Zeitverzögerungen in der Analysentechnik durch Regler reduzieren

Einsatz eines Reglers zur Reduzierung der Zeitverzögerung in einem Analysesystem

Mike Strobel, Field Engineering Supervisor

Prozessmessungen sind instantan, aber Analysatorantworten nie. Vom Entnahmepunkt bis zum Analysator gibt es immer eine Zeitverzögerung. Leider wird diese Verzögerung oft unterschätzt oder missverstanden.

In analytischen Probenahmesystemen ist Zeitverzögerung definiert als die Zeit, die eine neue Probe benötigt, um den Analysator zu erreichen. Ein separater Blogartikel erklärt auf hoher Ebene, wie Zeitverzögerung funktioniert und wie man sie minimiert; hier fokussieren wir uns auf die Steuerung der Zeitverzögerung mit einem Druckregler. Regler regeln Druck, und Druck in einem Analysesystem steht in engem Zusammenhang mit Zeit. Bei Gassystemen mit kontrolliertem Durchfluss gilt: Je niedriger der Druck, desto kürzer die Zeitverzögerung.

Zeitverzögerung kann in jedem Hauptteil eines analytischen Instrumentierungssystems auftreten: Prozessleitung, Entnahmepunkt und Lanze, Feldstation, Transportleitung, Probenkonditionierungssystem, Stromumschaltsystem und Analysator. Das untenstehende Diagramm zeigt ein Beispiel eines typischen Prozessanalysator-Probenahmesystems.

Zeitverzögerung ist kumulativ. Sie besteht aus der Gesamtzeit, die das Fluid benötigt, um vom überwachten Prozess zum Analysator zu gelangen. Mehr über die Messung von Zeitverzögerung erfahren Sie hier. Wir konzentrieren uns nun auf die Feldstation und die wichtige Rolle, die ein Regler bei der Reduzierung der Zeitverzögerung dort spielt.

Vor der Feldstation

Die Minimierung der Zeitverzögerung beginnt mit der Lage des Entnahmepunkts. Am besten platzieren Sie den Entnahmepunkt so nah wie möglich am Prozessanalysator, aber auch stromaufwärts von Quellen für Prozesszeitverzögerung wie Tanks, Fässer, Tote Beine, stagnierende Leitungen und redundante oder veraltete Ausrüstung.

Bei der Flüssigkeitsprobenahme sollte der Druck am Entnahmepunkt ausreichen, um die Probe durch die Transportleitungen oder den Fast Loop ohne Pumpe zu befördern – eine teure Komponente, die zusätzliche Leistungsvariablen einführt.

In vielen Fällen können Sie die Lage des Entnahmepunkts nicht bestimmen. Sie müssen mit einem bestehenden Entnahmepunkt arbeiten, oft auch mit einem bestehenden Analysator-Shed. Ist der Entnahmepunkt weit vom Analysator entfernt, wird ein Fast Loop empfohlen, um Fluid schnell zum Analysator zu liefern und den ungenutzten Teil in den Prozess zurückzuführen.

In den meisten analytischen Instrumentierungssystemen ist die Lanze eine weitere Quelle für Zeitverzögerung. Je größer das Volumen der Lanze, desto größer die Verzögerung. Das Volumen wird sowohl von Länge als auch Breite der Lanze beeinflusst. Zur Minimierung der Zeitverzögerung wählen Sie eine Lanze mit geringem Volumen.

An der Feldstation

Wenn der Prozessanalysator eine Flüssigprobe benötigt, wird an der Feldstation kein Regler verwendet. Flüssigkeiten sollten unter hohem Druck gehalten werden, um Blasenbildung zu vermeiden. Bei einer Gasprobe dient die Feldstation als Mittel zur Druckreduzierung in den Transportleitungen.

Die Zeitverzögerung verringert sich proportional zum Absolutdruck. Bei halbem Druck erhalten Sie die halbe Zeitverzögerung. Die Feldstation sollte so nah wie möglich am Entnahmepunkt platziert werden. Je früher der Druck abgesenkt wird, desto besser. Sehen wir uns drei mögliche Regleranwendungen an einer Feldstation an. Bei jeder ist der Regler etwas anders konfiguriert.

Regleranwendung #1

In der ersten Anwendung ist das Ziel, den Gasdruck zu reduzieren. Der Druckabfall wird keine Kondensation erzeugen. Daher kann ein einfacher Druckminderer verwendet werden. Ein Druckminderer hält den Auslassdruck konstant. Ein Messelement – typischerweise Membran oder Kolben – reagiert auf den stromabwärtigen Druck und bewegt das Steuerelement, meist einen kegelförmigen Ventilkegel (Poppet), um den Strömungsquerschnitt des Orifiziums zu ändern, durch das das Gas strömt. Wird das Messelement durch höheren Druck nach oben gedrückt, bewegt sich das Steuerelement näher an den Regelsitz, und der Orifiziumsquerschnitt wird kleiner. Bewegt sich das Messelement bei niedrigerem Druck nach unten, wird der Orifiziumsquerschnitt größer. Bei den meisten analytischen Reglern ermöglicht ein Handrad das Einstellen des Auslassdrucks durch Spannen oder Entspannen einer Setzfeder, die die Bewegungen des Messelements gegen den Auslassdruck antreibt.

Eine Metallmembran ist ideal in Anwendungen, wo der Einlassdruck nicht stark schwankt oder chemische Verträglichkeit wichtig ist. In Anwendungen mit inkonsistentem Druck oder Druckspitzen kann ein Kolbenregler (piston-style) geeigneter sein.

Regleranwendung #2

In unserer zweiten Regleranwendung wird der Druckabfall voraussichtlich Kondensation verursachen. Bei Druckabfall verlieren fast alle Gase Energie – der Joule-Thomson-Effekt –, was zu Abkühlung führt. Befindet sich das Gas nahe seinem Taupunkt, kann diese Abkühlung Kondensation verursachen. In manchen Fällen kann der Wärmeverlust groß genug sein, um Kondensation und damit potenzielles Einfrieren des Reglers zu verursachen. Wegen des Joule-Thomson-Effekts kann ein beheizter Regler erforderlich sein, um die Gastemperatur über dem Taupunkt zu halten. Ein beheizter Regler ist ein Druckminderer, in dem das Systemfluid über ein Heizelement strömt. Eine Heizpatrone ist erforderlich.

Sie können die benötigte Energie (Wattleistung) der Heizpatrone berechnen, um eine im richtigen Leistungsbereich liegende zu spezifizieren. Jedes Gas hat einen Joule-Thomson-Koeffizienten, der zusammen mit Druckabfall und Durchfluss in eine Formel eingeht, um die erforderliche Wattzahl zu ermitteln.

Regleranwendung #3

In unserer dritten Regleranwendung muss eine Flüssigkeit vor der Analyse durch einen Gaschromatographen oder anderen Analysator zu Gas werden. Hier wird ein Verdampfungsregler (Vaporizing Regulator) eingesetzt. Verdampfungsregler können in der Auswahl herausfordernd sein, sind aber bei korrekter Dimensionierung und Installation ein zuverlässiges Mittel zur Vorbereitung einer Flüssigprobe. Das Ziel eines Verdampfungsreglers ist es, die gesamte Probe augenblicklich in Gas zu überführen (flash), um sicherzustellen, dass die verdampfte Probe repräsentativ für den Flüssigprozess ist.

Bei Verdampfungsreglern muss man Temperatur und Dampfdurchflussrate genau beachten. Ist der Durchfluss zu hoch, wird die Probe nur teilweise verdampft, und Flüssigkeit strömt durch den Regler zum Analysator. Ist die Verdampfertemperatur zu hoch, verdampft die Flüssigprobe bereits stromaufwärts. Mehr über das Management von Verdampfung in Probenahmesystemen erfahren Sie hier.

Schließlich stellen Sie Ihren Verdampfungsregler korrekt ein, um erhebliche Zeitverzögerung zu vermeiden. Beim Phasenwechsel von Flüssigkeit zu Gas steigt das Volumen dramatisch. Die Steigerung hängt vom Molekulargewicht der Flüssigkeit ab. Typischerweise wird der gemessene Dampfdurchfluss nach dem Regler >300-mal so hoch sein wie der Flüssigdurchfluss vor dem Verdampfungsregler.

Beispiel: Bei einem Dampfdurchfluss von 600 cm³/min. kann der Flüssigdurchfluss unter 2 cm³/min liegen. In diesem Fall benötigt die Flüssigkeit 25 Minuten für 3 Meter (ca. 10 ft) 6-mm-Rohr (1/4 Zoll). Um diese Zeit zu reduzieren, müssen wir das Volumen der dem Regler vorangehenden Rohrleitung verringern. Beispielsweise mit nur 30,5 cm (1 ft) 3,2-mm-Rohr (1/8 Zoll) dauert es nur 30 Sekunden, bis die Flüssigkeit den Regler erreicht. Hinzu kommt jedoch die Zeitverzögerung in der Lanze. Je schmaler die Lanze, desto schneller die Antwort.

Ein weiteres Mittel für schnellere Antwort ist, den Verdampfer mit Hilfe eines Flüssig-Fast-Loops näher an den Analysator zu verlegen. Im untenstehenden Diagramm befindet sich der Regler nach dem Fast-Loop-Filter mit einem zweiten, langsamen Flüssig-Bypass-Loop, der sicherstellt, dass guter Flüssigdurchfluss bis zum Verdampfungsregler anhält. Ziel ist, das Volumen langsam fließender Flüssigkeit zum Verdampfungsregler zu minimieren.

Die richtigen Reglerentscheidungen treffen, um Verzögerung zu verringern

Ein Regler ist ein kritisches Werkzeug zur Adressierung von Zeitverzögerung in einem Analysesystem. Je niedriger der Druck in einem Gassystem, desto schneller die Antwortzeit. Generell gilt: Je früher der Druck in einem Gassystem abgesenkt werden kann, desto besser. Wenn eine Flüssigkeit verdampft wird, erwägen Sie einen Flüssig-Fast-Loop, um die Flüssigkeit bis zum Verdampfungsregler in Bewegung zu halten. Die Feldstation ist ein Ort in einem komplexen Analysesystem, an dem Zeitverzögerung signifikant reduziert werden kann, aber der Ansatz zur Zeitverzögerung muss immer umfassend sein. Um Zeitverzögerung zu reduzieren, müssen alle potenziellen Verzögerungsursachen im System untersucht werden.

Wenn Sie mit Zeitverzögerung in Ihren Analysesystemen kämpfen, gibt es über die obigen Ratschläge zur Reglerauswahl hinaus mehrere Anlaufstellen für Hilfe. Wir bieten mehrere Probenahmesystem-Schulungskurse an, unterrichtet von Probenahme-Experten, wir bieten vorkonfigurierte analytische Teilsysteme nach Best Practices an, und unser Field Engineering Team kann auch vor Ort helfen, Probleme mit Ihren Analysesystemen zu identifizieren und zu beheben. Um mehr zu erfahren oder ein Gespräch über Verzögerungsreduzierung in Ihrem Analysesystem zu starten, klicken Sie auf den Button unten.