaritmik olarak artar.

5.      Sinyal dönüştürme ve iletim: Hücre gerilimi ve termokupl sinyali, dijital mimaride prob elektroniğinde oksijen yüzdesine çevrilerek 4–20 mA ile HART veya FOUNDATION Fieldbus üzerinden iletilir; geleneksel mimaride ise ham olarak uzak analizöre gönderilir.

6.      Kalibrasyon: Belirli aralıklarla prob ucuna düşük ve yüksek oksijen içerikli kalibrasyon gazları verilerek hücre eğimi ve sıfır sapması düzeltilir. Entegre otomatik kalibrasyon gövdesi veya harici otomatik kalibrasyon ünitesiyle bu işlem operatör olmadan yapılabilir.

Nernst Denklemi: Hücre Geriliminden Oksijen Konsantrasyonuna

Zirkonya hücrenin ürettiği gerilim Nernst denklemiyle tanımlanır: E = (R·T / 4F) · ln(P_ref / P_gaz). Burada R evrensel gaz sabiti, T hücrenin mutlak sıcaklığı, F Faraday sabiti, P_ref referans havadaki ve P_gaz baca gazındaki oksijen kısmi basıncıdır; paydadaki 4 sayısı, her oksijen molekülünün dört elektron alarak iki oksijen iyonuna dönüşmesinden gelir.

Denklemden iki pratik sonuç çıkar. Birincisi, gerilim sıcaklıkla doğrudan orantılı olduğundan hücre sıcaklığının hassas biçimde ölçülmesi ve sabit tutulması gerekir; termokupl ve ısıtıcı kontrolü bu nedenle ölçümün ayrılmaz parçasıdır. İkincisi, ilişki logaritmik olduğu için oksijen seviyesi düştükçe aynı mutlak değişim daha büyük gerilim değişimi oluşturur; bu da zirkonya hücreyi düşük fazla hava ile çalışan kazan ve fırınların kontrolü için özellikle uygun kılar. Ölçüm, baca gazından su buharı ayrılmadan yapıldığı için sonuç ıslak bazda oksijen değeridir.

Dijital ve Geleneksel Sistem Mimarisi

Dijital mimaride prob, 4–20 mA sinyalini HART veya FOUNDATION Fieldbus dijital sinyaliyle birlikte doğrudan kendisi üretir; bağlantı için müşteri tarafından sağlanan 18 AWG iki telli blendajlı kablo yeterlidir. Prob, uzak analizör, el terminali veya doğrudan PLC/DCS ile yapılandırılabilir.

Geleneksel mimaride prob, ham sensör ve termokupl gerilimlerini 7 damarlı kablo ile uzak analizöre iletir; 4–20 mA ve HART çıkışı uzak analizörde üretilir. Bu yapı, mevcut tesisatı korumak istenen yenileme projelerinde tercih edilir. Uzak analizör, iki dijital probu veya bir geleneksel probu tek arayüzde toplayabilir; otomatik kalibrasyon cihazları, alarm röleleri ve teşhis araçları için merkezi bir altyapı oluşturur.

İndirgeyici Koşullar ve Stokiyometre Göstergesi

Yakma havası yetersiz kaldığında baca gazındaki serbest oksijen tükenir ve atmosfer indirgeyici hâle gelir. Stokiyometre göstergesi bu durumda da anlamlı bir okuma sunarak oksijen eksikliğinin derecesini gösterir; doğruluğu okumanın ±%0,1'i veya %0,1 O2'dir. Oksitleyici koşuldan indirgeyici koşula geçişte sistem tepkisi T90 120 saniye, ters yönde ise T90 30 saniyedir.

Kalibrasyon gazına sistem tepkisi ilk tepki için 3 saniyenin, T90 için 8 saniyenin altındadır. Proses gaz değişimlerine tepki; proses koşullarına ve sensörün kullanım ömrüne bağlı olarak farklılık gösterebilir.

Öne Çıkan Özellikler

·         Doğrudan baca içinde ölçüm: Numune hattı, pompa ve koşullandırma ekipmanı olmadan ölçüm yapılır; gecikme ve numune kaynaklı hatalar ortadan kalkar.

·         Geniş prob uzunluğu yelpazesi: Genel amaçlı versiyonda 457 mm, 0,91 m, 1,83 m, 2,74 m ve 3,66 m; tehlikeli alan versiyonunda 457 mm, 0,91 m ve 1,83 m prob seçenekleri sunulur.

·         Aşınmaya karşı prob seçenekleri: Standart prob tüpüne ek olarak aşınmaya dayanıklı prob gövdesi ve toz contalı difüzörle birlikte kullanılan abrasif kalkan aksesuar paketi bulunur.

·         Sıcaklığa göre difüzör seçimi: Sönümleyici (snubber) difüzör 400 °C'ye, seramik difüzör 825 °C'ye, yüksek nikel alaşımlı metal difüzör 705 °C'ye kadar hizmet için tasarlanmıştır; genel amaçlı versiyonda alev geri tepme tutuculu seçenekler de vardır.

·         Zehirlenmeye dayanıklı hücre seçenekleri: Standart hücre katalitik koruma boncuklarıyla kükürt ve diğer zehirleyici bileşenlere karşı korunur; asit dayanımlı hücre ek koruma boncuklarıyla daha agresif baca gazlarına yöneliktir.

·         Entegre otomatik kalibrasyon gövdesi: Kalibrasyon gazlarını sırayla prob ucuna veren solenoidler prob gövdesine entegre edilebilir; bu seçenek tehlikeli alan versiyonunda da onaylıdır.

·         Gelişmiş sensör teşhisleri: Kalibrasyon gerekli uyarısı, tepki süresini ölçerek tıkalı difüzör veya boş kalibrasyon tüpünü tespit eden teşhis ve düşük oksijen teşhisi bakımın ihtiyaca göre planlanmasını sağlar.

·         Sahada onarılabilir yapı: Analizör tamamen sahada onarılabilir; modüler difüzör ve proses alev tutucu grubu bakım süresini ve maliyetini azaltır.

·         Mevcut montajlara uyum: Değişken daldırma montajı ile 3, 4 ve 6 inç 150# ile 3 ve 4 inç 300# mevcut flanşlar için adaptör plakaları, farklı üreticilere ait mevcut prob montajlarının büyük bölümüne uyum sağlar.

·         Uzak analizör ve güvenlik kilidi seçeneği: Uzak analizör PLC veya DCS'e HART/4–20 mA ile bağlanır; ısıtıcı için alev güvenlik kilidi (flame safety interlock) seçeneği ile brülör güvenlik mantığına entegre edilebilir.

Teknik Özellikler

Tablodaki veriler, in-situ zirkonya analizörünün tipik performans ve kurulum değerleridir; prob uzunluğu, difüzör, gövde ve sistem mimarisi seçildikten sonra projeye özel teknik föy ile kesinleştirilir.

Seramik difüzörün hizmet sıcaklığı sipariş seçeneklerinde 825 °C, proses sıcaklık limitleri tablosunda 705 °C olarak tanımlanmaktadır; tasarımda düşük değer esas alınmalı ve uygulamaya göre teyit edilmelidir. Uzak analizör, yalnızca 120 V ısıtıcılı problarla uyumludur.

Başlıca Avantajlar

·         Gerçek zamanlı O2 trim kontrolü: Numune gecikmesi olmayan hızlı ölçüm, yakma havasının yük değişimlerine anında uyarlanmasını sağlayarak kazan ve fırınlarda enerji maliyetini düşürmeye yardımcı olur.

·         Numune sistemi bakımı yok: Pompa, filtre, soğutucu ve yoğuşma tahliyesi gibi numune hattı bileşenleri bulunmadığından bu ekipmanlara ait arıza ve bakım kalemleri ortadan kalkar.

·         İnsan müdahalesi olmadan kalibrasyon: Zamanlayıcı, kontak röle veya kalibrasyon gerekli teşhisiyle tetiklenen otomatik kalibrasyon, sahaya gidilmeden ölçüm doğruluğunun korunmasını sağlar.

·         Öngörülebilir bakım: Tıkalı difüzör ve kalibrasyon gerekli teşhisleri, bakımın takvime göre değil gerçek ihtiyaca göre planlanmasına olanak tanır; plansız duruşlar azalır.

·         Zorlu baca koşullarına uyum: Aşınmaya dayanıklı prob, abrasif kalkan, asit dayanımlı hücre ve farklı sıcaklık sınıflarındaki difüzörler; tozlu, aşındırıcı ve yüksek sıcaklıklı baca gazlarında ölçüm sürekliliğini destekler.

·         Düşük maliyetli yenileme: Mevcut flanşlara uyan adaptör plakaları ve geleneksel mimari seçeneği, eski oksijen analizörlerinin baca üzerinde büyük değişiklik yapılmadan yenilenmesini mümkün kılar.

·         Tehlikeli alanlarda uygulanabilirlik: Ex d yapı ve tehlikeli alanda onaylı entegre otomatik kalibrasyon gövdesi, tehlikeli alandaki kalibrasyon ekipmanını basitleştirir.

Uygulama Alanları

Yerinde oksijen analizörleri, yanma sonucu oluşan baca gazının izlendiği tüm proseslerde kullanılabilir; en yaygın kullanım, oksijen trim sistemlerinin parçası olarak kazan, proses fırını ve döner fırınlardır.

Endüstriyel ve Büyük Ticari Kazanlar

Oksijen trim sistemlerinde analizör sinyali yakma havası kontrolüne geri besleme sağlar; tesis enerji verimliliği artar ve yakıt maliyeti düşer. Buhar kazanlarında genel amaçlı versiyon ve entegre otomatik kalibrasyon gövdesi yaygın bir kombinasyondur.

Proses Fırınları (Fired Heater)

Tehlikeli alan sınıflandırmasına sahip bölgelerdeki proses fırınlarında Ex d versiyon kullanılır. Yakıt gazı bileşimi değişken ise kalorifik değer takibi proses gaz kromatografları ile desteklenebilir; uzak analizörün alev güvenlik kilidi seçeneği ısıtıcı güvenlik mantığına katkı sağlar.

Döner Fırınlar ve Tozlu Baca Gazları

Yüksek toz yükü taşıyan fırın gazlarında aşınmaya dayanıklı prob gövdesi, abrasif kalkan aksesuarı ve toz contalı difüzör kombinasyonu prob ömrünü uzatır; tıkalı difüzör teşhisi bakım zamanlamasını belirler.

Çok Yüksek Sıcaklıklı Baca Gazları

Difüzör sınırlarının üzerindeki sıcaklıklarda bypass aksesuarı ile 1.050 °C'ye kadar baca gazında ölçüm yapılabilir. Montaj bölgesindeki sıcaklığın 200 °C'yi aşmaması için elektronik gövdeyi sıcak kanaldan uzaklaştıran ara parça kullanılabilir.

Mevcut Oksijen Analizörlerinin Yenilenmesi

Doğrudan yedek prob seçeneği, mevcut flanşlar için adaptör plakaları ve farklı üretici elektronikleriyle çalışabilen soğuk bağlantı kompanzasyonlu gövde seçeneği, eski sistemlerin baca açıklıkları ve kablo altyapısı korunarak yenilenmesini sağlar.

Baca Gazı Oksijen Analizörü Seçim Kriterleri

Yerinde ölçümde analizörün doğruluğu kadar ölçüm noktasının doğru seçilmesi de belirleyicidir. Ön mühendislik çalışmasında şu başlıkların ele alınması önerilir:

Ölçüm Noktası ve Prob Uzunluğu

·         Kanal veya baca kesitinde gazın temsili olduğu nokta; tabakalaşma ve hava kaçağı riskinin değerlendirilmesi

·         Gerekli daldırma derinliği ve buna karşılık gelen prob uzunluğu (457 mm ile 3,66 m arası)

·         Probun sökülmesi için gereken minimum boşluk (standart gövdede 686 mm'den 3.926 mm'ye kadar; otomatik kalibrasyon gövdesinde daha fazla)

·         Baca duvarında mevcut flanş varlığı ve ölçüsü; yeni kaynak plakası veya adaptör plakası ihtiyacı

Baca Gazı Koşulları ve Difüzör Seçimi

·         Difüzörün veya bypass aksesuarının belirlenmesi için ölçüm noktasında görülebilecek en yüksek gaz sıcaklığı

·         Montaj bölgesindeki sıcaklık (en fazla 200 °C; tehlikeli alan versiyonunda 190 °C) ve ara parça ihtiyacı

·         Toz ve aşındırıcı partikül yükü; aşınmaya dayanıklı prob ve abrasif kalkan gereksinimi

·         Kükürt ve asit oluşturan bileşenler; standart veya asit dayanımlı hücre seçimi

·         İndirgeyici koşulların oluşma olasılığı ve stokiyometre göstergesi ihtiyacı

Kalibrasyon Yaklaşımı

·         Manuel, yarı otomatik veya tam otomatik kalibrasyon tercihi

·         Entegre otomatik kalibrasyon gövdesi veya harici otomatik kalibrasyon ünitesi seçimi

·         Kalibrasyonun zamanlayıcı, kontak röle veya teşhis tetiklemesiyle başlatılması

·         Kalibrasyon gazı tüplerinin ve referans hava beslemesinin montaj noktasına ulaştırılması

Sistem Mimarisi ve Entegrasyon

·         Dijital (HART veya FOUNDATION Fieldbus doğrudan probdan) veya geleneksel (uzak analizörlü) mimari

·         Uzak analizör ile tek veya iki probun izlenmesi; alarm rölesi ve alev güvenlik kilidi ihtiyacı

·         Kablo tipi ve mesafesi (18 AWG iki telli blendajlı veya 6–45 m arası 7 damarlı kablo)

·         Montaj noktasının alan sınıflandırması ve ATEX/IECEx veya CSA onay gereksinimi

Oksijen ölçümünün baca gazı sıcaklığıyla birlikte değerlendirilmesi yanma verimliliği hesabı için önemlidir. Bu amaçla termokupl ve RTD sıcaklık sensörleri ile sıcaklık transmitterleri aynı ölçüm noktasının yakınında planlanabilir.

Ex d Onayları, Haberleşme ve Bağlantı Standartları

Yerinde oksijen analizörünün tehlikeli alan onay seçenekleri ve desteklediği haberleşme ile bağlantı standartları aşağıda özetlenmiştir.

Uzak analizör ve otomatik kalibrasyon ünitesi genel amaçlı alanlar içindir; uzak analizör bağlantı kabloları tehlikeli alan kullanımına uygun değildir ve yerel mevzuata göre tesis edilmelidir. Onay işaretlemelerinin ayrıntıları, sipariş konfigürasyonu kesinleştiğinde sertifika belgeleri üzerinden doğrulanmalıdır.

TLY Enerji Yanma Optimizasyonu ve Oksijen Ölçüm Çözümleri

TLY Enerji, yerinde oksijen ölçümünü bir analizör tedarikinden çok yanma optimizasyonu projesinin başlangıç noktası olarak görür. Mühendislik ekibimiz baca veya kanal geometrisini, gaz sıcaklık profilini ve toz yükünü değerlendirerek ölçüm noktasını, prob uzunluğunu, difüzör ve hücre tipini birlikte belirler; yenileme projelerinde mevcut flanş ve kablo altyapısının korunabileceği çözümleri öncelikli olarak inceler.

Otomatik kalibrasyon kurgusu, kalibrasyon gazı ve referans hava beslemesinin planlanması, oksijen sinyalinin O2 trim döngüsüne ve DCS'e HART ya da FOUNDATION Fieldbus ile entegrasyonu, devreye alma ve periyodik bakım planlaması konularında teknik destek sağlarız. Hücre ve difüzör değişimlerinin teşhis verilerine göre planlanması, analizörün kazan veya fırının ömrü boyunca güvenilir veri üretmesine katkı sağlar.

Sıkça Sorulan Sorular

Yerinde (in-situ) oksijen analizörü ile numune alma esaslı analizör arasındaki fark nedir?

Yerinde analizörde zirkonya hücre, prob ucunda doğrudan baca gazının içindedir ve gaz difüzörden geçerek hücreye ulaşır. Numune alma esaslı sistemlerde ise gaz bacadan çekilerek ölçüm hücresine taşınır. Yerinde ölçümde numune hattı, pompa ve koşullandırma ekipmanı bulunmadığı için gecikme ve bu ekipmanlara ait bakım yükü ortadan kalkar; ölçüm gazın gerçek bileşimi üzerinde yapılır.

Zirkonya oksijen sensörü nasıl çalışır?

Zirkonya, yüksek sıcaklıkta oksijen iyonlarını ileten seramik bir malzemedir. Hücrenin bir yüzü baca gazını, diğer yüzü referans havayı görür. İki taraf arasındaki oksijen kısmi basınç farkı, Nernst denklemine göre logaritmik bir gerilim oluşturur. Hücre sıcaklığı termokupl ile ölçülüp sabit tutulduğundan bu gerilimden oksijen konsantrasyonu doğrudan hesaplanır.

Prob uzunluğu nasıl belirlenir?

Prob, hücrenin baca kesitinde gazın iyi karıştığı ve temsili olduğu noktaya ulaşmasını sağlayacak uzunlukta seçilmelidir. Genel amaçlı versiyonda 457 mm ile 3,66 m arasında beş uzunluk, tehlikeli alan versiyonunda 457 mm, 0,91 m ve 1,83 m seçenekleri vardır. Ayrıca probun sökülmesi için baca dışında yeterli boşluk bırakılmalıdır; bu boşluk prob uzunluğu ve gövde tipine göre değişir.

Hangi difüzör tipi seçilmelidir?

Seçimi ölçüm noktasındaki baca gazı sıcaklığı ve toz yükü belirler. Sönümleyici difüzör 400 °C'ye kadar, seramik ve yüksek nikel alaşımlı metal difüzörler 705 °C'ye kadar kullanılır. Daha yüksek sıcaklıklarda bypass aksesuarı ile 1.050 °C'ye kadar ölçüm yapılabilir. Aşındırıcı tozlu gazlarda abrasif kalkanla birlikte toz contalı difüzör tercih edilir.

Otomatik kalibrasyon nasıl çalışır ve ne sıklıkla yapılmalıdır?

Otomatik kalibrasyonda solenoidler, düşük ve yüksek oksijen içerikli kalibrasyon gazlarını sırayla prob ucuna verir ve analizör yeni kalibrasyon değerlerini kendisi hesaplar. İşlem manuel olarak, zamanlayıcıyla, kontak röle ile veya kalibrasyon gerekli teşhisiyle otomatik başlatılabilir. Teşhis tetiklemeli kalibrasyon, sabit takvim yerine sensörün gerçek durumuna göre kalibrasyon yapılmasına imkân tanır.

Sensör hücresi arızalandığında ne yapılır?

Analizör tamamen sahada onarılabilir yapıdadır; hücre ve modüler difüzör grubu gibi bileşenler sahada değiştirilebilir. Kalibrasyon gerekli ve tıkalı difüzör teşhisleri, hücre veya difüzör sorunlarını arızaya dönüşmeden önce haber verir. Kükürt ve asit içeren baca gazlarında asit dayanımlı hücrenin tercih edilmesi, değişim aralığının uzamasına katkı sağlar.

Analizör mevcut bir oksijen probunun yerine takılabilir mi?

Evet. Mevcut ANSI 150# ve 300# flanşlar için adaptör plakaları ve özel adaptör seçeneğiyle analizör, farklı üreticilere ait mevcut prob montajlarının büyük bölümüne uyarlanabilir. Doğrudan yedek prob ve geleneksel mimari seçenekleri mevcut kablo altyapısının korunmasını sağlar; soğuk bağlantı kompanzasyonlu gövde seçeneği farklı üretici elektronikleriyle çalışmaya imkân verir.

İndirgeyici koşullarda analizör ne gösterir?

Yakma havası yetersiz kaldığında baca gazındaki serbest oksijen tükenir. Stokiyometre göstergesi bu durumda oksijen eksikliğinin derecesini gösteren bir okuma sağlar ve operatöre yanmanın ne kadar hava eksikliğiyle yürüdüğünü bildirir. Yanmamış yanıcı gazların ayrıca ölçülmesi gereken uygulamalarda oksijen ve yanıcı gaz transmitteri tercih edilebilir.

Baca gazı oksijen analizörü tehlikeli alanda kullanılabilir mi?

Evet. Tehlikeli alan versiyonu, ATEX/IECEx Ex d ve CSA Class I, Division 1 / Zone 1 onay gereksinimlerini karşılayan sağlam alev sızdırmaz yapıdadır. Entegre otomatik kalibrasyon gövdesi de bu versiyonda onaylıdır ve tehlikeli alandaki kalibrasyon ekipmanını basitleştirir. Uzak analizör ve harici otomatik kalibrasyon ünitesi ise genel amaçlı alanlarda konumlandırılmalıdır.