8 problèmes de précision courants avec les analyseurs de process

Systèmes d'échantillonnage : 8 problèmes de précision courants avec les analyseurs de process

Tony Waters, spécialiste des systèmes d'échantillonnage et formateur

Les systèmes d’échantillonnage font partie des systèmes les plus complexes dans une installation industrielle. Plusieurs processus sont à l’œuvre dans ces systèmes constitués de nombreux composants pour produire une mesure représentative du produit acheminé dans la ligne de process. Cette mesure doit être à la fois précise et rapide, car ce résultat important sera utilisé pour atteindre les objectifs de contrôle d'une installation. Les ingénieurs et les techniciens savent cependant qu'un système d'échantillonnage peut être capricieux. Chaque élément du système peut avoir une incidence sur la précision de l'analyseur. Pour aider votre équipe à améliorer la fiabilité d’un analyseur, des ingénieurs de projet de Swagelok ont recensé huit problèmes courants qui ont incidence la précision d'un système.

Incidence sur la précision de l’analyseur

Des erreurs dans la conception des systèmes d'échantillonnage peuvent nuire à l’intégrité de l’échantillon de par l'incidence qu'ils ont sur :

• La représentativité : des défauts de conception peuvent aboutir à un échantillon non représentatif du process, voire entraîner une modification imprévue ou involontaire de la composition chimique de l’échantillon par rapport au fluide du process. Pour qu’une mesure réponde aux objectifs de contrôle, l’échantillon doit impérativement être représentatif.
• La rapidité d'exécution : un délai excessif entre le moment du prélèvement et l’obtention de la mesure peut occasionner des pertes de produit ou un retraitement coûteux pour corriger une erreur de production. La norme en la matière est de l’ordre d’une minute.
• La compatibilité : si la température, la pression, le débit et et/ou l’état physique de l’échantillon ne correspondent pas aux spécifications de l’analyseur, l’échantillon peut nuire à la précision des mesures voire endommager l’analyseur. Par ailleurs, des résultats précis aident à préserver la sécurité du site en signalant des conditions d’exploitation potentiellement dangereuses.

Détection et résolution des problèmes courants

Problème nº 1 : emplacement inadapté du point de prélèvement

Choisir l’emplacement d’un point de prélèvement demande une certaine réflexion. Un des objectifs est d’éviter un temps de réponse trop long. Si vous placez le robinet sur un tronçon à faible débit de la ligne de process, vous devrez attendre plus longtemps pour qu'une modification dans la composition chimique du fluide apparaisse dans les résultats de l’analyse. Les volumes de mélange – base d’une tour, réservoir, cuve – tendent également à accroître le temps de réponse. Par ailleurs, les concepteurs de systèmes doivent choisir un emplacement où l’échantillon sera bien mélangé, comme en aval d’une turbulence induite par le refoulement d’une pompe, d’un orifice d'écoulement ou d’une conduite coudée.

Problème nº 2 : sonde mal utilisée

Lorsque vous utilisez une sonde pour prélever un échantillon, celle-ci doit idéalement être assez longue pour atteindre le deuxième tiers de la ligne de process, de manière extraire un échantillon représentatif. De plus, vous obtiendrez un résultat plus rapidement si l’échantillon est prélevé près du centre de la ligne de process, car le débit est plus élevé à cet endroit. Cependant, vous devez toujours calculer la longueur maximale admissible de la sonde afin de vous assurer que celle-ci ne subira pas des vibrations en résonance. Parfois, il suffit d’introduire la sonde sur 15 % seulement du diamètre de la conduite. La sonde ne doit pas être plus large que nécessaire, car de gros volumes augmentent le temps de réponse. Si vous vous contentez d’utiliser un ajutage, sans la sonde, le volume du système sera probablement plus important, ce qui aura pour effet d’augmenter considérablement le temps de réponse.

Problème nº 3 : conception incorrecte de la station de mesure

Si le fluide est un gaz, les concepteurs de systèmes voudront abaisser la pression de l’échantillon dès que possible (jusqu'à 10–15 psig voire 5 psig si le système le permet). Un gaz dont la pression est élevée se déplace plus lentement parce que ses molécules sont plus proches les unes des autres, d’où un temps de réponse plus long. Une pression basse réduit en outre le risque de condensation, un phénomène que l'on veut éviter, d’une part, parce que les liquides sont incompatibles avec de nombreux analyseurs de gaz, et d’autre part, parce que la représentativité de l’échantillon est alors compromise. La sécurité pour les opérateurs et les techniciens est autre raison qui justifie de maintenir l’échantillon à basse pression.

Le détendeur d’une station de mesure réduit la pression de l’échantillon, ce qui permet à celui-ci de s’écouler plus rapidement vers l’analyseur.

Problème nº 4 : omettre d’installer une boucle rapide

Lorsqu’un échantillon liquide est vaporisé, le système d’échantillonnage peut nécessiter l'installation d’une boucle rapide ou d’une dérivation en amont du détendeur vaporiseur. L’échantillon liquide risque sinon de d’écouler trop lentement, d’où une augmentation du temps de réponse, parce qu’un petit volume de liquide produira un volume de gaz important. Sans boucle rapide, ce sont plus de 100 mL de liquide qui pourront s’écouler lentement en amont du détendeur, avec pour conséquence possible un temps de réponse de plusieurs heures.

Problème nº 5 : les bras morts

Les bras morts nuisent à la représentativité d’un échantillon dans la mesure où ils retiennent des molécules issues d’un ancien échantillon, qu'ils vont ensuite libérer lentement dans un nouvel échantillon. Tout raccord en té ou en croix dans une ligne d'échantillonnage constitue un bras mort potentiel, sauf si le fluide s’écoule par tous ses orifices. On les trouvera, par exemple, au niveau des manomètres, des aiguillages, des soupapes ou des prises d'échantillonnage. La probabilité de voir un bas mort compromettre le résultat d’une analyse est plus élevée lorsqu’il y a commutation d’une ligne à forte concentration dans une ligne à faible concentration. Le risque qu’un bras mort pose problème est également plus important lorsque le débit est faible. Tout bras mort situé sur une ligne menant directement à l’analyseur doit être déplacé ou supprimé.

Problème nº 6 : contamination croisée des lignes

Une simple vanne à trois voies ne constitue pas une barrière suffisante entre le fluide d’étalonnage et l’échantillon. Avec un tel dispositif, le fluide d’étalonnage peut contaminer l’échantillon en passant à travers le siège de la vanne – ou, plus vraisemblablement, c’est l’échantillon qui passera dans le fluide d’étalonnage. Dans un cas comme dans l’autre, le résultat de l’analyse ne sera pas valide. Une meilleure configuration consiste à utiliser une vanne double arrêt et purge. Ainsi, tout fluide passant à travers un orifice fermé sera évacué dans une ligne de purge ou de mise à l’air libre et non dans celle où circule l’échantillon.

Problème nº 7 : température et pression inadaptées

Prenez garde aux changements d’état de vos échantillons, un phénomène que vous voulez absolument éviter. Un échantillon à la fois liquide et gazeux n’est pas représentatif et ne sera sans doute pas compatible avec votre analyseur. Il n’est pas difficile de déterminer si votre échantillon a subi un changement d’état. Un logiciel permet d’obtenir le diagramme de phase du fluide de votre système. En règle générale, on cherche à maintenir les échantillons gazeux à une température supérieure au point de rosée (afin qu'ils ne se condensent pas) et les échantillons liquides à une température inférieure au point de bulle (afin d’éviter l’ébullition des composants les moins denses). Si vous chauffez votre ligne, vous devez la chauffer sur toute sa longueur, car quelques centimètres non chauffés suffisent pour abaisser la température et provoquer une condensation. Veillez autant que possible à maintenir les gaz à une température supérieure d’environ 20°C à leur point de rosée.

Problème nº 8 : mauvais conditionnement de l’échantillon

Dans un système de conditionnement, vous chercherez à supprimer les liquides d’un échantillon de gaz car ceux-ci pourraient endommager votre analyseur et nuire aux résultats de l’analyse. Il est possible de supprimer de grosses gouttelettes dans un échantillon de gaz par gravité (au moyen d’un séparateur instantané ou d’un tube de récupération) ou par inertie (au moyen d’un séparateur cinétique ou centrifuge). Les très fines gouttelettes en suspension (aérosol) nécessitent quant à elles un coalesceur. Il est toutefois important de comprendre que coalesceurs ne filtrent pas les gouttelettes de grande taille. De plus, si le débit est trop élevé, les gouttelettes les plus fines vont traverser les éléments filtrants du coalesceur, au lieu d’être extraites du gaz comme il se devrait. Au bout du compte, l’échantillon sort du coalesceur saturé, proche de son point de rosée et susceptible de se condenser à nouveau. Il est donc utile de faire en sorte que l’échantillon s’éloigne de son point de rosée en élevant la température ou en abaissant la pression. Il est possible de créer une chute de pression avec une vanne à pointeau.

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