بدائل جديدة لأجهزة DPD المتصلة لقياس TRO في BWMS
يوفر مستشعر Halogen Systems الأمبيرومتري DPI (الإدخال المباشر في الأنبوب) بديلًا خاليًا من الكواشف والأغشية لأجهزة DPD المتصلة لقياس إجمالي المؤكسدات المتبقية في أنظمة إدارة مياه الصابورة. جرى التحقق منه من قِبل تحالف التقنيات الساحلية (ACT) ويدعمه اعتماد النوع من DNV، مع نشر أكثر من 2,000 مستشعر على السفن منذ عام 2014.
تقدّم هذه الورقة بيانات تقييم جهة خارجية واختبارات الاستقلال عن التدفق ونتائج تحمّل العكارة ومقارنات التكاليف وبيانات اختبارات ميدانية تثبت التشغيل على متن السفن لمدة 1.2 سنة دون صيانة.
أبرز مؤشرات الأداء
1. الخلفية
بدأت Halogen Systems, Inc. في عام 2012 لتسويق تقنية مستشعراتها متعددة المعلمات. ومنذ البداية سعت إلى التخلص من مشكلات المستشعرات الأمبيرومترية الحالية وتطوير منصة مستشعرات بديلة متينة ذات تطبيقات في قطاعات عديدة. يختلف مستشعرها جذريًا عن المستشعرات الأخرى، ومن هنا اسمه DPI (الإدخال المباشر في الأنبوب) الأمبيرومتري.
مُوّل هذا المستشعر الأمبيرومتري الجديد جزئياً بعقود Small Business Investment Research (SBIR) من مكتب البحوث البحرية الأمريكي (ONR)[DoD, 2020]. منذ عام 2014، خضع هذا المستشعر لتحسينات وتطويرات مستمرة.
2. الملخص التنفيذي
مستشعر DPI الأمبيرومتري بديل جديد لأجهزة DPD المتصلة بالعملية. وعند استخدامه في أنظمة إدارة مياه الصابورة (BWMS)، يزيل هذا البديل مشكلات الامتثال المحتملة بخصائص فريدة:
استجابة سريعة
قياس مباشر لـ TRO في أنبوب الصابورة للحصول على قراءات في أقل من 45 ثانية.
التشغيل في ميناء موحل
تشغيل متين ودقيق عند مستويات مواد صلبة عالقة كلية TSS تبلغ 20 ضعف المستويات المطلوبة وفق ETV (1,000 ppm)، دون مرشحات.
تحمّل مرتفع للكربون العضوي الذائب DOC
تشغيل دقيق عند مستويات تحدي للكربون العضوي المذاب تبلغ 6 أضعاف المستويات التي تُختبر عندها أنظمة BWMS.
مستقل عن التدفق
تشغيل دقيق عند سرعة تدفق من 0 إلى 3.73 م/ث — دون تأثير على القياس.
ملوحة وأس هيدروجيني مدمجان
يلغي مستشعر الملوحة المدمج الحاجة إلى جهاز منفصل. ويتحمل مستشعر pH ضغط 10 bar.
طرازات للمناطق الخطرة وغير الخطرة
متاح للمناطق الخطرة Zone 1 Group IIC والسطح المكشوف والخط الجانبي وأنبوب الصابورة.
مزايا التركيب والخدمة
تحقق موسع من جهات خارجية
3. تقييم طرف ثالث (ACT)
أجرى تحالف التقنيات الساحلية (ACT) تقييماً لأجهزة TRO لمياه الصابورة باستخدام التقنية المتاحة حالياً[ACT HF, 2020][ACT HSI, 2020][ACT Xylem, 2020]. رغم أن ACT لم يقارن المستشعرات مباشرةً، فإن عدة نقاط أساسية تتضح من هذه التقارير:
نتائج اختبار قابلية التكرار
كان جهازا DPD الجديدان تماماً، اللذان ركّبهما موظفو المصنع، كلاهما خارج حدود المواصفات الخاصة بكل منهما والبالغة 5% (عند أقل من 6 ppm). بلغت دقة DPD1 أثناء اختبار الضبط ±15%، بينما بلغت دقة DPD2 ±32%. وكان مستشعر Halogen ضمن حدود مواصفاته بفارق مريح عند ±4%. وكان معامل تباينه (2.5%) أفضل من معامل طريقة DPD المرجعية (2.6%).
نتائج اختبار الدقة
لم يعمل أحد أجهزة DPD بصورة صحيحة خلال اثنين من اختبارات الدقة، لذا تعذر جمع البيانات. في اختبارات الدقة، كان أداء مستشعر Halogen (HSI) مماثلاً لأجهزة DPD أو أفضل منها في الاختبارات التي توفرت فيها بيانات. تشير الأرقام الأقرب إلى 1.00 إلى دقة أفضل.
الجدول 1: مقارنة قابلية التكرار — ثلاثة أجهزة قيّمتها ACT
| عينة | الطريقة المرجعية | DPD2 | DPD1 | HSI (Halogen) |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 3.55 | 2.3 | 3.02 | 3.45 |
| 2 | 3.56 | 2.41 | 3.1 | 3.45 |
| 3 | 3.48 | 2.39 | 3.01 | 3.4 |
| 4 | 3.53 | 2.39 | 3.01 | 3.34 |
| 5 | 3.49 | 2.29 | 3.05 | 3.34 |
| 6 | 3.5 | 2.3 | 2.93 | 3.35 |
| 7 | 3.47 | 2.31 | 2.92 | 3.33 |
| 8 | 3.41 | 2.33 | 2.91 | 3.28 |
| 9 | 3.38 | 2.32 | 2.85 | 3.27 |
| 10 | 3.45 | 2.3 | 2.83 | 3.24 |
| 11 | 3.33 | 2.32 | 2.79 | 3.22 |
| 12 | 3.27 | 2.27 | 2.68 | 3.2 |
| المتوسط | 3.45 | 2.33 | 2.93 | 3.32 |
| الانحراف المعياري | 0.09 | 0.04 | 0.12 | 0.08 |
| CV (%) | 2.60% | 1.90% | 4.20% | 2.50% |
| الدقة النسبية % | — | -32% | 15% | 4% |
المصدر: تقارير تقييم Alliance for Coastal Technologies (ACT). التقارير الكاملة متاحة على act-us.info
الجدول 2: ميول الانحدار الخطي التي أبلغت عنها ACT
نتائج اختبار الدقة عبر مستويات ملوحة مختلفة. تشير القيم الأقرب إلى 1.00 إلى دقة أفضل.
| الملوحة بوحدة PSU | HSI (Halogen) | DPD1 | DPD2 |
|---|---|---|---|
| 0.2 | 0.809 | 0.829 | 1.072 |
| 0.2 | 0.962 | 0.879 | 0.728 |
| 0.2 | 0.814 | 0.924 | 0.777 |
| 15 | 0.779 | — | 0.762 |
| 15 | 0.825 | 0.783 | 0.458 |
| 15 | 0.793 | 0.859 | 0.635 |
| 30 | 0.756 | — | 0.746 |
| 30 | 0.818 | 0.747 | 0.456 |
| 30 | 0.717 | 0.787 | 0.603 |
| 15 | لم يُختبر | 0.814 | 0.585 |
| 16 | 0.778 | 0.794 | 0.665 |
المصدر: تقارير تقييم Alliance for Coastal Technologies (ACT). التقارير الكاملة متاحة على act-us.info
4. استجابة سريعة بفضل التركيب المباشر داخل الأنبوب
يُركّب هذا المستشعر مباشرة في أنبوب مياه الصابورة لقراءات TRO سريعة (أقل من دقيقة واحدة). تُدخل أجهزة DPD المتصلة بالعملية والمزوّدة بخطوط طويلة لأخذ عينات المياه احتمال تلوث العينة وتأخراً — غالباً من 3 إلى 8 دقائق في بعض السفن — قبل أن يتلقى BWMS قراءة محدّثة. وغالباً ما تسبب حلقة العملية المتأخرة مشكلات في التحكم الدقيق، ما يؤدي إلى التذبذب بين الكلورة الزائدة والناقصة. كما تكون خطوط أخذ العينات الطويلة مسؤولة كثيراً عن تلوث العينة.
5. تشغيل متين في الموانئ الموحلة
تُقيَّم أنظمة BWMS باستخدام مستوى تحدٍّ يبلغ 50 ppm من إجمالي المواد الصلبة العالقة (TSS)[EPA, 2010]. إلا أن بعض الموانئ تحتوي على مستويات أعلى بكثير من المواد الصلبة العالقة، وقد تبدو المياه حتى «موحلة». ولإثبات متانة هذا المستشعر، جرى تقييمه باستخدام 40 ضعف مستوى TSS المطلوب (2,000 ppm)[HSI ISO15839, 2020].
تتأثر طريقة DPD بالعكارة — ولا يتأثر المستشعر الأمبيرومتري
أثرت المستويات المرتفعة للمواد الصلبة العالقة الكلية TSS سلبًا في طريقة DPD (المقياس الطيفي الضوئي)، ما أدى إلى قياسات أقل. للحصول على قراءات DPD دقيقة، تطلبت العينة: (1) التفاعل مع الكاشف، (2) الترشيح (5 ميكرون) لإزالة TSS، ثم (3) القياس. بدأت قياسات DPD للعينات المرشحة وغير المرشحة تتباعد عند 200 ppm من TSS، مما يشير إلى أن المياه المتسخة تتداخل مع الأطياف في طريقة قياس DPD.
عند مستويات تصريف TRO المنخفضة — مثل التركيز الأقصى المسموح به للتصريف (MADC) الحرج البالغ 0.1 ppm — يكون انخفاض دقة DPD أشد أهمية. ولا يتأثر المستشعر الأمبيرومتري بمستويات العكارة هذه.
6. لا تؤثر تغيرات معدل التدفق في دقة القياس
المستشعرات الأمبيرومترية الأخرى شديدة الحساسية لتغيرات التدفق. وقد أثبت مستشعر Halogen الاستقلال عن التدفق. خلال هذا الاختبار، تراوحت سرعة التدفق من 0 إلى 1.93 m/s إلى 3.73 m/s. وتم التحقق من دقة المستشعر باستخدام مقياس طيف ضوئي مختبري (Hach DPD) لقياس الكلور الكلي[HSI 06, 2020].
الجدول 3: اختبار التدفق — Hach DPD مقابل مستشعر Halogen
| معدل التدفق | Hach DPD (ppm) | مستشعر Halogen (ppm) | الدقة |
|---|---|---|---|
| 0 GPM | 8.98 | 8.96 | 0% |
| 0 GPM | 8.83 | 9.05 | 2% |
| 120 GPM (3.73 م/ث) | 9.49 | 9.06 | -4% |
| 120 GPM (3.73 م/ث) | 9.48 | 9.04 | -5% |
| 120 GPM (3.73 م/ث) | 9.02 | 8.94 | -1% |
| 62 GPM (1.93 م/ث) | 8.64 | 8.99 | 4% |
| 62 GPM (1.93 م/ث) | 9.06 | 8.89 | -2% |
| 62 GPM (1.93 م/ث) | 8.87 | 8.92 | 1% |
| 0 GPM | 9.26 | 8.92 | -4% |
| 0 GPM | 9.23 | 8.82 | -4% |
| 120 GPM (3.73 م/ث) | 8.9 | 8.77 | -1% |
| 120 GPM (3.73 م/ث) | 9.29 | 8.91 | -4% |
| 120 GPM (3.73 م/ث) | 9.04 | 8.77 | -3% |
| 62 GPM (1.93 م/ث) | 8.9 | 8.8 | -1% |
| 62 GPM (1.93 م/ث) | 9.02 | 8.91 | -1% |
| 62 GPM (1.93 م/ث) | 8.78 | 8.84 | 1% |
| 0 GPM | 8.61 | 8.78 | 2% |
| 0 GPM | 9.05 | 8.75 | -3% |
| 120 GPM (3.73 م/ث) | 8.77 | 8.7 | -1% |
| 120 GPM (3.73 م/ث) | 8.82 | 8.63 | -2% |
| 120 GPM (3.73 م/ث) | 9.14 | 8.61 | -6% |
| 62 GPM (1.93 م/ث) | 8.96 | 8.67 | -3% |
| 62 GPM (1.93 م/ث) | 8.71 | 8.71 | 0% |
| 62 GPM (1.93 م/ث) | 9.07 | 8.55 | -6% |
| 0 GPM | 8.8 | 8.63 | -2% |
| 0 GPM | 8.77 | 8.48 | -3% |
يتضح من هذه البيانات أن ظروف التدفق لها تأثير مهمل في دقة المستشعر بين سرعتي تدفق 0 و3.73 m/s.
7. تكلفة تشغيل منخفضة
لا حاجة إلى كواشف كيميائية أو أغشية، مما يخفض تكلفة التشغيل وأعمال الصيانة التي يجريها طاقم السفينة. لا يلزم سوى استبدال طقم أجزاء التآكل كل سنتين. ووفق KRS، تتطلب أجهزة DPD أيضاً عمليات صيانة إضافية[KRS].
الجدول 4: مقارنة التكاليف — DPI الأمبيرومتري مقابل DPD
| الخدمة | DPI أمبيرومتري | DPD |
|---|---|---|
| الكواشف | لا يوجد | كل 30–60 يومًا من التشغيل |
| الأجزاء الاستهلاكية | 24 شهرًا | N/A |
| التكلفة السنوية | $120 دولار أمريكي | نحو $600 USD |
| سنوي | N/A | عمرة المضخة (تآكل كيميائي/بمياه البحر) |
| شهرياً | N/A | افحص ونظف مصفاة T |
| ربع سنوي | N/A | افحص ونظف الصمام وأنابيب المضخة |
| نصف سنوي | N/A | تنظيف صمام كهرومغناطيسي ثنائي الاتجاه |
8. فاصل طويل بين دورات الصيانة
وفقًا لمنهجية ISO 15839 لإجراء «اختبار ميداني»، عملت مستشعرات Halogen لمدة 24 ساعة يوميًا، بإجمالي 33 دورة على مدار 80 يومًا، ومع ذلك لم تتطلب أي صيانة أو معايرة. ويعادل ذلك 66 أسبوعًا أو 1.2 سنة من التشغيل على متن السفينة وأكثر من 792 ساعة من التشغيل الفعلي للمستشعر[HSI 04, 2020].
الجدول 5: افتراضات الاختبار الميداني — فترة الصيانة المعتادة لنظام BWMS
| المعلمة | القيمة |
|---|---|
| رحلة بحرية نموذجية | 14 يومًا |
| مدة أخذ مياه الصابورة لكل رحلة | 10 ساعات |
| مدة أخذ مياه الصابورة شهريًا | 21.4 ساعة |
| فاصل فحص المعايرة | 60 يومًا |
| تشغيل المستشعر خلال 60 يوماً | 42.9 ساعة |
خلال رحلة نموذجية مدتها أسبوعان، تحدث دورة ملء/تفريغ للصابورة تعمل فيها المستشعرات نحو 8 ساعات وتبقى متوقفة بقية الرحلة. وكان المستشعر سيخضع لإعادة المعايرة إذا انحرف في أي وقت عن قراءة DPD بنسبة 15% أو أكثر. لم تكن هناك حاجة إلى إعادة المعايرة طوال فترة الاختبار بأكملها.
9. تكلفة التركيب
تكاليف تركيب مستشعر Halogen أقل بكثير من تكاليف أجهزة DPD، إذ لا توجد خطوط عينات أو خطوط صرف أو صمامات تُشغّل عن بُعد أو تجهيز للعينة أو مضخات. وتتجاوز الوفورات المقدّرة 2,200 دولار لكل جهاز.
الجدول 6: مقارنة تكاليف التركيب
| الصنف | جهاز DPD | مستشعر أمبيرومتري |
|---|---|---|
| المضخة | $909 | $0 |
| الصمامات | $1,763 | $0 |
| تمديد خطوط المياه (على متن السفينة) | (مشمول) | $0 |
| التثبيت على قاعدة تجميع | (مشمول) | $0 |
| تهيئة العينة وترشيحها | (مشمول) | $0 |
| صمام تركيب تحت الضغط وأداة إزالة | N/A | $450 |
| إجمالي تكلفة التركيب الإضافية | $2,672 تقديريًا | $450 تقديريًا |
* بيانات من العملاء
10. سهولة الصيانة
يتيح صمام Halogen للتركيب تحت الضغط تركيب المستشعر بسهولة في أنبوب مياه الصابورة، ويمكن تزويده بأداة إزالة للتثبيت الدائم أو الصيانة المتقطعة. تتضمن العملية أربع خطوات: (1) إغلاق الصمام، (2) سحب المستشعر عبر نقطة الإزالة، (3) إخراج المستشعر من لوحة أداة الإزالة بانزلاقه، و(4) فصل مشابك السرج عن صندوق التوصيل للاستبدال السريع.
11. طرازات المناطق الخطرة وغير الخطرة
تتوفر أربعة طرازات من المستشعرات. تتوفر أنواع للمناطق الخطرة (Zone 1، Group IIC) وغير الخطرة، بثلاثة خيارات تركيب: داخل الأنبوب (تحت الضغط)، وتيار جانبي، وسطح مكشوف.
داخل الأنبوب (تركيب تحت الضغط)
تركيب مباشر في أنبوب الصابورة عبر صمام تركيب تحت الضغط. أصغر مساحة وأسرع استجابة.
مسار جانبي
لا حاجة إلى تنظيم الضغط أو التدفق. يمكن استخدام فرق الضغط لتدوير المياه عبر الحجرة.
سطح مكشوف
يمكن تركيب جميع الطرازات على السطح المكشوف للسفن التي يكون فيها التركيب تحت السطح غير عملي.
يجعل الحجم الأصغر للمستشعر وسرعة إزالته مناسباً لحمله كقطعة احتياطية على متن السفينة، ما يقلل التوقف المحتمل. ويمكن فصل المستشعر بسهولة عن صندوق التوصيل للاستبدال أو الصيانة السريعة.
12. التنظيف الذاتي
المستشعر مشمول بسبع براءات اختراع أمريكية وخمس براءات أجنبية. تزيد المضخة المدمجة السرعة عبر أسطح أقطاب المستشعر وتزيد الإشارة، وبالتالي تزيد نسبة الإشارة إلى الضوضاء (S:N). وتتيح هذه الميزة أيضاً التنظيف المستمر للأقطاب.
تُحتجز حبيبات التنظيف في تجويف داخل المستشعر؛ ويحركها التدفق لتحتك بالأقطاب. وتُدار هذه المضخة بمحرك عمره 20,000 ساعة. وإضافة إلى TRO، يقيس المستشعر الملوحة ودرجة الحرارة وORP وpH. وتُستخدم ثلاث من هذه المعلمات لتعويض تغيرات الإشارة في المياه العذبة والشروب.
13. مستشعر ملوحة مدمج
تأتي جميع المستشعرات مع مستشعر ملوحة مدمج. وقد يقلل هذا الحاجة إلى جهاز آخر (وفورات تزيد على 3,000 دولار). وتتيح هذه الوظيفة تعويض المستشعر في موانئ المياه العذبة.
14. الخلاصة
«لا تُستخدم المستشعرات الأمبيرومترية عادة في BWMS لكنها توفّر بعض المزايا المحتملة مقارنة بأجهزة أخرى. المستشعرات الأمبيرومترية خالية من الكواشف، وإذا استُخدمت في BWMS فستتيح الغمر المباشر للمستشعر في مدخل أخذ العينات، ما ينهي الحاجة إلى مضخات أخذ العينات والكواشف المرتبطة بأجهزة تحليل DPD المتصلة بالعملية.»
— Tamburri وآخرون، Water Science and Technology, 2014[Tamburri, 2014]
صُمم مستشعر Halogen الأمبيرومتري خصيصًا لتطبيقات من نوع BWMS، وهو يجمع تقنيات فريدة تخدم تطبيقات مياه الصابورة بكفاءة من حيث التكلفة، مع التخلص من بعض مشكلات الامتثال المحتملة.
المراجع
تنزيل الورقة البيضاء الكاملة
احصل على الورقة الكاملة مع جميع الأشكال والمخططات وصور المنتجات بصيغة PDF.