استخدم محلل الغاز IR-GAS-600 NDIR يقيس هذا الجهاز أول أكسيد الكربون (CO)، وثاني أكسيد الكربون (CO₂)، والميثان (CH₄)، والهيدروجين (CnHm)، والهيدروجين (H₂)، والأكسجين (O₂) في وحدة متكاملة واحدة. وتستخدم قنوات قياس أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون تقنية الأشعة تحت الحمراء غير المشتتة (NDIR). يضمن هذا النهج دقة قياس عالية، واستقرارًا طويل الأمد، وتعويضًا تلقائيًا لدرجة الحرارة، وأداءً موثوقًا في البيئات الصناعية الصعبة.
يعمل محلل الغاز بتقنية الأشعة تحت الحمراء غير المشتتة (NDIR) عن طريق رصد امتصاص الأشعة تحت الحمراء عند أطوال موجية محددة. تمتص كل جزيئة غاز الأشعة تحت الحمراء بناءً على تردداتها الاهتزازية والدورانية الفريدة. يحسب محلل الغاز تركيز الغاز بقياس التغيرات في شدة الأشعة تحت الحمراء بعد الامتصاص. توفر هذه الطريقة دقة عالية واستقرارًا طويل الأمد في مراقبة غازات العمليات.
لماذا يحدث التداخل المتبادل في قياس أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون؟
غالباً ما تمتلك جزيئات الغاز المختلفة قمم امتصاص متعددة للأشعة تحت الحمراء. وقد تتداخل هذه القمم مع قمم غازات أخرى. وعند حدوث هذا التداخل، لا يستجيب المستشعر للغاز المستهدف فحسب، بل يستجيب أيضاً للغازات المتداخلة. وتُعرف هذه الظاهرة بالتداخل المتبادل.
يحتوي كل من أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون على نطاقات امتصاص متقاربة جدًا. ونتيجة لذلك، قد تتداخل إشاراتهما في ظروف معينة. في محلل الغازات بتقنية الأشعة تحت الحمراء غير المشتتة، يمكن للغازات الخلفية مثل ثاني أكسيد الكربون أن تُنتج استجابة مشابهة لأول أكسيد الكربون، مما يؤدي إلى أخطاء في القياس.
تعتمد درجة التداخل على تركيز الغاز، وتصميم المرشح البصري، وتكوين المستشعر. ويصف المهندسون هذا التأثير عادةً باستخدام معامل التداخل المتبادل، الذي يحدد مدى تأثير غاز ما على قراءة غاز آخر.
لماذا يصبح التداخل المتبادل شديدًا في الغازات المختلطة (أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون) الظروف؟
دعونا نتحقق من بعض نتائج الاختبارات الحقيقية أولاً.
قياس أول أكسيد الكربون في غاز واحد
| تركيز غاز معايرة أول أكسيد الكربون (% حجم) | قياس تركيز أول أكسيد الكربون (% حجم) | قياس تركيز ثاني أكسيد الكربون (% حجم) |
| 0 | 0 | 0 |
| 9.9 | 9.75 | 0.03 |
| 29.7 | 29.59 | 0.07 |
| 39.6 | 39.64 | 0.1 |
قياس ثاني أكسيد الكربون أحادي الغاز
| تركيز غاز معايرة ثاني أكسيد الكربون (% حجم) | قياس تركيز أول أكسيد الكربون (% حجم) | قياس تركيز ثاني أكسيد الكربون (% حجم) |
| 0 | 0 | 0 |
| 8.85 | 0 | 8.77 |
| 18.18 | 0 | 18.21 |
| 28.04 | 0 | 28.26 |
قياس خليط أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون (بيانات غير مصححة)
| تركيز غاز معايرة أول أكسيد الكربون (% حجم) | تركيز غاز معايرة ثاني أكسيد الكربون (% حجم) | قياس تركيز أول أكسيد الكربون (% حجم) | قياس تركيز ثاني أكسيد الكربون (% حجم) |
| 0 | 0 | 0 | 0 |
| 10.71 | 7.26 | 12.75 | 7.78 |
| 21.22 | 14.39 | 26.89 | 16.25 |
| 36.72 | 26.9 | 50.38 | 29.73 |
تُظهر نتائج الاختبار أن أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون لا يتداخلان مع بعضهما البعض أثناء قياس الغازات المنفردة. فعند وجود أول أكسيد الكربون فقط، يُظهر المحلل قيمًا دقيقة له مع استجابة ضئيلة لثاني أكسيد الكربون. وينطبق الأمر نفسه عند قياس ثاني أكسيد الكربون النقي. ويعود ذلك إلى أن المحلل يعزل إشارة الامتصاص السائدة عند عدم وجود غاز منافس. ويستطيع المرشح البصري وخوارزمية معالجة الإشارة التمييز بوضوح بين الغاز المستهدف في ظل هذه الظروف.
يتغير الوضع عند وجود أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون معًا. تُظهر بيانات الاختبار أن قيم أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون المقاسة تتجاوز تركيزاتها الفعلية. ويصبح هذا الخطأ كبيرًا في بيئات الغازات متعددة المكونات، مثل غاز أفران الصهر أو الغاز التخليقي.
تختلف هذه الظاهرة عن الحساسية المتبادلة المعتادة. فعندما يمتص كل من أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون الأشعة تحت الحمراء في آن واحد، قد تُغير التفاعلات الجزيئية مستويات الطاقة بشكل طفيف. وفي حالات نادرة، قد تؤثر التفاعلات على المستوى الذري أثناء التصادمات الجزيئية على سلوك الامتصاص.
عملياً، يؤدي تداخل نطاقات الامتصاص مع ارتفاع تركيزات الغاز إلى تضخيم تأثير التداخل. ونتيجة لذلك، تُنتج كلتا القناتين قراءات متحيزة إيجابياً، مما يقلل من موثوقية القياس.
كيف يمكن لخوارزميات البرمجيات القضاء على التداخل المتبادل بين أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون في محلل الغاز بتقنية NDIR؟
لحل هذه المشكلة، يقوم مهندسو شركة ESEGAS بمحاكاة تركيبات غازات العمليات الحقيقية وإجراء اختبارات مكثفة. كما يقومون بتحليل مجموعات بيانات ضخمة لتحديد أنماط التداخل بين أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون.
استنادًا إلى هذا التحليل، تم تطوير خوارزميات تعويض متقدمة. تُطبّق هذه الخوارزميات عوامل تصحيح في الوقت الفعلي، مُعدّلةً القيم المقاسة وفقًا لسلوك التداخل المعروف. يقوم محلل الغاز بتقنية NDIR بحساب التركيزات المُعوَّضة باستمرار باستخدام نماذج متعددة المتغيرات. يُزيل هذا النهج تأثير الامتصاص المتداخل ويُعيد دقة القياس.
بعد تطبيق خوارزمية التصحيح، تتحسن دقة القياس بشكل ملحوظ. بيانات القياس المصححة في الوقت الفعلي موضحة في الجدول أدناه:
| مكون | تركيز غاز المعايرة | قياس التركيز |
| CO | 35 | 34.95 |
| ثاني أكسيد الكربون | 25 | 24.88 |
قياس خليط CO/CO₂ (بيانات مصححة)
| تركيز غاز معايرة أول أكسيد الكربون (% حجم) | تركيز غاز معايرة ثاني أكسيد الكربون (% حجم) | قياس تركيز أول أكسيد الكربون (% حجم) | قياس تركيز ثاني أكسيد الكربون (% حجم) |
| 0 | 0 | 0 | 0 |
| 10.71 | 7.26 | 10.65 | 7.22 |
| 21.22 | 14.39 | 21.16 | 14.28 |
| 35 | 25 | 34.95 | 24.88 |
تُظهر نتائج الاختبار أن قيم كل من CO و CO₂ تتطابق بشكل كبير مع تركيزات الغاز القياسية.
فعلى سبيل المثال، عندما يحتوي الغاز القياسي على 35% من أول أكسيد الكربون و25% من ثاني أكسيد الكربون، تتطابق القراءات المصححة تماماً مع هذه القيم. وتظهر دقة مماثلة عبر نطاقات تركيز مختلفة.
يؤكد هذا أن التعويض القائم على الخوارزمية يقضي بفعالية على التداخل المتبادل في ظروف الغازات المختلطة. ويحافظ المحلل على أداء موثوق حتى في البيئات الصناعية المعقدة.
لماذا يُعد تعويض التداخل المتبادل أمرًا بالغ الأهمية لتحليل الغازات الحديث؟
في العمليات الصناعية الحقيقية، نادراً ما تحتوي مخاليط الغازات على مكون واحد فقط. وتُعدّ الغازات متعددة المكونات شائعة في مصانع الصلب، وإنتاج المواد الكيميائية، وأنظمة الطاقة. وبدون تصحيح، قد تنحرف قراءات أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون بشكل كبير عن القيم الحقيقية.
تؤثر هذه الأخطاء على التحكم في الاحتراق، ومراقبة السلامة، والإبلاغ عن الانبعاثات. فعلى سبيل المثال، قد تؤدي قراءات أول أكسيد الكربون غير الدقيقة إلى ضبط غير صحيح للاحتراق، بينما قد تؤدي أخطاء ثاني أكسيد الكربون إلى تشويه حسابات الكفاءة.
تتطلب العمليات الصناعية الحديثة مراقبة دقيقة للغازات في ظل ظروف ديناميكية ومتعددة المكونات. ولا يمكن للمعايرة البسيطة حل مشكلة التداخل الناتج عن امتصاص الأشعة تحت الحمراء المتداخلة.
لا يمكن ضمان دقة النتائج إلا من خلال الجمع بين تصميم متطور لأجهزة الاستشعار وخوارزميات ذكية. وذلك عن طريق التخلص من التداخل بين أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون، أجهزة تحليل الغاز المتكاملة بتقنية الأشعة تحت الحمراء غير المشتتة تصبح أكثر موثوقية في التحكم بالعمليات، وضمان السلامة، والامتثال البيئي.
الأسئلة الأكثر شيوعا:
سؤال: ما الذي يسبب التداخل المتبادل بين أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون في أجهزة تحليل الغاز بالأشعة تحت الحمراء غير المشتتة؟
الإجابة: يحدث التداخل بين أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون لأن نطاقات امتصاصهما للأشعة تحت الحمراء متقاربة أو متداخلة جزئيًا. عند وجود كلا الغازين، قد يستجيب المستشعر لكلا الإشارتين، مما يؤدي إلى أخطاء في القياس.
السؤال: لماذا لا يُلاحظ التداخل المتبادل في قياس الغاز الواحد؟
الإجابة: في قياس الغازات المفردة، توجد إشارة امتصاص رئيسية واحدة فقط. يستطيع محلل NDIR عزل هذه الإشارة بدقة دون تداخل من الغازات الأخرى.
السؤال: كيف يؤثر التداخل المتبادل على تحليل الغازات الصناعية؟
الإجابة: قد يؤدي التداخل المتبادل إلى ارتفاع قراءات كل من أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون عن القيم الفعلية في بيئات الغازات المختلطة. وهذا بدوره يؤدي إلى عدم دقة التحكم في العمليات، ومخاطر تتعلق بالسلامة، وتقارير انبعاثات غير صحيحة.
السؤال: كيف يمكن التخلص من التداخل المتبادل بين أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون؟
الإجابة: يمكن التخلص من التداخل المتبادل باستخدام خوارزميات تعويض متقدمة، ومرشحات بصرية محسّنة، ومعايرة تعتمد على مخاليط غازية حقيقية. تعمل هذه الطرق على تصحيح الإشارات المتداخلة وتحسين دقة القياس.
سؤال: لماذا لا يزال نظام NDIR مستخدمًا على نطاق واسع على الرغم من التداخل المتبادل؟
الإجابة: تتميز تقنية NDIR بدقة عالية، واستقرار، واستجابة سريعة. ومع التعويض والتصميم المناسبين، تظل واحدة من أكثر الطرق موثوقية لتحليل الغازات متعددة المكونات في التطبيقات الصناعية.
