FÜR WASSER ENTWICKELT. FÜR DEN FELDEINSATZ GEBAUT.
775.832.0495My Halogen Bestellung verfolgen Cloud-Login
Halogen Systems
descriptionWhitepaper — Halogen Systems Inc. (2020)

Neue Alternativen zu Online-DPD-Geräten für die TRO-Messung in BWMS

Der amperometrische DPI-Sensor (Direct Pipe Insertion) von Halogen Systems bietet eine reagenzfreie, membranfreie Alternative zu Online-DPD-Geräten zur Messung des gesamten Restoxidationsmittels in Ballastwassermanagementsystemen. Von der Alliance for Coastal Technologies (ACT) validiert und durch eine DNV-Typzulassung gestützt; seit 2014 wurden über 2.000 Sensoren auf Schiffen eingesetzt.

Dieses Whitepaper präsentiert Bewertungsdaten Dritter, Prüfungen zur Durchflussunabhängigkeit, Ergebnisse zur Robustheit gegenüber Trübung, Kostenvergleiche und Feldtestdaten, die 1,2 Jahre wartungsfreien Betrieb an Bord belegen.

mailKontaktieren Sie uns

Wichtige Leistungsmerkmale

±4%
Präzision (ACT)
gegenüber ±15 % und ±32 % bei DPD-Geräten
2,000+
Installierte Sensoren
Seit 2014 auf Schiffen
1.2 Jahre
Keine Wartung
792 Stunden tatsächlicher Betrieb
$2,200+
Einsparungen bei der Installation
Je Gerät im Vergleich zu DPD

1. Hintergrund

Halogen Systems, Inc. nahm 2012 seine Tätigkeit auf, um seine Multiparameter-Sensortechnologie zu kommerzialisieren. Von Anfang an verfolgte das Unternehmen das Ziel, die Probleme bestehender amperometrischer Sensoren zu beseitigen und eine robuste alternative Sensorplattform für Anwendungen in vielen Branchen zu entwickeln. Sein Sensor unterscheidet sich grundlegend von anderen Sensoren, daher die Bezeichnung DPI (Direct Pipe Insertion) Amperometric.

Dieser neue amperometrische Sensor wurde zum Teil durch Small Business Investment Research (SBIR)-Aufträge des US Office of Naval Research (ONR) finanziert[DoD, 2020]. Seit 2014 wurde dieser Sensor kontinuierlich verbessert und weiterentwickelt.

2. Zusammenfassung

Der amperometrische DPI-Sensor ist eine neue Alternative zu Online-DPD-Geräten. Beim Einsatz in Ballastwasser-Managementsystemen (BWMS) beseitigt diese Alternative potenzielle Konformitätsprobleme durch einzigartige Merkmale:

speed

Schnelle Reaktion

Direkte TRO-Messung in der Ballastwasserleitung mit Messwerten in unter 45 Sekunden.

water

Betrieb in schlammigen Häfen

Robuster und genauer Betrieb ohne Filter bei dem 20-Fachen der von ETV geforderten TSS-Gehalte (1.000 ppm).

science

Hohe DOC-Toleranz

Präziser Betrieb bei Konzentrationen an gelöstem organischem Kohlenstoff, die dem 6-Fachen der Prüfbelastung für BWMS entsprechen.

waves

Durchflussunabhängig

Präziser Betrieb von 0 bis 3.73 m/s Strömungsgeschwindigkeit – keine Auswirkung auf die Messung.

sensors

Integrierte Salzgehalts- und pH-Messung

Der integrierte Salzgehaltsensor macht ein separates Messgerät überflüssig. Der pH-Sensor hält 10 bar stand.

warning

Modelle für explosionsgefährdete und nicht explosionsgefährdete Bereiche

Verfügbar für explosionsgefährdete Bereiche der Zone 1, Gruppe IIC, für offenes Deck, Nebenstrom und Ballastwasserleitung.

Vorteile bei Installation und Service

check_circleKeine Skid-Montage, Probenleitungen, Filter, Pumpen, Abwasserleitung oder Fernventile
check_circleKeine Reagenzien, Membranen oder Elektrolyte
check_circleIm Feld über einen Zeitraum entsprechend 15 Monaten ohne Wartung oder Kalibrierung getestet
check_circleMechanische Selbstreinigung und elektrochemische Reinigung
check_circleVerschleißteile werden alle zwei Jahre ausgetauscht
check_circleAusbauwerkzeug für Hot-Tap-Ventile zur einfachen Installation, Demontage und zum Austausch

Umfassende Validierung durch Dritte

verifiedBei einer kürzlich durchgeführten ACT-Bewertung von TRO-Sensoren erwies sich dieser amperometrische Sensor hinsichtlich seiner Leistung als vergleichbar mit Online-DPD-Geräten[ACT HSI, 2020]
verifiedSeit 2014 über 2.000 Sensoren in BWMS auf Schiffen installiert
verifiedDNV-Typzulassungen erteilt

3. Bewertung durch Dritte (ACT)

Die Alliance for Coastal Technologies (ACT) führte eine Bewertung von Ballastwasser-TRO-Messgeräten mit derzeit verfügbarer Technologie durch[ACT HF, 2020][ACT HSI, 2020][ACT Xylem, 2020]. Obwohl ACT die Sensoren nicht direkt verglich, gehen mehrere wichtige Punkte aus diesen Berichten hervor:

Präzisionstestergebnisse

Die beiden fabrikneuen DPD-Geräte, die von Werkspersonal installiert wurden, lagen außerhalb ihrer jeweiligen Spezifikationen von 5% (unter 6 ppm). Die Genauigkeit von DPD1 während des Präzisionstests betrug ±15%, die von DPD2 ±32%. Der Halogen-Sensor lag mit ±4% deutlich innerhalb seiner Spezifikation. Sein Variationskoeffizient (2,5%) war besser als der der DPD-Referenzmethode (2,6%).

Genauigkeitstestergebnisse

Ein DPD-Instrument funktionierte während zweier Genauigkeitsprüfungen nicht ordnungsgemäß, weshalb keine Daten erhoben werden konnten. Bei den Genauigkeitsprüfungen, für die Daten vorlagen, schnitt der Halogen-Sensor (HSI) ähnlich gut oder besser ab als die DPD-Instrumente. Werte näher an 1,00 zeigen eine bessere Genauigkeit an.

Tabelle 1: Präzisionsvergleich — Drei von ACT bewertete Instrumente

ProbeReferenzmethodeDPD2DPD1HSI (Halogen)
13.552.33.023.45
23.562.413.13.45
33.482.393.013.4
43.532.393.013.34
53.492.293.053.34
63.52.32.933.35
73.472.312.923.33
83.412.332.913.28
93.382.322.853.27
103.452.32.833.24
113.332.322.793.22
123.272.272.683.2
Durchschnittlich3.452.332.933.32
Standardabweichung0.090.040.120.08
Variationskoeffizient (%)2.60%1.90%4.20%2.50%
Relative Genauigkeit in %—-32%15%4%

Quelle: Bewertungsberichte der Alliance for Coastal Technologies (ACT). Vollständige Berichte unter act-us.info verfügbar

Tabelle 2: Von ACT berichtete Steigungen der linearen Regression

Ergebnisse der Genauigkeitsprüfung bei unterschiedlichen Salzgehalten. Werte näher an 1.00 bedeuten eine höhere Genauigkeit.

Salinität in PSUHSI (Halogen)DPD1DPD2
0.20.8090.8291.072
0.20.9620.8790.728
0.20.8140.9240.777
150.779—0.762
150.8250.7830.458
150.7930.8590.635
300.756—0.746
300.8180.7470.456
300.7170.7870.603
15Nicht getestet0.8140.585
160.7780.7940.665

Quelle: Bewertungsberichte der Alliance for Coastal Technologies (ACT). Vollständige Berichte unter act-us.info verfügbar

4. Schnelle Reaktion durch direkte Rohrinstallation

Dieser Sensor wird direkt in der Ballastwasserleitung installiert und liefert schnelle TRO-Messwerte (in weniger als 1 Minute). Online-DPD-Geräte, die über lange Wasserprobenleitungen versorgt werden, können Probenverunreinigungen verursachen und führen zu einer Verzögerung – auf manchen Schiffen oft 3 bis 8 Minuten –, bevor das BWMS einen aktualisierten Messwert erhält. Ein verzögerter Prozessregelkreis verursacht häufig Probleme bei der genauen Regelung und führt zu Schwankungen zwischen Über- und Unterchlorierung. Lange Probenleitungen sind zudem häufig für Probenverunreinigungen verantwortlich.

5. Robuster Betrieb in schlammigen Häfen

BWMS-Systeme werden bei einer Prüfbelastung von 50 ppm Gesamtschwebstoffen (TSS) bewertet[EPA, 2010]. Einige Häfen weisen jedoch wesentlich höhere Schwebstoffgehalte auf, und das Wasser kann sogar „schlammig“ erscheinen. Um die Robustheit dieses Sensors zu demonstrieren, wurde er mit dem 40-Fachen des geforderten TSS-Werts (2.000 ppm) geprüft[HSI ISO15839, 2020].

DPD-Methode durch Trübung beeinflusst — amperometrischer Sensor unbeeinflusst

Hohe TSS-Gehalte beeinträchtigten die DPD-Methode (Spektrophotometer) und führten zu niedrigeren Messwerten. Um genaue DPD-Messwerte zu erhalten, musste die Probe (1) mit dem Reagenz reagieren, (2) zur Entfernung der TSS filtriert werden (5 Mikrometer) und (3) anschließend gemessen werden. Gefilterte und ungefilterte DPD-Messungen begannen bei 200 ppm TSS voneinander abzuweichen. Dies zeigt, dass verschmutztes Wasser die Spektren bei der DPD-Messmethode beeinträchtigt.

Bei niedrigeren TRO-Einleitwerten — etwa der kritischen maximal zulässigen Einleitkonzentration (MADC) von 0,1 ppm — ist die Abnahme der DPD-Genauigkeit noch ausgeprägter. Der amperometrische Sensor wird von diesen Trübungsgraden nicht beeinflusst.

6. Änderungen der Durchflussrate haben keinen Einfluss auf die Messgenauigkeit

Andere amperometrische Sensoren reagieren äußerst empfindlich auf Durchflussänderungen. Halogens Sensor hat Durchflussunabhängigkeit bewiesen. Während dieses Tests variierte die Strömungsgeschwindigkeit von 0 über 1.93 m/s bis 3.73 m/s. Die Sensorgenauigkeit wurde mit einem Laborspektrophotometer (Hach DPD) zur Gesamtchlormessung überprüft[HSI 06, 2020].

Tabelle 3: Durchflusstest — Hach DPD im Vergleich zum Halogen-Sensor

DurchflussrateHach DPD (ppm)Halogen Sensor (ppm)Genauigkeit
0 GPM8.988.960%
0 GPM8.839.052%
120 GPM (3.73 m/s)9.499.06-4%
120 GPM (3.73 m/s)9.489.04-5%
120 GPM (3.73 m/s)9.028.94-1%
62 GPM (1.93 m/s)8.648.994%
62 GPM (1.93 m/s)9.068.89-2%
62 GPM (1.93 m/s)8.878.921%
0 GPM9.268.92-4%
0 GPM9.238.82-4%
120 GPM (3.73 m/s)8.98.77-1%
120 GPM (3.73 m/s)9.298.91-4%
120 GPM (3.73 m/s)9.048.77-3%
62 GPM (1.93 m/s)8.98.8-1%
62 GPM (1.93 m/s)9.028.91-1%
62 GPM (1.93 m/s)8.788.841%
0 GPM8.618.782%
0 GPM9.058.75-3%
120 GPM (3.73 m/s)8.778.7-1%
120 GPM (3.73 m/s)8.828.63-2%
120 GPM (3.73 m/s)9.148.61-6%
62 GPM (1.93 m/s)8.968.67-3%
62 GPM (1.93 m/s)8.718.710%
62 GPM (1.93 m/s)9.078.55-6%
0 GPM8.88.63-2%
0 GPM8.778.48-3%

Aus diesen Daten geht klar hervor, dass die Strömungsbedingungen bei Strömungsgeschwindigkeiten zwischen 0 und 3,73 m/s einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Sensorgenauigkeit haben.

7. Niedrige Betriebskosten

Es werden keine chemischen Reagenzien oder Membranen benötigt, wodurch Betrieb und Wartungsarbeit der Schiffsbesatzung kostengünstiger werden. Es ist lediglich ein Austausch des Verschleißteilesatzes alle zwei Jahre erforderlich. Laut KRS erfordern DPD-Geräte außerdem zusätzliche Wartungsarbeiten[KRS].

Tabelle 4: Kostenvergleich — DPI-Amperometrie im Vergleich zu DPD

ServiceDPI-amperometrischDPD
ReagenzienKeineAlle 30–60 Betriebstage
Verschleißteile24 MonateN/A
Jährliche Kosten$120 USD~600 USD
JährlichN/APumpenüberholung (Chemikalien-/Meerwasserkorrosion)
MonatlichN/AT-Sieb prüfen und reinigen
VierteljährlichN/AVentil und Pumpenschlauch prüfen und reinigen
HalbjährlichN/AReinigung des Zweiwege-Magnetventils

8. Langes Intervall zwischen den Wartungszyklen

Nach der Methodik der ISO 15839 für einen „Feldtest“ liefen Halogen-Sensoren 24 Stunden täglich über insgesamt 33 Zyklen in 80 Tagen, benötigten jedoch keine Wartung oder Kalibrierung. Dies entspricht 66 Wochen oder 1.2 Jahren Betrieb an Bord und über 792 Stunden tatsächlichem Sensorbetrieb[HSI 04, 2020].

Tabelle 5: Feldtestannahmen — Typischer BWMS-Wartungszeitraum

ParameterWert
Typische Schiffsreise14 Tage
Ballastzeit pro Reise10 Stunden
Ballastierungszeit pro Monat21.4 Stunden
Kalibrierungsprüfintervall60 Tage
Sensorbetrieb in 60 Tagen42.9 Stunden

Während einer typischen zweiwöchigen Reise findet ein Ballastierungs-/Entballastierungszyklus statt, bei dem die Sensoren etwa 8 Stunden laufen und für den Rest der Reise ausgeschaltet bleiben. Der Sensor wäre neu kalibriert worden, wenn er zu irgendeinem Zeitpunkt um mindestens 15 % vom DPD-Messwert abgewichen wäre. Während des gesamten Testzeitraums war keine Neukalibrierung erforderlich.

9. Installationskosten

Die Installationskosten des Halogen-Sensors sind deutlich niedriger als die von DPD-Geräten, da keine Probenleitungen, Abwasserleitungen, fernbetätigten Ventile, Probenaufbereitung oder Pumpen erforderlich sind. Die geschätzten Einsparungen betragen über 2.200 US-Dollar pro Gerät.

Tabelle 6: Vergleich der Installationskosten

ArtikelDPD-GerätAmperometrischer Sensor
Pumpe$909$0
Ventile$1,763$0
Verlegte Wasserleitungen (an Bord)(inkl.)$0
Montage auf einem Gestell(inkl.)$0
Probenaufbereitung und Filtration(inkl.)$0
Hot-Tap-Ventil und AusbauvorrichtungN/A$450
Zusätzliche Installationskosten insgesamt$2,672 geschätzt.$450 geschätzt.

* Daten von Kunden

10. Wartungsfreundlichkeit

Das Halogen Hot Tap Valve ermöglicht die einfache Sensormontage in einer Ballastwasserleitung und kann mit einem Ausbauwerkzeug für den dauerhaften Anbau oder gelegentliche Wartung ausgestattet werden. Der Vorgang umfasst vier Schritte: (1) Ventil schließen, (2) Sensor über den Ausbaupunkt zurückziehen, (3) Sensor aus der Ausbauplatte schieben und (4) Sattelklemmen von der Anschlussdose lösen, um einen schnellen Austausch zu ermöglichen.

11. Modelle für explosionsgefährdete und nicht explosionsgefährdete Bereiche

Es sind vier Sensormodelle erhältlich. Sowohl Modelle für explosionsgefährdete Bereiche (Zone 1, Gruppe IIC) als auch Modelle für nicht explosionsgefährdete Bereiche sind mit drei Montageoptionen verfügbar: im Rohr (Einbau unter Druck), im Nebenstrom und auf offenem Deck.

plumbing

In der Rohrleitung (Hot Tap)

Direkter Einbau in die Ballastwasserleitung über ein Ventil zum Anbohren unter Druck. Geringster Platzbedarf, schnellstes Ansprechen.

water

Nebenstrom

Keine Druck- oder Durchflussregelung erforderlich. Eine Druckdifferenz kann genutzt werden, um Wasser durch die Kammer zu leiten.

deck

Offenes Deck

Alle Modelle können auf offenem Deck für Schiffe installiert werden, bei denen eine Installation unter Deck unpraktisch ist.

Durch seine geringere Größe und den schnellen Ausbau eignet sich der Sensor als Ersatzgerät an Bord und verringert so mögliche Ausfallzeiten. Er lässt sich für einen schnellen Austausch oder eine Wartung leicht von der Anschlussdose trennen.

12. Selbstreinigend

Der Sensor ist durch sieben US-Patente und fünf ausländische Patente geschützt. Die integrierte Pumpe erhöht die Strömungsgeschwindigkeit über die Sensorelektrodenflächen und verstärkt das Signal, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis (S:N) steigt. Diese Funktion ermöglicht außerdem die kontinuierliche Reinigung der Elektroden.

Reinigungsperlen werden in einem Hohlraum im Sensor aufgefangen; Die Strömung bewegt sie, um die Elektroden abzureiben. Diese Pumpe wird von einem Motor mit einer Lebensdauer von 20,000 Stunden angetrieben. Zusätzlich zum TRO misst der Sensor Salzgehalt, Temperatur, ORP und pH. Drei dieser Parameter dienen der Kompensation von Signaländerungen in Süß- und Brackwasser.

13. Integrierter Salzgehaltsensor

Alle Sensoren verfügen über einen integrierten Salzgehaltsensor. Dies kann den Bedarf an einem anderen Instrument verringern (Einsparungen von über $3,000). Diese Funktion ermöglicht die Sensorkompensation in Süßwasserhäfen.

14. Fazit

„Amperometrische Sensoren werden in BWMS nicht häufig eingesetzt, bieten jedoch einige potenzielle Vorteile gegenüber anderen Geräten. Amperometrische Sensoren sind reagenzienfrei und würden beim Einsatz in BWMS das direkte Eintauchen des Sensors in einen Probenahmeeinlass ermöglichen. Damit entfiele der Bedarf an Probenahmepumpen und Reagenzien, die bei Online-DPD-Analysatoren erforderlich sind.“

— Tamburri et al., Water Science and Technology, 2014[Tamburri, 2014]

Halogens speziell für BWMS-Anwendungen entwickelter amperometrischer Sensor vereint Technologien auf einzigartige Weise, um Ballastwasseranwendungen kosteneffizient zu bedienen und einige mögliche Compliance-Probleme zu beseitigen.

Referenzen

Alliance for Coastal Technologies HF. (2020). Erklärung zur Leistungsüberprüfung des SSR-Ex-Monitors für Gesamt-Restoxidationsmittel (TRO) und Chlor. Baltimore, MD: Alliance for Coastal Technologies. http://www.act-us.info/evaluations.php
Alliance for Coastal Technologies HSI. (2020). Erklärung zur Leistungsüberprüfung des SWN-P-Sensors für Gesamt-Restoxidationsmittel (TRO): Halogen Systems. Baltimore, MD: Alliance for Coastal Technologies. http://www.act-us.info/evaluations.php
Alliance for Coastal Technologies Xylem. (2020). Erklärung zur Leistungsüberprüfung des Analysators Modell 9017 für Gesamt-Restoxidationsmittel (TRO): OI Analytical/Xylem. Baltimore, MD: Alliance for Coastal Technologies. http://www.act-us.info/evaluations.php
DoD. (2020, 07. Juli). SBIR-STTR-Success: Halogen Systems, Inc. Abgerufen von sbir.gov. https://www.sbir.gov/success/sbir-sttr-success-halogen-systems-inc
EPA. (2010, September). Generic Protocol for the Verification of Ballast Water Technology. Abgerufen von der United States Coast Guard. https://www.dco.uscg.mil/Portals/9/ETV%20EPA%20Report.pdf?ver=2018-05-22-081043-607
Hach. (10014). Method 10014. Chlorine Total USEPA 2 to 500 µg/L Cl₂.
HSI 03. (2020). Amperometric Sensor Turbidity Performance. White Paper 03.
HSI 04. (2020). Halogen ISO 15839 Field Test. White Paper 04.
HSI 06. (2020). Amperometric Flow Sensor Test Report. White Paper 06.
HSI ISO15839. (2020). ISO 15839 Final Report — Halogen Sensor. Incline Village.
ISO 2.1. (2003). Wasserbeschaffenheit — Online-Sensoren/Analysengeräte für Wasser — Spezifikationen. Genf, Schweiz: International Organization for Standardization.
Korean Register of Shipping (KRS). (o. J.). Technische BWMS-Informationen für Schiffseigner und Inspektoren (übersetzt). Busan, Republik Korea.
Tamburri, Z.-F. A. (2014). Bewertung von Ansätzen zur Quantifizierung der gesamten Restoxidantien in Ballastwasser-Managementsystemen, die Oxidantien einsetzen. Water Science and Technology, 1585–1593.

Vollständiges Whitepaper herunterladen

Erhalten Sie das vollständige Dokument mit allen Abbildungen, Diagrammen und Produktbildern als PDF.

Weiterführende Ressourcen