Novas alternativas aos instrumentos DPD em linha para medição de TRO em BWMS
O sensor amperométrico DPI (Direct Pipe Insertion — inserção direta na tubulação) da Halogen Systems oferece uma alternativa sem reagentes e sem membranas aos instrumentos DPD on-line para medição de oxidante residual total em sistemas de gestão de água de lastro. Validado pela Alliance for Coastal Technologies (ACT) e respaldado pela aprovação de tipo DNV, com mais de 2.000 sensores instalados em embarcações desde 2014.
Este documento apresenta dados de avaliação de terceiros, testes de independência da vazão, resultados de robustez frente à turbidez, comparações de custos e dados de testes de campo que demonstram 1.2 anos de operação a bordo sem manutenção.
Principais destaques de desempenho
1. Contexto
A Halogen Systems, Inc. começou em 2012 para comercializar sua tecnologia de sensores multiparâmetro. Desde o início, buscou eliminar os problemas dos sensores amperométricos existentes e desenvolver uma plataforma alternativa robusta de sensores com aplicações em vários setores. Seu sensor é radicalmente diferente dos demais, daí seu nome, amperométrico DPI (Direct Pipe Insertion — inserção direta na tubulação).
Este novo sensor amperométrico foi financiado, em parte, por contratos Small Business Investment Research (SBIR) do US Office of Naval Research (ONR)[DoD, 2020]. Desde 2014, este sensor passou por melhorias e aprimoramentos constantes.
2. Resumo executivo
O sensor amperométrico DPI é uma nova alternativa aos instrumentos DPD em linha. Quando usado em sistemas de gestão de água de lastro (BWMS), essa alternativa elimina potenciais problemas de conformidade com recursos exclusivos:
Resposta rápida
Medição direta de TRO na tubulação de lastro para leituras em menos de 45 segundos.
Operação em porto com água lodosa
Operação robusta e exata em níveis de TSS de 20× os exigidos pelo ETV (1.000 ppm), sem filtros.
Alta tolerância a DOC
Operação exata com níveis de carbono orgânico dissolvido iguais a 6× os níveis de desafio usados nos testes de BWMS.
Independente de Vazão
Operação exata com velocidade de fluxo de 0 a 3.73 m/s — sem impacto na medição.
Salinidade e pH integrados
O sensor de salinidade integrado elimina um instrumento separado. O sensor de pH suporta 10 bar.
Modelos para áreas classificadas e não classificadas
Disponível para áreas classificadas Zona 1 Grupo IIC, convés aberto, fluxo lateral e tubulação de lastro.
Vantagens de instalação e manutenção
Ampla validação por terceiros
3. Avaliação por terceiros (ACT)
A Alliance for Coastal Technologies (ACT) realizou uma avaliação de instrumentos de TRO de água de lastro com tecnologia atualmente disponível[ACT HF, 2020][ACT HSI, 2020][ACT Xylem, 2020]. Embora a ACT não tenha comparado os sensores diretamente, vários pontos importantes ficam evidentes nesses relatórios:
Resultados do teste de precisão
Os dois instrumentos DPD novos, instalados por pessoal da fábrica, estavam fora de suas respectivas especificações de 5% (abaixo de 6 ppm). A exatidão do DPD1 durante o teste de precisão foi de ±15%, enquanto a do DPD2 foi de ±32%. O sensor Halogen ficou confortavelmente dentro de sua especificação, com ±4%. Seu coeficiente de variação (2,5%) foi melhor que o do método de referência DPD (2,6%).
Resultados dos testes de exatidão
Um instrumento DPD não funcionou corretamente durante dois dos testes de exatidão, portanto nenhum dado pôde ser coletado. Nos testes de exatidão, o sensor Halogen (HSI) teve desempenho semelhante ou superior ao dos instrumentos DPD nos testes em que havia dados disponíveis. Números mais próximos de 1.00 indicam melhor exatidão.
Tabela 1: Comparação de precisão — Três instrumentos avaliados pela ACT
| Amostra | Método de referência | 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 |
| Média | 3.45 | 2.33 | 2.93 | 3.32 |
| Desvio padrão | 0.09 | 0.04 | 0.12 | 0.08 |
| CV (%) | 2.60% | 1.90% | 4.20% | 2.50% |
| Exatidão relativa em % | — | -32% | 15% | 4% |
Fonte: relatórios de avaliação da Alliance for Coastal Technologies (ACT). Relatórios completos disponíveis em act-us.info
Tabela 2: Inclinações de regressão linear relatadas pela ACT
Resultados dos testes de exatidão em diferentes níveis de salinidade. Valores mais próximos de 1,00 indicam maior exatidão.
| Salinidade 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 | Não testado | 0.814 | 0.585 |
| 16 | 0.778 | 0.794 | 0.665 |
Fonte: relatórios de avaliação da Alliance for Coastal Technologies (ACT). Relatórios completos disponíveis em act-us.info
4. Resposta rápida com instalação direta na tubulação
Este sensor é instalado diretamente na tubulação de lastro para leituras rápidas de TRO (menos de 1 minuto). Instrumentos DPD on-line alimentados por longas linhas de amostragem de água introduzem potencial contaminação da amostra, além de um atraso — frequentemente de 3 a 8 minutos em algumas embarcações — antes que o BWMS receba uma leitura atualizada. Um circuito de processo com atraso frequentemente causa problemas de controle exato, resultando em oscilação entre cloração excessiva e insuficiente. Longas linhas de amostragem também são frequentemente responsáveis pela contaminação da amostra.
5. Operação robusta em portos com água barrenta
Os sistemas BWMS são avaliados com um nível de desafio de 50 ppm de sólidos suspensos totais (TSS)[EPA, 2010]. No entanto, alguns portos têm concentrações muito maiores de sólidos suspensos, e a água pode até parecer “barrenta”. Para demonstrar a robustez deste sensor, ele foi avaliado usando 40 vezes o nível de TSS exigido (2.000 ppm)[HSI ISO15839, 2020].
Método DPD afetado pela turbidez — Sensor amperométrico não afetado
Altos níveis de TSS afetaram negativamente o método DPD (espectrofotômetro), resultando em medições mais baixas. Para obter leituras DPD exatas, a amostra exigiu: (1) reação com o reagente, (2) filtração (5 mícrons) para remover o TSS e (3) medição. As medições DPD filtradas e não filtradas começaram a divergir a 200 ppm de TSS, indicando que água suja interfere nos espectros do método de medição DPD.
Em níveis menores de TRO no descarte — como a concentração máxima permitida de descarte (MADC) crítica de 0.1 ppm — a redução da exatidão do DPD é ainda mais significativa. O sensor amperométrico não é afetado por esses níveis de turbidez.
6. Mudanças na vazão não afetam a exatidão da medição
Outros sensores amperométricos são extremamente sensíveis a mudanças de vazão. O sensor da Halogen demonstrou independência da vazão. Durante este teste, a velocidade do fluxo variou de 0 para 1.93 m/s e para 3.73 m/s. A precisão do sensor foi verificada usando um espectrofotômetro de laboratório (Hach DPD) para medição de cloro total[HSI 06, 2020].
Tabela 3: Teste de vazão — Hach DPD vs. sensor Halogen
| Vazão | Hach DPD (ppm) | Sensor Halogen (ppm) | Exatidão |
|---|---|---|---|
| 0 GPM | 8.98 | 8.96 | 0% |
| 0 GPM | 8.83 | 9.05 | 2% |
| 120 GPM (3.73 m/s) | 9.49 | 9.06 | -4% |
| 120 GPM (3.73 m/s) | 9.48 | 9.04 | -5% |
| 120 GPM (3.73 m/s) | 9.02 | 8.94 | -1% |
| 62 GPM (1.93 m/s) | 8.64 | 8.99 | 4% |
| 62 GPM (1.93 m/s) | 9.06 | 8.89 | -2% |
| 62 GPM (1.93 m/s) | 8.87 | 8.92 | 1% |
| 0 GPM | 9.26 | 8.92 | -4% |
| 0 GPM | 9.23 | 8.82 | -4% |
| 120 GPM (3.73 m/s) | 8.9 | 8.77 | -1% |
| 120 GPM (3.73 m/s) | 9.29 | 8.91 | -4% |
| 120 GPM (3.73 m/s) | 9.04 | 8.77 | -3% |
| 62 GPM (1.93 m/s) | 8.9 | 8.8 | -1% |
| 62 GPM (1.93 m/s) | 9.02 | 8.91 | -1% |
| 62 GPM (1.93 m/s) | 8.78 | 8.84 | 1% |
| 0 GPM | 8.61 | 8.78 | 2% |
| 0 GPM | 9.05 | 8.75 | -3% |
| 120 GPM (3.73 m/s) | 8.77 | 8.7 | -1% |
| 120 GPM (3.73 m/s) | 8.82 | 8.63 | -2% |
| 120 GPM (3.73 m/s) | 9.14 | 8.61 | -6% |
| 62 GPM (1.93 m/s) | 8.96 | 8.67 | -3% |
| 62 GPM (1.93 m/s) | 8.71 | 8.71 | 0% |
| 62 GPM (1.93 m/s) | 9.07 | 8.55 | -6% |
| 0 GPM | 8.8 | 8.63 | -2% |
| 0 GPM | 8.77 | 8.48 | -3% |
A partir desses dados, fica claro que as condições de vazão têm um efeito desprezível sobre a exatidão do sensor entre velocidades de escoamento de 0 e 3.73 m/s.
7. Baixo custo operacional
Não são necessários reagentes químicos nem membranas, resultando em menor custo de operação e de mão de obra de manutenção pela tripulação do navio. Só é necessário substituir o kit de peças de desgaste a cada dois anos. Segundo a KRS, os instrumentos DPD também exigem operações adicionais de manutenção[KRS].
Tabela 4: Comparação de custos — DPI amperométrico vs. DPD
| Serviço | DPI amperométrico | DPD |
|---|---|---|
| Reagentes | Nenhum | A cada 30–60 dias de operação |
| Peças de desgaste | 24 meses | N/A |
| Custo anual | $120 USD | ~$600 USD |
| Anual | N/A | Revisão da bomba (corrosão química/por água do mar) |
| Mensal | N/A | Verifique e limpe o filtro em T |
| Trimestral | N/A | Verifique e limpe a válvula e a tubulação da bomba |
| Semestralmente | N/A | Limpeza da válvula solenoide de duas vias |
8. Longo intervalo entre ciclos de manutenção
Seguindo a metodologia ISO 15839 para um “teste de campo”, os sensores Halogen operaram 24 horas por dia, por um total de 33 ciclos ao longo de 80 dias, sem exigir manutenção ou calibração. Isso corresponde a 66 semanas ou 1.2 anos de operação a bordo e mais de 792 horas de operação efetiva do sensor[HSI 04, 2020].
Tabela 5: Premissas do teste de campo — Período típico de manutenção de BWMS
| Parâmetro | Valor |
|---|---|
| Viagem típica | 14 dias |
| Tempo de lastramento por viagem | 10 horas |
| Tempo de lastramento por mês | 21.4 horas |
| Intervalo de verificação da calibração | 60 dias |
| Operação do sensor em 60 dias | 42.9 horas |
Durante uma viagem típica de duas semanas, ocorre um ciclo de lastro/deslastro no qual os sensores funcionam por aproximadamente 8 horas e permanecem desligados pelo restante da viagem. O sensor teria sido recalibrado se, em qualquer momento, tivesse se desviado da leitura DPD em 15% ou mais. Nenhuma recalibração foi necessária durante todo o período de teste.
9. Custo de instalação
Os custos de instalação do sensor Halogen são muito menores que os dos instrumentos DPD, pois não há linhas de amostra, linhas de descarte, válvulas remotas, condicionamento de amostras nem bombas. A economia estimada é superior a $2.200 por instrumento.
Tabela 6: Comparação de custos de instalação
| Item | Instrumento DPD | Sensor amperométrico |
|---|---|---|
| Bomba | $909 | $0 |
| Válvulas | $1,763 | $0 |
| Instalação das tubulações de água (a bordo) | (incl.) | $0 |
| Montagem em skid | (incl.) | $0 |
| Condicionamento e filtração da amostra | (incl.) | $0 |
| Válvula e removedor para inserção sob pressão | N/A | $450 |
| Custo total adicional de instalação | $2.672 estimados | $450 estimados |
* Dados de clientes
10. Facilidade de manutenção
A válvula Halogen Hot Tap permite montagem fácil do sensor em uma tubulação de lastro e pode ser equipada com uma ferramenta de remoção para fixação permanente ou manutenção intermitente. O processo de quatro etapas inclui: (1) fechar a válvula, (2) retrair o sensor pelo ponto de remoção, (3) deslizar o sensor para fora da placa do removedor e (4) desconectar as abraçadeiras tipo sela da caixa de junção para substituição rápida.
11. Modelos para áreas classificadas e não classificadas
Há quatro modelos de sensores disponíveis. Estão disponíveis modelos para áreas classificadas (Zona 1, Grupo IIC) e não classificadas, com três opções de montagem: na tubulação (inserção sob pressão), em fluxo lateral e em convés aberto.
Na tubulação (inserção sob pressão)
Instalação direta na tubulação de lastro por válvula de tomada sob pressão. Menor espaço ocupado, resposta mais rápida.
Fluxo lateral
Não exige regulação de pressão ou vazão. Pode usar o diferencial de pressão para circular água pela câmara.
Convés aberto
Todos os modelos podem ser instalados em convés aberto em embarcações nas quais a instalação abaixo do convés é impraticável.
O tamanho menor do sensor e sua remoção rápida o tornam adequado para transporte como sobressalente a bordo, reduzindo o possível tempo de parada. O sensor é facilmente separado da caixa de junção para substituição ou manutenção rápida.
12. Autolimpeza
O sensor é coberto por sete patentes dos EUA e cinco patentes estrangeiras. A bomba integrada aumenta a velocidade sobre as superfícies dos eletrodos do sensor e aumenta o sinal, elevando assim a relação sinal-ruído (S:N). Esse recurso também permite a limpeza constante dos eletrodos.
As esferas de limpeza ficam retidas em uma cavidade dentro do sensor; o fluxo as movimenta para promover abrasão nos eletrodos. Essa bomba é acionada por um motor com vida útil de 20.000 horas. Além do TRO, o sensor mede salinidade, temperatura, ORP e pH. Três desses parâmetros são usados para compensar mudanças no sinal em água doce e salobra.
13. Sensor de salinidade integrado
Todos os sensores vêm com um sensor de salinidade integrado. Isso pode reduzir a necessidade de outro instrumento (economia superior a $3.000). Essa função permite compensar o sensor em portos de água doce.
14. Conclusão
“Os sensores amperométricos não são comumente usados em BWMS, mas oferecem algumas vantagens potenciais em relação a outros instrumentos. Os sensores amperométricos não usam reagentes e, se aplicados a BWMS, permitiriam a imersão direta do sensor em uma entrada de amostragem, eliminando a necessidade de bombas de amostragem e reagentes associados aos analisadores DPD on-line.”
— Tamburri et al., Water Science and Technology, 2014[Tamburri, 2014]
Desenvolvido especificamente para aplicações do tipo BWMS, o sensor amperométrico da Halogen é uma combinação exclusiva de tecnologias que atende às aplicações de água de lastro de forma econômica, eliminando alguns possíveis problemas de conformidade.
Referências
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