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Comprendre et mesurer le temps de réponse d’un système d’instrumentation analytique

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Comprendre et mesurer le temps de réponse d’un système d’instrumentation analytique

17 décembre 2018 | Karim Mahraz

Les temps de réponse des systèmes d’échantillonnage constituent la principale cause d’inexactitude des résultats fournis par les analyseurs de process. Si les mesures effectuées sur les process sont instantanées, ce n’est pas le cas des résultats fournis par les analyseurs. Le trajet du fluide du point de prélèvement à l’analyseur prend nécessairement un certain temps. Le temps de réponse dépend des différentes parties d’un système d’instrumentation analytique représentées sur la figure ci-dessous : la ligne de process, la vanne d’alimentation et la sonde d’échantillonnage, la station de mesure, la ligne de transport, le système de conditionnement des échantillons, le système de commutation des lignes et l’analyseur lui-même.

Il est important de comprendre que tous ces éléments contribuent à l’allongement du temps de réponse. Celui-ci est égal à la durée totale du trajet parcouru par le fluide entre la ligne de process et l’analyseur, à laquelle s’ajoute le temps nécessaire pour l’analyse elle-même. Par exemple, si cinq minutes sont nécessaires à un chromatographe en phase gazeuse pour analyser un échantillon, ces cinq minutes doivent être ajoutées non seulement au temps passé dans le système de conditionnement et le système de commutation, mais également au temps passé dans les lignes de transport, la station de mesure, la vanne d’alimentation et la sonde de prélèvement. Ce sous-total doit ensuite être ajouté au temps nécessaire au fluide pour parcourir la distance entre l’unité de process surveillée et la vanne d’alimentation. Ce qui compte, c’est la durée totale du trajet entre l’unité de process surveillée et l’analyseur..

Or, le temps de réponse est souvent sous-estimé, non pris en compte ou mal compris. Dans de nombreux cas, le temps de réponse est ignoré par des spécialistes des analyseurs et des techniciens qui s’attachent davantage à créer un échantillon adapté à l’analyseur. Nombre de spécialistes considèrent que les mesures analytiques se font de manière instantanée. Pourtant, rares sont les systèmes d’échantillonnage dont le temps de réponse est conforme à la norme du secteur, qui est de l’ordre d’une minute. Il est toujours préférable de raccourcir au maximum le temps de réponse, même pour des cycles de longue durée, mais un temps de réponse supérieur à une minute n’est pas nécessairement un problème. L’ingénieur des méthodes doit déterminer un temps de réponse acceptable en fonction de la dynamique du process.

Ces temps de réponse deviennent un problème lorsqu’ils dépassent ce qu’avait prévu le concepteur du système. Une mauvaise estimation ou une hypothèse erronée concernant le temps de réponse auront pour conséquence un contrôle du process déficient. Comprendre les causes d’un temps de réponse trop long et apprendre à calculer ou à estimer un temps de réponse avec une marge d’erreur acceptable permettent à la fois de réduire le temps de réponse et d’améliorer la réactivité globale du système.

Savoir placer les lignes de process, les vannes d’alimentation, les boucles rapides et les lignes de transport pour obtenir une efficacité maximale

Pour réduire le temps de réponse du système, il est généralement préférable de placer la vanne d’alimentation le plus près possible de l’analyseur, même si cela n’est pas toujours réalisable. La vanne d’alimentation doit être placée en amont des sources de retard – cuves, réservoirs, bras morts, lignes mortes, équipements redondants ou obsolètes (qui doivent être éliminés pour faciliter l’écoulement). Dans certains cas, il n’est pas possible de placer la vanne d’alimentation près de l’analyseur à cause des variables mentionnées précédemment. Si la vanne se trouve loin de l’analyseur, il est recommandé d’installer une boucle rapide de manière à pouvoir acheminer rapidement le fluide vers l’analyseur. Si celle-ci est correctement configurée, le fluide s’écoulera bien plus vite dans la boucle rapide que dans les lignes de l’analyseur.

Réduire la pression pour diminuer le temps de réponse

Lorsqu’elle est utilisée avec un gaz, une station de mesure permet de réduire la pression dans les lignes de transport ou la boucle rapide. À débit identique, la diminution du temps de réponse dans les lignes de transport est proportionnelle à la diminution de la pression absolue. Une pression absolue divisée par deux permet de réduire de moitié le temps de réponse. La station de mesure doit être placée au plus près de la vanne d’alimentation. Il est préférable de faire baisser la pression le plus rapidement possible.

On n’utilisera pas un tel dispositif avec un échantillon liquide. Il est préférable de maintenir les liquides à des pressions élevées afin d’éviter la formation de bulles. Lorsqu’un échantillon liquide est analysé à l’état gazeux, un vapodétendeur pourra être utilisé au niveau de la station de mesure. Il faut toutefois savoir que cela va grandement rallonger le temps de réponse. Lorsque le fluide passe de l’état liquide à l’état gazeux, son volume augmente considérablement. Cet augmentation de volume dépend de la masse moléculaire du liquide.

En général, le débit de gaz mesuré à la sortie du détendeur sera plus de 300 fois supérieur à celui du liquide entrant dans le vapodétendeur. Par exemple, pour un débit de gaz de 500 cm3/min, le débit de liquide pourra être inférieur à 2 cm3/min. Par conséquent, il faudra 25 minutes au liquide pour parcourir 3 mètres (10 pieds) dans un tube de diamètre 6 mm (1/4 pouce). Pour réduire cette durée, nous devons réduire le volume du tube situé en amont du détendeur. Par exemple, avec un tube de 30,5 cm (1 pied) de longueur et de 3 mm (1/8 pouce) de diamètre, il ne faut que 30 secondes au liquide pour atteindre le détendeur. À ce temps, il faut toutefois ajouter le retard occasionné par la sonde. Plus celle-ci est étroite, plus le temps de réponse est court.

Il est également possible de raccourcir le temps de réponse en plaçant le vapodétendeur plus près de l’analyseur. Installez un détendeur après le filtre de la boucle rapide avec une seconde boucle rapide pour assurer un débit correct jusqu’au vapodétendeur. Le but du dispositif est d’éviter qu’un volume important de liquide se déplaçant lentement atteigne le détendeur.

La commutation des lignes

Pour éviter de rallonger le temps de réponse, les dispositifs de commutation doivent fonctionner rapidement pour évacuer au plus vite les anciens échantillons tout en acheminant le nouvel échantillon vers l’analyseur. Les configurations avec vannes double arrêt et purge (DAP), disponibles aujourd’hui avec des composants traditionnels ou sous forme de plates-formes modulaires miniatures, permettent de commuter des lignes en évitant au maximum les volumes morts et les contaminations entre lignes causées par des fuites au niveau des vannes.

Une configuration DAP classique est la configuration en cascade schématisée ci-dessous. Cette configuration permet d’éliminer les volumes morts en utilisant une seconde vanne d’arrêt au lieu d’un té.

Lorsque vous utilisez une telle configuration, il faut de tenir compte du circuit d’écoulement dans la mesure où cette configuration peut entraîner une perte de charge et une baisse du débit. Il est possible d’estimer la perte de charge en examinant la valeur du coefficient de débit (Cv) du produit, qui mesure la résistance à l’écoulement. Plus le Cv est faible, plus la perte de charge est importante et plus le débit diminue.

Dans la configuration en cascade, la ligne principale (ligne nº 1) ne génère pas une perte de charge excessive, mais les lignes nº 2, nº 3, etc. provoquent une perte de charge plus importante et rallongent le circuit d’écoulement, d’où un trajet de plus en plus long jusqu’à la sortie. Il en résulte des délais d’acheminement irréguliers dans les différentes lignes, ce qui complique la mise en place de temps de purge réguliers pour l’ensemble des lignes.

La configuration DAP avec boucle d’écoulement intégrée, représentée ci-dessous, combine tous les avantages de la configuration en cascade tout en limitant les pertes de charge dans l’ensemble des lignes. Le Cv – et par conséquent le délai d’acheminement du fluide – est le même dans chaque ligne. Notez que la perte de charge engendrée par un composant ayant un Cv de 0,3 est égale à un tiers de la perte de charge causée par un composant dont le Cv est de 0,1.

Les systèmes de conditionnement des échantillons

Le système de conditionnement des échantillons prépare l’échantillon à l’analyse en le filtrant, en s’assurant qu’il se trouve dans le bon état physique et en ajustant sa pression, son débit et sa température. Pour y parvenir sans que le système n’occupe trop d’espace, de nombreux composants relativement petits sont utilisés – manomètres, régulateurs de pression, débitmètres à section variable, régulateurs de débit, clapets anti-retour, vannes de réglage, vannes à boisseau sphérique. Dans des espaces exigus, on utilise souvent des systèmes compacts constitués de composants modulaires miniatures. Ces composants montés sur une plate-forme sont fabriqués conformément à la norme ANSI/ISA 76.00.02, selon l’initiative NeSSI (New Sampling/Sensor Initiative). Comme pour les vannes de commutation, le problème n’est pas tant le volume interne que la perte de charge. Lors du choix des composants, vous devez comparer les coefficients de débit indiqués par le fabricant.

D’autres composants utilisés dans les systèmes de conditionnement – filtres, pots d’éjection, filtres coalescents – peuvent augmenter le temps de réponse du fait qu’ils laissent les échantillons entrants se mélanger aux anciens échantillons. Vous pouvez améliorer le temps de réponse en nettoyant un filtre ou un pot d’éjection de manière à ce que 95 % de l’ancien échantillon ait disparu. Malheureusement, la durée du processus est égale à trois fois le volume du composant. Cela suppose que l’entrée et la sortie sont adjacentes, comme le montre le schéma ci-dessous.

Considérez un filtre dont l’entrée et la sortie sont configurées comme sur le schéma. Si le débit est de 100 cm3/min et si le volume du filtre est de 100 cm3, trois minutes seront nécessaires pour évacuer 95 % de l’ancien échantillon. Avec ce système d’instrumentation analytique, trois minutes doivent donc être ajoutées dans le calcul du temps de réponse pour garantir un échantillonnage précis. Ces mêmes formules peuvent s’appliquer aux volumes de mélange dans la ligne de process.

L’analyseur

En règle générale, 5 à 10 minutes sont nécessaires à un chromatographe en phase gazeuse pour analyser un échantillon. Les analyseurs à ultraviolets et infrarouges sont plus rapides et effectuent les analyses en quelques secondes. Un ingénieur ou un technicien spécialiste des analyseurs doit connaître le temps nécessaire à l’analyseur pour traiter un échantillon. Cette durée sera ajoutée aux estimations évoquées ci-dessus, afin d’obtenir le temps de réponse total, c’est-à-dire la durée écoulée entre le moment du prélèvement et l’obtention du résultat.

Pour conclure

Les outils mentionnés ici permettent d’estimer un temps de réponse total avec une marge d’erreur raisonnable. Souvenez-vous que ce qui importe, c’est le temps total qui s’écoule entre le moment du prélèvement dans la ligne de process et l’obtention du résultat de l’analyse, et que tous les éléments du circuit qui contribuent à allonger ce temps de réponse doivent être pris en compte. Le temps de réponse est un point qui nécessite un examen rigoureux de la part du spécialiste de l’analyse. Des hypothèses erronées concernant la durée de l’échantillonnage, en particulier au niveau des composants qui posent généralement problème comme la sonde ou le vapodétendeur installé dans la station de mesure, ne pourront que saper le travail réalisé par le spécialiste de l’analyse et rendre l’analyseur inefficace. Les spécialistes de l’analyse, en collaboration avec leur fournisseur ou leur consultant en systèmes fluides, peuvent améliorer les temps de réponse en choisissant judicieusement les composants et les configurations utilisés, notamment en ce qui concerne l’emplacement de la vanne d’alimentation, l’installation d’une boucle rapide, le diamètre des tubes et les systèmes de commutation de lignes.

Progresser en se formant aux systèmes d’échantillonnage

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