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Verwendung eines Druckreglers zur Reduzierung der Zeitverzögerung in einem analytischen Instrumentierungssystem

Verwendung eines Druckreglers zur Reduzierung der Zeitverzögerung in einem analytischen Instrumentierungssystem

3. April, 2019 | Jon Kestner, Product Manager

Prozessmessungen erfolgen im Gegensatz zu den Reaktionen des Analysegeräts immer unmittelbar. Vom Anschluss bis zum Analysegerät besteht immer eine Zeitverzögerung. Leider wird diese Verzögerung oft unterschätzt oder missverstanden.

Als Zeitverzögerung gilt die Zeit, die erforderlich ist, bis eine neue Probe das Analysegerät erreicht. Eine Möglichkeit, die Zeitverzögerung zu kontrollieren, ist ein Druckregler. Druckregler kontrollieren Druck, und der Druck in einem Analysesystem steht in einer engen Beziehung zur Zeit. Bei Gassystemen mit einer geregelten Flussrate gilt: je geringer der Druck, desto kürzer ist die Verzögerung.

Es kann in jedem der Hauptbestandteile von Analysesystemen zu Verzögerungen kommen, zum Beispiel in der Prozessleitung, Anschluss und Sonde, Feldstation, Transportleitung, Probenaufbereitungssystem, Probenumschaltsystem und Analysegerät. Das nachstehende Diagramm zeigt den Hauptabschnitt eines Prozessanalysegerät-Probeentnahmesystems.

feldstationDie Zeitverzögerung ist kumulativ. Sie besteht aus der Gesamtzeit, die das Fluid benötigt, um vom letzten Schritt im überwachten Prozess zum Analysegerät zu gelangen. Wir werden uns zunächst auf die Feldstation konzentrieren und die wichtige Rolle, die ein Druckregler dort bei der Verringerung der Verzögerung spielt.

Vor der Feldstation:

Die Minimierung der Zeitverzögerung beginnt mit der Platzierung des Anschlusses. Es ist am besten, den Probenahmeanschluss so nah wie möglich am Prozessanalysegerät zu positionieren, aber er sollte sich stromaufwärts von Verzögerungsquellen, wie Behältern, Tanks, Toträumen, stehenden Leitungen oder redundanten oder veralteten Geräten befinden.

Bei der Entnahme einer Flüssigkeit sollte der Druck am Anschluss ausreichen, um die Probe durch die Transportleitungen oder die Schleife ("Fast Loop") zu leiten, ohne dass eine Pumpe, eine teure Komponente, welche Leistungsvariablen mit sich bringt, erforderlich ist.

In vielen Fällen können Sie den Ort des Anschlusses nicht bestimmen. Sie müssen mit einem bereits vorhandenen Anschluss und oft auch einer bereits bestehenden Analysegerätposition zurechtkommen. Falls sich der Anschluss weit vom Analysegerät entfernt befindet, sollte eine Schleife ("fast loop") verwendet werden, um das Fluid schnell zum Analysegerät und den unbenutzten Teil zurück zum Prozess zu leiten.

In den meisten analytischen Instrumentierungssystemen stellt die Sonde eine weitere Verzögerungsquelle dar. Je größer das Volumen der Sonde ist, desto größer ist die Verzögerung. Das Volumen hängt sowohl von der Länge als auch der Breite der Sonde ab. Wählen Sie zur Minimierung der Verzögerung eine Sonde mit einem kleinen Volumen aus.

An der Feldstation

In Fällen, in denen das Analysegerät eine Flüssigprobe erfordert, wird kein Druckregler in der Feldstation eingesetzt. Es ist besser, Flüssigkeiten unter hohem Druck zu halten, damit sich keine Blasen bilden. Bei Gasproben wird eine Feldstation eingesetzt, um den Druck in den Transportleitungen zu reduzieren.

Die Verzögerung verringert sich proportional zum Absolutdruck. Bei halbem Druck halbiert sich die Verzögerung. Die Feldstation wird möglichst nah am Anschluss positioniert. Je früher der Druck abgesenkt wird, desto besser. Sehen wir uns drei mögliche Anwendungen für einen Druckregler in einer Feldstation an. Der Druckregler wird bei jeder unterschiedlich konfiguriert.

Druckregleranwendung Nr. 1

Bei der ersten Anwendung besteht das Ziel darin, den Gasdruck zu reduzieren. Der Druckabfall sollte keine Kondensation erzeugen. Daher kann ein einfacher Druckminderungsregler eingesetzt werden. Ein Druckminderungsregler hält den Druck am Ausgang konstant. Ein Messelement, normalerweise eine Membrane oder ein Kolben, bewegt sich aufgrund des Hinterdrucks und ermöglicht so dem Steuerungselement, meist ein kegelförmiges Ventil, den Durchflussbereich der Öffnung zu ändern, durch die das Gas fließt. Wenn das Messelement durch erhöhten Druck nach oben gedrückt wird, bewegt sich das Steuerungselement näher an den Druckreglersitz heran, und der Öffnungsbereich wird verkleinert. Wenn das Messelement durch geringeren Druck nach unten bewegt wird, wird die Öffnung größer. In den meisten analytischen Druckreglern kann der Bediener über einen Griff am Druckregler den Ausgangsdruck durch Zusammendrücken oder Lockern einer Stellfeder einstellen, welche die Bewegungen des Messelements entgegen dem Ausgangsdruck realisiert.

Eine Metallmembran ist ideal bei Anwendungen, wo es zu keinen starken Schwankungen des Eingangsdrucks kommt oder wo chemische Verträglichkeit wichtig ist. Für Anwendungen mit unbeständigem Druck oder Druckstößen kann allerdings ein Druckregler mit Kolbensteuerung besser geeignet sein.

Druckregleranwendung Nr. 2

In unserer zweiten Regleranwendung wird erwartet, dass der Druckabfall Kondensation erzeugt. Mit einem Druckabfall verlieren fast alle Gase an Wärme, was als Joule-Thomson-Effekt bezeichnet wird und eine Abkühlung auslöst.. Falls das Gas nah an seinem Taupunkt ist, kommt es aufgrund dieser Abkühlung zu Kondensation. Bei manchen Gasen kann dieser Wärmeverlust stark genug sein, um Kondensation auszulösen und der Druckregler friert ein. Aufgrund des Joule-Thomson-Effekts ist eventuell ein beheizter Druckregler erforderlich, um die Temperatur des Gases über dem Taupunkt zu halten. Ein beheizter Druckregler ist ein Druckminderungsregler, bei dem das Systemfluid über ein Heizelement fließt. Eine Heizpatrone ist erforderlich.

Die erforderliche Energie (oder Wattzahl) der Heizpatrone lässt sich berechnen, so dass sie eine mit der richtigen Stromstärke bestimmen können. Jedes Gas hat einen Joule-Thomson-Koeffizienten, der zusammen mit dem Druckabfall und der Durchflussrate in eine Formel eingesetzt wird, um die erforderliche Wattzahl zu berechnen.

Druckregleranwendung Nr. 3

In unserer dritten Druckregleranwendung muss eine Flüssigkeit zu einem Gas werden, bevor sie von einem Gaschromatographen oder einem anderen Analysegerät analysiert werden kann. In diesem Fall wird ein Verdampfungsdruckregler eingesetzt. Die Auswahl der Verdampfungsdruckregler kann schwierig sein, aber sie sind eine zuverlässige Option zur Vorbereitung einer flüssigen Probe, wenn die richtige Größe ausgewählt wird und sie richtig installiert werden. Das Ziel eines Verdampfungsdruckreglers ist, die gesamte Probe unverzüglich in ein Gas umzuwandeln, um sicherzustellen, dass die Verdampfungsprobe den Flüssigkeitsprozess widerspiegelt.

Bei Verdampfungsdruckreglern muss man stark auf die Temperatur und den Durchfluss achten. Falls der Durchfluss zu stark ist, wird die Probe nur teilweise verdampft, und Flüssigkeit fließt durch den Druckregler und zum Analysegerät. Ist der Durchfluss zu schwach, wird die Flüssigprobe flussaufwärts verdampft.

schleife-fast-loopAchten Sie außerdem darauf, dass Sie Ihren Verdampfungsdruckregler richtig einrichten, da Sie ansonsten eine beträchtliche Verzögerung erzeugen können. Wenn das Fluid von Flüssigkeit zu Gas wird, steigt das Volumen stark an. Die Anstiegsmenge hängt von der Molmasse der Flüssigkeit ab. Der gemessene Dampfdurchfluss nach dem Druckregler beträgt in der Regel mehr als das 300-fache des Flüssigkeitsdurchflusses vor dem Verdampfungsdruckregler. Beispielsweise kann bei einem Gasfluss von 600 cm3/min. der Flüssigkeitsfluss weniger als 2 cm3/min. betragen. In diesem Fall dauert es 25 Minuten, bis die Flüssigkeit durch ein Rohr mit einem Durchmesser von 6 mm (1/4 Zoll) 3 Meter (ca. 10 Fuß) fließt. Um diese Zeit zu verringern, müssen wir das Volumen des Rohrs vor dem Druckregler verringern. Beispielsweise würde es mit nur 30,5 cm (einem Fuß) Rohr mit einem Durchmesser von 3,2 mm (1/8 Zoll) nur 30 Sekunden lang dauern, bis die Flüssigkeit den Druckregler erreicht. Zu dieser Zeit müssen wir jedoch die Zeitverzögerung in der Sonde dazuzählen. Je dünner die Sonde, desto schneller die Reaktion.

Eine andere Möglichkeit, eine schnellere Reaktion zu erhalten, ist, den Verdampfungsdruckregler mithilfe einer Schleife ("fast loop") näher an das Analysegerät zu bringen. Im nachstehenden Diagramm befindet sich der Druckregler hinter dem Schleifenfilter, wobei eine zweite Flüssigkeitsschleife gewährleistet, dass der gute Flüssigkeitsdurchfluss bis zum Verdampfungsdruckregler anhält. Das Ziel ist, das langsam zu einem Verdampfungsdruckregler fließende Flüssigkeitsvolumen zu minimieren.

Ein Druckregler ist ein wichtiges Werkzeug beim Umgang mit der Zeitverzögerung in Analysesystemen. Je geringer der Druck in einem Gassystem ist, desto schneller ist die Reaktionszeit. Allgemein gilt: je früher sich der Druck in einem System absenken lässt, desto besser. In Fällen, in denen eine Flüssigkeit verdampft wird, sollte eine Flüssigkeitsschleife eingesetzt werden, damit die Flüssigkeit zum Verdampfungsregler geleitet wird. Die Feldstation ist eine Stelle in einem komplexen analytischen Instrumentierungssystem, wo sich die Zeitverzögerung signifikant vermindern lässt, aber die Vorgehensweise dabei muss stets umfassend sein. Zur Reduzierung der Verzögerung müssen alle möglichen Verzögerungsursachen in einem System geprüft werden.

Erfahren Sie, wie Sie die Zeitverzögerung Ihres Analysesystems verwalten

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