تحليل الرطوبة

أنبوب مؤشر اللون (يُشار إليه أيضًا باسم أنبوب كاشف الغاز ^{[ 9 ]} ) هو جهاز تستخدمه خطوط أنابيب الغاز الطبيعي لقياس الرطوبة بشكل سريع وتقريبي. يحتوي كل أنبوب على مواد كيميائية تتفاعل مع مركب معين لتكوين بقعة أو لون عند مرورها عبر الغاز. تُستخدم الأنابيب مرة واحدة ثم تُتلف. يقوم المصنّع بمعايرة الأنابيب، ولكن نظرًا لأن القياس يرتبط ارتباطًا مباشرًا بمدة التعرض ومعدل التدفق وتقنية الاستخلاص ، فإنه عرضة للخطأ. عمليًا، قد يصل الخطأ إلى 25%. تُعد أنابيب مؤشر اللون مناسبة تمامًا للتقديرات التقريبية غير المتكررة للرطوبة في الغاز الطبيعي.

يُعدّ هذا النوع من الأجهزة الأكثر شيوعًا لقياس نقطة ندى الماء في الأوساط الغازية. في هذا النوع من الأجهزة، عندما يتدفق الغاز عبر سطح تبريد عاكس، يُعرف باسم المرآة المبردة، تبدأ الرطوبة الموجودة بالتكثف عليه على شكل قطرات صغيرة عندما يبرد السطح بدرجة كافية. تُسجّل درجة الحرارة الدقيقة التي يحدث عندها هذا التكثف لأول مرة، ثم تُسخّن المرآة ببطء حتى يبدأ الماء المتكثف بالتبخر. تُسجّل هذه الدرجة أيضًا، ويُحسب متوسط ​​درجتي حرارة التكثف والتبخر كنقطة ندى . ^{[ 10 ]} تعتمد جميع أجهزة المرآة المبردة، اليدوية والآلية، على هذه الطريقة الأساسية نفسها. من الضروري قياس درجتي حرارة التكثف والتبخر، لأن نقطة الندى هي درجة حرارة التوازن التي يتكثف عندها الماء ويتبخر بنفس المعدل. عند تبريد المرآة، تستمر درجة حرارتها بالانخفاض بعد وصولها إلى نقطة الندى، وبالتالي تكون درجة حرارة التكثيف المقاسة أقل من درجة حرارة نقطة الندى الفعلية قبل بدء تكثف الماء. لذلك، تُرفع درجة حرارة المرآة تدريجيًا حتى يُلاحظ تبخر الماء، وتُسجل نقطة الندى كمتوسط ​​هاتين الدرجتين. من خلال الحصول على درجة حرارة دقيقة لنقطة الندى، يمكن حساب نسبة الرطوبة في الغاز. يمكن تنظيم درجة حرارة المرآة إما بتمرير مادة تبريد فوقها أو باستخدام مُبرد كهروحراري يُعرف أيضًا بعنصر بلتييه .

يمكن رصد سلوك تكوّن التكثيف على سطح المرآة إما بصريًا أو بصريًا. في كلتا الحالتين، يُسلط مصدر ضوئي على المرآة، ويتم رصد التغيرات في انعكاس هذا الضوء نتيجة لتكوّن التكثيف بواسطة مستشعر أو بالعين المجردة، على التوالي. لا يمكن للعين المجردة تحديد النقطة الدقيقة التي يبدأ عندها التكثيف ، لذا تستخدم الأجهزة الحديثة التي تعمل يدويًا مجهرًا لتعزيز دقة القياسات التي تُجرى بهذه الطريقة. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

مع ذلك ، تتأثر أجهزة تحليل المرايا المبردة ببعض الملوثات ، ولكن بمستويات مماثلة لأجهزة التحليل الأخرى. ومع استخدام أنظمة ترشيح وإعداد مناسبة لتحليل الغاز، لن تؤثر السوائل القابلة للتكثيف الأخرى، مثل الهيدروكربونات الثقيلة والكحول والجليكول، على نتائج هذه الأجهزة. ومن الجدير بالذكر أيضًا أنه في حالة الغاز الطبيعي، حيث تُشكل الملوثات المذكورة مشكلة، تقيس أجهزة التحليل المتصلة بالإنترنت نقطة تكثف الماء عند ضغط الخط بشكل روتيني، مما يقلل من احتمالية تكثف أي هيدروكربونات ثقيلة، على سبيل المثال، قبل الماء.

من ناحية أخرى، فإن أجهزة المرايا المبردة لا تخضع للانحراف، ولا تتأثر بالتقلبات في تركيب الغاز أو التغيرات في محتوى الرطوبة.

تجمع هذه الطريقة التحليلية بين بعض مزايا قياس المرآة المبردة والتحليل الطيفي . في هذه الطريقة، تُبرَّد مادة خاملة شفافة بينما يُوجَّه شعاع من الأشعة تحت الحمراء عبرها بزاوية على سطحها الخارجي. عند اصطدام الشعاع بهذا السطح، ينعكس عائدًا عبر المادة. ثم يُمرَّر وسط غازي فوق سطح المادة عند النقطة المقابلة لموقع انعكاس شعاع الأشعة تحت الحمراء. عندما يتشكل مكثف على سطح المادة المبردة، يُظهر تحليل شعاع الأشعة تحت الحمراء المنعكس امتصاصًا في الأطوال الموجية التي تتوافق مع التركيب الجزيئي للمكثف المتشكل. وبهذه الطريقة، يستطيع الجهاز التمييز بين تكثف الماء وأنواع المكثفات الأخرى، مثل الهيدروكربونات عندما يكون الوسط الغازي غازًا طبيعيًا. إحدى مزايا هذه الطريقة هي مناعتها النسبية ضد الملوثات بفضل طبيعة المادة الشفافة الخاملة. على غرار جهاز المرآة المبردة الحقيقي، يمكن لهذا النوع من المحللات قياس درجة حرارة التكثيف للسوائل المحتملة في وسط غازي بدقة، ولكنه غير قادر على قياس نقطة ندى الماء الفعلية لأن ذلك يتطلب قياس درجة حرارة التبخر بدقة أيضًا.

يستخدم المستشعر الإلكتروليتي ملفين متوازيين متقاربين، مطليين بطبقة رقيقة من خامس أكسيد الفوسفور (P₂O₅ ₎ . _عند امتصاص هذه الطبقة لبخار الماء الداخل ، يُطبَّق جهد كهربائي على الملفين، مما يؤدي إلى تحليل الماء كهربائيًا إلى هيدروجين وأكسجين. يحدد التيار المستهلك في عملية التحليل الكهربائي كتلة بخار الماء الداخل إلى المستشعر. يجب التحكم بدقة في معدل تدفق وضغط العينة الداخلة للحفاظ على معدل تدفق كتلة قياسي للعينة إلى المستشعر.

تُعدّ هذه الطريقة غير مكلفة نسبيًا، ويمكن استخدامها بكفاءة في تيارات الغاز النقي حيث لا تُعدّ سرعة الاستجابة عاملًا حاسمًا. يؤدي تلوث الملفات بالزيوت أو السوائل أو الجليكولات إلى انحراف في القراءات وتلف المستشعر. لا يستطيع المستشعر التفاعل مع التغيرات المفاجئة في الرطوبة، أي أن التفاعل على أسطح الملفات يستغرق بعض الوقت للاستقرار . تؤدي كميات كبيرة من الماء في الأنابيب (تُسمى فقاعات) إلى ترطيب السطح، ويتطلب تجفيفها عشرات الدقائق أو الساعات. يُعدّ تحضير العينة وإزالة السوائل منها بشكل فعّال أمرًا ضروريًا عند استخدام مستشعر التحليل الكهربائي.

يقارن جهاز الامتزاز الكهروإجهادي التغيرات في تردد مذبذبات الكوارتز المطلية بمادة مسترطبة . ومع تغير كتلة البلورة نتيجة امتصاص بخار الماء، يتغير تردد المذبذب. ولأن المستشعر يعتمد على قياس نسبي، يُستخدم نظام معايرة متكامل مزود بمجففات مواد مجففة وأنابيب نفاذية ووحدة تبديل خط العينة بشكل متكرر لربط النظام.

لقد حقق النظام نجاحًا في العديد من التطبيقات، بما في ذلك الغاز الطبيعي. مع ذلك، قد يتعرض النظام لتداخلات من الجليكول والميثانول، وتلف ناتج عن كبريتيد الهيدروجين ، مما قد يؤدي إلى قراءات غير دقيقة. يُعدّ المستشعر نفسه رخيصًا نسبيًا ودقيقًا للغاية. أما نظام المعايرة المطلوب، فهو أقل دقة، ويزيد من تكلفة النظام وتعقيده الميكانيكي. كما أن تكلفة استبدال مجففات المواد المجففة، ومكونات النفاذية، ورؤوس المستشعرات بشكل متكرر تزيد بشكل كبير من تكاليف التشغيل. بالإضافة إلى ذلك، تتسبب كميات كبيرة من الماء في تعطيل النظام لفترات طويلة، حيث يحتاج رأس المستشعر إلى التجفيف.

يتكون مستشعر الأكسيد من مادة أساسية خاملة وطبقتين عازلتين ، إحداهما حساسة للرطوبة. تمر جزيئات الرطوبة عبر المسام الموجودة على السطح ، مما يؤدي إلى تغيير في الخصائص الفيزيائية للطبقة التي تحتها.

يتكون مستشعر أكسيد الألومنيوم من طبقتين معدنيتين تشكلان أقطاب مكثف . يؤدي امتصاص جزيئات الماء إلى تغيير ثابت العزل الكهربائي للمستشعر، وتتناسب معاوقة المستشعر طرديًا مع تركيز الماء. أما مستشعر أكسيد السيليكون، فيمكن أن يكون جهازًا بصريًا يتغير معامل انكساره عند امتصاص الماء في الطبقة الحساسة ، أو نوعًا آخر من المعاوقة حيث يحل السيليكون محل الألومنيوم.

في النوع الأول (البصري)، عند انعكاس الضوء عبر الركيزة، يمكن رصد تغير في الطول الموجي على المخرج، والذي يمكن ربطه بدقة بتركيز الرطوبة. ويمكن استخدام موصل الألياف الضوئية لفصل رأس المستشعر عن الدائرة الإلكترونية.

هذا النوع من الحساسات ليس باهظ الثمن ويمكن تركيبه في الموقع عند ضغط خط الأنابيب . تستغرق جزيئات الماء وقتًا للدخول والخروج من المسام، لذا ستُلاحظ بعض التأخيرات في التبلل والتجفيف، خاصةً بعد تدفق مفاجئ . قد تُلحق الملوثات والمواد المسببة للتآكل الضرر بالمسام وتسدها، مما يُسبب انحرافًا في المعايرة ، ولكن يمكن تجديد رؤوس الحساسات أو استبدالها، وستؤدي أداءً أفضل في تيارات الغاز النظيفة جدًا. وكما هو الحال مع الحساسات الكهروإجهادية والإلكتروليتية، فإن هذا الحساس عرضة للتداخل من الجليكول والميثانول، وستنحرف المعايرة عندما يصبح سطح الحساس غير نشط بسبب التلف أو الانسداد، لذا فإن المعايرة موثوقة فقط في بداية عمر الحساس.

في النوع الثاني (مستشعر أكسيد السيليكون)، غالبًا ما يتم التحكم في درجة حرارة الجهاز لتحسين الاستقرار ويعتبر أكثر استقرارًا كيميائيًا من أنواع أكسيد الألومنيوم وأسرع استجابة بكثير نظرًا لحقيقة أنها تحتفظ بكمية أقل من الماء في حالة توازن عند درجة حرارة تشغيل مرتفعة .

على الرغم من إمكانية تركيب معظم أجهزة الامتصاص عند ضغوط خطوط الأنابيب (حتى 130 بار)، إلا أن إمكانية تتبعها وفقًا للمعايير الدولية تتأثر سلبًا. يوفر التشغيل عند ضغط قريب من الضغط الجوي إمكانية التتبع، ويقدم مزايا أخرى هامة، مثل إمكانية التحقق المباشر من المحتوى الرطوبي المعروف.

يُعدّ التحليل الطيفي للامتصاص طريقةً بسيطةً نسبيًا لتمرير الضوء عبر عينة غازية وقياس كمية الضوء الممتص عند طول موجي محدد. لم تُفلح التقنيات الطيفية التقليدية في تطبيق ذلك على الغاز الطبيعي لأن الميثان يمتص الضوء في نفس نطاقات الأطوال الموجية التي يمتصها الماء. ولكن باستخدام مطياف عالي الدقة، يُمكن رصد بعض قمم الماء غير المتداخلة مع قمم الغازات الأخرى.

يُوفر الليزر القابل للضبط مصدر ضوء ضيق النطاق وقابل للضبط، يُمكن استخدامه لتحليل هذه الخصائص الطيفية الدقيقة. ووفقًا لقانون بير-لامبرت ، تتناسب كمية الضوء الممتص بواسطة الغاز طرديًا مع كمية الغاز الموجودة في مسار الضوء؛ لذا، تُعد هذه التقنية قياسًا مباشرًا للرطوبة. ولتحقيق مسار ضوئي طويل بما يكفي، تُستخدم مرآة في الجهاز. قد تُحجب المرآة جزئيًا بسبب الشوائب السائلة والصلبة، ولكن بما أن القياس عبارة عن نسبة الضوء الممتص إلى إجمالي الضوء المُكتشف، فإن المعايرة لا تتأثر بالحجب الجزئي للمرآة (أما إذا كانت المرآة محجوبة تمامًا، فيجب تنظيفها).

يتميز محلل TDLAS بتكلفة أولية أعلى مقارنةً بمعظم المحللات المذكورة أعلاه. ومع ذلك، يتفوق مطياف امتصاص ليزر الصمام الثنائي القابل للضبط في عدة جوانب ، منها: ضرورة وجود محلل لا يتأثر بالتداخل أو التلف الناتج عن الغازات أو السوائل أو المواد الصلبة المسببة للتآكل، أو محلل يستجيب بسرعة فائقة للتغيرات الكبيرة في الرطوبة، أو محلل يحافظ على معايرته لفترات طويلة جدًا، بافتراض ثبات تركيب الغاز.