Como usar um regulador para reduzir o atraso de tempo em um sistema de instrumentação analítica

Como usar um regulador para reduzir o atraso de tempo em um sistema analítico

Mike Strobel, Supervisor de Engenharia de Campo

As medições do processo são instantâneas, mas as respostas do analisador nunca são. Da torneira ao analisador, há sempre um atraso de tempo. Infelizmente, esse atraso é muitas vezes subestimado ou mal compreendido.

Em sistemas de amostragem analítica, o atraso de tempo é definido como a quantidade de tempo que leva para uma nova amostra chegar ao analisador. Um artigo de blog separado explica como o atraso de tempo funciona e dicas para minimizá-lo em alto nível, mas neste artigo, vamos nos concentrar em como controlar o atraso de tempo com um regulador de pressão. Os reguladores controlam a pressão e a pressão em um sistema analítico está intimamente relacionada ao tempo. No caso de sistemas de gás com vazão controlada, quanto menor a pressão, menor o tempo de atraso.

O atraso de tempo pode ocorrer em qualquer uma das principais partes de um sistema de instrumentação analítica, incluindo a linha de processo, derivação e sonda, estação de campo, linha de transporte, sistema de condicionamento de amostra, sistema de comutação de fluxo e analisador. O diagrama abaixo é um exemplo de um sistema de amostragem de analisador de processo típico.



O atraso de tempo é cumulativo. Consiste na quantidade total de tempo que leva para o fluido viajar do processo que está sendo monitorado até o analisador. Você pode aprender mais sobre como medir o atraso de tempo aqui. Por enquanto, vamos nos concentrar na estação de campo e no importante papel que um regulador desempenha na redução do atraso de tempo lá.

Antes da estação de campo

A minimização do atraso de tempo começa com a localização da torneira. É melhor localizar o tap o mais próximo possível do analisador de processo, mas também a montante de fontes de atraso de tempo de processo, como tambores, tanques, deadlegs, linhas estagnadas e equipamentos redundantes ou obsoletos.

Ao amostrar um líquido, a pressão na torneira deve ser suficiente para fornecer a amostra através das linhas de transporte ou loop rápido sem bomba – um componente caro que introduz variáveis ​​de desempenho adicionais.

Em muitos casos, você pode não conseguir ditar a localização da torneira. Você pode ter que se contentar com um local de derivação existente e, muitas vezes, um local de galpão de analisador existente também. Se a torneira estiver a uma longa distância do analisador, recomenda-se um loop rápido como meio de fornecer fluido rapidamente ao analisador e devolver a porção não utilizada ao processo.

Na maioria dos sistemas de instrumentação analítica, outra fonte de atraso de tempo é a sonda. Quanto maior o volume da sonda, maior o atraso. O volume será afetado tanto pelo comprimento quanto pela largura da sonda. Ao tentar minimizar o atraso de tempo, escolha uma sonda de baixo volume.

Na estação de campo

Nos casos em que o analisador de processo requer uma amostra líquida, não é usado um regulador na estação de campo. É melhor manter os líquidos em alta pressão para evitar a formação de bolhas. No caso de uma amostra de gás, uma estação de campo é utilizada como meio de reduzir a pressão nas linhas de transporte.

O atraso de tempo diminui em proporção direta à pressão absoluta. Na metade da pressão, você terá metade do tempo de atraso. A estação de campo está localizada o mais próximo possível da torneira. Quanto mais cedo a pressão cair, melhor. Vejamos três aplicações possíveis para um regulador em uma estação de campo. Com cada um, o regulador é configurado de forma um pouco diferente.

Aplicativo do regulador nº 1

Na primeira aplicação, o objetivo é reduzir a pressão do gás. Não se espera que a queda de pressão produza condensação. Portanto, um regulador redutor de pressão simples pode ser usado. Um regulador redutor de pressão mantém a pressão constante na saída. Um elemento sensor, tipicamente um diafragma ou pistão, move-se em resposta à pressão a jusante, permitindo que o elemento de controle, na maioria das vezes um cone em forma de cone, altere a área de fluxo do orifício através do qual o gás passa. À medida que o elemento sensor é empurrado para cima em resposta a uma pressão mais alta, o elemento de controle se aproxima da sede do regulador e a área do orifício se torna menor. À medida que o elemento sensor se move para baixo com pressão mais baixa, o orifício se torna maior. Na maioria dos reguladores analíticos, uma alça no regulador permite que o operador defina a pressão de saída comprimindo ou relaxando uma mola de ajuste que aciona os movimentos do elemento sensor contra a pressão de saída.

Um diafragma de metal é ideal em aplicações onde a pressão de entrada não varia muito ou onde a compatibilidade química é importante. No entanto, em aplicações em que a pressão pode ser inconsistente ou em picos, um regulador tipo pistão pode ser mais apropriado.

Aplicativo do regulador nº 2

Em nossa segunda aplicação de regulador, espera-se que a queda de pressão cause condensação. Com uma queda na pressão, quase todos os gases perdem energia, conhecido como efeito Joule-Thomson – resultando em resfriamento. Se o gás estiver próximo de seu ponto de orvalho, esse resfriamento pode causar condensação. Em alguns casos, a perda de calor pode ser grande o suficiente para causar condensação, potencialmente congelando o regulador. Por causa do efeito Joule-Thomson, um regulador aquecido pode ser necessário para manter a temperatura do gás acima do ponto de orvalho. Um regulador aquecido é um regulador de redução de pressão no qual o fluido do sistema flui sobre um elemento aquecido. É necessário um cartucho de aquecimento.

Você pode calcular a quantidade de energia (ou potência) necessária do cartucho do aquecedor para poder especificar um na faixa de potência correta. Cada gás tem um coeficiente Joule-Thomson, que é conectado a uma fórmula junto com a queda de pressão e a vazão para produzir o número de watts necessários.

Aplicativo do regulador nº 3

Em nossa aplicação de terceiro regulador, um líquido deve se tornar um gás antes de poder ser analisado por um cromatógrafo a gás ou outro analisador. Neste caso, é utilizado um regulador de vaporização. Os reguladores de vaporização podem ser difíceis de selecionar, mas podem ser um meio confiável de preparar uma amostra líquida se forem dimensionados e instalados adequadamente. O objetivo de um regulador de vaporização é transformar instantaneamente toda a amostra em um gás para garantir que a amostra vaporizada seja representativa do processo líquido.

Com reguladores de vaporização, deve-se prestar muita atenção à temperatura e taxa de fluxo de vapor. Se o fluxo for muito grande, a amostra será apenas parcialmente vaporizada e os líquidos fluirão através do regulador e em direção ao analisador. Se a temperatura do vaporizador for muito alta, a amostra líquida a montante será vaporizada. Você pode aprender mais sobre o gerenciamento de vaporização em sistemas de amostragem aqui.

Finalmente, certifique-se de configurar seu regulador de vaporização corretamente para evitar atrasos consideráveis. À medida que o fluido muda de líquido para gás, o volume aumentará drasticamente. A quantidade de aumento dependerá do peso molecular do líquido. Normalmente, o fluxo de vapor medido após o regulador será>300 vezes o fluxo de líquido antes do regulador de vaporização.

Por exemplo, com um fluxo de vapor de 600 cm ³ /min., o fluxo de líquido pode ser inferior a 2 cm ³ /min. Nesse caso, o líquido levará 25 minutos para percorrer 3 metros (aproximadamente 10 pés) de tubulação de 6 mm (1/4 pol.). Para reduzir esse tempo, devemos reduzir o volume da tubulação que antecede o regulador. Por exemplo, com apenas 30,5 cm (1 pé) de tubulação de 3,2 mm (1/8 pol.), levaria apenas 30 segundos para o líquido atingir o regulador. A este tempo, no entanto, devemos adicionar o atraso de tempo na sonda. Quanto mais estreita for a sonda, mais rápida será a resposta.


Outro meio de obter uma resposta mais rápida é aproximar o vaporizador do analisador com o auxílio de um loop rápido de líquido. No diagrama abaixo, o regulador está localizado após o filtro de loop rápido com um segundo loop de desvio lento de líquido, garantindo que um bom fluxo de líquido continue até o regulador de vaporização. O objetivo é minimizar o volume de líquido em movimento lento que vai para um regulador de vaporização.

Faça as escolhas certas do regulador para diminuir o atraso

Um regulador é uma ferramenta crítica para lidar com o atraso de tempo em um sistema analítico. Quanto menor a pressão em um sistema de gás, mais rápido o tempo de resposta. Em geral, quanto mais cedo a pressão puder cair em um sistema de gás, melhor. Nos casos em que um líquido está sendo vaporizado, considere um loop rápido de líquido para manter o líquido se movendo até o regulador de vaporização. A estação de campo é um local em um complexo sistema de instrumentação analítica onde o atraso de tempo pode ser significativamente reduzido, mas a abordagem do atraso de tempo deve ser sempre abrangente. Para reduzir o atraso de tempo, todas as causas potenciais de atraso no sistema devem ser examinadas.

Se você está lutando com atrasos em seus sistemas analíticos, além de seguir os conselhos acima sobre a seleção de reguladores, existem vários outros lugares que você pode recorrer para obter ajuda. Oferecemos vários cursos de treinamento de sistemas de amostragem ministrados por especialistas em amostragem, oferecemos subsistemas analíticos pré-projetados projetados de acordo com as melhores práticas e nossa equipe de engenharia de campo também pode ir ao local para ajudá-lo a identificar e solucionar problemas com seus sistemas analíticos. Para saber mais ou iniciar uma conversa sobre como reduzir o atraso em seu sistema analítico, clique no botão abaixo.