Cara Mengkalibrasi Penganalisis dalam Sistem Penganalisis Proses

Cara Mengkalibrasi Alat Analisis dalam Sistem Instrumentasi Analitik

Tony Waters, Pakar dan Instruktur Sistem Pengambilan Sampel

Dalam banyak sistem instrumentasi analitik, penganalisis proses tidak memberikan pengukuran absolut. Sebaliknya, ini memberikan respons relatif berdasarkan pengaturan yang ditetapkan selama kalibrasi—proses kritis yang mengalami kesalahan signifikan. Untuk mengkalibrasi penganalisis proses, cairan kalibrasi dengan isi dan kuantitas yang diketahui dilewatkan melalui penganalisis, menghasilkan pengukuran konsentrasi komponen. Jika pengukuran ini tidak konsisten dengan jumlah yang diketahui dalam cairan kalibrasi, penganalisis proses disesuaikan. Kemudian, ketika sampel proses dianalisis, keakuratan pembacaan alat analisis akan bergantung pada keakuratan proses kalibrasi.

Sangat penting bagi kita untuk memahami bagaimana kesalahan atau kontaminasi dapat terjadi melalui kalibrasi; ketika kalibrasi dapat—dan tidak dapat—mengatasi masalah kinerja yang dirasakan dengan penganalisis proses; bagaimana tekanan atmosfer atau fluktuasi suhu dapat membatalkan pekerjaan kalibrasi; dan kapan dan kapan tidak melakukan kalibrasi.

Desain Sistem

Salah satu masalah umum dalam kalibrasi adalah desain sistem pemilihan yang tidak memadai. Dalam banyak kasus, cairan kalibrasi dimasukkan ke hilir sistem katup pemilihan aliran dan tanpa manfaat konfigurasi double block and bleed (DBB) yang ditunjukkan pada Gambar 1. Tempat yang lebih baik untuk memperkenalkan cairan kalibrasi adalah melalui pemilihan aliran sampel sistem, seperti pada Gambar 2. Tujuan dari sistem pemilihan aliran sampel adalah untuk memungkinkan penggantian aliran sampel yang cepat tanpa risiko kontaminasi silang. Pada Gambar 1 dan 2, setiap aliran dalam sistem pemilihan aliran sampel dilengkapi dengan dua katup blok dan katup pembuangan untuk memastikan bahwa satu aliran — dan hanya satu aliran — masuk ke penganalisis pada satu waktu.

Selama bertahun-tahun, sistem pemilihan aliran telah berevolusi dari konfigurasi DBB yang terdiri dari komponen konvensional menjadi sistem miniatur dan modular. Sistem yang paling efisien memberikan waktu pembersihan yang cepat, tekanan aktuasi katup yang rendah, dan karakteristik keselamatan yang ditingkatkan, bersama dengan kapasitas aliran yang tinggi dan penurunan tekanan yang konsisten dari aliran ke aliran untuk waktu pengiriman yang dapat diprediksi ke alat analisis.

Sistem pemilihan aliran memberikan jaminan terbesar terhadap kemungkinan kebocoran cairan kalibrasi ke dalam aliran sampel. Namun demikian, beberapa teknisi akan melewati perakitan ini dan menempatkan cairan kalibrasi sedekat mungkin dengan penganalisis dengan tujuan menghemat cairan. Jika hanya satu katup bola yang digunakan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, upaya untuk menghemat gas kalibrasi dapat mengakibatkan pembacaan alat analisis yang bias. Alat analisis dapat dikalibrasi dengan benar, tetapi selalu ada risiko bahwa sejumlah kecil gas kalibrasi dapat bocor ke aliran sampel dan mengganggu pengukuran.

Gambar 1. Dalam konfigurasi ini, gas kalibrasi diperkenalkan di hilir sistem pemilihan aliran tanpa manfaat dari perakitan DBB.

Gambar 2. Seperti yang ditunjukkan dalam konfigurasi ini, gas kalibrasi paling baik dimasukkan melalui sistem pemilihan aliran sampel, di mana rakitan DBB menjaga dari risiko kontaminasi.

Dalam beberapa aplikasi, Badan Perlindungan Lingkungan Amerika Serikat (EPA) mengharuskan cairan kalibrasi dimasukkan pada titik awal dalam sistem pengambilan sampel, biasanya di dekat probe. Alasannya adalah bahwa cairan kalibrasi harus dikenai semua variabel yang sama seperti aliran sampel. Ini masuk akal, karena pengaturan ini akan memberikan perkiraan yang adil tentang jumlah waktu yang diperlukan sampel untuk bergerak dari probe ke penganalisis. Secara umum, jangka waktu tersebut sering diremehkan atau tidak diketahui.

Namun, jumlah cairan kalibrasi yang relatif besar diperlukan jika ingin mengalir melalui seluruh sistem pengambilan sampel. Tidak heran banyak fasilitas yang tidak bisa menggunakan opsi ini. Kompromi yang baik adalah menjalankan cairan kalibrasi melalui sistem pemilihan aliran, mendedikasikan satu aliran ke cairan. Konfigurasi ini memberikan peluang terbaik bagi cairan kalibrasi untuk mencapai penganalisis tanpa terkontaminasi oleh aliran pengambilan sampel. Saat tidak digunakan, kedua katup blok akan mencegah cairan mencemari aliran sampel. Dengan platform modular miniatur, jumlah cairan kalibrasi yang dibutuhkan akan menjadi minimal.

Batasan Kalibrasi

Untuk mengkalibrasi alat analisa secara efektif, operator, teknisi, atau insinyur harus memahami, secara teoritis, apa itu kalibrasi, apa yang bisa dikoreksi, dan apa yang tidak bisa.

Sebuah penganalisa proses harus tepat. Ini harus menghasilkan hasil yang berulang ketika disajikan dengan kuantitas yang diketahui dalam bentuk cairan kalibrasi. Jika penganalisis proses tidak mengembalikan hasil yang dapat diulang, baik penganalisis tidak berfungsi, atau sistem tidak mempertahankan sampel pada kondisi konstan. Kalibrasi tidak dapat mengoreksi ketidaktepatan.

Jika process analyzer menghasilkan hasil yang konsisten tetapi hasilnya tidak sama dengan komposisi cairan kalibrasi yang diketahui, maka analyzer tersebut dikatakan tidak akurat. Situasi ini dapat dan harus diatasi melalui kalibrasi. Ini disebut mengoreksi bias.

Namun, bahkan jika penganalisis proses ditemukan tepat dan akurat saat diuji dengan cairan kalibrasi, masih ada kemungkinan bahwa itu akan menghasilkan hasil yang tidak akurat saat menganalisis aliran sampel. Jika penganalisis diminta untuk menghitung molekul merah dan bertemu dengan molekul merah muda, apa yang dilakukannya? Molekul merah muda terlihat merah bagi penganalisis, sehingga penganalisis menghitungnya sebagai merah, menghasilkan jumlah merah yang meningkat. Ini disebut interferensi positif. Misalnya, dalam sistem penganalisis proses yang dirancang untuk menghitung molekul propana, molekul propilena mungkin muncul. Ada kemungkinan bahwa penganalisis akan menghitungnya sebagai propana karena tidak dikonfigurasi untuk membuat perbedaan di antara keduanya.

Tidak ada penganalisa proses yang sempurna, tetapi semuanya dibuat untuk selektivitas. Beberapa penganalisis proses lebih kompleks dan diprogram untuk secara kimiawi menghambat jenis gangguan tertentu. Misalnya, penganalisis senyawa organik total (TOC) dirancang untuk mengukur kandungan karbon dalam air limbah sehingga dapat ditentukan apakah hidrokarbon dibuang secara tidak tepat. Untuk melakukannya secara akurat, penganalisis proses menghilangkan sumber interferensi positif — karbon anorganik, seperti batu kapur — yang ada dalam air sadah. Tanpa langkah awal ini, penganalisis proses akan mengukur karbon organik dan anorganik, yang membingungkan hidrokarbon dengan air sadah.

Jenis interferensi lainnya adalah interferensi negatif:Sebuah molekul yang seharusnya dihitung tidak dihitung karena ada molekul lain yang menyembunyikannya. Misalnya, dalam air minum berfluorinasi, elektroda digunakan untuk menganalisis jumlah fluorida dalam air. Namun, ion hidrogen, yang umum dalam air minum, menyembunyikan fluorida sehingga jumlahnya tidak akurat. Alat analisa dapat membaca 1 ppm, yang merupakan dosis standar tetapi, pada kenyataannya, air mungkin mengandung 10 ppm. Solusinya adalah menghilangkan sumber gangguan. Dengan memasukkan larutan buffer, ion hidrogen dihilangkan, dan elektroda dapat mengukur fluorida secara akurat.

Dengan pemahaman tentang interferensi positif dan negatif, serta presisi dan akurasi, kami mulai memahami tantangan berat yang kami hadapi dalam memungkinkan penganalisis proses untuk menghasilkan hasil yang diinginkan. Ada asumsi mudah bahwa jika penganalisis proses tidak menghasilkan hasil yang diinginkan, kalibrasi adalah jawabannya. Tetapi seperti yang baru saja kita lihat, kalibrasi memiliki keterbatasan dan tidak dapat menyelesaikan semua masalah.

Mengontrol Perubahan Atmosfer di Gas Analyzer

Penganalisis gas pada dasarnya adalah penghitung molekul. Ketika mereka dikalibrasi, konsentrasi gas yang diketahui diperkenalkan, dan output penganalisis proses diperiksa untuk memastikan bahwa itu dihitung dengan benar. Tapi apa yang terjadi ketika tekanan atmosfer berubah sebesar 5 sampai 10 persen seperti yang diketahui terjadi di beberapa iklim? Jumlah molekul dalam volume tertentu akan bervariasi dengan perubahan tekanan atmosfer dan sebagai hasilnya, hitungan akhir penganalisis akan berubah.

Ada kesalahpahaman umum bahwa tekanan atmosfer adalah konstan 14,7 psia (1 bar.a), tetapi, berdasarkan cuaca, dapat berfluktuasi sebanyak 1 psi (0,07 bar) ke atas atau ke bawah. Agar proses kalibrasi menjadi efektif, tekanan absolut dalam sistem pengambilan sampel selama kalibrasi dan selama analisis sampel harus sama. Tekanan absolut dapat didefinisikan sebagai tekanan total di atas vakum sempurna. Dalam sistem pengambilan sampel, itu akan menjadi tekanan sistem yang diukur dengan pengukur, ditambah tekanan atmosfer.

Jika tekanan sangat kritis, bagaimana cara mengendalikannya? Beberapa penganalisis proses, terutama inframerah dan ultraviolet, memungkinkan tekanan atmosfer mempengaruhi pembacaan tetapi kemudian mengoreksinya secara elektronik. Namun, banyak penganalisis proses, termasuk banyak kromatografi gas, tidak mengoreksi fluktuasi tekanan atmosfer. Faktanya, kebanyakan sistem tidak mengoreksi fluktuasi tekanan dan banyak teknisi sistem atau operator mengabaikannya. Beberapa percaya bahwa fluktuasi atmosfer tidak signifikan. Yang lain berpendapat bahwa setiap fluktuasi atmosfer dikompensasi oleh variabel terkait atau tidak terkait lainnya yang mempengaruhi penganalisis proses. Namun demikian, fluktuasi atmosfer dapat menjadi signifikan. Misalkan ketika Anda mengkalibrasi penganalisis proses Anda, tekanan atmosfer adalah X, tetapi, kemudian, ketika Anda menyuntikkan gas proses, tekanan atmosfer adalah X + 1 psi (0,07 bar). Jawabannya mungkin sebanyak 7 persen dari nilai yang diukur.

Dengan peraturan lingkungan, sebagian besar sistem penganalisis proses sekarang melampiaskan ke cerobong asap atau titik balik lainnya. Karena fluktuasi tekanan dari tujuan tersebut akan mempengaruhi tekanan hulu di penganalisis, ada sistem ventilasi, dilengkapi dengan eduktor dan regulator, yang dirancang untuk mengontrol fluktuasi ini. Sayangnya, sistem ini menggunakan regulator yang mengacu pada atmosfer. Akibatnya, sementara sistem ini mengontrol fluktuasi dari ventilasi, mereka tidak mengontrol fluktuasi tekanan atmosfer.

Untuk sistem seperti itu untuk mengontrol fluktuasi tekanan atmosfer dan ventilasi, diperlukan pengatur tekanan absolut. Tidak seperti regulator normal, regulator tekanan absolut tidak membandingkan tekanan di dalam sistem dengan tekanan di luar sistem, yang dengan sendirinya berfluktuasi sesuai dengan cuaca. Sebaliknya, ini membandingkan tekanan di dalam sistem dengan tekanan tetap yang tidak berfluktuasi sama sekali (atau sangat sedikit). Seringkali, tekanan yang disetel ini sebenarnya 0 psia (0 bar.a).

Validasi versus Kalibrasi

Metode terbaik untuk kalibrasi adalah yang menggunakan sistem otomatis dari validasi reguler, dengan interpretasi statistik. Validasi adalah proses pemeriksaan alat analisa pada interval waktu yang teratur untuk menentukan apakah alat tersebut on atau off target. Dalam validasi, pembacaan dilakukan, dan pembacaan itu dicatat. Ini adalah proses yang sama seperti kalibrasi, kecuali tidak ada koreksi yang dilakukan.

Sistem otomatis akan menjalankan pemeriksaan validasi secara berkala, biasanya sekali sehari, dan menganalisis hasil untuk setiap masalah yang memerlukan penyesuaian atau kalibrasi ulang. Sistem akan memungkinkan naik dan turun yang tak terhindarkan, tetapi jika mengamati penyimpangan yang konsisten dalam pengukuran — yang tidak mengoreksi dirinya sendiri — maka itu memberi tahu operator bahwa sistem bisa salah.

Seseorang dapat secara manual memvalidasi sistem secara berkala, seperti halnya sistem otomatis, tetapi, lebih sering daripada tidak, orang tersebut juga akan melakukan penyesuaian pada penganalisis, bahkan jika sistem hanya mati 1 persen. Hasilnya adalah serangkaian penyesuaian kecil dan sesekali yang memperkenalkan varians tambahan dan menyulitkan untuk menganalisis tren dan menentukan kapan sistem benar-benar berjalan keluar jalur. Lebih baik membiarkan sistem otomatis berjalan tanpa pengawasan sampai analisis statistik dari hasil menunjukkan bahwa perhatian diperlukan.

Kesimpulan

Kalibrasi adalah proses penting dan persyaratan mutlak dalam sistem analitik, tetapi kehati-hatian harus dilakukan untuk melakukan proses ini dengan benar. Operator, teknisi, atau insinyur harus memahami cara terbaik untuk memasukkan gas kalibrasi ke dalam sistem dan cara mengontrol fluktuasi atmosfer di alat analisis gas. Lebih lanjut, teknisi atau operator harus memahami batasan kalibrasi — masalah apa yang dapat diatasi dan masalah apa yang tidak dapat diatasi — dan seberapa sering penyesuaian pada penganalisis berdasarkan kalibrasi tunggal menimbulkan kesalahan. Jika penganalisis proses divalidasi secara teratur dengan sistem otomatis dan dikalibrasi dengan benar ketika analisis statistik membenarkannya, kalibrasi akan berfungsi sebagaimana mestinya, dan memberikan layanan penting dalam memungkinkan penganalisis memberikan pengukuran yang akurat.