Analyzer Kalibratie Beheersen Voor Betrouwbare Procesmetingen

Hoe U Een Analyzer In Een Analytisch Instrumentatiesysteem Kalibreert

Tony Waters, Bemonsteringssystemen Expert En Instructeur

In veel analytische instrumentatiesystemen levert de procesanalyzer geen absolute meting. In plaats daarvan levert het een relatieve reactie gebaseerd op instellingen vastgelegd tijdens kalibratie – een kritisch proces dat vatbaar is voor significante fouten. Om een procesanalyzer te kalibreren, wordt kalibratievloeistof van bekende inhoud en hoeveelheden door de analyzer geleid, wat metingen van componentconcentraties produceert. Als deze metingen niet consistent zijn met de bekende hoeveelheden in de kalibratievloeistof, wordt de procesanalyzer dienovereenkomstig aangepast. Later, wanneer procesmonsters geanalyseerd worden, hangt de nauwkeurigheid van de analyzer's meting af van de nauwkeurigheid van het kalibratieproces.

Het is imperatief dat we begrijpen hoe fout of contaminatie kan worden geïntroduceerd door kalibratie; wanneer kalibratie kan – en niet kan – een waargenomen prestatieprobleem met de procesanalyzer aanpakken; hoe atmosferische druk of temperatuurschommelingen het werk van kalibratie ongedaan kunnen maken; en wanneer en wanneer niet te kalibreren.

Systeemontwerp

Een veelvoorkomend probleem in kalibratie is onvoldoende selectiesysteemontwerp. In veel gevallen wordt de kalibratievloeistof stroomafwaarts van het stroomselectieklepsysteem geïntroduceerd en zonder de voordelen van een dubbele blok- en afzuig (DBB) configuratie gedemonstreerd in Figuur 1. Een betere plek om de kalibratievloeistof te introduceren zou via het monsterstroomselectiesysteem zijn, zoals in Figuur 2. Het doel van een monsterstroomselectiesysteem is om snelle vervanging van monsterstromen te mogelijk maken zonder het risico op kruiscontaminatie. In Figuren 1 en 2 is elke stroom in het monsterstroomselectiesysteem uitgerust met twee blokkleppen en een afzuigklep om te garanderen dat één stroom – en slechts één stroom – op een gegeven moment zijn weg naar de analyzer vindt.

De afgelopen jaren zijn stroomselectiesystemen geëvolueerd van DBB configuraties samengesteld uit conventionele componenten naar modulaire, geminiaturiseerde systemen. De meest efficiënte systemen bieden snelle puurgetijden, lage klepactuatiedrukken, en verbeterde veiligheidskenmerken, samen met hoge stroomcapaciteit en consistente drukval van stroom tot stroom voor een voorspelbare leveringstijd aan de analyzer.

Een stroomselectiesysteem biedt de grootste verzekering tegen de mogelijkheid van de kalibratievloeistof lekkend in een monsterstroom. Niettemin zullen sommige technici deze assemblage omzeilen en de kalibratievloeistof zo dicht mogelijk bij de analyzer plaatsen met de bedoeling de vloeistof te besparen. Als slechts een enkele bal klep wordt gebruikt, zoals getoond in Figuur 1, kan de poging om kalibratiegas te besparen resulteren in geforceerde analyzer metingen. De analyzer kan correct gekalibreerd zijn, maar er is altijd het risico dat een kleine hoeveelheid kalibratiegas in de monsterstroom kan lekken en de metingen verstoren.

Figuur 1. In deze configuratie wordt kalibratiegas stroomafwaarts van het stroomselectiesysteem geïntroduceerd zonder de voordelen van een DBB assemblage.

Figuur 2. Zoals getoond in deze configuratie, wordt de kalibratiegas het beste geïntroduceerd via het monsterstroomselectiesysteem, waar een DBB assemblage beschermt tegen het risico op contaminatie.

In sommige toepassingen vereist de Verenigde Staten Environmental Protection Agency (EPA) dat de kalibratievloeistof wordt geïntroduceerd op een vroeg punt in het bemonsteringssysteem, meestal in de buurt van de lans. De redenering is dat de kalibratievloeistof aan alle dezelfde variabelen als de monsterstroom moet worden blootgesteld. Dit heeft zin, aangezien deze opstelling een eerlijke schatting zal geven van de hoeveelheid tijd die het duurt voor een monster te reizen van de lans naar de analyzer. Over het algemeen is die periode vaak onderschat of onbekend.

Echter, een relatief grote hoeveelheid kalibratievloeistof is vereist als het door het hele bemonsteringssysteem moet lopen. Het is niet verrassend dat veel faciliteiten deze optie niet kunnen gebruiken. Een goed compromis is om de kalibratievloeistof door het stroomselectiesysteem te laten lopen, één stroom aan de vloeistof te wijden. Deze configuratie geeft de kalibratievloeistof de beste kans om de analyzer te bereiken zonder gecontamineerd te worden door de bemonsteringsstromen. Wanneer niet in gebruik, zullen de twee blokkleppen de vloeistof voorkomen de monsterstromen te contamineren. Met miniatuur modulaire platforms, zal de hoeveelheid benodigde kalibratievloeistof minimaal zijn.

Beperkingen Van Kalibratie

Om een analyzer effectief te kalibreren, moet de operator, technicus of ingenieur theoretisch begrijpen wat kalibratie is, wat het kan corrigeren en wat het niet kan.

Een procesanalyzer moet precies zijn. Het moet herhaalbare resultaten opleveren wanneer gepresenteerd met een bekende hoeveelheid in de vorm van een kalibratievloeistof. Als de procesanalyzer geen herhaalbare resultaten oplevert, functioneert de analyzer niet goed, of het systeem handhaaft het monster niet bij constante condities. Kalibratie kan niet corrigeren voor onnauwkeurigheid.

Als de procesanalyzer consistente resultaten produceert maar de resultaten niet hetzelfde zijn als de bekende samenstelling van de kalibratievloeistof, wordt de analyzer gezegd onnauwkeurig te zijn. Deze situatie kan en moet worden aangepakt door kalibratie. Dit wordt de bias corrigeren genoemd.

Echter, zelfs als de procesanalyzer nauwkeurig en precies blijkt te zijn wanneer getest met kalibratievloeistoffen, is het nog steeds mogelijk dat het onnauwkeurige resultaten oplevert bij het analyseren van de monsterstroom. Als de analyzer gevraagd wordt rode moleculen te tellen en het roze moleculen tegenkomt, wat doet het? De roze moleculen lijken rood voor de analyzer, dus het telt ze als rood, resulterend in een opgeblazen rode telling. Dit heet positieve interferentie. Bijvoorbeeld, in een procesanalyzersysteem ontworpen om propaan moleculen te tellen, kunnen propyleen moleculen opduiken. Het is mogelijk dat de analyzer ze als propaan telt omdat het niet geconfigureerd was om een onderscheid tussen de twee te maken.

Geen procesanalyzer is perfect, maar ze zijn allemaal gebouwd voor selectiviteit. Sommige procesanalyzers zijn complexer en geprogrammeerd om bepaalde typen interferentie chemisch te inhibiteren. Bijvoorbeeld, een totale organische koolstof (TOC) analyzer is ontworpen om koolstofgehalte in afvalwater te meten zodat kan worden bepaald of koolwaterstoffen ongeschikt worden afgevoerd. Om dit nauwkeurig te doen, verwijdert de procesanalyzer een bron van positieve interferentie – anorganische koolstoffen, zoals kalksteen – die aanwezig is in hard water. Zonder deze initiële stap zou de procesanalyzer zowel organische als anorganische koolstof meten, koolwaterstoffen met hard water verwarderend.

Een ander type interferentie is negatieve interferentie: Een molecuul dat geteld moet worden, wordt niet geteld omdat een ander molecuul het verbergt. Bijvoorbeeld, in gefluoreerd drinkwater, wordt een elektrode gebruikt om de hoeveelheid fluoried in het water te analyseren. Echter, waterstofionen, die gemeenschappelijk zijn in drinkwater, verbergen het fluoried zodat de telling onnauwkeurig laag is. De analyzer kan 1 ppm lezen, wat een standaard dosis is, maar in feite kan het water 10 ppm bevatten. De oplossing is de bron van interferentie te verwijderen. Door een bufferooplossing te introduceren, worden de waterstofionen verwijderd, en de elektrode kan het fluoried nauwkeurig meten.

Met een begrip van positieve en negatieve interferentie, alsook precisie en nauwkeurigheid, beginnen we de formidabele uitdagingen te begrijpen die we tegenkomen in het mogelijk maken van procesanalyzers om gewenste resultaten te leveren. Er is een gemakkelijke aanname dat als de procesanalyzer niet het gewenste resultaat produceert, kalibratie het antwoord is. Maar zoals we net gezien hebben, heeft kalibratie zijn beperkingen en kan niet alle problemen oplossen.

Controleren Op Atmosferische Veranderingen In Gasanalyzers

Gasanalyzers zijn in essentie molecuultellers. Wanneer ze gekalibreerd worden, wordt een bekende concentratie gas geïntroduceerd, en de procesanalyzer's output wordt gecontroleerd om te garanderen dat het correct telt. Maar wat gebeurt er wanneer de atmosferische druk verandert met 5 tot 10 percent zoals bekend is in sommige klimaten? Het aantal moleculen in een gegeven volume zal variëren met de verandering in atmosferische druk en als resultaat zal de analyzer's eindtelling veranderen.

Er is een veelvoorkomende misperceptie dat atmosferische druk een constante 14,7 psia (1 bar.a) is, maar, gebaseerd op het weer, kan het zo veel als 1 psi (0,07 bar) omhoog of omlaag fluctueren. Om het kalibratieproces effectief te maken, moet de absolute druk in het bemonsteringssysteem tijdens kalibratie en tijdens analyse van monsters hetzelfde zijn. Absolute druk kan worden gedefinieerd als de totale druk boven een perfecte vacuüm. In een bemonsteringssysteem zou het de systeemdruk zijn zoals gemeten door een meter, plus atmosferische druk.

Als druk zo kritiek is, hoe controleert men ervoor? Sommige procesanalyzers, met name infrarood en ultraviolet, laten atmosferische druk de meting beïnvloeden maar corrigeren later elektronisch voor het. Echter, veel procesanalyzers, inclusief veel gaschromatografen, corrigeren niet voor atmosferische drukfluctuaties. In feite, de meeste systemen corrigeren niet voor drukfluctuaties en veel systeemeigenaren of operators negeren ze. Sommigen geloven dat atmosferische fluctuaties niet significant zijn. Anderen houden vol dat elke atmosferische fluctuatie gecompenseerd wordt door andere gerelateerde of ongerelateerde variabelen die de procesanalyzer beïnvloeden. Toch kunnen atmosferische fluctuaties significant zijn. Laten we aannemen dat wanneer u uw procesanalyzer kalibreert, de atmosferische druk X is, maar later, wanneer u het procesgas injecteert, de atmosferische druk X + 1 psi (0,07 bar) is. Het antwoord kan zoveel als 7 procent afwijken van de gemeten waarde.

Met omgevingsreguleringen, venten de meeste procesanalyzersystemen nu naar flarestacks of andere terugkeerpunten. Aangezien drukfluctuaties van dergelijke bestemmingen druk stroomopwaarts in de analyzer zullen beïnvloeden, zijn er ventsystemen, uitgerust met eductors en regelaars, ontworpen om deze fluctuaties te controleren. Helaas gebruiken deze systemen regelaars die gerefereerd zijn aan de atmosfeer. Als resultaat, hoewel deze systemen controleren voor fluctuaties van de vent, controleren ze niet voor fluctuaties in atmosferische druk.

Voor zo'n systeem om zowel atmosferische als vent drukfluctuaties te controleren, is een absolute drukregelaar vereist. In tegenstelling tot een normale regelaar, vergelijkt een absolute drukregelaar niet de druk binnen het systeem met de druk buiten het systeem, wat zelf fluctueert volgens het weer. In plaats daarvan vergelijkt het de druk binnen het systeem met een constante ingestelde druk die niet fluctueert (of heel weinig). Vaak is deze ingestelde druk eigenlijk 0 psia (0 bar.a).

Validatie Versus Kalibratie

De beste methode voor kalibratie is een die een geautomatiseerd systeem van regelmatige validatie gebruikt, met statistische interpretatie. Validatie is het proces van het controleren van de analyzer op regelmatige tijdsintervallen om te bepalen of het on of off target is. Bij validatie wordt een meting genomen, en die meting wordt vastgelegd. Het is hetzelfde proces als kalibratie, behalve dat geen correctie wordt aangebracht.

Een geautomatiseerd systeem zal een validatiecheck op regelmatige intervallen uitvoeren, meestal een keer per dag, en het resultaat analyseren op elk probleem dat een aanpassing of herkalibratie zou vereisen. Het systeem zal onvermijdelijke ops en downs toelaten, maar als het een consistente drift in de metingen observeert – een die zich niet zelf corrigeert – dan alerteert het de operator dat het systeem verkeerd kan lopen.

Een persoon kan een systeem handmatig valideren op regelmatige intervallen, net als een geautomatiseerd systeem, maar vaker dan niet zal die persoon ook een aanpassing aan de analyzer maken, zelfs als het systeem slechts 1 procent afwijkt. Het resultaat is een serie van incidentele en kleine aanpassingen die additionele variantie introduceren en het moeilijk maken om trends te analyseren en te bepalen wanneer het systeem echt off course loopt. Het is beter om een geautomatiseerd systeem onbeheerd te laten draaien totdat een statistische analyse van de resultaten suggereert dat aandacht vereist is.

Conclusie

Kalibratie is een belangrijk proces en een absolute vereiste in analytische systemen, maar zorg moet worden gedragen om dit proces correct uit te voeren. De operator, technicus of ingenieur moet begrijpen hoe de kalibratiegas het beste in het systeem geïntroduceerd kan worden en hoe te controleren voor atmosferische fluctuaties in gasanalyzers. Verder moet de technicus of operator de beperkingen van kalibratie begrijpen – welke problemen het kan aanpakken en welke niet – en hoe frequente aanpassingen aan de analyzer gebaseerd op enkele kalibraties fouten introduceren. Als de procesanalyzer regelmatig gevalideerd wordt met een geautomatiseerd systeem en correct gekalibreerd wanneer een statistische analyse het rechtvaardigt, zal kalibratie functioneren zoals het hoort, en een belangrijke dienst leveren in het mogelijk maken van de analyzer om nauwkeurige metingen te leveren.