Analysator-Kalibrierung meistern für zuverlässige Prozessmessungen

Kalibrierung eines Analysators in einem analytischen Instrumentierungssystem

Tony Waters, Sampling Systems Expert und Instructor

In vielen analytischen Instrumentierungssystemen liefert der Prozessanalysator keine absolute Messung. Stattdessen gibt er eine relative Antwort basierend auf Einstellungen, die während der Kalibrierung festgelegt wurden – ein kritischer Prozess, der signifikanten Fehlern unterliegt. Um einen Prozessanalysator zu kalibrieren, wird Kalibrierfluid mit bekannten Inhalten und Mengen durch den Analysator geleitet, was Messungen der Komponentenkonzentrationen erzeugt. Stimmen diese Messungen nicht mit den bekannten Mengen im Kalibrierfluid überein, wird der Prozessanalysator entsprechend angepasst. Später, wenn Prozessproben analysiert werden, hängt die Genauigkeit der Analysatorablesung von der Genauigkeit des Kalibrierprozesses ab.

Es ist zwingend erforderlich zu verstehen, wie Fehler oder Kontamination durch Kalibrierung eingeführt werden können; wann Kalibrierung ein wahrgenommenes Leistungsproblem am Prozessanalysator beheben kann – und wann nicht; wie atmosphärische Druck- oder Temperaturschwankungen die Kalibrierungsarbeit zunichtemachen können; und wann und wann nicht kalibriert werden sollte.

Systemdesign

Ein häufiges Problem bei der Kalibrierung ist unzureichendes Stromwahlsystem-Design. In vielen Fällen wird das Kalibrierfluid stromabwärts des Stromwahlventilsystems eingeführt, ohne den Nutzen einer Double-Block-and-Bleed (DBB) Konfiguration wie in Abbildung 1 demonstriert. Ein besserer Ort für die Einführung des Kalibrierfluids wäre durch das Proben-Stromwahlsystem, wie in Abbildung 2. Der Zweck eines Proben-Stromwahlsystems ist der schnelle Austausch von Probenströmen ohne Kreuzkontaminationsrisiko. In Abbildungen 1 und 2 ist jeder Strom im Proben-Stromwahlsystem mit zwei Absperrventilen und einem Entlüftungsventil ausgestattet, um sicherzustellen, dass ein Strom – und nur ein Strom – zur gleichen Zeit zum Analysator gelangt.

Im Laufe der Jahre haben sich Stromwahlsysteme von DBB-Konfigurationen mit konventionellen Komponenten zu modularen, miniaturisierten Systemen entwickelt. Die effizientesten Systeme bieten schnelle Spülzeiten, niedrige Ventilbetätigungsdrücke und verbesserte Sicherheitsmerkmale, zusammen mit hoher Durchflusskapazität und konsistentem Druckabfall von Strom zu Strom für vorhersehbare Lieferzeit zum Analysator.

Ein Stromwahlsystem bietet die größte Absicherung gegen die Möglichkeit, dass Kalibrierfluid in einen Probenstrom leckt. Dennoch umgehen manche Techniker diese Baugruppe und platzieren das Kalibrierfluid so nah wie möglich am Analysator, um das Fluid zu schonen. Wird nur ein einzelnes Kugelhahnventil verwendet, wie in Abbildung 1 gezeigt, kann der Versuch, Kalibriergas zu sparen, zu verfälschten Analysatorwerten führen. Der Analysator mag korrekt kalibriert sein, aber es besteht immer das Risiko, dass eine kleine Menge Kalibriergas in den Probenstrom leckt und die Messungen verfälscht.

Abbildung 1. In dieser Konfiguration wird Kalibriergas stromabwärts des Stromwahlsystems ohne die Vorteile einer DBB-Baugruppe eingeführt.

Abbildung 2. Wie in dieser Konfiguration gezeigt, wird das Kalibriergas am besten durch das Proben-Stromwahlsystem eingeführt, wo eine DBB-Baugruppe vor Kontaminationsrisiko schützt.

In einigen Anwendungen fordert die US-Umweltschutzbehörde (EPA), dass das Kalibrierfluid an einem frühen Punkt im Probenahmesystem eingeführt wird, meist nahe der Lanze. Die Begründung: Das Kalibrierfluid sollte denselben Variablen unterworfen sein wie der Probenstrom. Das ist sinnvoll, da dieses Setup eine faire Schätzung der Zeit liefert, die eine Probe vom Entnahmepunkt zum Analysator benötigt. Allgemein wird dieser Zeitraum oft unterschätzt oder ist unbekannt.

Allerdings wird eine relativ große Menge Kalibrierfluid benötigt, wenn es durch das gesamte Probenahmesystem laufen soll. Nicht überraschend, dass viele Anlagen diese Option nicht nutzen können. Ein guter Kompromiss ist, das Kalibrierfluid durch das Stromwahlsystem zu leiten und einen Strom dem Fluid zu widmen. Diese Konfiguration gibt dem Kalibrierfluid die beste Chance, den Analysator ohne Kontamination durch die Probenströme zu erreichen. Wenn nicht in Gebrauch, verhindern die beiden Absperrventile, dass das Fluid die Probenströme kontaminiert. Mit miniaturisierten modularen Plattformen ist die benötigte Kalibrierfluidmenge minimal.

Grenzen der Kalibrierung

Um einen Analysator effektiv zu kalibrieren, sollte der Bediener, Techniker oder Ingenieur theoretisch verstehen, was Kalibrierung ist, was sie korrigieren kann und was nicht.

Ein Prozessanalysator muss präzise sein. Er muss reproduzierbare Ergebnisse liefern, wenn er mit einer bekannten Menge in Form eines Kalibrierfluids konfrontiert wird. Liefert der Prozessanalysator keine reproduzierbaren Ergebnisse, funktioniert entweder der Analysator fehlerhaft, oder das System hält die Probe nicht unter konstanten Bedingungen. Kalibrierung kann nicht für Imprecision korrigieren.

Liefert der Prozessanalysator konsistente Ergebnisse, diese stimmen aber nicht mit der bekannten Zusammensetzung des Kalibrierfluids überein, wird der Analysator als ungenau bezeichnet. Diese Situation kann und sollte durch Kalibrierung adressiert werden. Dies nennt man Bias-Korrektur.

Doch selbst wenn der Prozessanalysator bei Tests mit Kalibrierflüssigkeiten präzise und genau befunden wird, ist es noch möglich, dass er bei Analyse des Probenstroms ungenaue Ergebnisse liefert. Wird der Analysator gebeten, rote Moleküle zu zählen, und begegnet rosa Molekülen, was tut er? Die rosa Moleküle sehen für den Analysator rot aus, also zählt er sie als rot – was zu einer aufgeblähten Rot-Zählung führt. Das nennt man positive Interferenz. Beispiel: In einem Prozessanalysatorsystem, das Propanmoleküle zählen soll, können Propylenmoleküle auftauchen. Der Analysator könnte sie als Propan zählen, weil er nicht konfiguriert war, zwischen den beiden zu unterscheiden.

Kein Prozessanalysator ist perfekt, aber alle sind auf Selektivität ausgelegt. Einige sind komplexer und programmiert, bestimmte Interferenzarten chemisch zu inhibieren. Beispiel: Ein TOC-Analysator (Total Organic Carbon) misst Kohlenstoffgehalt in Abwasser, um zu bestimmen, ob Kohlenwasserstoffe unsachgemäß entsorgt werden. Um dies genau zu tun, entfernt der Prozessanalysator eine Quelle positiver Interferenz – anorganische Karbone wie Kalkstein –, die in hartem Wasser vorhanden sind. Ohne diesen ersten Schritt würde der Analysator sowohl organische als auch anorganische Karbone messen und Kohlenwasserstoffe mit hartem Wasser verwechseln.

Eine andere Interferenzart ist negative Interferenz: Ein Molekül, das gezählt werden sollte, wird nicht gezählt, weil ein anderes Molekül es verbirgt. Beispiel: In fluoriertem Trinkwasser wird eine Elektrode zur Analyse des Fluoridgehalts verwendet. Wasserstoffionen, die im Trinkwasser häufig sind, verdecken das Fluorid, sodass die Zählung ungenau niedrig ist. Der Analysator mag 1 ppm anzeigen – eine Standarddosis –, aber das Wasser enthält tatsächlich 10 ppm. Die Lösung: Störquelle entfernen. Durch Einführung einer Pufferlösung werden die Wasserstoffionen entfernt, und die Elektrode kann das Fluorid genau messen.

Mit dem Verständnis von positiver und negativer Interferenz sowie Präzision und Genauigkeit beginnen wir, die gewaltigen Herausforderungen zu erfassen, denen wir uns stellen, um Prozessanalysatoren gewünschte Ergebnisse liefern zu lassen. Es gibt die einfache Annahme, dass Kalibrierung die Antwort ist, wenn der Prozessanalysator nicht das gewünschte Ergebnis liefert. Aber wie wir gerade gesehen haben, hat Kalibrierung ihre Grenzen und kann nicht alle Probleme lösen.

Atmosphärische Änderungen bei Gasanlysatoren kontrollieren

Gasanlysatoren sind im Grunde Molekülzähler. Bei der Kalibrierung wird eine bekannte Gaskonzentration eingeführt, und der Analysatorausgang wird geprüft, ob er korrekt zählt. Was passiert aber, wenn sich der atmosphärische Druck um 5 bis 10 % ändert, wie es in manchen Klimazonen vorkommt? Die Molekülanzahl in einem gegebenen Volumen variiert mit der Änderung des atmosphärischen Drucks, und als Resultat ändert sich der finale Zählwert des Analysators.

Es gibt die weitverbreitete Fehlwahrnehmung, atmosphärischer Druck sei konstant 14,7 psia (1 bar.abs), aber wetterbedingt kann er um bis zu 1 psi (0,07 bar) nach oben oder unten schwanken. Damit der Kalibrierprozess effektiv ist, muss der Absolute Druck im Probenahmesystem während Kalibrierung und während der Analyse von Proben gleich sein. Absoluter Druck kann als der Gesamtdruck über einem perfekten Vakuum definiert werden. In einem Probenahmesystem wäre es der Systemdruck gemessen an einem Manometer plus atmosphärischer Druck.

Wenn Druck so kritisch ist, wie kontrolliert man ihn? Einige Prozessanalysatoren, besonders Infrarot- und Ultraviolett-Analysatoren, lassen atmosphärischen Druck die Messung beeinflussen, korrigieren ihn dann aber elektronisch. Viele Prozessanalysatoren, einschließlich vieler Gaschromatographen, korrigieren jedoch nicht für atmosphärische Druckschwankungen. Tatsächlich korrigieren die meisten Systeme nicht für Druckschwankungen, und viele Systemingenieure oder -betreiber ignorieren sie. Manche glauben, atmosphärische Schwankungen seien nicht signifikant. Andere behaupten, jede atmosphärische Schwankung werde durch andere verwandte oder unverwandte Variablen, die den Prozessanalysator beeinflussen, kompensiert. Dennoch können atmosphärische Schwankungen signifikant sein. Angenommen, bei Kalibrierung beträgt der atmosphärische Druck X, später bei Injektion des Prozessgases ist er X + 1 psi (0,07 bar). Die Antwort kann bis zu 7 % vom gemessenen Wert abweichen.

Mit Umweltschutzvorschriften leiten die meisten Prozessanalysatorsysteme nun zu Fackelstacks oder anderen Rückführpunkten ab. Da Druckschwankungen von solchen Zielen den Druck stromaufwärts im Analysator beeinflussen, gibt es Entlüftungssysteme mit Ejektoren und Reglern, die diese Schwankungen kontrollieren. Leider verwenden diese Systeme Regler, die auf Atmosphäre referenzieren. Resultat: Während sie Schwankungen vom Vent kontrollieren, kontrollieren sie nicht für atmosphärische Druckschwankungen.

Damit ein System sowohl atmosphärische als auch Vent-Druckschwankungen kontrolliert, ist ein Absolutdruckregler erforderlich. Im Gegensatz zu einem normalen Regler vergleicht ein Absolutdruckregler nicht den Druck im System mit dem Druck außerhalb des Systems, der selbst wetterbedingt schwankt. Vielmehr vergleicht er den Druck im System mit einem konstanten Sollwert, der nicht schwankt (oder kaum). Oft ist dieser Sollwert tatsächlich 0 psia (0 bar.abs).

Validierung versus Kalibrierung

Die beste Methode für Kalibrierung ist eine, die ein automatisiertes System regelmäßiger Validierung mit statistischer Interpretation einsetzt. Validierung ist der Prozess, den Analysator in regelmäßigen Zeitintervallen zu prüfen, um zu bestimmen, ob er on-target oder off-target ist. Bei der Validierung wird ein Messwert aufgenommen und aufgezeichnet. Es ist derselbe Prozess wie bei der Kalibrierung, außer dass keine Korrektur vorgenommen wird.

Ein automatisiertes System führt eine Validierungsprüfung in regelmäßigen Intervallen durch, meist einmal täglich, und analysiert das Ergebnis auf Probleme, die eine Anpassung oder Neukalibrierung erfordern würden. Das System toleriert unvermeidliche Auf- und Abbewegungen, aber wenn es einen konsistenten Drift in den Messungen beobachtet – einen, der sich nicht selbst korrigiert – warnt es den Bediener, dass das System möglicherweise aus dem Ruder läuft.

Eine Person kann ein System manuell in regelmäßigen Intervallen validieren, genau wie ein automatisiertes System, aber oft wird diese Person auch eine Anpassung am Analysator vornehmen, selbst wenn das System nur 1 % abweicht. Das Resultat ist eine Reihe gelegentlicher, kleiner Anpassungen, die zusätzliche Varianz einführen und es schwierig machen, Trends zu analysieren und zu bestimmen, wann das System wirklich off-course läuft. Es ist besser, ein automatisiertes System unbeaufsichtigt laufen zu lassen, bis eine statistische Analyse der Ergebnisse nahelegt, dass Aufmerksamkeit erforderlich ist.

Fazit

Kalibrierung ist ein wichtiger Prozess und eine absolute Anforderung in analytischen Systemen, aber Sorgfalt ist geboten, ihn korrekt durchzuführen. Der Bediener, Techniker oder Ingenieur sollte verstehen, wie das Kalibriergas am besten in das System eingeführt wird und wie atmosphärische Schwankungen bei Gasanlysatoren kontrolliert werden. Weiterhin sollte der Techniker oder Bediener die Grenzen der Kalibrierung verstehen – welche Probleme sie adressieren kann und welche nicht – und wie häufige Anpassungen am Analysator basierend auf Einzelkalibrierungen Fehler einführen. Wenn der Prozessanalysator regelmäßig mit einem automatisierten System validiert und bei statistischer Rechtfertigung ordnungsgemäß kalibriert wird, funktioniert Kalibrierung wie vorgesehen und leistet einen wichtigen Dienst, um dem Analysator genaue Messungen zu ermöglichen.