Comment utiliser un régulateur pour réduire le délai dans un système d'instrumentation analytique

Comment utiliser un régulateur pour réduire le délai dans un système analytique

Mike Strobel, superviseur de l'ingénierie sur le terrain

Les mesures de processus sont instantanées, mais les réponses de l'analyseur ne le sont jamais. Du robinet à l'analyseur, il y a toujours une temporisation. Malheureusement, ce délai est souvent sous-estimé ou mal compris.

Dans les systèmes d'échantillonnage analytique, le délai est défini comme le temps nécessaire pour qu'un nouvel échantillon atteigne l'analyseur. Un article de blog séparé explique le fonctionnement du délai et des conseils pour le minimiser à un niveau élevé, mais dans cet article, nous nous concentrerons sur la façon de contrôler le délai avec un régulateur de pression. Les régulateurs contrôlent la pression, et la pression dans un système analytique est étroitement liée au temps. Dans le cas d'installations à gaz à débit contrôlé, plus la pression est faible, plus la temporisation est courte.

Un retard peut se produire dans l'une des principales parties d'un système d'instrumentation analytique, y compris la ligne de traitement, le robinet et la sonde, la station de terrain, la ligne de transport, le système de conditionnement d'échantillon, le système de commutation de flux et l'analyseur. Le diagramme ci-dessous est un exemple d'un système d'échantillonnage d'analyseur de processus typique.

La temporisation est cumulative. Il s'agit du temps total nécessaire au fluide pour se déplacer du processus surveillé à l'analyseur. Vous pouvez en savoir plus sur la façon de mesurer le délai ici. Pour l'instant, nous nous concentrerons sur la station de terrain et sur le rôle important qu'un régulateur joue dans la réduction des délais.

Avant la station de terrain

La minimisation du délai commence par l'emplacement du robinet. Il est préférable de placer le robinet le plus près possible de l'analyseur de processus, mais également en amont des sources de retard de processus, telles que les fûts, les réservoirs, les zones mortes, les conduites stagnantes et les équipements redondants ou obsolètes.

Lors de l'échantillonnage d'un liquide, la pression au robinet doit être suffisante pour acheminer l'échantillon à travers les conduites de transport ou la boucle rapide sans pompe, un composant coûteux qui introduit des variables de performance supplémentaires.

Dans de nombreux cas, vous ne pourrez peut-être pas dicter l'emplacement du robinet. Vous devrez peut-être vous contenter d'un emplacement de robinet existant et, souvent, d'un emplacement de hangar d'analyseur existant également. Si le robinet se trouve à une longue distance de l'analyseur, une boucle rapide est recommandée comme moyen d'acheminer rapidement le fluide vers l'analyseur et de renvoyer la partie inutilisée au processus.

Dans la plupart des systèmes d'instrumentation analytique, une autre source de retard est la sonde. Plus le volume de la sonde est grand, plus le retard est important. Le volume sera affecté à la fois par la longueur et la largeur de la sonde. Lorsque vous essayez de minimiser le délai, choisissez une sonde à faible volume.

À la station de terrain

Dans les cas où l'analyseur de processus nécessite un échantillon liquide, un régulateur dans la station de terrain n'est pas utilisé. Il est préférable de maintenir les liquides à haute pression pour éviter la formation de bulles. Dans le cas d'un prélèvement de gaz, une station de terrain est utilisée comme moyen de dépressurisation dans les conduites de transport.

La temporisation diminue en proportion directe avec la pression absolue. À la moitié de la pression, vous obtiendrez la moitié du délai. La station de terrain est située aussi près que possible du robinet. Plus tôt la pression est relâchée, mieux c'est. Examinons trois applications possibles pour un régulateur dans une station de terrain. Avec chacun, le régulateur est configuré quelque peu différemment.

Application de régulateur #1

Dans la première application, l'objectif est de réduire la pression du gaz. La chute de pression ne devrait pas produire de condensation. Par conséquent, un simple régulateur de réduction de pression peut être utilisé. Un régulateur de réduction de pression maintient une pression constante à la sortie. Un élément de détection, généralement un diaphragme ou un piston, se déplace en réponse à la pression en aval, permettant à l'élément de commande, le plus souvent un champignon en forme de cône, de modifier la zone d'écoulement de l'orifice à travers lequel le gaz passe. Lorsque l'élément de détection est poussé vers le haut en réponse à une pression plus élevée, l'élément de commande se rapproche du siège du régulateur et la zone de l'orifice devient plus petite. Lorsque l'élément de détection se déplace vers le bas avec une pression plus faible, l'orifice devient plus grand. Dans la plupart des régulateurs analytiques, une poignée sur le régulateur permet à l'opérateur de régler la pression de sortie en comprimant ou en relâchant un ressort de réglage qui entraîne les mouvements de l'élément de détection contre la pression de sortie.

Une membrane métallique est idéale dans les applications où la pression d'entrée ne varie pas fortement ou lorsque la compatibilité chimique est importante. Cependant, dans les applications où la pression peut être incohérente ou augmenter, un régulateur à piston peut être plus approprié.

Application de régulateur #2

Dans notre deuxième application de régulateur, la chute de pression devrait provoquer de la condensation. Avec une chute de pression, presque tous les gaz perdent de l'énergie, connue sous le nom d'effet Joule-Thomson, ce qui entraîne un refroidissement. Si le gaz est proche de son point de rosée, ce refroidissement peut provoquer de la condensation. Dans certains cas, la perte de chaleur peut être suffisamment importante pour provoquer la condensation, gelant ainsi potentiellement le régulateur. En raison de l'effet Joule-Thomson, un régulateur chauffé peut être nécessaire pour maintenir la température du gaz au-dessus du point de rosée. Un régulateur chauffé est un régulateur réducteur de pression dans lequel le fluide du système s'écoule sur un élément chauffé. Une cartouche chauffante est nécessaire.

Vous pouvez calculer la quantité d'énergie (ou de puissance) requise de la cartouche chauffante afin de pouvoir en spécifier une dans la plage de puissance correcte. Chaque gaz a un coefficient Joule-Thomson, qui est intégré dans une formule avec la chute de pression et le débit pour produire le nombre de watts requis.

Application de régulateur #3

Dans notre troisième application de régulateur, un liquide doit devenir un gaz avant de pouvoir être analysé par un chromatographe en phase gazeuse ou un autre analyseur. Dans ce cas, un régulateur de vaporisation est utilisé. Les régulateurs de vaporisation peuvent être difficiles à sélectionner, mais peuvent être un moyen fiable de préparer un échantillon liquide s'ils sont correctement dimensionnés et installés. L'objectif d'un régulateur de vaporisation est de flasher instantanément l'ensemble de l'échantillon dans un gaz pour s'assurer que l'échantillon vaporisé est représentatif du processus liquide.

Avec les régulateurs de vaporisation, il faut faire très attention à la température et au débit de vapeur. Si le débit est trop important, l'échantillon ne sera que partiellement vaporisé et les liquides s'écouleront à travers le régulateur et vers l'analyseur. Si la température du vaporisateur est trop élevée, l'échantillon liquide en amont sera vaporisé. Vous pouvez en savoir plus sur la gestion de la vaporisation dans les systèmes d'échantillonnage ici.

Enfin, assurez-vous de configurer correctement votre régulateur de vaporisation pour éviter de créer un retard considérable. Au fur et à mesure que le fluide passe du liquide au gaz, le volume augmente considérablement. La quantité d'augmentation dépendra du poids moléculaire du liquide. Typiquement, le débit de vapeur mesuré après le régulateur sera>300 fois le débit de liquide avant le régulateur de vaporisation.

Par exemple, avec un débit de vapeur de 600 cm ³ /min., le débit de liquide peut être inférieur à 2 cm ³ /min. Dans ce cas, le liquide prendra 25 minutes pour traverser 3 mètres (environ 10 pieds) de tuyau de 6 mm (1/4 po). Pour réduire ce temps, il faut réduire le volume de la tubulure précédant le détendeur. Par exemple, avec seulement 30,5 cm (1 pi) de tuyau de 3,2 mm (1/8 po), il ne faudrait que 30 secondes pour que le liquide atteigne le régulateur. A ce temps, cependant, nous devons ajouter un retard dans la sonde. Plus la sonde est étroite, plus la réponse est rapide.

Un autre moyen d'obtenir une réponse plus rapide consiste à rapprocher le vaporisateur de l'analyseur à l'aide d'une boucle rapide de liquide. Dans le schéma ci-dessous, le régulateur est situé après le filtre à boucle rapide avec une seconde boucle de dérivation lente de liquide assurant qu'un bon débit de liquide continue jusqu'au régulateur de vaporisation. L'objectif est de minimiser le volume de liquide à déplacement lent allant vers un régulateur de vaporisation.

Faites les bons choix de régulateur pour réduire les retards

Un régulateur est un outil essentiel pour traiter les retards dans un système analytique. Plus la pression dans un système de gaz est faible, plus le temps de réponse est rapide. En général, plus tôt la pression peut être abaissée dans un système de gaz, mieux c'est. Dans les cas où un liquide est vaporisé, envisagez une boucle rapide de liquide pour maintenir le liquide en mouvement jusqu'au régulateur de vaporisation. La station de terrain est un endroit dans un système d'instrumentation analytique complexe où le délai peut être considérablement réduit, mais l'approche du délai doit toujours être globale. Pour réduire les délais, toutes les causes potentielles de retard dans le système doivent être examinées.

Si vous êtes aux prises avec des retards dans vos systèmes analytiques, en plus de suivre les conseils ci-dessus concernant la sélection du régulateur, vous pouvez vous tourner vers plusieurs autres sources d'aide. Nous proposons plusieurs cours de formation sur les systèmes d'échantillonnage dispensés par des experts en échantillonnage, nous proposons des sous-systèmes analytiques préfabriqués conçus selon les meilleures pratiques, et notre équipe d'ingénieurs sur le terrain peut également venir sur place pour vous aider à identifier et à résoudre les problèmes de vos systèmes analytiques. Pour en savoir plus ou pour démarrer une conversation sur la réduction des retards dans votre système d'analyse, cliquez sur le bouton ci-dessous.