کالیبراسیون | سپهر گاز کاویان تولید کننده و تامین کننده گازهای خالص وترکیبی دارای گواهینامه ISO17025 و آزمایشگاه مرجع اداره استاندارد ایران می باشد.جهت خرید گازهای خالص و ترکیبی تماس بگیرید.02146837072 – 09033158778
بخش اول: مبانی کالیبراسیون و نقش گازهای مخلوط
۱.۱. کالیبراسیون چیست و چرا مهم است؟
کالیبراسیون، فرآیندی است که در آن یک ابزار اندازهگیری (مانند سنسور گاز) با یک استاندارد مرجع با دقت شناخته شده مقایسه میشود. هدف اصلی کالیبراسیون، تأیید یا تصحیح دقت ابزار اندازهگیری است تا اطمینان حاصل شود که خوانشهای آن تا حد امکان به مقادیر واقعی نزدیک است.
چرا کالیبراسیون مهم است؟
- دقت و قابلیت اطمینان: اطمینان از اینکه ابزارها مقادیر صحیح را اندازهگیری میکنند، برای تصمیمگیریهای حیاتی در صنایع مختلف ضروری است.
- ایمنی: در محیطهایی که گازهای سمی یا قابل اشتعال وجود دارند، اندازهگیری دقیق غلظت این گازها برای حفاظت از جان انسانها و جلوگیری از حوادث مرگبار امری حیاتی است.
- کیفیت محصول: در صنایع تولیدی، کنترل دقیق ترکیب گازها میتواند بر کیفیت نهایی محصول تأثیر بگذارد.
- رعایت مقررات: بسیاری از صنایع موظف به رعایت استانداردهای زیستمحیطی و بهداشتی هستند که اندازهگیری دقیق انتشار گازها را الزامی میکند.
- بهینهسازی فرآیند: اندازهگیریهای دقیق به مدیران فرآیند امکان میدهد تا پارامترها را بهینه کرده و راندمان را افزایش دهند.
- کاهش هزینهها: خطاهای اندازهگیری میتوانند منجر به اتلاف مواد اولیه، محصولات معیوب، توقف تولید و جریمههای قانونی شوند.
۱.۲. کالیبراسیون با گازهای تکی (Single-Gas Calibration)
در گذشته، و حتی در برخی کاربردهای ساده امروزی، کالیبراسیون با گازهای تکی انجام میشد. در این روش، هر سنسور یا ابزار اندازهگیری برای یک گاز خاص، با استفاده از یک سیلندر گاز حاوی آن گاز به تنهایی و با غلظت مشخص، کالیبره میشود.
مزایای کالیبراسیون با گازهای تکی:
- سادگی در تهیه استانداردها.
- سهولت در انجام فرآیند کالیبراسیون.
محدودیتهای کالیبراسیون با گازهای تکی:
- زمانبر بودن و ناکارآمدی در صورت نیاز به کالیبراسیون همزمان چندین سنسور.
- عدم توانایی در شبیهسازی شرایط واقعی که در آنها ممکن است سنسور در معرض ترکیبی از گازها قرار گیرد.
۱.۳. چرا به کالیبراسیون با گازهای مخلوط نیاز داریم؟
در بسیاری از محیطهای صنعتی، خطر ناشی از حضور همزمان چندین گاز است. به عنوان مثال:
- صنایع نفت و گاز: تشخیص همزمان متان (گاز قابل اشتعال)، سولفید هیدروژن (H2S، گاز سمی و خورنده)، مونواکسید کربن (CO، گاز سمی) و اکسیژن (O2) ضروری است.
- صنایع شیمیایی: در فرآیندهای تولید مواد شیمیایی، امکان حضور بخارات حلالها، گازهای واکنشی و محصولات جانبی به صورت مخلوط وجود دارد.
- محیطهای بسته (Confined Spaces): کارگران در فضاهای بسته ممکن است با کمبود اکسیژن، افزایش گازهای سمی مانند CO و H2S، و گازهای قابل اشتعال مواجه شوند.
- نظارت بر آلودگی هوا: اندازهگیری همزمان گازهایی مانند SO2، NOx، CO، O3 و ذرات معلق برای ارزیابی کیفیت هوا حیاتی است.
- صنایع غذایی و آشامیدنی: در برخی فرآیندهای تولید، مانند بستهبندی اتمسفر اصلاح شده (MAP)، کنترل دقیق غلظت گازهایی مانند N2، O2 و CO2 مورد نیاز است.
در این سناریوها، کالیبراسیون با استفاده از مخلوطی از این گازها، به سنسور اجازه میدهد تا نحوه واکنش خود را در شرایط واقعیتر بسنجد. این امر به ویژه برای سنسورهایی که ممکن است اثر متقاطع (Cross-sensitivity) با گازهای دیگر داشته باشند، اهمیت پیدا میکند. اثر متقاطع زمانی رخ میدهد که سنسور به گازی غیر از گازی که برای آن طراحی شده است نیز واکنش نشان دهد.
بخش دوم: گازهای مخلوط کالیبراسیون – اجزا و انواع
۲.۱. اجزای اصلی یک گاز مخلوط کالیبراسیون
یک مخلوط گازی کالیبراسیون معمولاً از اجزای زیر تشکیل شده است:
- گازهای فعال (Active Gases): اینها گازهایی هستند که غلظت آنها اندازهگیری میشود و هدف اصلی کالیبراسیون هستند. این گازها میتوانند سمی، قابل اشتعال، بیاثر یا ترکیبی از اینها باشند. مثالها: CO, H2S, SO2, NO2, O2, CH4, C2H6, N2, He, Ar.
- گاز حامل (Carrier Gas): این گاز، وظیفه حمل گازهای فعال و رقیق کردن آنها تا غلظتهای مورد نظر را بر عهده دارد. انتخاب گاز حامل به حساسیت سنسور و عدم واکنش آن با گاز حامل بستگی دارد. رایجترین گازهای حامل عبارتند از:
- نیتروژن (N2): رایجترین و مقرون به صرفهترین گاز حامل برای بسیاری از کاربردها.
- هلیوم (He): در مواردی که نیتروژن ممکن است با سنسور واکنش نشان دهد یا برای دستیابی به دقت بسیار بالا استفاده میشود.
- هوا (Air): برای کالیبراسیون سنسورهای اکسیژن یا سنسورهایی که در معرض هوا کار میکنند، استفاده میشود. هوای مورد استفاده باید عاری از رطوبت، روغن و سایر ناخالصیها باشد.
- آرگون (Ar): در برخی کاربردهای خاص استفاده میشود.
۲.۲. روشهای تولید گازهای مخلوط
تولید گازهای مخلوط با غلظتهای دقیق و پایدار، یک فرآیند تخصصی است که نیاز به دانش فنی و تجهیزات پیشرفته دارد. دو روش اصلی تولید وجود دارد:
- رقیقسازی حجمی (Volume Dilution) یا رقیقسازی جرمی (Mass Dilution):
- رقیقسازی حجمی: در این روش، گازهای فعال با غلظتهای بالا را با یک حجم مشخص از گاز حامل مخلوط میکنند. این کار معمولاً با استفاده از سیلندرهای گاز با غلظت مشخص و تجهیزات رقیقسازی دقیق انجام میشود.
- رقیقسازی جرمی: در این روش، از روشهای دقیقتر مانند وزن کردن برای تعیین نسبتهای گازها استفاده میشود. این روش معمولاً دقت بالاتری را ارائه میدهد.
- مخلوطسازی گازی الکترونیکی (Electronic Gas Mixing -μουMIX): این روش نوین از شیرهای برقی (Solenoid Valves) با کنترل دقیق زمان باز و بسته شدن استفاده میکند تا حجمهای بسیار کوچکی از گازهای فعال را با گاز حامل مخلوط کند. مزیت اصلی این روش، قابلیت تولید طیف وسیعی از غلظتها به صورت آنی و در محل بدون نیاز به سیلندرهای متعدد است. این دستگاهها برای ایجاد مخلوطهای پویا (Dynamic Blends) بسیار مناسب هستند.
۲.۳. انواع گازهای مخلوط کالیبراسیون بر اساس کاربرد
گازهای مخلوط بر اساس نیازهای کاربردی مختلف، در انواع گوناگونی تولید میشوند:
- مخلوطهای استاندارد (Standard Blends): این مخلوطها شامل گازهای رایجی هستند که در بسیاری از صنایع کاربرد دارند، مانند مخلوط متان/نیتروژن، یا مخلوط SO2/NOx/CO/O2/N2 برای نظارت بر کیفیت هوا.
- مخلوطهای سفارشی (Custom Blends): بر اساس نیازهای خاص مشتری، مخلوطهایی با ترکیبات و غلظتهای منحصر به فرد تولید میشوند. این امر به ویژه برای توسعه سنسورهای جدید یا کاربردهای بسیار خاص ضروری است.
- مخلوطهای ایزوتوپی (Isotopic Blends): در برخی کاربردهای تحقیقاتی یا تخصصی، ممکن است نیاز به استفاده از ایزوتوپهای خاصی از گازها باشد.
- مخلوطهای ردیابی (Trace Gas Blends): برای کالیبراسیون سنسورهایی که قادر به تشخیص غلظتهای بسیار پایین (ppm یا ppb) گازها هستند، از مخلوطهایی با غلظت بسیار کم گاز فعال استفاده میشود.
۲.۴. پایدارسازی مخلوطهای گازی
یکی از چالشهای اصلی در کار با گازهای مخلوط، حفظ پایداری غلظت آنها در طول زمان است. عواملی که میتوانند بر پایداری تأثیر بگذارند عبارتند از:
- واکنشهای شیمیایی: گازهای فعال ممکن است با یکدیگر یا با دیوارههای سیلندر واکنش دهند.
- جذب سطحی (Surface Adsorption): گازها ممکن است به دیوارههای سیلندر جذب شوند و غلظت آنها در فاز گازی کاهش یابد. این اثر به ویژه برای گازهایی با غلظت پایین یا گازهای واکنشپذیر شدید است.
- نفوذ (Permeation): گازها ممکن است از طریق دیوارههای برخی سیلندرها به بیرون نفوذ کنند.
- تغییر دما و فشار: این عوامل میتوانند بر غلظت نسبی گازها تأثیر بگذارند.
برای مقابله با این چالشها، از سیلندرهای ویژه با پوشش داخلی (Liner) از جنس فولاد ضد زنگ، آلومینیوم یا مواد خاص دیگر استفاده میشود تا از جذب سطحی و واکنشهای شیمیایی جلوگیری شود. همچنین، غلظتهای اعلام شده در گواهی آنالیز (Certificate of Analysis) معمولاً برای یک دوره اعتبار مشخص (Shelf Life) تضمین میشود.
بخش سوم: چالشها و ملاحظات در استفاده از گازهای مخلوط
۳.۱. انتخاب غلظت مناسب
انتخاب غلظت صحیح برای گازهای فعال در مخلوط کالیبراسیون بسیار حیاتی است.
- کالیبراسیون در نقطه کاری (Working Point Calibration): معمولاً غلظتهایی انتخاب میشوند که نزدیک به غلظتهای مورد انتظار در شرایط عملیاتی واقعی باشند. این روش، دقت ابزار را در محدوده کاری اصلی تضمین میکند.
- کالیبراسیون در نقاط مختلف (Multi-point Calibration): برای اطمینان از خطی بودن پاسخ سنسور در یک محدوده وسیع، از چندین مخلوط گازی با غلظتهای مختلف (معمولاً حداقل دو نقطه) استفاده میشود. این روش، دقت کلی ابزار را بهبود میبخشد.
- ملاحظات ایمنی: غلظت گازهای قابل اشتعال باید پایینتر از حد اشتعال پایین (Lower Flammable Limit – LFL) و غلظت گازهای سمی باید پایینتر از حدود مجاز شغلی (Occupational Exposure Limits – OELs) باشد.
۳.۲. اثر متقاطع (Cross-Sensitivity) و تداخل گازی (Gas Interference)
هنگامی که یک سنسور به گازی غیر از گازی که برای آن طراحی شده است واکنش نشان میدهد، به آن اثر متقاطع میگویند. این پدیده میتواند منجر به قرائتهای اشتباه شود.
- مثال: یک سنسور مونوکسید کربن (CO) ممکن است در حضور هیدروژن (H2) نیز واکنش نشان دهد. اگر برای کالیبراسیون از مخلوطی حاوی CO استفاده شود و سپس سنسور در معرض H2 قرار گیرد، ممکن است نتیجهگیری اشتباهی از عملکرد سنسور حاصل شود.
- اهمیت در گازهای مخلوط: کالیبراسیون با مخلوطهای گازی به تشخیص یا حداقل پیشبینی این اثرات کمک میکند. در صورت وجود اثر متقاطع قابل توجه، ممکن است نیاز به تصحیح خوانشها (Correction Factors) یا استفاده از سنسورهای خاصتری باشد.
- همپوشانی طیفی (Spectral Overlap): در روشهای طیفسنجی (مانند FTIR)، اگر طیف جذب دو گاز در ناحیه مشخصی همپوشانی داشته باشند، تداخل ایجاد میشود و نیاز به الگوریتمهای پیچیدهتر برای تفکیک سیگنالها است.
۳.۳. دقت و عدم قطعیت (Accuracy and Uncertainty)
اطمینان از دقت و قابلیت ردیابی (Traceability) مخلوطهای گازی کالیبراسیون بسیار مهم است.
- گواهی آنالیز (Certificate of Analysis – CoA): هر مخلوط گازی کالیبراسیون باید همراه با گواهی آنالیز باشد که حاوی اطلاعات زیر است:
- ترکیب دقیق مخلوط (نام گازها و غلظتهای آنها).
- روشهای مورد استفاده برای تعیین غلظت (مانند کروماتوگرافی گازی، طیفسنجی).
- عدم قطعیت اندازهگیری.
- تاریخ تولید و انقضاء.
- قابلیت ردیابی به استانداردهای ملی یا بینالمللی (مانند NIST در آمریکا).
- قابلیت ردیابی: این اطمینان میدهد که استانداردهای مورد استفاده در تولید مخلوط گازی، خود به طور صحیح کالیبره شدهاند و به یک مبنای قابل اعتماد جهانی متصل هستند.
۳.۴. عمر مفید (Shelf Life) و شرایط نگهداری
مخلوطهای گازی کالیبراسیون، به ویژه آنهایی که حاوی گازهای واکنشپذیر یا در غلظتهای پایین هستند، عمر مفید محدودی دارند.
- جذب/واکنش سطحی: همانطور که پیشتر اشاره شد، گازها میتوانند با دیواره سیلندر واکنش دهند یا جذب آن شوند، که باعث کاهش غلظت مؤثر در طول زمان میشود.
- شرایط نگهداری: سیلندرها باید در دمای مناسب، دور از نور مستقیم خورشید و در محیطهای با تهویه مناسب نگهداری شوند تا از تغییرات ناخواسته در ترکیب مخلوط جلوگیری شود.
- مدیریت موجودی: استفاده از اصل FIFO (First-In, First-Out) برای اطمینان از استفاده از سیلندرهای قدیمیتر قبل از انقضاء آنها ضروری است.
۳.۵. ملاحظات ایمنی در کار با گازهای مخلوط
- سیلندرهای تحت فشار: گازهای کالیبراسیون در سیلندرهایی با فشار بالا نگهداری میشوند. لازم است با این سیلندرها با احتیاط رفتار شود تا از انفجار یا نشت ناگهانی جلوگیری شود. استفاده از رگولاتورهای مناسب و تجهیزات ایمنی الزامی است.
- سمیت و قابل اشتعال بودن: گازهای فعال ممکن است سمی، قابل اشتعال یا هر دو باشند. هنگام کار با این مخلوطها، باید از تهویه مناسب، تجهیزات حفاظت فردی (PPE) مانند دستکش، عینک ایمنی و در صورت لزوم ماسک تنفسی استفاده کرد.
- محل کار: عملیات کالیبراسیون باید در فضایی با تهویه مناسب یا در زیر هود انجام شود.
بخش چهارم: فرآیند کالیبراسیون با گازهای مخلوط
فرآیند کالیبراسیون با گازهای مخلوط معمولاً شامل مراحل زیر است:
۴.۱. آمادهسازی
- انتخاب مخلوط گازی مناسب: بر اساس نوع سنسور و کاربرد، مخلوط گازی با غلظتهای مناسب برای حداقل دو نقطه (نقطه صفر و نقطه کاری یا دو نقطه در محدوده کاری) انتخاب میشود.
- آمادهسازی سنسور: اطمینان حاصل شود که سنسور تمیز است و در حالت پایدار قرار دارد. ممکن است نیاز باشد قبل از کالیبراسیون، سنسور برای مدتی در هوای پاک یا گاز خنثی قرار گیرد تا به حالت اولیه بازگردد (Stabilization).
- بررسی تجهیزات: اطمینان از صحت عملکرد رگولاتور فشار، شلنگها و کانکتورها برای جلوگیری از نشتی.
- تنظیم نقطه صفر (Zero Calibration): در صورت نیاز، سنسور با یک گاز پاک (معمولاً نیتروژن یا هوا بسته به نوع سنسور) کالیبره میشود تا نقطه صفر آن تنظیم شود. این مرحله تضمین میکند که سنسور در غیاب گاز مورد نظر، صفر را نشان میدهد.
۴.۲. اجرای کالیبراسیون
- اعمال مخلوط گازی اول: مخلوط گازی کالیبراسیون با غلظت مشخص (معمولاً غلظت پایینتر یا نقطه صفر واقعی در صورت عدم استفاده از گاز پاک) به سنسور اعمال میشود.
- پایدارسازی خوانش: زمان کافی به سنسور داده میشود تا به یک خوانش پایدار برسد. این زمان بسته به نوع سنسور و سرعت پاسخ آن متفاوت است.
- ثبت خوانش: خوانش پایدار سنسور در این مرحله ثبت میشود.
- اعمال مخلوط گازی دوم (و نقاط بعدی): در صورت نیاز به کالیبراسیون چند نقطهای، همین فرآیند با مخلوط گازی با غلظت بالاتر تکرار میشود.
- بازیابی به حالت اولیه: پس از اتمام کالیبراسیون با مخلوطهای گازی، سنسور باید به حالت اولیه خود در معرض هوای پاک یا گاز خنثی بازگردانده شود.
۴.۳. تنظیم و گواهی
- محاسبه انحراف: خوانشهای ثبت شده از سنسور با مقادیر واقعی غلظت گازهای مخلوط (مطابق با گواهی آنالیز) مقایسه میشوند.
- انجام تنظیمات: اگر انحراف از حد مجاز فراتر رفت، با استفاده از نرمافزار یا تنظیمات داخلی سنسور، مقادیر کالیبراسیون بهروزرسانی میشوند تا انحراف کاهش یابد.
- تأیید مجدد کالیبراسیون: پس از انجام تنظیمات، فرآیند کالیبراسیون با همان مخلوطهای گازی تکرار میشود تا اطمینان حاصل شود که سنسور اکنون مقادیر صحیح را نشان میدهد.
- صدور گواهی کالیبراسیون: پس از موفقیتآمیز بودن فرآیند، یک گواهی کالیبراسیون برای سنسور صادر میشود که نشاندهنده تاریخ کالیبراسیون، نتایج قبل و بعد از تنظیم، و تاریخ کالیبراسیون بعدی است.
بخش پنجم: انواع تجهیزات برای کار با گازهای مخلوط
برای تهیه، حمل و اعمال گازهای مخلوط کالیبراسیون، از تجهیزات تخصصی استفاده میشود:
۵.۱. سیلندرهای گاز (Gas Cylinders)
- جنس: فولاد کربن، فولاد ضد زنگ، آلومینیوم. برای گازهای خورنده یا واکنشپذیر، سیلندرهای با پوشش داخلی (Liner) از جنس فولاد ضد زنگ با خلوص بالا یا مواد خاص (مانند آلومینایز شده) استفاده میشود.
- فشار: معمولاً تا ۲۰۰ بار (حدود ۳۰۰۰ psi).
- نوع گاز: مخلوطها میتوانند به صورت فشرده در سیلندر (Compressed Gases) یا به صورت مایع تبخیری (Liquefied Gases) مانند هیدروکربنها یا آمونیاک نگهداری شوند.
- دریچهها (Valves): انواع مختلفی از دریچهها برای اتصال به رگولاتورها وجود دارد.
۵.۲. رگولاتورهای فشار (Pressure Regulators)
- وظیفه: کاهش فشار بالای گاز در سیلندر به فشار کاری پایینتر و پایدار برای استفاده.
- انواع: رگولاتورهای تک مرحلهای (Single-Stage) و دو مرحلهای (Two-Stage). رگولاتورهای دو مرحلهای برای حفظ فشار خروجی ثابت و پایدار در طی تخلیه سیلندر مناسبتر هستند و برای گازهای مخلوط و کالیبراسیون ترجیح داده میشوند.
- جنس: برنج، فولاد ضد زنگ. انتخاب جنس بستگی به نوع گاز و نیاز به عدم واکنش دارد.
۵.۳. مخلوطکنندههای گازی (Gas Mixers)
- دستگاههای مخلوطکننده الکترونیکی (Electronic Gas Mixers – EGM): با کنترل دقیق شیرهای برقی و زمانبندی آنها، مخلوطهایی با غلظتهای دقیق و قابل تنظیم به صورت پویا تولید میکنند. این دستگاهها انعطافپذیری بالایی دارند و برای کالیبراسیون سنسورهای چندگانه یا نیاز به غلظتهای متغیر ایدهآل هستند.
- سیستمهای رقیقسازی با فلوسنس سوبین (Mass Flow Controllers – MFCs): این دستگاهها جریان دقیق گازها را کنترل میکنند و با ترکیب جریانهای مختلف، مخلوطهای گازی با غلظتهای دلخواه تولید میکنند. سیستمهای چند کاناله MFC برای این منظور بسیار مناسب هستند.
۵.۴. تجهیزات حمل و نقل (Delivery Systems)
- شلنگها (Tubing): انتخاب جنس شلنگ (مانند تفلون، فولاد ضد زنگ) بستگی به نوع گاز و دمای کاری دارد.
- کانکتورها (Connectors): باید اطمینان حاصل شود که کانکتورها نشتی ندارند و با گازهای مورد استفاده سازگار هستند.
بخش ششم: نتیجهگیری و آینده کالیبراسیون با گازهای مخلوط
کالیبراسیون با گازهای مخلوط، ابزاری ضروری برای اطمینان از دقت و قابلیت اطمینان ابزارهای اندازهگیری گاز در طیف وسیعی از صنایع است. این روش، به ویژه در محیطهایی که چندین گاز به طور همزمان حضور دارند، برتری قابل توجهی نسبت به کالیبراسیون با گازهای تکی دارد.
با پیشرفت فناوری، شاهد نوآوریهایی در تولید و استفاده از گازهای مخلوط هستیم:
- تولید در محل (On-site Generation): توسعه دستگاههایی که میتوانند مخلوطهای گازی را در محل مصرف تولید کنند، وابستگی به سیلندرهای فشرده و حمل و نقل آنها را کاهش میدهد.
- هوشمندسازی فرآیند کالیبراسیون: استفاده از سنسورهای هوشمند که به طور خودکار فرآیند کالیبراسیون را انجام داده و نتایج را ثبت میکنند.
- مدلسازی و شبیهسازی: استفاده از مدلهای پیشرفته برای پیشبینی رفتار سنسورها در حضور مخلوطهای گازی پیچیده و تصحیح اثرات متقابل.
- استانداردهای قابل حمل: توسعه استانداردهای کالیبراسیون قابل حمل و دقیقتر برای استفاده در محیطهای عملیاتی.
در نهایت، سرمایهگذاری در کالیبراسیون صحیح و منظم با استفاده از گازهای مخلوط، نه تنها به حفظ ایمنی و کیفیت کمک میکند، بلکه منجر به افزایش راندمان عملیاتی و کاهش هزینههای بلندمدت در صنایع مختلف خواهد شد. درک عمیق از اصول، چالشها و روشهای کار با گازهای مخلوط کالیبراسیون، کلید موفقیت در این زمینه است.
بدون دیدگاه