Maîtriser les délais temporels en instrumentation analytique : mesure précise et atténuation

Comprendre et mesurer le délai temporel dans un système d'instrumentation analytique

Karim Mahraz

Le délai temporel dans les systèmes d'échantillonnage est la cause la plus commune de résultats inappropriés des analyseurs de processus. Les mesures de processus sont instantanées, mais les réponses des analyseurs ne le sont pas. Il y a toujours un délai du robinet à l'analyseur. Le potentiel de délai existe dans les sections suivantes d'un système d'instrumentation analytique (AI), exhibé dans l'image ci-dessous : ligne de processus, robinet et sonde, station de terrain, ligne de transport, système de conditionnement, système de commutation de flux, et analyseur.

Il est important de comprendre que le délai est cumulatif. Il consiste en la quantité totale de temps qu'il faut à un fluide pour voyager de la ligne de processus à l'analyseur, incluant le temps pour l'analyse finale. Par exemple, si le chromatographe prend 5 minutes pour analyser, ces 5 minutes doivent s'ajouter non seulement au délai dans le conditionnement et la commutation, mais aussi aux lignes de transport, station de terrain, robinet et sonde. Ce sous-total doit être ajouté au temps pour que le fluide voyage de l'unité surveillée au robinet. C'est le temps total de l'unité surveillée jusqu'à l'analyseur qui compte.

Malheureusement, le délai est souvent sous-estimé, non comptabilisé, ou mal compris. Dans de nombreux cas, il est invisible pour les spécialistes et techniciens, focalisés sur la rendre l'échantillon convenable. Les spécialistes peuvent supposer que la mesure est instantanée. Cependant, les systèmes échouent souvent à atteindre le standard d'une réponse d'une minute, créant ample opportunité de délai. Il est toujours préférable de minimiser le délai, même pour de longs cycles, mais les délais au-delà du standard ne sont pas nécessairement un problème. L'ingénieur de processus doit déterminer les délais acceptables basés sur la dynamique du processus.

Les délais deviennent un problème quand ils dépassent les attentes du concepteur. Une mauvaise estimation ou hypothèse erronée résultera en contrôle inférieur. Comprendre les causes et apprendre à calculer ou approximer un délai dans une marge raisonnable peut réduire le délai et améliorer la réactivité globale.

Placer lignes de processus, robinets, boucles rapides et lignes de transport pour une efficacité maximale

Pour réduire le délai, il est généralement préférable de localiser le robinet le plus près de l'analyseur, bien que ce ne soit pas toujours faisable. Le robinet devrait être en amont des sources de délai : fûts, réservoirs, jambes mortes, lignes stagnantes, équipements redondants/obsolètes (à éliminer pour améliorer le flux). Dans certains cas, l'emplacement ne peut être spécifié près de l'analyseur. Si le robinet est loin, une boucle rapide est recommandée pour livrer rapidement le fluide. Si bien conçue, le flux dans la boucle sera bien plus rapide que dans les lignes d'analyseur.

Réduire les pressions pour diminuer le délai temporel

Avec un gaz, une station de terrain réduit la pression dans les lignes de transport ou boucle rapide. Donné le même débit, le délai dans les lignes est réduit en proportion directe de la réduction de pression absolue. À moitié la pression, il y a la moitié du délai. La station devrait être aussi près que possible du robinet. Plus tôt la pression chute, mieux c'est.

Avec un échantillon liquide, une station régulatrice n'est pas employée. Il est préférable de maintenir les liquides à haute pression pour éviter les bulles. Quand un liquide est analysé comme gaz, un détendeur vaporisant peut être utilisé à la station. Cependant, cela causera un délai considérable. À mesure que le fluide passe de liquide à gaz, le volume augmente dramatiquement. Le taux dépend du poids moléculaire.

Typiquement, le débit de vapeur mesuré après le détendeur sera >300 fois le débit liquide avant. Par exemple, avec 500 cm³/min de vapeur, le débit liquide peut être < 2 cm³/min. Donc le liquide mettra 25 minutes pour traverser 3 mètres (10 pieds) de tubage 6 mm (1/4 pouce). Pour réduire ce temps, nous devons réduire le volume du tubage précédant le détendeur. Par exemple, avec seulement 30 cm (1 pied) de tubage 3 mm (1/8 pouce), il ne faudrait que 30 secondes. À ce temps, il faut ajouter le délai dans la sonde. Plus la sonde est étroite, plus la réponse est rapide.

Un autre moyen d'obtenir une réponse plus rapide est de placer le vaporiseur plus près de l'analyseur avec une boucle rapide liquide. Dans le diagramme, le détendeur est après le filtre de boucle rapide avec une seconde boucle lente assurant un flux positif jusqu'au vaporiseur. L'objectif : minimiser le volume de liquide lent vers le détendeur.

Commutation de flux

Pour éviter autant de délai que possible, les assemblages de commutation doivent fonctionner vite, purgeant rapidement l'ancien matériel tout en déplaçant le nouveau flux vers l'analyseur. Les configurations double-bloc-purge (DBB), disponibles en composants conventionnels ou designs miniatures modulaires, permettent de commuter avec jambes mortes minimales et sans contamination croisée de vannes fuyantes.

Une configuration DBB en cascade traditionnelle, vue ci-dessous, élimine les jambes mortes en utilisant une seconde vanne de blocage au lieu d'un té.

Avec un DBB en cascade, le chemin de flux doit être considéré car cela peut mener à chute de pression et flux plus lent. La chute peut être estimée via le Cv du produit, mesure de résistance au flux. Plus le Cv est bas, plus la chute est grande, résultant en débit plus bas.

Dans le DBB en cascade, le flux principal — Flux 1 — ne cause pas de chute excessive mais Flux 2, 3, etc. créent des chutes croissantes et un chemin plus long, résultant en temps de trajet progressifs plus longs. Résultat : temps de livraison incohérents, rendant difficile la définition de temps de purge constants.

La configuration DBB avec boucle de flux intégrée, montrée ci-dessous, offre tous les avantages du DBB en cascade tout en assurant une chute de pression minimale constante sur tous les flux. Le Cv pour chaque flux — et donc le temps de livraison — sera le même. Notez qu'un composant avec Cv 0,3 causera un tiers de la chute de pression d'un Cv 0,1.

Systèmes de conditionnement d'échantillon

Le système prépare l'échantillon pour analyse en le filtrant, assurant la bonne phase, et ajustant pression, débit, température. Pour ce faire dans un format compact, il utilise de nombreux composants relativement petits : manomètres, détendeurs, débitmètres à section variable, contrôleurs de débit, clapets, vannes de contrôle, vannes à boisseau. Fréquemment, des composants modulaires miniatures sont utilisés comme solution compacte pour espaces restreints. Ces composants à montage supérieur sont fabriqués selon la norme ANSI/ISA 76.00.02, selon l'initiative NeSSI. Comme pour les vannes de commutation, le volume interne n'est pas aussi important que la chute de pression. En choisissant, comparez le Cv fourni par le fabricant.

D'autres composants, comme filtres, pots de knockout, filtres coalescents, peuvent causer un délai significatif car ils permettent aux échantillons entrants de mélanger avec les anciens. Améliorez le délai en vidant un filtre ou pot pour que 95% de l'ancien échantillon soit parti. Malheureusement, cela requiert trois fois le volume du composant. En supposant entrée/sortie adjacentes, comme dans le diagramme.

Considérez un filtre avec entrée/sortie configurées comme le diagramme. Si le débit est 100 cm³/min et le volume 100 cm³, il prendra 3 minutes pour assurer que 95% de l'ancien échantillon est évacué. Donc 3 minutes doivent être ajoutées au calcul de délai pour ce système. Ces formules s'appliquent aussi aux volumes de mélange dans la ligne de processus.

Analyseur

Généralement, un chromatographe prend 5 à 10 minutes pour analyser. Les analyseurs infrarouge et ultraviolet sont bien plus rapides, complétant en secondes. Un spécialiste devrait connaître le temps requis pour son analyseur. Ce temps s'ajoutera aux estimations ci-dessus pour le délai total du robinet à l'analyseur.

En conclusion

Le délai total calculé avec ces outils devrait fournir une estimation dans une marge raisonnable. Rappelez-vous que c'est le temps total du processus surveillé à l'analyseur qui compte, et que tous les composants composant ce délai doivent être ajoutés. Le délai mérite l'attention du spécialiste. Des hypothèses incorrectes, particulièrement sur les points problématiques typiques comme la sonde ou un détendeur vaporisant, mineront tout le travail et rendront l'analyseur inefficace. Les spécialistes, en collaboration avec leur fournisseur ou consultant, peuvent améliorer les délais par des choix intelligents de composants et configurations : emplacement du robinet, configuration boucle rapide, diamètres de tubage, configurations de commutation.