Menguasai Kalibrasi Analyzer untuk Pengukuran Proses yang Terpercaya

Cara Mengkalibrasi Analyzer dalam Sistem Instrumentasi Analitik

Tony Waters, Ahli Sistem Sampel dan Instruktur

Dalam banyak sistem instrumentasi analitik, analyzer proses tidak memberikan pengukuran absolut. Sebaliknya, ia memberikan respons relatif berdasarkan pengaturan yang ditetapkan selama kalibrasi—proses kritis yang rentan terhadap kesalahan signifikan. Untuk mengkalibrasi analyzer proses, cairan kalibrasi dengan kandungan dan kuantitas yang diketahui dilewatkan melalui analyzer, menghasilkan pengukuran konsentrasi komponen. Jika pengukuran ini tidak konsisten dengan kuantitas yang diketahui dalam cairan kalibrasi, analyzer proses disesuaikan sesuai. Nanti, ketika sampel proses dianalisis, akurasi bacaan analyzer akan bergantung pada akurasi proses kalibrasi.

Penting bagi kita untuk memahami bagaimana kesalahan atau kontaminasi dapat diperkenalkan melalui kalibrasi; kapan kalibrasi dapat—dan tidak dapat—mengatasi masalah kinerja yang dirasakan dengan analyzer proses; bagaimana fluktuasi tekanan atau suhu atmosfer dapat membatalkan pekerjaan kalibrasi; dan kapan dan kapan tidak untuk mengkalibrasi.

Desain Sistem

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

Selama bertahun-tahun, sistem pemilihan aliran telah berkembang dari konfigurasi DBB yang terdiri dari komponen konvensional menjadi sistem modular, miniatur. Sistem yang paling efisien memberikan waktu pembersihan yang cepat, tekanan actuasi 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 analyzer.

Sistem pemilihan aliran memberikan perlindungan terbesar terhadap kemungkinan cairan kalibrasi bocor masuk ke aliran sampel. Meskipun demikian, beberapa teknisi akan melewati rangkaian ini dan menempatkan cairan kalibrasi semampai mungkin dengan analyzer dengan niat untuk menghemat cairan. Jika hanya satu katup bola yang digunakan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, upaya untuk menghemat gas kalibrasi dapat mengarah pada bacaan analyzer yang bias. Analyzer mungkin telah terkalibrasi dengan benar, tetapi selalu ada risiko bahwa sejumlah kecil gas kalibrasi dapat bocor masuk ke aliran sampel dan mengganggu pengukuran.

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

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

Dalam beberapa aplikasi, Badan Perlindungan Lingkungan Amerika Serikat (EPA) mengharuskan cairan kalibrasi diperkenalkan pada titik awal dalam sistem sampel, biasanya dekat sonde. Pemikirannya adalah bahwa cairan kalibrasi harus terkena semua variabel yang sama seperti aliran sampel. Ini masuk akal, karena pengaturan ini akan memberikan estimasi yang adil tentang waktu yang dibutuhkan untuk sampel bergerak dari sonde ke analyzer. Secara umum, periode waktu ini sering kali tidak dihitung atau tidak diketahui.

Namun, sejumlah besar cairan kalibrasi diperlukan jika akan berjalan melalui seluruh sistem sampel. Tidak mengherankan bahwa banyak fasilitas tidak dapat menggunakan opsi ini. Kompromi yang baik adalah menjalankan cairan kalibrasi melalui sistem pemilihan aliran, menyediakan satu aliran untuk cairan. Konfigurasi ini memberikan cairan kalibrasi peluang terbaik untuk mencapai analyzer tanpa terkontaminasi oleh aliran sampel. Saat tidak digunakan, kedua katup blok akan mencegah cairan mengkontaminasi aliran sampel. Dengan platform modular miniatur, jumlah cairan kalibrasi yang diperlukan akan minimal.

Keterbatasan Kalibrasi

Untuk mengkalibrasi analyzer secara efektif, operator, teknisi, atau insinyur harus memahami, secara teoritis, apa itu kalibrasi, apa yang dapat diperbaikinya, dan apa yang tidak dapat diperbaikinya.

Analyzer proses harus presisi. Ia harus menghasilkan hasil yang dapat diulang ketika disajikan dengan kuantitas yang diketahui dalam bentuk cairan kalibrasi. Jika analyzer proses tidak mengembalikan hasil yang dapat diulang, baik analyzer mengalami kerusakan, atau sistem tidak memelihara sampel pada kondisi konstan. Kalibrasi tidak dapat memperbaiki ketidakpresisian.

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

Namun, bahkan jika analyzer proses ditemukan presisi dan akurat saat diuji dengan cairan kalibrasi, masih mungkin ia akan menghasilkan hasil yang tidak akurat saat menganalisis aliran sampel. Jika analyzer diminta untuk menghitung molekul merah dan ia menemukan molekul merah muda, apa yang dilakukannya? Molekul merah muda terlihat merah untuk analyzer, jadi ia menghitungnya sebagai merah, menghasilkan hitungan merah yang meluas. Ini disebut interferensi positif. Misalnya, dalam sistem analyzer proses yang dirancang untuk menghitung molekul propana, molekul propilena mungkin muncul. Mungkin analyzer akan menghitungnya sebagai propana karena tidak dikonfigurasi untuk membuat perbedaan antara keduanya.

Tidak ada analyzer proses yang sempurna, tetapi mereka semua dibangun untuk selektivitas. Beberapa analyzer proses lebih kompleks dan diprogram untuk secara kimia menghambat beberapa jenis interferensi. Misalnya, analyzer senyawa organik total (TOC) dirancang untuk mengukur konten karbon dalam air limbah sehingga dapat ditentukan apakah hidrokarbon dibuang secara tidak tepat. Untuk melakukannya dengan akurat, analyzer proses menghapus sumber interferensi positif—karbon anorganik, seperti batu kapur—yang ada dalam air keras. Tanpa langkah awal ini, analyzer proses akan mengukur baik karbon organik maupun anorganik, salah memahami hidrokarbon dengan air keras.

Jenis interferensi lain adalah interferensi negatif: Sebuah molekul yang harus dihitung tidak dihitung karena molekul lain menyembunyikannya. Misalnya, dalam air minum berflorida, elektroda digunakan untuk menganalisis jumlah fluorida dalam air. Namun, ion hidrogen, yang umum dalam air minum, menyembunyikan fluorida sehingga hitungannya secara akurat rendah. Analyzer mungkin membaca 1 ppm, yang merupakan dosis standar namun, sebenarnya, air mungkin mengandung 10 ppm. Solusinya adalah untuk menghapus sumber interferensi. Dengan memperkenalkan larutan penyangga, ion hidrogen dihilangkan, dan elektroda dapat mengukur fluorida dengan akurat.

Dengan pemahaman tentang interferensi positif dan negatif, serta presisi dan akurasi, kita mulai menangkap tantangan formidabel yang dihadapinya dalam memungkinkan analyzer proses untuk menghasilkan hasil yang diinginkan. Ada asumsi mudah bahwa jika analyzer proses tidak menghasilkan hasil yang diinginkan, kalibrasi adalah jawabannya. Namun seperti yang baru saja kita lihat, kalibrasi memiliki keterbatasan dan tidak dapat memecahkan semua masalah.

Mengontrol Perubahan Atmosfer dalam Analyzer Gas

Analyzer gas pada dasarnya adalah penghitung molekul. Ketika mereka dikalibrasi, konsentrasi gas yang diketahui diperkenalkan, dan output analyzer proses diperiksa untuk memastikan ia menghitung dengan benar. Namun apa yang terjadi ketika tekanan atmosfer berubah 5 hingga 10 persen seperti yang diketahui terjadi di beberapa iklim? Jumlah molekul dalam volume tertentu akan bervariasi seiring dengan perubahan tekanan atmosfer dan sebagai hasilnya, hitungan akhir analyzer akan berubah.

Ada persepsi umum bahwa tekanan atmosfer konstan 14,7 psia (1 bar.a), namun, berdasarkan cuaca, ia dapat fluktuasi sebanyak 1 psi (0,07 bar) ke atas atau ke bawah. Untuk proses kalibrasi efektif, tekanan absolut dalam sistem sampel selama kalibrasi dan selama analisis sampel harus sama. Tekanan absolut dapat didefinisikan sebagai tekanan total di atas vakum sempurna. Dalam sistem sampel, itu akan menjadi tekanan sistem yang diukur oleh indikator tekanan, ditambah tekanan atmosfer.

Jika tekanan sangat krusial, bagaimana cara mengontrolnya? Beberapa analyzer proses, terutama inframerah dan ultraviolet, mengizinkan tekanan atmosfer mempengaruhi bacaan tetapi kemudian memperbaikinya secara elektronik. Namun, banyak analyzer proses, termasuk banyak kromatografi gas, tidak memperbaiki fluktuasi tekanan atmosfer. Faktanya, sebagian besar sistem tidak memperbaiki fluktuasi tekanan dan banyak insinyur atau operator sistem mengabaikannya. Beberapa percaya bahwa fluktuasi atmosfer tidak signifikan. Yang lain mempertahankan bahwa fluktuasi atmosfer apa pun dikompensasi oleh variabel terkait atau tidak terkait yang mempengaruhi analyzer proses. Meskipun demikian, fluktuasi atmosfer dapat signifikan. Asumsikan bahwa saat Anda mengkalibrasi analyzer proses Anda, tekanan atmosfer adalah X, namun, nanti, saat Anda menyuntikkan gas proses, tekanan atmosfer adalah X + 1 psi (0,07 bar). Jawabannya mungkin sebanyak 7 persen di luar nilai yang diukur.

Dengan regulasi lingkungan, sebagian besar sistem analyzer proses sekarang membuang ke tumpasan flare atau titik kembali lainnya. Karena fluktuasi tekanan dari tujuan tersebut akan mempengaruhi tekanan hulu di analyzer, ada sistem ventilasi, dilengkapi dengan eductor dan regulator, yang dirancang untuk mengontrol fluktuasi ini. Sayangnya, sistem ini menggunakan regulator yang dirujuk ke atmosfer. Akibatnya, sementara sistem ini mengontrol fluktuasi dari ventilasi, mereka tidak mengontrol fluktuasi dalam tekanan atmosfer.

Untuk sistem semacam itu untuk mengontrol fluktuasi atmosfer serta fluktuasi tekanan ventilasi, regulator tekanan absolut diperlukan. Berbeda dengan regulator normal, regulator tekanan absolut tidak membandingkan tekanan di dalam sistem dengan tekanan di luar sistem, yang sendiri fluktuasi sesuai dengan cuaca. Sebaliknya, ia membandingkan tekanan di dalam sistem dengan tekanan set konstan yang sama sekali tidak fluktuasi (atau sangat sedikit). Seringkali, tekanan set ini sebenarnya adalah 0 psia (0 bar.a).

Validasi versus Kalibrasi

Metode terbaik untuk kalibrasi adalah yang menggunakan sistem validasi otomatis teratur, dengan interpretasi statistik. Validasi adalah proses memeriksa analyzer pada interval waktu teratur untuk menentukan apakah ia pada sasaran atau di luar sasaran. Dalam validasi, bacaan diambil, dan bacaan itu dicatat. Ini adalah proses yang sama dengan kalibrasi, kecuali tidak ada koreksi yang dilakukan.

Sistem otomatis akan menjalankan pemeriksaan validasi pada interval teratur, biasanya sekali sehari, dan menganalisis hasilnya untuk masalah apa pun yang akan memerlukan penyesuaian atau pengkalibrasian ulang. Sistem akan mengizinkan naik turun yang tidak dapat dihindari, tetapi jika ia mengamati drift konsisten dalam pengukuran—satu yang tidak memperbaiki dirinya sendiri—maka ia akan memperingatkan operator bahwa sistem mungkin mengalami masalah.

Seseorang dapat memvalidasi sistem secara manual pada interval teratur, seperti sistem otomatis, namun, lebih sering tidak, orang itu juga akan melakukan penyesuaian pada analyzer, bahkan jika sistem hanya 1 persen di luar. Hasilnya adalah serangkaian penyesuaian sesekali dan kecil yang memperkenalkan variansi tambahan dan membuat sulit untuk menganalisis tren dan menentukan kapan sistem benar-benar berjalan keluar jalur. Lebih baik untuk mengizinkan sistem otomatis berjalan tanpa pengawasan sampai analisis statistik hasilnya menunjukkan bahwa perhatian diperlukan.

Kesimpulan

Kalibrasi adalah proses penting dan persyaratan mutlak dalam sistem analitis, tetapi hati-hati harus diambil untuk melakukan proses ini dengan benar. Operator, teknisi, atau insinyur harus memahami cara terbaik untuk memperkenalkan gas kalibrasi ke dalam sistem dan cara mengontrol fluktuasi atmosfer dalam analyzer gas. Selanjutnya, teknisi atau operator harus memahami keterbatasan kalibrasi—masalah apa yang dapat diatasi dan masalah apa yang tidak dapat diatasi—dan seberapa sering penyesuaian analyzer yang sering dilakukan berdasarkan satu kalibrasi memperkenalkan kesalahan. Jika analyzer proses secara teratur divalidasi dengan sistem otomatis dan dikalibrasi dengan benar saat analisis statistik memakannya, kalibrasi akan berfungsi sebagaimana mestinya, dan memberikan layanan penting dalam memungkinkan analyzer untuk memberikan pengukuran yang akurat.