Les 8 principaux défis de précision des analyseurs de process et comment les surmonter

Systèmes d'échantillonnage : 8 défis courants affectant la précision des analyseurs de process

Tony Waters, expert en systèmes d'échantillonnage et instructeur

Les systèmes d'échantillonnage figurent parmi les systèmes les plus complexes d'une usine. Ils comportent de nombreux composants et processus qui doivent fonctionner de concert pour produire une lecture analytique des conditions du flux de process. Cette lecture doit être à la fois précise et opportune, car ce résultat important servira à atteindre les objectifs de contrôle de l'usine. Pourtant, les ingénieurs et techniciens d'une usine savent qu'un système d'échantillonnage peut être capricieux. Chaque élément du système a le potentiel d'affecter la précision de l'analyseur de process. Pour aider votre équipe à améliorer la fiabilité de l'analyseur, les ingénieurs terrain de Swagelok ont identifié huit défis courants impactant la précision d'un système.

Impact sur la précision de l'analyseur

Les erreurs de conception dans les systèmes d'échantillonnage peuvent menacer l'intégrité de l'échantillon en affectant les éléments suivants :

• Représentativité : Les défauts de conception peuvent conduire à un échantillon qui ne représente pas fidèlement le process, voire à une distorsion de la composition chimique du fluide de process d'une manière imprévisible ou non intentionnelle. Le système nécessite un échantillon représentatif pour garantir que la mesure répond aux objectifs de contrôle.
• Rapidité : Si un délai excessif se produit entre la capture d'un échantillon et l'obtention d'une lecture de l'analyseur, une usine risque de perdre du produit ou d'engager des coûts de retraitement coûteux pour corriger une erreur de production. Un temps de réponse standard dans l'industrie est d'une minute.
• Compatibilité : Si la température, la pression, le débit et/ou l'état ne correspondent pas aux exigences de l'analyseur de process, l'échantillon peut endommager l'analyseur ou compromettre sa précision. De plus, des résultats d'analyse précis contribuent à maintenir un environnement d'usine sûr en signalant des conditions d'exploitation potentiellement dangereuses.

Identifier et résoudre les défis courants

Défi 1 : Emplacements de prélèvement inappropriés

Le choix d'un emplacement de prélèvement peut être une décision nuancée. L'un des objectifs est d'éviter le délai temporel. Si le prélèvement se trouve sur une section à faible débit du tuyau de process, il faudra plus de temps pour que tout changement dans les produits chimiques du process apparaisse dans un résultat analytique. Les volumes de mélange, tels qu'un fond de tour, un réservoir ou une cuve, constituent également une grande source de délai. De plus, les concepteurs de systèmes devraient choisir un emplacement où l'échantillon sera bien mélangé, par exemple en aval de la turbulence induite par un refoulement de pompe, un orifice de débit ou un coude de tuyauterie.

Défi 2 : Mauvaise utilisation de la sonde

Lorsqu'on utilise une sonde pour capturer un échantillon, elle devrait idéalement être assez longue pour atteindre le tiers central du tuyau de process, afin de prélever un échantillon représentatif. Vous obtiendrez également un résultat plus rapide près du centre du tuyau de process car le débit y est plus rapide. Cependant, vous devez toujours calculer la longueur maximale admissible pour vous assurer que votre sonde ne subira pas de vibrations de résonance. Parfois, il suffit d'obtenir seulement 15 % d'insertion dans le diamètre du tuyau. La sonde ne doit pas être plus large que nécessaire car les gros volumes entraînent un délai temporel. Si l'on utilise uniquement une buse, sans sonde, le système aura probablement un volume beaucoup plus important, entraînant un délai significatif.

Défi 3 : Conceptions de station de terrain incorrectes

Avec un échantillon gazeux, les concepteurs de systèmes voudront réduire la pression le plus tôt possible (à 0,7-1 bar, voire 0,35 bar si la conception du système le permet). Les gaz à haute pression se déplacent plus lentement car les molécules sont densément compactées, ce qui entraîne un délai temporel. De plus, une basse pression réduit le risque de condensation, ce qu'il faut éviter car elle n'est pas compatible avec de nombreux analyseurs de process gazeux et compromet la représentativité de l'échantillon. Une autre raison de maintenir une basse pression est la sécurité des opérateurs et techniciens.

Un détendeur à la station de terrain réduit la pression dans l'échantillon, lui permettant de s'écouler plus rapidement vers l'analyseur.

Défi 4 : Omettre une boucle rapide

Lors de la vaporisation d'un échantillon liquide, votre système d'échantillonnage peut avoir besoin d'une boucle rapide ou d'un bypass en amont du détendeur vaporisateur. Sinon, l'échantillon liquide peut s'écouler trop lentement, entraînant un délai temporel car un petit volume de liquide produira un grand volume de gaz. Sans boucle rapide, il peut y avoir plus de 100 mL de volume liquide à déplacement lent en amont du régulateur, ce qui pourrait entraîner plusieurs heures de délai temporel.

Défi 5 : Jambes mortes

Les jambes mortes compromettent la représentativité d'un échantillon en stockant d'anciennes molécules d'échantillon et en les libérant lentement dans le nouvel échantillon. Tout té ou croix dans la ligne d'échantillon est une jambe morte, à moins que tous ses ports ne soient en écoulement. Parmi les exemples, on trouve les jauges ou interrupteurs, les soupapes de sécurité ou les points de prélèvement pour laboratoire. Les jambes mortes sont plus susceptibles de compromettre un résultat analytique lorsque vous passez à un flux à faible concentration depuis un flux à haute concentration. Les jambes mortes sont également plus susceptibles de poser problème à faible débit. Les jambes mortes sur une ligne directe vers l'analyseur doivent être déplacées ou supprimées.

Défi 6 : Contamination croisée des flux

Un seul robinet à trois voies n'est pas une barrière suffisante entre le fluide d'étalonnage et l'échantillon. Avec cet arrangement, le fluide d'étalonnage peut fuir au travers du siège du robinet et contaminer l'échantillon – ou, plus probablement, l'échantillon du flux de process pourrait fuir dans le fluide d'étalonnage. Les deux scénarios fausseront l'analyse. Une meilleure configuration est un dispositif à double blocage et purge, qui garantit que toute fuite depuis un port bloqué ira vers une ligne de purge ou d'évent et non dans l'échantillon.

Défi 7 : Température et pression inappropriées

Méfiez-vous des changements de phase dans vos échantillons, car vous voulez empêcher un changement de phase partiel. Les échantillons à phases mixtes ne sont pas représentatifs et ne sont probablement pas compatibles avec votre analyseur. Il n'est pas difficile de déterminer si votre échantillon change de phase. Un logiciel peut produire un diagramme de phase pour la composition chimique de votre système. En règle générale, vous voulez maintenir les échantillons gazeux au-dessus du point de rosée (pour qu'ils ne se condensent pas) et les échantillons liquides en dessous de leur point de bulle (pour que les composants plus légers ne s'évaporent pas). Si vous chauffez votre ligne, vous devez la chauffer entièrement car même quelques centimètres de ligne non chauffée suffisent à abaisser la température et provoquer de la condensation. Visez à maintenir les gaz environ 20 °C au-dessus du point de rosée.

Défi 8 : Conditionnement d'échantillon inadéquat

Dans un système de conditionnement d'échantillon, vous voulez éliminer les liquides d'un échantillon gazeux car ils peuvent endommager votre analyseur de process et compromettre votre résultat analytique. Vous pouvez éliminer les grosses gouttelettes dans un échantillon gazeux par gravité (via un pot de décantation ou un tube de fallback) ou par inertie (via un séparateur cinétique ou un cyclone). Mais les très fines gouttelettes en suspension sous forme d'aérosol nécessitent un coalesceur. Cependant, il est important de comprendre que les coalesceurs ne filtrent pas les grosses gouttelettes. De plus, si le débit est trop élevé, les gouttelettes plus fines seront poussées à travers les éléments du coalesceur et ne s'égoutteront pas comme elles le devraient. Enfin, lorsque votre échantillon quitte le coalesceur, il sera saturé – près du point de rosée et proche de se condenser à nouveau. Il est utile de s'éloigner du point de rosée en augmentant la température ou en abaissant la pression. Vous pouvez créer une chute de pression avec un robinet-à-aiguille.

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