Освоение временных задержек в аналитической приборостроении: точное измерение и митигация

Понимание и измерение временной задержки в системе аналитической приборостроения

Карим Махраз

Временная задержка в системах пробы — самая распространенная причина неподходящих результатов от процессных анализаторов. Процессные измерения мгновенны, но ответы анализатора не являются таковыми. Всегда есть временная задержка от крана до анализатора. Потенциал для временной задержки существует в следующих разделах системы аналитической приборостроения (AI), показанных на изображении ниже: процессная линия, кран и пробонбиратель, полевaya станция, транспортная линия, система подготовки пробы, система переключения потоков и анализатор.

Важно понять, что временная задержка кумулятивна. Она состоит из общего количества времени, которое требуется жидкости для перемещения от процессной линии к анализатору, включая время, требуемое для финального анализа. Например, если газовый хроматограф занимает пять минут для анализа пробы, эти пять минут должны быть добавлены не только к временной задержке в системе подготовки пробы и системе переключения потоков, но также к временной задержке в транспортных линиях, полевой станции, кран и пробонбиратель. Эта промежуточная сумма должна быть затем добавлена к количеству времени, которое требуется жидкости для перемещения от контролируемого процессного блока к кран. Именно общее количество времени от контролируемого процессного блока через анализатор и считается.

К сожалению, временная задержка часто недооценивается, не учитывается или неправильно понимается. Во многих случаях временная задержка невидима для специалистов по анализаторам и техников, которые сфокусированы на приготовлении пробы подходящей для анализатора. Специалисты по анализаторам могут предполагать, что аналитическое измерение мгновенно. Однако системы пробоотбора часто не достигают отраслевого стандарта однoминутного отклика, создавая широкий простор для временной задержки. Всегда лучше минимизировать временную задержку, даже для длинных времен циклов, но задержки, выходящие за пределы отраслевого стандарта, не обязательно проблема. Процессный инженер должен определять допустимые времена задержки на основе процессной динамики.

Временные задержки становятся проблемой, когда они превышают ожидания системного проектировщика. Плохая оценка или неправильное предположение о временной задержке приведет к неполноценному процессному контролю. Понимание причин временной задержки и обучение расчету или приближению задержки в разумном поле ошибки могут оба снизить задержку и улучшить общую отзывчивость системы.

Размещение процессных линий, кранов, быстрых контуров и транспортных линий для максимальной эффективности

Чтобы снизить временную задержку, обычно лучше разместить кран максимально близко к анализатору, хотя это не всегда выполнимо. Кран должен быть размещен вверх по течению от источников задержки, таких как баки, цистерны, мертвые участки, стагнационные линии или избыточное или устаревшее оборудование (которое должно быть устранено для улучшения потока). В некоторых случаях расположение крана не может быть специфицировано рядом с процессным анализатором из-за вышеупомянутых переменных. Если кран на большом расстоянии от анализатора, быстрый контур рекомендуется для быстрой доставки жидкости к анализатору. Если правильно спроектирован, поток в быстром контуре будет намного быстрее, чем поток через линии анализатора.

Снижение давлений для уменьшения временной задержки

Когда используется с газом, полевaya станция — средство снижения давления в транспортных линиях или быстром контуре. При том же расходе временная задержка в транспортных линиях снижается в прямой пропорции снижению абсолютного давления. При половине давления есть половина временной задержки. Полевaya станция должна быть расположена максимально близко к крану. Чем раньше давление снижается, тем лучше.

С жидкостной пробой регулируемая полевaya станция не используется. Лучше держать жидкости под высоким давлением, чтобы избежать образования пузырей. Когда жидкостная проба анализируется как газ, испарительный редуктор может быть использован на полевой станции. Однако это вызовет значительную временную задержку. По мере того как жидкость меняется от жидкости к газу, объем увеличится драматично. Скорость увеличения будет зависеть от молекулярного веса жидкости.

Обычно измеренный паровой расход после редуктора будет >300 раз жидкостного расхода перед испарительным редуктором. Например, с паровым расходом 500 см³/мин, жидкостной расход может быть менее 2 см³/мин. Поэтому жидкость займет 25 минут, чтобы пройти через 10 футов четверть-дюймовой трубки. Чтобы сократить это время, мы должны сократить объем трубки перед редуктором. Например, с только одним футом восьмой-дюймовой трубки, это заняло бы только 30 секунд для жидкости, чтобы достичь редуктора. К этому времени, однако, мы должны добавить временную задержку в пробонбирателе. Чем уже пробонбиратель, тем быстрее отклик.

Другое средство достижения более быстрого отклика — разместить испарительный редуктор ближе к местоположению анализатора. Установите редуктор после фильтра быстрого контура со вторым жидкостным быстрым контуром, чтобы обеспечить, что положительный поток продолжается прямо до испарительного редуктора. Цель — минимизировать медленно движущийся жидкостной объем, идущий к редуктору.

Переключение потоков

Чтобы избежать как можно больше временной задержки, сборки переключения потоков должны работать быстро, быстро продувывая старый материал пробы, пока перемещая новый поток к анализатору. Конфигурации клапанов двойного блока и дренажа (DBB), которые доступны сегодня в конвенциональных компонентах или миниатюрных, модульных дизайнах, предоставляют средство переключения потоков с минимальными мертвыми участками и без перекрестного загрязнения потоков от утекающих клапанов.

Традиционная DBB конфигурация — каскадная DBB, показана на диаграмме ниже. Каскадная DBB устраняет мертвые участки, используя второй блокирующий клапан вместо тройника.

При использовании каскадной DBB конфигурации, потоковый путь нужно принимать во внимание, так как эта конфигурация может привести к падению давления и более медленному потоку. Падение давления может быть оценено путем поиска Cv продукта, который является мерой сопротивления потоку. Чем ниже Cv, тем больше падение давления, результатом в более низкой скорости потока.

В каскадной DBB конфигурации, первичный поток — Поток 1 — не вызывает чрезмерное падение давления, но Поток 2, Поток 3 и так далее создают увеличивающиеся количества падения давления и более длинный потоковый путь, приводящие к прогрессивно более длинным временам перемещения к выходу. Результат — неоследовательные времена доставки от разных потоков, делая трудным установку последовательных времен продувки для всех потоков.

DBB конфигурация с интегрированным потоковым контуром, показана на диаграме ниже, обеспечивает все преимущества каскадной DBB конфигурации в то время как гарантирует минимальное падение давления последовательно по всем потокам. Cv для каждого потока — и поэтому время доставки для каждого потока — будет одинаковым. Обратите внимание, что компонент с Cv 0,3 вызовет третье падение давления от того, с Cv 0,1.

Системы подготовки пробы

Система подготовки пробы готовит пробу для анализа путем фильтрации, обеспечения правильной фазы и настройки давления, потока и температуры. Чтобы сделать это в компактном форм-факторе, система использует многие относительно мелкие компоненты, включая манометры, редукторы, переменной площади расходомеры, контроллеры потока, обратные клапаны, регулирующие клапаны и шаровые клапаны. Часто миниатюрные модульные компоненты также используются как компактное решение для тесных пространств. Эти верхне-монтируемые компоненты изготавливаются по стандарту ANSI/ISA 76.00.02, согласно инициативе New Sampling/Sensor Initiative (NeSSI). Как и с клапанами переключения потоков, внутренний объем не так важен, как падение давления. При выборе компонентов вы должны сравнивать Cv, предоставляемый производителем.

Другие компоненты, используемые в системах подготовки пробы, такие как фильтры, Knockout pots и коалесцирующие фильтры, могут вызывать значительную временную задержку, потому что они позволяют входящим пробам смешиваться со старыми пробы. Улучшите временную задержку, очистив фильтр или Knockout pot так, что 95 процентов старой пробы ушли. К сожалению, это требует трех объемов компонента. Это предполагает, что вход и выход смежны, как показано на диаграмме ниже.

Рассмотрите фильтр с входом и выходом, сконфигурированными на диаграмме. Если расход 100 см³/мин и объем фильтра 100 см³, это займет три минуты, чтобы обеспечить, что 95 процентов старой пробы выпловено. Поэтому, чтобы обеспечить точную пробу, три минуты должны быть добавлены к расчету временной задержки для этой AI системы. Эти же формулы могут быть применены к объемам смешивания в процессной линии.

Анализатор

Обычно газовый хроматограф займет пять до десяти минут для анализа пробы. Инфракрасные и ультрафиолетовые анализаторы работают намного быстрее, завершая анализы за секунды. Специалист по анализаторам, техник или инженер должен знать количество времени, требуемого для анализатора для обработки пробы. Это время будет добавлено к оценкам, обсужденным выше, для общей временной задержки от крана через анализатор.

Заключение

Общая временная задержка, рассчитанная с инструментами, описанными, должна предоставить оценку в разумном поле ошибки. Помните, что важно общее время от контролируемого процесса к анализатору, и что все компоненты, составляющие эту задержку, должны быть добавлены к общему. Временная задержка — проблема, заслуживающая пристального внимания специалиста по анализаторам. Неправильные предположения о времени пробы, особенно для типичных проблемных мест, таких как пробонбиратель или испарительный редуктор на полевой станции, подорвут всю тяжелую работу специалиста по анализаторам и сделают анализатор неэффективным. Специалисты по анализаторам, в сотрудничестве со своим поставщиком жидкостных систем или консультантом, могут улучшить временные задержки, делая интеллектуальные выборы о компонентах и конфигурациях с уважением к расположению крана, настройке быстрого контура, соответствующим диаметрам трубок и конфигурациям переключения потоков.