Освоение калибровки анализатора для надежных процессных измерений

Как откалибровать анализатор в системе аналитической приборостроения

Тони Уотерс, эксперт по системам пробоотбора и инструктор

Во многих системах аналитической приборостроения процессный анализатор не предоставляет абсолютное измерение. Скорее, он предоставляет относительный ответ, основанный на настройках, установленных во время калибровки — критического процесса, подверженного значительной ошибке. Чтобы откалибровать процессный анализатор, калибровочная жидкость известного содержания и количества пропускается через анализатор, производя измерения концентрации компонентов. Если эти измерения не согласованы с известными количествами в калибровочной жидкости, процессный анализатор корректируется соответствующим образом. Позже, когда процессные пробы анализируются, точность чтения анализатора будет зависеть от точности процесса калибровки.

Императивно, чтобы мы понимали, как ошибка или загрязнение могут быть введены через калибровку; когда калибровка может — и не может — адресовать воспринимаемую проблему производительности с процессным анализатором; как атмосферное давление или температурные флуктуации могут отменить работу калибровки; и когда и когда не калибровать.

Дизайн системы

Одна общая проблема в калибровке — неадекватный дизайн системы выбора. Во многих случаях калибровочная жидкость вводится вниз по течению от системы клапанов выбора потока и без преимуществ конфигурации двойного блока и дренажа (DBB), продемонстрированной на Рисунке 1. Лучшее место для введения калибровочной жидкости было бы через систему выбора потока пробы, как на Рисунке 2. Цель системы выбора потока пробы — обеспечить быструю замену потоков пробы без риска перекрестного загрязнения. На Рисунках 1 и 2 каждый поток в системе выбора потока пробы оснащен двумя блокирующими клапанами и дренажным клапаном, чтобы обеспечить, что один поток — и только один поток — делает свой путь к анализатору в одно время.

За годы системы выбора потока эволюционировали от DBB конфигураций, состоящих из конвенциональных компонентов, к модульным, миниатюрным системам. Самые эффективные системы обеспечивают быстрые времена продувки, низкие давления актуации клапанов и улучшенные характеристики безопасности, вместе с высокой пропускной способностью и последовательным падением давления от потока к потоку для предсказуемого времени доставки к анализатору.

Система выбора потока обеспечивает наибольшую страховку против возможности утечки калибровочной жидкости в поток пробы. Тем не менее, некоторые техники будут обходить эту сборку и размещать калибровочную жидкость максимально близко к анализатору с намерением сэкономить жидкость. Если используется только один шаровый клапан, как показано на Рисунке 1, попытка сэкономить калибровочный газ может привести к смещенным показаниям анализатора. Анализатор может быть правильно откалиброван, но всегда есть риск, что малое количество калибровочного газа может утечь в поток пробы и сбить измерения.

Рисунок 1. В этой конфигурации калибровочный газ вводится вниз по течению от системы выбора потока без преимуществ сборки DBB.

Рисунок 2. Как показано в этой конфигурации, калибровочный газ лучше вводить через систему выбора потока пробы, где сборка DBB защищает от риска загрязнения.

В некоторых приложениях Агентство по защите окружающей среды США (EPA) требует, чтобы калибровочная жидкость вводилась в ранней точке системы пробоотбора, обычно рядом с пробонбирателем. Обоснование в том, что калибровочная жидкость должна подвергаться всем тем же переменным, что и поток пробы. Это имеет смысл, так как эта настройка предоставит честную оценку количества времени, которое требуется пробе для перемещения от пробонбирателя к анализатору. Обычно говоря, этот период времени часто недооценивается или неизвестен.

Однако, относительно большое количество калибровочной жидкости требуется, если она должна пройти через всю систему пробоотбора. Неудивительно, что многие объекты не могут использовать этот вариант. Хороший компромисс — прогнать калибровочную жидкость через систему выбора потока, посвятив один поток жидкости. Эта конфигурация дает калибровочной жидкости лучший шанс достичь анализатора без загрязнения потоками проб. Когда не в использовании, два блокирующих клапана предотвратят загрязнение калибровочной жидкости потоками пробы. С миниатюрными модульными платформами количество требуемой калибровочной жидкости будет минимальным.

Ограничения калибровки

Чтобы эффективно откалибровать анализатор, оператор, техник или инженер должен понимать теоретически, что такое калибровка, что она может исправить и что она не может.

Процессный анализатор должен быть точным. Он должен выдавать повторяемые результаты, когда представлен с известным количеством в форме калибровочной жидкости. Если процессный анализатор не возвращает повторяемые результаты, либо анализатор неисправен, либо система не поддерживает пробу в постоянных условиях. Калибровка не может исправить неточность (imprecision).

Если процессный анализатор производит последовательные результаты, но результаты не те же, что известный состав калибровочной жидкости, анализатор говорится неточным (inaccurate). Эта ситуация может и должна быть адресована через калибровку. Это называется коррекцией смещения (bias).

Однако, даже если процессный анализатор найден точным и точным при тестировании с калибровочными жидкостями, все еще возможно, что он выдаст неточные результаты при анализе потока пробы. Если анализатору просят посчитать красные молекулы, а он встречает розовые, что он делает? Розовые молекулы выглядят красными для анализатора, так что он считает их красными, приводя к завышенному счету красных. Это называется положительной интерференцией (positive interference). Например, в системе процессного анализатора, спроектированной считать молекулы пропана, могут появиться молекулы пропилена. Возможно, что анализатор будет считать их пропаном, потому что он не был сконфигурирован для различия между ними.

Ни один процессный анализатор не идеален, но все они построены для селективности. Некоторые процессные анализаторы более сложны и запрограммированы для химического подавления определенных типов интерференции. Например, анализатор общего органического углерода (TOC) спроектирован для измерения углеродного содержания в сточных водах, чтобы можно было определить, утилизируются ли углеводороды неадекватно. Чтобы сделать это точно, процессный анализатор удаляет источник положительной интерференции — неорганические карбоны, как известняк — которые присутствуют в жесткой воде. Без этого начального шага процессный анализатор измерил бы и органический, и неорганический углерод, путая углеводороды с жесткой водой.

Другой тип интерференции — отрицательная интерференция (negative interference): молекула, которая должна быть посчитана, не считается, потому что другая молекула ее скрывает. Например, в фторированной питьевой воде электрод используется для анализа количества фторида в воде. Однако ионы водорода, которые обычны в питьевой воде, скрывают фторид, так что счет неточно низок. Анализатор может читать 1 ppm, что стандартная доза, но на самом деле вода может содержать 10 ppm. Решение — удалить источник интерференции. Введя буферное растворение, ионы водорода удаляются, и электрод может точно измерить фторид.

С пониманием положительной и отрицательной интерференции, а также точности и точности, мы начинаем понимать грозные вызовы, с которыми мы сталкиваемся, позволяя процессным анализаторам выдавать желаемые результаты. Легкое предположение, что если процессный анализатор не производит желаемый результат, калибровка — ответ. Но как мы только что видели, калибровка имеет свои ограничения и не может решить все проблемы.

Контроль атмосферных изменений в газовых анализаторах

Газовые анализаторы по сути — счетчики молекул. Когда они калибруются, известная концентрация газа вводится, и выход процесса анализатора проверяется, чтобы убедиться, что он считает правильно. Но что происходит, когда атмосферное давление меняется на 5-10%, как известно в некоторых климатах? Количество молекул в данном объеме будет варьироваться с изменением атмосферного давления, и в результате финальный счет анализатора изменится.

Существует общее заблуждение, что атмосферное давление — постоянные 14,7 psia (1 бар.а), но, основанное на погоде, оно может флуктуировать до 1 psi (0,07 бар) вверх или вниз. Чтобы процесс калибровки был эффективным, абсолютное давление в системе пробоотбора во время калибровки и во время анализа проб должно быть одинаковым. Абсолютное давление может быть определено как общее давление выше идеального вакуума. В системе пробоотбора это будет системное давление, измеренное манометром, плюс атмосферное давление.

Если давление так критично, как его контролировать? Некоторые процессные анализаторы, особенно инфракрасные и ультрафиолетовые, позволяют атмосферному давлению влиять на чтение, но затем корректируют его электронно. Однако многие процессные анализаторы, включая многие газовые хроматографы, не корректируют флуктуации атмосферного давления. Фактически, большинство систем не корректируют флуктуации давления и многие системные инженеры или операторы игнорируют их. Некоторые верят, что атмосферные флуктуации незначительны. Другие поддерживают, что любые атмосферные флуктуации компенсируются другими связанными или несвязанными переменными, влияющими на процессный анализатор. Тем не менее, атмосферные флуктуации могут быть значительны. Допустим, когда вы калибруете свой процессный анализатор, атмосферное давление X, но позже, когда вы вводите процессный газ, атмосферное давление X + 1 psi (0,07 бар). Ответ может быть на 7 процентов от измеренного значения.

С экологическими регуляциями, большинство систем процессных анализаторов теперь вентилятся в факелы или другие точки возврата. Поскольку флуктуации давления от таких пунктов назначения будут влиять на давление вверх по течению в анализаторе, существуют вент-системы, оборудованные эдукторами и редукторами, спроектированные для контроля этих флуктуаций. К сожалению, эти системы используют редукторы, референцированные к атмосфере. В результате, пока эти системы контролируют флуктуации от вента, они не контролируют флуктуации атмосферного давления.

Для такой системы чтобы контролировать атмосферные так же, как вент-флуктуации давления, требуется редуктор абсолютного давления. В отличие от нормального редуктора, редуктор абсолютного давления не сравнивает давление внутри системы с давлением снаружи системы, которое само флуктуирует согласно погоде. Скорее, оно сравнивает давление внутри системы с постоянной заданной точкой давления, которая не флуктуирует вообще (или очень мало). Часто эта заданная точка давления фактически 0 psia (0 бар.а).

Валидация против калибровки

Лучший метод калибровки — тот, который использует автоматизированную систему регулярной валидации со статистической интерпретацией. Валидация — процесс проверки анализатора через регулярные временные интервалы для определения, на цели ли он или нет. В валидации чтение берется, и это чтение записывается. Это тот же процесс, что и калибровка, за исключением того, что никакая коррекция не делается.

Автоматизированная система запустит проверку валидации через регулярные интервалы, обычно раз в день, и проанализирует результат на любую проблему, которая потребовала бы корректировки или перекалибровки. Система позволит неизбежные вверх и вниз, но если она наблюдает последовательный дрейф в измерениях — тот, который не корректирует себя — тогда она предупредит оператора, что система может идти не так.

Человек может вручную валидировать систему через регулярные интервалы, так же как автоматизированная система, но, чаще всего, этот человек также сделает корректировку к анализатору, даже если система просто на 1 процент сбита. Результат — серия случайных и незначительных корректировок, которые вводят дополнительную вариацию и делают трудным анализ трендов и определение, когда система действительно идет не по плану. Лучше позволить автоматизированной системе работать без присмотра до тех пор, пока статистический анализ результатов не предложит, что внимание требуется.

Заключение

Калибровка — важный процесс и абсолютное требование в аналитических системах, но забота должна быть принята для выполнения этого процесса правильно. Оператор, техник или инженер должен понимать, как лучше ввести калибровочный газ в систему и как контролировать атмосферные флуктуации в газовых анализаторах. Дальше, техник или оператор должен понимать ограничения калибровки — какие проблемы она может адресовать и какие проблемы она не может — и как частые корректировки анализатора на основе единичных калибровок вводят ошибку. Если процессный анализатор регулярно валидируется автоматизированной системой и правильно калибруется, когда статистический анализ оправдывает это, калибровка будет функционировать так, как должна, и предоставит важную услугу в обеспечении анализатора для предоставления точных измерений.