Tijdsvertraging In Analytische Instrumentatie Beheersen: Nauwkeurige Meting & Mitigatie

Tijdsvertraging In Een Analytisch Instrumentatiesysteem Begrijpen En Meten

Karim Mahraz

Tijdsvertraging in monstersystemen is de meest voorkomende oorzaak van ongeschikte resultaten van procesanalyzers. Procesmetingen zijn instantaan, maar analyzer reacties zijn het niet. Er is altijd een tijdsvertraging van de aanstikingspunt naar de analyzer. De potentie voor tijdsvertraging bestaat in de volgende secties van een analytisch instrumentatie (AI) systeem, getoond in de afbeelding hieronder: proceslijn, aanstikingspunt en lans, veldstation, transportlijn, monsterconditioneringssysteem, stroomschakelingssysteem en analyzer.

Het is belangrijk om te begrijpen dat tijdsvertraging cumulatief is. Het bestaat uit de totale hoeveelheid tijd die het duurt voor een vloeistof te reizen van de proceslijn naar de analyzer, inclusief de tijd vereist voor de eindanalyse. Bijvoorbeeld, als de gaschromatograaf vijf minuten duurt om een monster te analyseren, moeten die vijf minuten niet alleen worden opgeteld bij de tijdsvertraging in het monsterconditioneringssysteem en stroomschakelingssysteem, maar ook bij de tijdsvertraging in de transportlijnen, veldstation, aanstikingspunt en lans. Deze subtotaal moet dan worden opgeteld bij de hoeveelheid tijd die het duurt voor de vloeistof te reizen van de te monitoren proces eenheid naar de aanstikingspunt. Het is de totale hoeveelheid tijd van de te monitoren proces eenheid door tot de analyzer die telt.

Helaas wordt tijdsvertraging vaak onderschat, niet meegerekend of misbegrepen. In veel gevallen is tijdsvertraging onzichtbaar voor analyzerspecialisten en technici, die gefocust zijn op het maken van het monster geschikt voor de analyzer. Analyzerspecialisten kunnen aannemen dat de analytische meting instantaan is. Echter, bemonsteringssystemen halen vaak de industrienorm van een één-minuut responstijd niet, wat ample ruimte creëert voor tijdsvertraging. Het is altijd het beste om tijdsvertraging te minimaliseren, zelfs voor lange cyclus tijden, maar vertragingen die uitstijgen boven de industrienorm zijn niet noodzakelijk een probleem. De procesingenieur moet acceptabele vertragingstijden bepalen op basis van procesdynamiek.

Tijdsvertragingen worden een issue wanneer ze de verwachtingen van een systeemontwerper overschrijden. Een slechte schatting of verkeerde aanname over tijdsvertraging zal resulteren in inferieure procescontrole. Het begrijpen van de oorzaken van tijdsvertraging en leren om een vertraging binnen een redelijke foutmarge te berekenen of benaderen, kan zowel vertraging reduceren als de algehele systeemresponsiviteit verbeteren.

Proceslijnen, Aanstikingspunten, Snelle Lussen En Transportlijnen Plaatsen Voor Maximale Effectiviteit

Om tijdsvertraging te reduceren, is het doorgaans het beste om de aanstikingspunt zo dicht mogelijk bij de analyzer te plaatsen, hoewel dit niet altijd haalbaar is. De aanstikingspunt moet stroomopwaarts van bronnen van vertraging geplaatst worden, zoals drums, tanks, dode uiteinden, stagnante lijnen, of redundante of verouderde apparatuur (die geëlimineerd moeten worden om stroom te verbeteren). In sommige gevallen kan de locatie van de aanstikingspunt niet gespecificeerd worden in de buurt van de procesanalyzer vanwege de eerder genoemde variabelen. Als de aanstikingspunt ver van de analyzer is, wordt een snelle lus aanbevolen om vloeistof snel naar de analyzer te leveren. Als correct ontworpen, zal de stroom in de snelle lus veel sneller zijn dan de stroom door de analyzerlijnen.

Drukken Verlagen Om Tijdsvertraging Te Verminderen

Wanneer gebruikt met een gas, is een veldstation een middel om de druk in de transportlijnen of snelle lus te verlagen. Gegeven dezelfde stroomsnelheid, wordt de tijdsvertraging in de transportlijnen in directe proportie tot de reductie in absolute druk gereduceerd. Bij half de druk, is er half de tijdsvertraging. Het veldstation moet zo dicht mogelijk bij de aanstikingspunt geplaatst worden. Hoe eerder de druk verlaagd wordt, hoe beter.

Met een vloeistofmonster, wordt een regerend veldstation niet ingezet. Het is beter om vloeistoffen onder hoge druk te houden om de vorming van bellen te voorkomen. Wanneer een vloeistofmonster als een gas geanalyseerd wordt, kan een verdampende regelaar aan het veldstation worden gebruikt. Echter, dit zal aanzienlijke tijdsvertraging veroorzaken. Naarmate de vloeistof van vloeistof naar gas verandert, neemt het volume dramatisch toe. De toenamesnelheid hangt af van het molecuulgewicht van de vloeistof.

Typisch zal de gemeten dampstroom na de regelaar >300 keer de vloeistofstroom voor de verdampende regelaar zijn. Bijvoorbeeld, met een dampstroom van 500 cm3/min, kan de vloeistofstroom minder dan 2 cm3/min zijn. Daarom duurt het 25 minuten voor de vloeistof om door 10 voet van een kwart inch buis te reizen. Om deze tijd te reduceren, moeten we het volume van de buis voorafgaand aan de regelaar reduceren. Bijvoorbeeld, met slechts één voet van een achtste inch buis, zou het slechts 30 seconden duren voor de vloeistof de regelaar te bereiken. Aan deze tijd moeten we echter tijdsvertraging in de lans toevoegen. Hoe smaller de lans, hoe sneller de reactie.

Een ander middel om een snellere reactie te bereiken is de verdampende regelaar dichter bij de analyzerlocatie te plaatsen met de hulp van een vloeistof snelle lus. Installeer een regelaar na de snelle lus filter met een tweede vloeistof snelle lus om te garanderen dat positieve stroom direct tot de verdampende regelaar blijft doorgaan. Het doel is om het traag bewegende vloeistofvolume dat naar de regelaar gaat te minimaliseren.

Stroomschakeling

Om zoveel mogelijk tijdsvertraging te vermijden, moeten stroomschakelingassemblages snel werken, snel oud montermateriaal purgeren terwijl de nieuwe stroom naar de analyzer wordt bewogen. Dubbele-blok-en-afzuig (DBB) klepconfiguraties, die vandaag de dag beschikbaar zijn in conventionele componenten of miniatuur, modulaire ontwerpen, bieden een middel om stromen te schakelen met minimale dode uiteinden en geen kruisstroomcontaminatie van lekkende kleppen.

Een traditionele DBB configuratie is de cascaderende DBB, gezien in het diagram hieronder. De cascaderende DBB elimineert dode uiteinden door een tweede blokklep te gebruiken in plaats van een T-stuk.

Bij het gebruik van een DBB cascaderende configuratie, moet het stroompad in overweging genomen worden aangezien deze configuratie kan leiden tot drukval en langzamere stroom. De drukval kan worden geschat door de Cv van het product op te zoeken, wat een maat is voor de weerstand tegen stroom. Hoe lager de Cv, hoe groter de drukval, resulterend in een lagere stroomsnelheid.

In de DBB cascaderende configuratie, veroorzaakt de primaire stroom – Stroom 1 – geen overmatige drukval, maar Stroom 2, Stroom 3, en zo verder creëren toenemende hoeveelheden drukval en een langer stroompad, resulterend in progressief langere reistijden naar de uitlaat. Het resultaat is inconsistentie in leveringstijden van de verschillende stromen, wat het moeilijk maakt consistente puurgetijden voor alle stromen in te stellen.

De DBB configuratie met een geïntegreerde stroomlus, getoond in het diagram hieronder, maakt alle voordelen van de DBB cascaderende configuratie mogelijk terwijl het minimale drukval consistent over alle stromen garandeert. De Cv voor elke stroom – en daarmee de leveringstijd voor elke stroom – zal hetzelfde zijn. Let op dat een component met een Cv van 0,3 een derde van de drukval zal veroorzaken van een met een Cv van 0,1.

Monsterconditioneringssystemen

Het monsterconditioneringssysteem bereidt het monster voor op analyse door het te filteren, ervoor te zorgen dat het in de juiste fase is, en druk, stroom en temperatuur aan te passen. Om dit in een klein vormfactor te doen, gebruikt het systeem veel relatief kleine componenten, inclusief meters, regelaars, variabele gebied stroommeters, stroomcontrollers, terugslagkleppen, regeltechnieken en bal kleppen. Frequent worden miniatuur modulaire componenten ook gebruikt als een compacte oplossing voor krappe ruimtes. Deze top-gemonteerde componenten worden geproduceerd volgens de ANSI/ISA 76.00.02 standaard, volgens de New Sampling/Sensor Initiative (NeSSI). Net als bij de stroomschakelkleppen, is intern volume niet zo belangrijk als drukval. Bij het kiezen van componenten, moet u de Cv die door de fabrikant wordt geleverd vergelijken.

Andere componenten gebruikt in monsterconditioneringssystemen, zoals filters, knockout pots en coalescerende filters, kunnen significante tijdsvertraging veroorzaken omdat ze binnenkomende monsters toestaan om te mengen met oude monsters. Verbeter tijdsvertraging door een filter of knockout pot leeg te maken zodat 95 procent van het oude monster verdwenen is. Helaas vereist dit drie keer het volume van het component. Dat is aannemend dat de inlaat en uitlaat angrenzend zijn, zoals getoond in het diagram hieronder.

Overweeg een filter met een inlaat en uitlaat geconfigureerd in het diagram. Als de stroomsnelheid 100 cm3/min is en het filtervolume 100 cm3 is, duurt het drie minuten om te garanderen dat 95 procent van het oude monster uitgeplast is. Daarom moeten drie minuten worden toegevoegd aan de tijdsvertragingsberekening voor dit AI systeem. Deze zelfde formules kunnen worden toegepast op mengvolumes in de proceslijn.

Analyzer

Over het algemeen zal een gaschromatograaf vijf tot 10 minuten duren om het monster te analyseren. Infrarood en ultraviolet analyzers werken veel sneller, analyses binnen seconden voltooien. Een analyzerspecialist, technicus of ingenieur moet de hoeveelheid tijd weten die vereist is voor de analyzer om een monster te verwerken. Die tijd zal worden toegevoegd aan de boven besproken schattingen voor de totale tijdsvertraging van aanstikingspunt door de analyzer.

Conclusie

De totale tijdsvertraging berekend met de hier beschreven tools zou een schatting moeten opleveren binnen een redelijke foutmarge. Onthoud dat het de totale tijd is van het te monitoren proces naar de analyzer die telt, en dat alle componenten die deze vertraging vormen, moeten worden opgeteld bij de totaal. Tijdsvertraging is een issue dat de nauwkeurige aandacht van de analyzerspecialist verdient. Onjuiste aannames over de monstertijd, met name voor typische probleemgebieden zoals de lans of een verdampende regelaar in het veldstation, zullen al de harde werk van de analyzerspecialist ondermijnen en de analyzer oneffectief maken. Analyzerspecialisten, in samenwerking met hun vloeistofsysteemleverancier of consultant, kunnen tijdsvertragingen verbeteren door intelligente keuzes te maken over componenten en configuraties met betrekking tot de locatie van de aanstikingspunt, snelle lus opzet, geschikte buisdiameters en stroomschakelconfiguraties.