Reduzindo Atrasos de Tempo em Instrumentação Analítica Usando Reguladores

Como Usar um Regulador para Reduzir Atraso de Tempo em um Sistema Analítico

Mike Strobel, Supervisor de Engenharia de Campo

Medidas de processo são instantâneas, mas respostas de analisadores nunca são. Do ponto de coleta ao analisador, sempre há um atraso de tempo. Infelizmente, este atraso é frequentemente subestimado ou mal compreendido.

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

Atraso de tempo pode ocorrer em qualquer uma das partes principais de um sistema de instrumentação analítica, incluindo a linha de processo, ponto de coleta 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 típico de amostragem de analisador de processo.

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

Antes da Estação de Campo

Minimizar o atraso de tempo começa com a localização do ponto de coleta. É melhor localizar o ponto de coleta o mais próximo possível do analisador de processo, mas também a montante de fontes de atraso de tempo de processo, como tambores, tanques, trechos mortos, linhas estagnadas e equipamentos redundantes ou obsoletos.

Ao amostrar um líquido, a pressão no ponto de coleta deve ser suficiente para entregar a amostra através das linhas de transporte ou loop rápido sem uma bomba — um componente caro que introduz variáveis adicionais de desempenho.

Em muitos casos, você pode não ser capaz de ditar a localização do ponto de coleta. Você pode ter que lidar com uma localização existente do ponto de coleta, e frequentemente, uma localização existente do abrigo do analisador também. Se o ponto de coleta está a uma longa distância do analisador, um loop rápido é recomendado como um meio de entregar rapidamente fluido ao analisador e retornar a porção não usada 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

Em casos onde o analisador de processo requer uma amostra líquida, um regulador na estação de campo não é usado. É melhor manter líquidos em alta pressão para evitar formação de bolhas. No caso de uma amostra de gás, uma estação de campo é usada como um 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 obterá metade do atraso de tempo. A estação de campo está localizada o mais próximo possível do ponto de coleta. Quanto mais cedo a pressão for reduzida, melhor. Vamos olhar para três possíveis aplicações para um regulador em uma estação de campo. Com cada uma, o regulador é configurado de forma um pouco diferente.

Aplicação do Regulador #1

Na primeira aplicação, o objetivo é reduzir a pressão do gás. A queda de pressão não é esperada para produzir condensação. Portanto, um regulador redutor de pressão simples pode ser usado. Um regulador redutor de pressão mantém 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, mais frequentemente um poppet em forma de cone, mude a área de vazão do orifício através do qual o gás passa. À medida que o elemento sensor é empurrado para cima em resposta a pressão mais alta, o elemento de controle move-se mais perto da sede do regulador e a área do orifício torna-se menor. À medida que o elemento sensor move-se para baixo com pressão mais baixa, o orifício torna-se maior. Na maioria dos reguladores analíticos, uma alça no regulador permite ao operador definir a pressão de saída comprimindo ou relaxando uma mola de ajuste que impulsiona 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 acentuadamente ou onde compatibilidade química é importante. No entanto, em aplicações onde a pressão pode ser inconsistente ou ter picos, um regulador estilo pistão pode ser mais apropriado.

Aplicação do Regulador #2

Na nossa segunda aplicação do regulador, a queda de pressão é esperada para causar condensação. Com uma queda de pressão, quase todos os gases perdem energia, conhecido como efeito Joule-Thomson — resultando em resfriamento. Se o gás está próximo ao seu ponto de orvalho, este resfriamento poderia causar condensação. Em alguns casos, a perda de calor pode ser grande o suficiente para causar a condensação, assim 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 redutor de pressão no qual o fluido do sistema flui sobre um elemento aquecido. Um cartucho aquecedor é necessário.

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

Aplicação do Regulador #3

Na nossa terceira aplicação do regulador, um líquido deve se tornar um gás antes que possa ser analisado por um cromatógrafo a gás ou outro analisador. Neste caso, um regulador vaporizador é usado. Reguladores vaporizadores podem ser desafiadores para selecionar, mas podem ser um meio confiável de preparar uma amostra líquida se dimensionados e instalados corretamente. O objetivo de um regulador vaporizador é instantaneamente transformar a amostra inteira em gás para garantir que a amostra vaporizada seja representativa do processo líquido.

Com reguladores vaporizadores, deve-se prestar atenção rigorosa à temperatura e taxa de vazão de vapor. Se a vazão for muito grande, a amostra será apenas parcialmente vaporizada, e 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 gerenciamento de vaporização em sistemas de amostragem aqui.

Finalmente, certifique-se de configurar seu regulador vaporizador corretamente para evitar criar atraso de tempo considerável. À medida que o fluido muda de líquido para gás, o volume aumentará dramaticamente. A quantidade de aumento dependerá do peso molecular do líquido. Tipicamente, a vazão de vapor medida após o regulador será >300 vezes a vazão líquida antes do regulador vaporizador.

Por exemplo, com uma vazão de vapor de 600 cm³/min, a vazão líquida pode ser menos de 2 cm³/min. Neste caso, o líquido levará 25 minutos para viajar através de 3 metros (aproximadamente 10 pés) de tubulação de 6 mm (1/4 pol.). Para reduzir este tempo, devemos reduzir o volume da tubulação precedendo 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 alcançar o regulador. A este tempo, no entanto, devemos adicionar o atraso de tempo na sonda. Quanto mais estreita a sonda, mais rápida a resposta.

Outro meio de atingir uma resposta mais rápida é mover o vaporizador mais próximo do analisador com a ajuda de um loop rápido de líquido. No diagrama abaixo, o regulador está localizado após o filtro de loop rápido com um segundo loop lento de bypass de líquido garantindo que boa vazão líquida continue até o regulador vaporizador. O objetivo é minimizar volume de líquido de movimento lento indo para um regulador vaporizador.

Faça as Escolhas Certas de Regulador para Diminuir o Atraso

Um regulador é uma ferramenta crítica no tratamento de 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 ser reduzida em um sistema de gás, melhor. Em casos onde um líquido está sendo vaporizado, considere um loop rápido de líquido para manter o líquido se movendo até o regulador vaporizador. A estação de campo é um lugar em um sistema complexo de instrumentação analítica onde o atraso de tempo pode ser significativamente reduzido, mas a abordagem ao atraso de tempo deve sempre ser abrangente. Para reduzir o atraso de tempo, todas as causas potenciais de atraso no sistema devem ser examinadas.

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