Maîtriser l'étalonnage de l'analyseur pour des mesures de processus fiables

Comment étalonner un analyseur dans un système d'instrumentation analytique

Tony Waters, Expert en Systèmes d'Échantillonnage et Instructeur

Dans de nombreux systèmes d'instrumentation analytique, l'analyseur de processus ne fournit pas une mesure absolue. Il fournit plutôt une réponse relative basée sur des réglages établis lors de l'étalonnage — un processus critique sujet à erreur significative. Pour étalonner un analyseur, un fluide d'étalonnage de contenu et quantités connus est passé à travers, produisant des mesures de concentration. Si ces mesures ne sont pas cohérentes avec les quantités connues, l'analyseur est ajusté. Plus tard, quand des échantillons de processus sont analysés, la précision de la lecture dépendra de la précision de l'étalonnage.

Il est impératif de comprendre comment l'erreur ou contamination peut être introduite par l'étalonnage ; quand l'étalonnage peut — et ne peut pas — adresser un problème de performance perçu ; comment les fluctuations de pression atmosphérique ou température peuvent défaire le travail d'étalonnage ; et quand et quand ne pas étalonner.

Conception du système

Un problème courant dans l'étalonnage est une conception inadéquate du système de sélection. Dans de nombreux cas, le fluide d'étalonnage est introduit en aval du système de sélection de flux sans les bénéfices d'une configuration double bloc et purge (DBB) démontrée en Figure 1. Un meilleur endroit serait à travers le système de sélection de flux d'échantillon, comme en Figure 2. Le but d'un système de sélection est de permettre le remplacement rapide des flux sans risque de contamination croisée. Dans les Figures 1 et 2, chaque flux est équipé de deux vannes de blocage et une vanne de purge pour garantir qu'un seul flux — et un seul — atteint l'analyseur à la fois.

Au fil des ans, les systèmes de sélection ont évolué des configurations DBB conventionnelles vers des systèmes modulaires miniaturisés. Les plus efficaces offrent des temps de purge rapides, basses pressions d'actionnement, caractéristiques de sécurité améliorées, avec haute capacité de débit et chute de pression constante d'un flux à l'autre pour un temps de livraison prévisible.

Un système de sélection offre la meilleure assurance contre la fuite de fluide d'étalonnage dans un flux d'échantillon. Néanmoins, certains techniciens contournent cet assemblage et placent le fluide d'étalonnage aussi près que possible de l'analyseur pour le conserver. Si seule une vanne à boisseau est utilisée, comme en Figure 1, la tentative de conserver le gaz d'étalonnage peut résulter en lectures biaisées. L'analyseur peut être correctement étalonné, mais il y a toujours le risque qu'une petite quantité fuie dans le flux et fausse les mesures.

Figure 1. Dans cette configuration, le gaz d'étalonnage est introduit en aval du système de sélection sans les bénéfices d'un assemblage DBB.

Figure 2. Comme montré, le gaz d'étalonnage est mieux introduit à travers le système de sélection, où un assemblage DBB protège contre le risque de contamination.

Dans certaines applications, l'EPA américaine exige que le fluide d'étalonnage soit introduit tôt dans le système, généralement près de la sonde. Le raisonnement : le fluide devrait subir les mêmes variables que le flux d'échantillon. Cela a du sens, car cela donne une estimation équitable du temps pour qu'un échantillon voyage de la sonde à l'analyseur. Généralement, cette période est souvent sous-estimée ou inconnue.

Cependant, une quantité relativement grande de fluide d'étalonnage est requise s'il doit traverser tout le système. Il n'est pas surprenant que de nombreuses installations ne puissent pas utiliser cette option. Un bon compromis est de faire passer le fluide à travers le système de sélection, dédiant un flux au fluide. Cette configuration donne au fluide la meilleure chance d'atteindre l'analyseur sans être contaminé par les flux d'échantillon. Quand non utilisé, les deux vannes de blocage empêcheront le fluide de contaminer les flux. Avec les plateformes modulaires miniatures, la quantité requise sera minime. 

Limitations de l'étalonnage

Pour étalonner efficacement un analyseur, l'opérateur, technicien ou ingénieur devrait comprendre, théoriquement, ce qu'est l'étalonnage, ce qu'il peut corriger, et ce qu'il ne peut pas.

Un analyseur doit être précis. Il doit donner des résultats répétables face à une quantité connue sous forme de fluide d'étalonnage. S'il ne retourne pas des résultats répétables, soit l'analyseur dysfonctionne, soit le système ne maintient pas l'échantillon à conditions constantes. L'étalonnage ne peut pas corriger l'imprécision.

Si l'analyseur produit des résultats cohérents mais différents de la composition connue du fluide, il est dit inexact. Cela peut et doit être adressé par l'étalonnage. C'est ce qu'on appelle corriger le biais.

Cependant, même si l'analyseur est précis et exact testé avec des fluides d'étalonnage, il peut encore donner des résultats inexacts sur le flux d'échantillon. Si on lui demande de compter des molécules rouges et qu'il rencontre des roses, que fait-il ? Les roses ressemblent à des rouges, il les compte comme rouges, gonflant le compte. C'est ce qu'on appelle interférence positive. Ex: dans un système comptant le propane, du propylène peut apparaître. L'analyseur peut le compter comme propane s'il n'était pas configuré pour distinguer les deux.

Aucun analyseur n'est parfait, mais tous sont construits pour la sélectivité. Certains sont plus complexes et programmés pour inhiber chimiquement certains types d'interférence. Ex: un analyseur de carbone organique total (TOC) mesure le carbone dans les eaux usées pour détecter l'élimination inappropriée d'hydrocarbures. Pour ce faire, il élimine une source d'interférence positive — les carbones inorganiques, comme le calcaire — présents dans l'eau dure. Sans cette étape, il mesurerait carbones organiques et inorganiques, confondant hydrocarbures et eau dure.

Un autre type est l'interférence négative : une molécule qui devrait être comptée ne l'est pas car une autre la cache. Ex: dans l'eau fluorée, une électrode analyse le fluorure. Mais les ions hydrogène, communs dans l'eau, cachent le fluorure, sous-estimant le compte. L'analyseur peut lire 1 ppm (dose standard) mais l'eau contient 10 ppm. La solution : éliminer la source. En introduisant une solution tampon, les ions hydrogène sont éliminés, et l'électrode mesure précisément le fluorure.

Avec la compréhension des interférences positive/négative, précision/exactitude, nous commençons à saisir les défis pour obtenir les résultats désirés. Il y a une hypothèse facile : si l'analyseur ne produit pas le résultat désiré, l'étalonnage est la réponse. Mais comme vu, l'étalonnage a ses limites et ne peut pas tout résoudre.

Contrôler les changements atmosphériques dans les analyseurs gaz

Les analyseurs gaz sont essentiellement des compteurs de molécules. Quand étalonnés, une concentration connue est introduite, et la sortie est vérifiée pour s'assurer qu'il compte correctement. Mais que se passe-t-il quand la pression atmosphérique change de 5 à 10% comme dans certains climats ? Le nombre de molécules dans un volume donné variera avec le changement de pression, et le compte final de l'analyseur changera.

Il y a une idée reçue que la pression atmosphérique est constante à 1,013 bar (14,7 psia), mais elle peut fluctuer jusqu'à 0,07 bar (1 psi) selon la météo. Pour que l'étalonnage soit efficace, la pression absolue dans le système pendant l'étalonnage et l'analyse doit être la même. La pression absolue = pression jauge + pression atmosphérique.

Si la pression est si critique, comment la contrôler ? Certains analyseurs, surtout infrarouge et ultraviolet, laissent la pression affecter la lecture mais la corrigent ensuite électroniquement. Cependant, beaucoup, y compris de nombreux chromatographes, ne corrigent pas les fluctuations. En fait, la plupart ne corrigent pas et beaucoup ignorent. Certains pensent que les fluctuations ne sont pas significatives. D'autres maintiennent qu'elles sont compensées par d'autres variables. Néanmoins, elles peuvent être significatives. Supposons qu'à l'étalonnage la pression est X, mais plus tard à l'injection elle est X + 0,07 bar (1 psi). La réponse peut être jusqu'à 7% erronée.

Avec les réglementations, la plupart des systèmes évacuent vers torches ou points de retour. Comme les fluctuations de pression de ces destinations affectent la pression en amont, il existe des systèmes de ventilation avec éducteurs et détendeurs pour les contrôler. Malheureusement, ces systèmes utilisent des détendeurs référencés à l'atmosphère. Résultat : ils contrôlent les fluctuations du vent, mais pas celles de la pression atmosphérique.

Pour contrôler les fluctuations atmosphériques ET de vent, un détendeur de pression absolue est requis. Contrairement à un détendeur normal, il ne compare pas la pression interne à la pression externe (qui fluctue avec la météo). Il compare à une pression de consigne constante qui ne fluctue pas (ou très peu). Souvent, cette consigne est 0 bar absolu (0 psia).

Validation versus étalonnage

La meilleure méthode est celle qui emploie un système automatisé de validation régulière, avec interprétation statistique. La validation vérifie l'analyseur à intervalles réguliers pour déterminer s'il est dans ou hors cible. Dans la validation, une lecture est prise et enregistrée. C'est le même processus que l'étalonnage, sauf qu'aucune correction n'est faite.

Un système automatisé effectuera une validation à intervalles réguliers, généralement une fois par jour, et analysera le résultat pour tout problème nécessitant un ajustement ou réétalonnage. Le système permettra les hauts et bas inévitables, mais s'il observe une dérive cohérente — qui ne se corrige pas — il alertera l'opérateur.

Une personne peut valider manuellement comme un système automatisé, mais souvent elle fera aussi un ajustement, même si le système n'est qu'à 1% près. Le résultat est une série d'ajustements mineurs occasionnels qui introduisent une variance additionnelle et rendent difficile l'analyse des tendances et la détermination quand le système dérive vraiment. Il est préférable de laisser un système automatisé tourner sans surveillance jusqu'à ce qu'une analyse statistique suggère qu'une attention est requise.

Conclusion

L'étalonnage est un processus important et une exigence absolue dans les systèmes analytiques, mais il faut prendre soin de l'effectuer correctement. L'opérateur devrait comprendre comment introduire le gaz d'étalonnage et contrôler les fluctuations atmosphériques. De plus, comprendre les limites — quels problèmes il peut adresser et lesquels non — et comment les ajustements fréquents basés sur des étalonnages uniques introduisent de l'erreur. Si l'analyseur est régulièrement validé par un système automatisé et correctement étalonné quand une analyse statistique le justifie, l'étalonnage fonctionnera comme il se doit, et fournira un service important pour permettre des mesures précises.