Menguasai Keterlambatan Waktu dalam Instrumentasi Analitik: Pengukuran Akurat & Mitigasi

Memahami dan Mengukur Keterlambatan Waktu dalam Sistem Instrumentasi Analitik

Karim Mahraz

Keterlambatan waktu dalam sistem sampel adalah penyebab paling umum dari hasil yang tidak sesuai dari analyzer proses. Pengukuran proses adalah instan, tetapi respons analyzer tidak. Selalu ada keterlambatan waktu dari titik ambil hingga analyzer. Potensi keterlambatan waktu ada di bagian-bagian berikut dari sistem instrumentasi analitik (AI), seperti yang ditampilkan pada gambar di bawah ini: garis proses, titik ambil dan sonde, stasiun lapangan, garis transportasi, sistem kondisi sampel, sistem pergantian aliran, dan analyzer.

Penting untuk memahami bahwa keterlambatan waktu bersifat kumulatif. Ini terdiri dari jumlah total waktu yang dibutuhkan untuk fluida untuk berjalan dari garis proses ke analyzer, termasuk waktu yang diperlukan untuk analisis akhir. Misalnya, jika kromatografi gas memakan waktu lima menit untuk menganalisis sampel, lima menit ini harus ditambahkan tidak hanya ke keterlambatan waktu dalam sistem kondisi sampel dan sistem pergantian aliran, tetapi juga ke keterlambatan waktu di garis transportasi, stasiun lapangan, titik ambil, dan sonde. Subtotal ini harus kemudian ditambahkan ke jumlah waktu yang dibutuhkan untuk fluida untuk berjalan dari unit proses yang dipantau ke titik ambil. Ini adalah jumlah total waktu dari unit proses yang dipantau hingga analyzer yang dihitung.

Sayangnya, keterlambatan waktu sering kali tidak dihitung, tidak diperhitungkan, atau dipahami dengan salah. Dalam banyak kasus, keterlambatan waktu tidak terlihat oleh spesialis dan teknisi analyzer, yang berfokus pada membuat sampel sesuai untuk analyzer. Spesialis analyzer mungkin mengasumsikan bahwa pengukuran analitis adalah instan. Namun, sistem sampel sering gagal mencapai standar industri respons satu menit, menciptakan peluang yang besar untuk keterlambatan waktu. Selalu lebih baik untuk meminimalkan keterlambatan waktu, bahkan untuk siklus waktu yang panjang, tetapi penundaan yang melampaui standar industri tidak selalu menjadi masalah. Insinyur proses harus menentukan waktu penundaan yang dapat diterima berdasarkan dinamika proses.

Keterlambatan waktu menjadi masalah saat mereka melebihi harapan perancang sistem. Perkiraan yang buruk atau asumsi yang salah tentang keterlambatan waktu akan mengarah pada kontrol proses yang kurang baik. Memahami penyebab keterlambatan waktu dan belajar untuk menghitung atau memperkirakan penundaan dalam rentang kesalahan yang wajar dapat mengurangi penundaan dan meningkatkan responsivitas sistem secara keseluruhan.

Penempatan Garis Proses, Titik Ambil, Loop Cepat, dan Garis Transportasi untuk Keefektifan Maksimum

Untuk mengurangi keterlambatan waktu, secara umum terbaik untuk menempatkan titik ambil terdekat dengan analyzer, meskipun ini tidak selalu dapat dilakukan. Titik ambil harus terletak hulu dari sumber penundaan, seperti drum, tangki, saluran mati, garis stagnan, atau peralatan redundan atau usang (yang harus dihilangkan untuk meningkatkan aliran). Dalam beberapa kasus, lokasi titik ambil tidak dapat ditentukan dekat dengan analyzer proses karena variabel yang sebelumnya disebutkan. Jika titik ambil berjarak jauh dari analyzer, loop cepat direkomendasikan untuk dengan cepat menyampaikan fluida ke analyzer. Jika dirancang dengan baik, aliran dalam loop cepat akan jauh lebih cepat dari aliran melalui garis analyzer.

Mengurangi Tekanan untuk Mengurangi Keterlambatan Waktu

Saat digunakan dengan gas, stasiun lapangan adalah cara untuk mengurangi tekanan di garis transportasi atau loop cepat. Dengan laju aliran yang sama, keterlambatan waktu di garis transportasi berkurang sebanding secara langsung dengan penurunan tekanan absolut. Pada setengah tekanan, ada setengah keterlambatan waktu. Stasiun lapangan harus terletak sedekat mungkin dengan titik ambil. Semakin cepat tekanan diturunkan, semakin baik.

Dengan sampel cairan, stasiun lapangan yang diatur tidak digunakan. Lebih baik untuk menjaga cairan pada tekanan tinggi untuk menghindari pembentukan gelembung. Saat sampel cairan dianalisis sebagai gas, regulator penguap dapat digunakan di stasiun lapangan. Namun, ini akan menyebabkan keterlambatan waktu yang signifikan. Saat fluida berubah dari cairan menjadi gas, volume akan meningkat secara dramatis. Tingkat peningkatan akan bergantung pada bobot molekuler cairan.

Biasanya, aliran uap yang diukur setelah regulator akan lebih dari 300 kali aliran cairan sebelum regulator penguap. Misalnya, dengan aliran uap 500 cm3/menit, aliran cairan mungkin kurang dari 2 cm3/menit. Oleh karena itu, cairan akan memakan waktu 25 menit untuk melalui 10 kaki tabung setengah inci. Untuk mengurangi waktu ini, kita harus mengurangi volume tabung sebelum regulator. Misalnya, dengan hanya satu kaki tabung delapan inci, akan memakan waktu hanya 30 detik untuk cairan mencapai regulator. Namun, waktu ini, kita harus menambahkan keterlambatan waktu di sonde. Semakin sempit sonde, semakin cepat responsnya.

Cara lain untuk mendapatkan respons yang lebih cepat adalah dengan menempatkan regulator penguap lebih dekat ke lokasi analyzer. Pasang regulator setelah filter loop cepat dengan loop cepat cairan kedua untuk memastikan aliran positif terus berlanjut hingga ke regulator penguap. Tujuannya adalah untuk meminimalkan volume cairan yang bergerak lambat menuju regulator.

Pergantian Aliran

Untuk menghindari keterlambatan waktu sebanyak mungkin, rangkaian pergantian aliran harus bekerja dengan cepat, membersihkan materi sampel lama dengan cepat sambil memindahkan aliran baru ke analyzer. Konfigurasi katup blok ganda dan ventilasi (DBB), yang tersedia saat ini dalam komponen konvensional atau desain modular miniatur, menyediakan cara untuk pergantian aliran dengan saluran mati minimal dan tanpa kontaminasi lintas aliran dari katup yang bocor.

Konfigurasi DBB tradisional adalah DBB bertingkat, yang terlihat pada diagram di bawah. DBB bertingkat menghilangkan saluran mati dengan menggunakan katup blok kedua daripada pisau T.

Saat menggunakan konfigurasi DBB bertingkat, jalur aliran perlu dipertimbangkan karena konfigurasi ini dapat menyebabkan penurunan tekanan dan aliran yang lebih lambat. Penurunan tekanan dapat diestimasi dengan mencari Cv produk, yang merupakan ukuran resistensi terhadap aliran. Semakin rendah Cv, semakin besar penurunan tekanan, resulting in laju aliran yang lebih rendah.

Dalam konfigurasi DBB bertingkat, aliran utama – Aliran 1– tidak menyebabkan penurunan tekanan berlebihan tetapi Aliran 2, Aliran 3, dan seterusnya menciptakan jumlah penurunan tekanan yang semakin besar dan jalur aliran yang lebih panjang, resulting in waktu perjalan yang semakin lama ke keluar. Hasilnya adalah waktu pengiriman yang tidak konsisten dari berbagai aliran, sehingga sulit untuk menetapkan waktu pembersihan yang konsisten untuk semua aliran.

Konfigurasi DBB dengan loop aliran terintegrasi, yang ditunjukkan pada diagram di bawah, memungkinkan semua keuntungan konfigurasi DBB bertingkat sambil memastikan penurunan tekanan minimal yang konsisten di seluruh aliran. Cv untuk setiap aliran – dan oleh karena itu waktu pengiriman untuk setiap aliran – akan sama. Perhatikan bahwa komponen dengan Cv 0,3 akan menyebabkan penurunan tekanan satu per tiga dari satu dengan Cv 0,1.

Sistem Kondisi Sampel

Sistem kondisi sampel menyiapkan sampel untuk analisis dengan menyaringnya, memastikan ia dalam fase yang benar, dan menyesuaikan tekanan, aliran, dan suhu. Untuk melakukannya dalam bentuk padat yang kecil, sistem menggunakan banyak komponen yang relatif kecil, termasuk indikator tekanan, regulator, flowmeter area variabel, pengontrol aliran, katup check, katup kontrol, dan katup bola. Seringkali, komponen modular miniatur juga digunakan sebagai solusi padat untuk ruang sempit. Komponen terpasang di atas ini diproduksi menurut standar ANSI/ISA 76.00.02, menurut Inisiasi Sensor/Sampel Baru (NeSSI). Seperti katup pergantian aliran, volume internal tidak penting sebesar penurunan tekanan. Saat memilih komponen, Anda harus membandingkan Cv yang diberikan oleh produsen.

Komponen lain yang digunakan dalam sistem kondisi sampel, seperti filter, tangki knock-out, dan filter koalesens, dapat menyebabkan keterlambatan waktu yang signifikan karena mereka memungkinkan sampel masuk bercampur dengan sampel lama. Tingkatkan keterlambatan waktu dengan membersihkan filter atau tangki knock-out sehingga 95 persen sampel lama hilang. Sayangnya, ini memerlukan tiga kali volume komponen. Itu mengasumsikan bahwa inlet dan outlet berseberangan, seperti yang ditunjukkan pada diagram di bawah.

Pertimbangkan filter dengan inlet dan outlet yang dikonfigurasi dalam diagram. Jika laju aliran 100 cm3/menit dan volume filter 100 cm3, akan memakan waktu tiga menit untuk memastikan bahwa 95 persen sampel lama telah dibuang. Oleh karena itu, untuk memastikan sampel yang akurat, tiga menit harus ditambahkan ke perhitungan keterlambatan waktu untuk sistem AI ini. Rumus yang sama dapat diterapkan pada volume pencampuran di garis proses.

Analyzer

Secara umum, kromatografi gas akan memakan waktu lima hingga sepuluh menit untuk menganalisis sampel. Analyzer inframerah dan ultraviolet bekerja jauh lebih cepat, menyelesaikan analisis dalam hitungan detik. Spesialis, teknisi, atau insinyur analyzer harus mengetahui waktu yang diperlukan untuk analyzer memproses sampel. Waktu itu akan ditambahkan ke estimasi yang dibahas di atas untuk total keterlambatan waktu dari titik ambil melalui analyzer.

Kesimpulan

Total keterlambatan waktu yang dihitung dengan alat yang dijelaskan harus memberikan estimasi dalam rentang kesalahan yang wajar. Ingat bahwa ini adalah total waktu dari proses yang dipantau hingga analyzer yang penting, dan semua komponen yang membentuk penundaan ini harus ditambahkan ke total. Keterlambatan waktu adalah masalah yang layak mendapat perhatian spesialis analyzer. Asumsi yang salah tentang waktu sampel, terutama untuk titik masalah umum, seperti sonde atau regulator penguap di stasiun lapangan, akan mengakibatkan semua kerja keras spesialis analyzer sia-sia dan membuat analyzer tidak efektif. Spesialis analyzer, dalam kolaborasi dengan penyedia sistem fluida atau konsultan, dapat meningkatkan keterlambatan waktu dengan membuat pilihan yang cerdas tentang komponen dan konfigurasi terkait lokasi titik ambil, penyiapan loop cepat, diameter tabung yang tepat, dan konfigurasi pergantian aliran.