Рекомендации по обеспечению репрезентативности проб в аналитической контрольно-измерительной системе

Рекомендации по обеспечению репрезентативности проб в аналитической контрольно-измерительной системе

Задача аналитической контрольно-измерительной (AI) системы — своевременно предоставить результат анализа, отражающий состояние среды в технологической линии в момент забора пробы. Если конструкция контрольно-измерительной системы ведёт к изменению состояния пробы, то полученные результаты анализа будут искажены, проба не будет репрезентативной и в итоге проделанная работа будет бессмысленна. Даже если забор пробы в точке отбора произведён правильно, она все равно может стать нерепрезентативной в следующих случаях:

• Мёртвый объём (застойная зона) образуется в неподходящих местах системы подачи образца и приводит к образованию «постоянной утечки» — попаданию молекул старой пробы в новую.
• Вследствие загрязнения или адсорбции проба видоизменяется.
• Нарушается химический состав из-за частичной смены фаз.
• В пробе происходит химическая реакция.

Что такое мёртвый объём

Важно понимать разницу между смешивающимся объёмом и мёртвым объёмом. Смешивающийся объём — это емкость с раздельным входом и выходом, например фильтр или сборник конденсата. Среда, зачастую медленно, протекает через смешивающийся объём. Мёртвый объём, в свою очередь, обычно представлен тройником с тупиком на конце, чтобы остановить протекание среды (см. рис. 1).

Рис. 1. При таком расположении застойной зоны старая проба, удерживаемая в тройнике, протекает в основной поток среды, загрязняя новую пробу.

Застойными зонами являются, например, манометры давления, датчики, лабораторные пробоотборные клапаны и предохранительные клапаны. Можно рассчитать скорость вытеснения старой пробы в смешивающемся объёме, но не в мёртвом объёме. В мёртвом объёме задерживается старая проба, в результате чего ее небольшой объем смешивается с новой пробой, загрязняя последнюю.

Со временем застойная зона может очиститься без внешнего вмешательства, но этого может и не произойти. Предсказать это невозможно. Как правило, застойные зоны представляют тем большую сложность, чем больше отношение их длины к диаметру. Кроме того, сниженный расход в аналитической линии увеличивает степень «эффекта мёртвого объёма». Манометр с мёртвым объёмом, равным 10 см³ может не оказать большого влияния при высоком расходе, но если расход небольшой (например, 30 см³/мин) и оборудование расположено в неподходящем месте, это может свести на нет весь процесс.

Ниже представлены общие рекомендации, касающиеся мёртвого объёма:

• По возможности поддерживать высокий расход.
• Располагать компоненты системы так, чтобы застойных зон было минимальное количество или не было вообще.
• При монтаже компонента обеспечить минимизацию длины застойной зоны посредством торцевого соединения.
• Выводить мёртвый объём в обводную петлю, чтобы на ведущей в анализатор прямой линии с активным потоком располагалось минимальное количество застойных зон.
• Заменить тройники и 2-ходовые шаровые краны 3-ходовыми шаровыми кранами.

Рис. 2. В данной конфигурации из-за пяти застойных зон высока вероятность загрязнения пробы.

Рис. 3. Вариант рис. 2. Реализованы конструктивные усовершенствования: застойные зоны устранены или перемещены туда, где они не окажут влияния на показания анализатора.

Почти во всех системах подачи образца застойные зоны можно расположить так, чтобы большинство из них находилось не на прямой линии с активным потоком в направлении анализатора. Если поместить оборудование, в котором образуется мёртвый объём, в обводную петлю, оно всё равно сможет выполнять свою задачу. Обводная петля (быстрая петля) — это конструкция, позволяющая обеспечить относительно высокий расход в замкнутом контуре с возвратом потока в технологическую линию. В одном месте петли часть потока направляется в анализатор. На рис. 2 показана система с пятью застойными зонами. На рис. 3 показан усовершенствованный вариант такой конструкции:

• Два манометра вынесены в обводную петлю.
• Один манометр полностью убрали.
• Место впуска калибровочного газа перенесено в систему переключения потоков.
• Место отбора лабораторных проб перенесено в обводную петлю, начинающуюся у фильтра

Если несколько потоков среды подаются на один анализатор через систему переключения потоков, компоненты с застойными зонами следует по возможности располагать перед системой переключения потоков в обводной или возвратной петле, чтобы минимизировать вероятность перекрестного загрязнения потоков. Это относится и к компонентам с большой площадью поверхности (фильтры) или компонентам, выполненным из материалов с высокой проницаемостью, например эластомеров. Например, вместо монтажа одного фильтра после системы переключения потоков лучше приобрести несколько фильтров и установить их перед этой системой, по одному на каждую линию. Точно так же не рекомендуется располагать отверстие отбора лабораторных проб с тройником и быстроразъемным соединением после системы переключения потоков, поскольку тройник представляет собой застойную зону, способную привести к перекрестному загрязнению потоков.

Рис. 4. Отверстия отбора лабораторных проб с быстроразъемными соединениями расположены в обводных петлях перед системой переключения потоков.Так они не образуют застойные зоны в линии протекания потоков проб.

В идеальной конфигурации (см. рис. 4) отверстие отбора лабораторных проб расположено в обводной петле (по одной обводной петле на каждую линию пробы) перед системой переключения потоков. Отверстие для отбора лабораторных проб, манометры и прочие застойные зоны можно расположить в обводной петле ниже точки отведения потока на анализатор. Дополнительным преимуществом такой конфигурации является сохранение свежести пробы: пока один поток направляется в анализатор, другие потоки продолжают протекать по соответствующим обводным линиям. К компонентам, которые можно безопасно расположить после системы переключения потоков, относятся некоторые первоклассные регуляторы, отсечные клапаны, обратные клапаны и расходомеры. Если пробы жидкие и падение давления в анализаторе минимально, компоненты с застойными зонами, например манометры, можно расположить после анализатора.

Конфигурация узла двойного отсечения со сбросом (DBB), состоящая из двух отсечных клапанов и спускного клапана, направленного в дренаж, представляет собой общепризнанный стандарт отрасли, и по очень веской причине —она защищает от взаимного загрязнения потоков среды. Эту конфигурацию следует применять в случаях, когда необходим непроницаемый барьер между двумя потоками среды. DBB-конфигурация — это основа всех систем переключения потоков. 

Помимо расположения компонентов, при проектировании системы подачи образца важную роль играет выбор компонентов. Различие между компонентами состоит в объеме застойных зон внутри. Проектировщик системы должен изучить чертежи в разрезе и выявить застойные зоны. Поток сквозь клапан или узел из компонентов должен быть плавным, без резких изменений направления, которые могут вызвать падение давления.

Утечки и просачивание

Утечки и просачивание происходят в направлении более низкого парциального давления. Чтобы выяснить, станут ли утечки или просачивание проблемой в системе, следует установить состав пробы и ее абсолютное давление и повторить процедуру с окружающей систему атмосферой. Исходя из этих данных определяется парциальное давление. Например, если среда в системе состоит на 100 % из азота под давлением 100 фунтов на кв. дюйм, абс., то парциальное давление азота составит 100 фунтов на кв. дюйм, абс. Если упрощенно принять состав атмосферы как 80 % азота и 20 % кислорода при ее давлении 15 фунтов на кв. дюйм, абс., то парциальное давление азота составит 12 фунтов на кв. дюйм, абс., а кислорода — 3 фунта на кв. дюйм, абс. При таких условиях кислород будет проникать внутрь системы, а азот — наружу. Даже если увеличить давление в системе до 200, 1000 фунтов на кв. дюйм, абс., или выше, кислород из атмосферы будет по-прежнему проникать внутрь, поскольку его парциальное давление снаружи системы выше, чем внутри нее.

Просачивание не всегда представляет собой проблему. В зависимости от условий, попаданием небольшого количества кислорода в пробу иногда можно пренебречь. Если просачивание представляет собой потенциальную проблему, разработчик системы должен отказаться от применения уплотнительных колец, эластомеров и PTFE, по возможности используя вместо этого нержавеющую сталь и уплотнения типа металл-металл. Либо можно поместить систему подготовки проб или другие компоненты в емкость, продутую азотом.

Конструктивные исполнения некоторых пневмоклапанов допускают утечки или проникновение воздуха пневмопривода в пробу. Привод клапана может быть неотъемлемой частью его конструкции, как в миниатюрных модульных клапанах. Другими словами, корпус клапана и привод находятся в одном блоке и иногда разделены лишь одним уплотнением, например уплотнительным кольцом. Если единственное уплотнение будет нарушено, молекулы воздуха из пневмопривода могут просочиться в пробу и наоборот. Такая утечка может вызвать неверные показания анализатора, а в худшем случае стать причиной возгорания или взрыва. Если используются приводы, встроенные в конструкцию клапана, следует выбирать клапаны с двойными уплотнениями наряду с такими мерами безопасности, как вентилируемый воздушный зазор, обеспечивающий безопасный выход утечек из воздуха или системы (рис. 5).

Рис. 5. На данном рисунке представлен клапанный блок двойного отсечения со сбросом, в котором двойные уплотнения и вентилируемый воздушный зазор предотвращают проникновение воздуха из пневмопривода в поток среды.

Адсорбция

Адсорбцией обозначают свойство некоторых молекул прилипать к твердым поверхностям, включая внутреннюю поверхность трубок. Молекулы некоторых газов, таких как азот, кислород и прочие сопутствующие газы, липнут к твердым поверхностям, но легко отделяются от них. Молекулы других веществ, например воды и сероводорода, прочно прикрепляются к трубкам. Если такие «липкие» молекулы присутствуют в пробе, они прикрепятся к внутренней поверхности трубки и некоторое время не будут учитываться в показаниях анализатора.

Некоторые операторы убеждены, что после насыщения внутренней поверхности трубки адсорбция прекращает влиять на процесс, но это не так. Допустим, температура трубки увеличилась в результате суточных изменений в интенсивности солнечного излучения. Повышение температуры придаст молекулам больше энергии, и они начнут отделяться от стенок трубки, вызывая изменения показаний анализатора.

Если содержание измеряемых молекул в пробе составляет более 100 ч./млн, адсорбция, вероятно, не сыграет большой роли,но если их доля ниже, придется решать эту проблему. Электрополировка внутренней поверхности трубки или ее исполнение из PTFE несколько замедлит адсорбцию. Другой вариант — трубка с кремниевым слоем.В процессе изготовления трубки на ее внутреннюю поверхность наносится очень тонкий слой кремния. Данное изделие стоит дорого, но характеристики улучшаются значительно. Даже с кремниевым слоем трубка остается гибкой, хотя ее минимальный радиус изгиба увеличивается.

Для обеспечения репрезентативности пробы необходимо устранить возможность ее частичного фазового перехода. В зависимости от температуры и давления в системе вещества могут находиться в различных агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном или различных их сочетаниях. Точки фазового перехода у каждого вещества свои, как показано на фазовой диаграмме с температурой по одной оси и давлением по другой. На рис. 6 представлены фазы воды. Сплошными линиями обозначены границы фазового перехода.

Рис. 6. На данной фазовой диаграмме показаны точки перехода воды в твердую, жидкую и газообразную фазы.

Как правило, анализируемая проба состоит из нескольких типов веществ. Необходимо определить состав пробы, то есть какую долю составляет вещество А, какую — вещество Б и т. д.

Пока проба остается полностью в жидком или газообразном состоянии, состав не будет меняться. Однако он изменится, если допустить частичный фазовый переход пробы. На рис. 7 ниже представлена фазовая диаграмма смеси веществ. В любой точке между жидкой и газообразной фазой возникнет двухфазное сочетание с отличающимся составом. Другими словами, проба фракционирует в два различных состава, и анализатор больше не может определить исходный состав.

Рис. 7. Phase chart for a mixture of molecules

Задачей инженера или техника по анализаторам является поддержание давления и температуры в зонах, где вся проба будет находиться в одном и том же фазовом состоянии на всем протяжении аналитической системы. Если проба газообразная, самым простым решением будет установка регулятора, который снизит давление. Кроме того, при необходимости линии пробы можно подогревать и поддерживать в них высокую температуру с помощью изоляции и трубных пучков. Как регуляторы, так и трубные пучки довольно просто монтировать и обслуживать.

В случае с жидкими пробами трудностей больше. Насос может увеличивать давление, и при необходимости можно установить охладители. К сожалению, и насосы и охладители довольно непросто монтировать и обслуживать, несмотря на их возможную необходимость.

ВЫВОД

Обеспечение репрезентативности проб может оказаться непростой задачей. Если проба станет нерепрезентативной, аналитическая контрольно-измерительная система не выдаст предупреждение. Единственный способ обнаружить проблему — знание узких мест, в которых пробоотборная система может дать сбой. К счастью, все эти проблемы поддаются устранению или корректировке. Корректирующие действия могут быть сведены к следующему:

• Знание конструкции компонентов и связанных с ней ограничений (мёртвый объём, застойные зоны, утечки воздуха из пневмопривода).
• Подготовка необходимых вопросов поставщику жидкостных и газовых систем (например, о номинальных параметрах давления клапанов, чертежах с разрезами и характеристиках продуваемости).
• Выбор правильного места расположения компонентов в системе подачи образца (например, в обводной петле, на одной или другой стороне от системы переключения потоков).
• Определение и расчет вероятности адсорбции (на основании парциального давления).
• Знание материалов и конструкций, предотвращающих утечки, проницаемость и адсорбцию.
• Расчет и поддержание надлежащих значений давления и температуры для сохранения фазового состояния с помощью соответствующих диаграмм.

Нуждается ли ваша установка или предприятие в дополнительной помощи по обеспечению репрезентативности проб в аналитической контрольно-измерительной системе? Узнайте, как устранить наиболее распространенные ошибки в пробоотборной системе, с помощью обучающего курса Swagelok «Устранение проблем в пробоотборных системах и их техническое обслуживание». Чтобы зарегистрировать своих сотрудников на этот курс, обратитесь в ближайший центр продаж и обслуживания.

Зарегистрироваться на обучение работе с системами отбора проб