Dominando Atrasos de Tempo em Instrumentação Analítica: Medição Precisa e Mitigação

Entendendo e Medindo Atraso de Tempo em um Sistema de Instrumentação Analítica

Karim Mahraz

Atraso de tempo em sistemas de amostragem é a causa mais comum de resultados inadequados de analisadores de processo. Medidas de processo são instantâneas, mas respostas de analisadores não são. Sempre há um atraso de tempo do ponto de coleta ao analisador. O potencial para atraso de tempo existe nas seguintes seções de um sistema de instrumentação analítica (AI), exibidas na imagem abaixo: 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.

É importante entender que o atraso de tempo é cumulativo. Consiste na quantidade total de tempo que leva para um fluido viajar da linha de processo ao analisador, incluindo tempo requerido para análise final. Por exemplo, se o cromatógrafo a gás leva cinco minutos para analisar uma amostra, aqueles cinco minutos devem ser adicionados não apenas ao atraso de tempo no sistema de condicionamento de amostra e sistema de comutação de fluxo, mas também ao atraso de tempo nas linhas de transporte, estação de campo, ponto de coleta e sonda. Este subtotal deve ser então adicionado à quantidade de tempo que leva para o fluido viajar da unidade de processo sendo monitorada ao ponto de coleta. É a quantidade total de tempo da unidade de processo sendo monitorada até o analisador que conta.

Infelizmente, o atraso de tempo é frequentemente subestimado, não contabilizado ou mal compreendido. Em muitos casos, o atraso de tempo é invisível para especialistas e técnicos de analisadores, que estão focados em tornar a amostra adequada para o analisador. Especialistas em analisadores podem assumir que a medição analítica é instantânea. No entanto, sistemas de amostragem frequentemente falham em atingir o padrão da indústria de resposta de um minuto, criando ampla oportunidade para atraso de tempo. É sempre melhor minimizar o atraso de tempo, mesmo para tempos de ciclo longos, mas atrasos estendendo além do padrão da indústria não são necessariamente um problema. O engenheiro de processo deve determinar tempos de atraso aceitáveis baseados na dinâmica do processo.

Atrasos de tempo se tornam um problema quando excedem as expectativas de um projetista de sistema. Uma estimativa ruim ou suposição errada sobre atraso de tempo resultará em controle de processo inferior. Entender as causas do atraso de tempo e aprender a calcular ou aproximar um atraso dentro de uma margem de erro razoável pode tanto reduzir o atraso quanto melhorar a responsividade geral do sistema.

Posicionando Linhas de Processo, Pontos de Coleta, Loops Rápidos e Linhas de Transporte para Máxima Eficácia

Para reduzir atraso de tempo, é geralmente melhor localizar o ponto de coleta o mais próximo possível do analisador, embora isso nem sempre seja viável. O ponto de coleta deve ser localizado a montante de fontes de atraso, como tambores, tanques, trechos mortos, linhas estagnadas ou equipamentos redundantes ou obsoletos (que devem ser eliminados para melhorar o fluxo). Em alguns casos, a localização do ponto de coleta não pode ser especificada perto do analisador de processo devido às variáveis mencionadas anteriormente. Se o ponto de coleta está a uma longa distância do analisador, um loop rápido é recomendado para entregar rapidamente fluido ao analisador. Se projetado corretamente, o fluxo no loop rápido será muito mais rápido que o fluxo através das linhas do analisador.

Reduzindo Pressões para Diminuir Atraso de Tempo

Quando usado com gás, uma estação de campo é um meio de reduzir pressão nas linhas de transporte ou loop rápido. Dada a mesma taxa de vazão, o atraso de tempo nas linhas de transporte é reduzido em proporção direta à redução na pressão absoluta. Na metade da pressão, há metade do atraso de tempo. A estação de campo deve ser localizada o mais próximo possível do ponto de coleta. Quanto mais cedo a pressão for reduzida, melhor.

Com uma amostra líquida, uma estação de campo reguladora não é empregada. É melhor manter líquidos em alta pressão para evitar formação de bolhas. Quando uma amostra líquida é analisada como gás, um regulador vaporizador pode ser usado na estação de campo. No entanto, isso causará atraso de tempo considerável. À medida que o fluido muda de líquido para gás, o volume aumentará dramaticamente. A taxa 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 500 cm³/min, a vazão líquida pode ser menos de 2 cm³/min. Portanto, o líquido levará 25 minutos para viajar através de 10 pés de tubulação de um quarto de polegada. Para reduzir este tempo, devemos reduzir o volume da tubulação precedendo o regulador. Por exemplo, com apenas um pé de tubulação de um oitavo de polegada, levaria apenas 30 segundos para o líquido alcançar o regulador. A este tempo, no entanto, devemos adicionar atraso de tempo na sonda. Quanto mais estreita a sonda, mais rápida a resposta.

Outro meio de atingir uma resposta mais rápida é colocar o regulador vaporizador mais próximo da localização do analisador. Instale um regulador após o filtro de loop rápido com um segundo loop rápido de líquido para garantir que fluxo positivo continue até o regulador vaporizador. O objetivo é minimizar volume de líquido de movimento lento indo para o regulador.

Comutação de Fluxo

Para evitar o máximo de atraso de tempo possível, montagens de comutação de fluxo devem trabalhar rápido, purgando rapidamente material de amostra antiga enquanto movem o novo fluxo para o analisador. Configurações de válvula de duplo bloqueio e purga (DBB), que estão disponíveis hoje em componentes convencionais ou designs modulares miniaturizados, fornecem um meio de comutar fluxos com trechos mortos mínimos e sem contaminação cruzada de fluxos de válvulas com vazamento.

Uma configuração DBB tradicional é a DBB em cascata, vista no diagrama abaixo. A DBB em cascata elimina trechos mortos usando uma segunda válvula de bloqueio em vez de uma peça em tee.

Ao usar uma configuração DBB em cascata, o caminho de fluxo precisa ser levado em consideração pois esta configuração pode levar a queda de pressão e fluxo mais lento. A queda de pressão pode ser estimada olhando o Cv do produto, que é uma medida da resistência ao fluxo. Quanto menor o Cv, maior a queda de pressão, resultando em uma taxa de vazão mais baixa.

Na configuração DBB em cascata, o fluxo primário — Fluxo 1 — não causa queda de pressão excessiva mas Fluxo 2, Fluxo 3, e assim por diante criam quantidades crescentes de queda de pressão e um caminho de fluxo mais longo, resultando em tempos de viagem progressivamente mais longos para a saída. O resultado é tempos de entrega inconsistentes dos diferentes fluxos, tornando difícil definir tempos de purga consistentes para todos os fluxos.

A configuração DBB com loop de fluxo integrado, mostrada no diagrama abaixo, permite todas as vantagens da configuração DBB em cascata enquanto garante queda de pressão mínima consistentemente através de todos os fluxos. O Cv para cada fluxo — e portanto o tempo de entrega para cada fluxo — será o mesmo. Note que um componente com Cv de 0,3 causará um terço da queda de pressão de um com Cv de 0,1.

Sistemas de Condicionamento de Amostra

O sistema de condicionamento de amostra prepara a amostra para análise filtrando-a, garantindo que está na fase correta, e ajustando pressão, vazão e temperatura. Para fazer isso em um fator de forma pequeno, o sistema usa muitos componentes relativamente pequenos, incluindo manômetros, reguladores, medidores de vazão de área variável, controladores de vazão, válvulas de retenção, válvulas de controle e válvulas esfera. Frequentemente, componentes modulares miniaturizados também são usados como uma solução compacta para espaços apertados. Estes componentes montados no topo são fabricados conforme padrão ANSI/ISA 76.00.02, de acordo com a Nova Iniciativa de Amostragem/Sensor (NeSSI). Como com as válvulas de comutação de fluxo, volume interno não é tão importante quanto queda de pressão. Ao escolher componentes, você deve comparar o Cv fornecido pelo fabricante.

Outros componentes usados em sistemas de condicionamento de amostra, como filtros, potes de nocaute e filtros coalescentes, podem causar atraso de tempo significativo porque permitem que amostras entrantes se misturem com amostras antigas. Melhore o atraso de tempo limpando um filtro ou pote de nocaute para que 95 por cento da amostra antiga tenha ido. Infelizmente, isso requer três vezes o volume do componente. Isso assumindo que a entrada e saída são adjacentes, como mostrado no diagrama abaixo.

Considere um filtro com entrada e saída configuradas no diagrama. Se a taxa de vazão é 100 cm³/min e o volume do filtro é 100 cm³, levará três minutos para garantir que 95 por cento da amostra antiga foi eliminada. Portanto, para garantir uma amostra precisa, três minutos devem ser adicionados ao cálculo de atraso de tempo para este sistema AI. Estas mesmas fórmulas podem ser aplicadas a volumes de mistura na linha de processo.

Analisador

Geralmente, um cromatógrafo a gás levará cinco a 10 minutos para analisar a amostra. Analisadores infravermelho e ultravioleta trabalham muito mais rápido, completando análises em segundos. Um especialista, técnico ou engenheiro de analisador deve saber a quantidade de tempo requerida para o analisador processar uma amostra. Aquele tempo será adicionado às estimativas discutidas acima para o atraso de tempo total do ponto de coleta através do analisador.

Conclusão

O atraso de tempo total calculado com as ferramentas descritas deve fornecer uma estimativa dentro de uma margem de erro razoável. Lembre-se que é o tempo total do processo sendo monitorado ao analisador que importa, e que todos os componentes compondo este atraso devem ser adicionados ao total. Atraso de tempo é um problema que merece o escrutínio próximo do especialista em analisadores. Suposições incorretas sobre o tempo da amostra, particularmente para pontos problemáticos típicos, como a sonda ou um regulador vaporizador na estação de campo, minarão todo o trabalho duro do especialista em analisadores e tornarão o analisador ineficaz. Especialistas em analisadores, em colaboração com seu fornecedor de sistemas de fluidos ou consultor, podem melhorar atrasos de tempo fazendo escolhas inteligentes sobre componentes e configurações com respeito à localização do ponto de coleta, configuração de loop rápido, diâmetros de tubulação apropriados e configurações de comutação de fluxo.