レギュレーターを使用して分析計装システムの遅延時間を短縮する方法

レギュレーターを使用して分析システムの遅延時間を短縮する方法

Mike Strobel、フィールド エンジニアリング スーパーバイザー

プロセス測定は瞬時に行われますが、アナライザーの応答は決して瞬時ではありません。タップからアナライザーまで、常に時間遅延があります。残念ながら、この遅延は過小評価されたり誤解されたりすることがよくあります。

分析サンプリング システムでは、時間遅延は、新しいサンプルが分析装置に到達するまでにかかる時間として定義されます。別のブログ記事では、時間遅延の仕組みとそれを最小限に抑えるためのヒントについて説明していますが、この記事では、圧力調整器で時間遅延を制御する方法に焦点を当てます.レギュレーターは圧力を制御し、分析システムの圧力は時間と密接に関係しています。制御された流量のガス システムの場合、圧力が低いほど、遅延時間は短くなります。

時間遅延は、プロセス ライン、タップとプローブ、フィールド ステーション、輸送ライン、サンプル調整システム、ストリーム スイッチング システム、分析器など、分析機器システムの主要部分のいずれかで発生する可能性があります。以下の図は、典型的なプロセス アナライザーのサンプリング システムの例です。

時間遅延は累積的です。これは、監視対象のプロセスから分析装置まで流体が移動するのにかかる合計時間で構成されます。時間遅延の測定方法について詳しくは、こちらをご覧ください。ここでは、フィールド ステーションと、そこでの時間遅延を短縮するためにレギュレータが果たす重要な役割に焦点を当てます。

フィールドステーション前

時間遅延の最小化は、タップの位置から始まります。タップをプロセス分析器のできるだけ近くに配置するのが最善ですが、ドラム、タンク、デッドレッグ、よどんだライン、および冗長または廃止された機器など、プロセス時間の遅延の原因の上流にも配置します。

液体をサンプリングする場合、タップの圧力は、輸送ラインまたはポンプなしで高速ループを介してサンプルを送達するのに十分である必要があります。これは、追加の性能変数を導入する高価なコンポーネントです。

多くの場合、タップの位置を指定することはできません。既存の水栓の場所や、多くの場合、既存の分析装置小屋の場所で間に合わせなければならない場合があります。タップが分析装置から離れている場合は、液体を分析装置に迅速に供給し、未使用の部分をプロセスに戻す手段として、高速ループをお勧めします。

ほとんどの分析計装システムでは、時間遅延のもう 1 つの原因はプローブです。プローブのボリュームが大きいほど、遅延が大きくなります。ボリュームは、プローブの長さと幅の両方の影響を受けます。時間遅延を最小限に抑えようとする場合は、少量のプローブを選択してください。

フィールド ステーションで

プロセス アナライザーが液体サンプルを必要とする場合、フィールド ステーションのレギュレーターは使用されません。気泡の形成を避けるために、液体を高圧に保つことをお勧めします。気体サンプルの場合、輸送ラインの圧力を下げる手段としてフィールドステーションが使用されます。

時間遅延は、絶対圧力に正比例して減少します。半分の圧力では、半分の時間遅延が発生します。フィールド ステーションは、タップのできるだけ近くに配置します。圧力を下げるのは早ければ早いほどよい。フィールド ステーションでのレギュレータの 3 つの適用例を見てみましょう。それぞれで、レギュレーターの構成は多少異なります。

レギュレータ アプリケーション #1

最初のアプリケーションでは、目的はガス圧を下げることです。圧力低下によって凝縮が生じることはないと予想されます。したがって、単純な減圧レギュレーターを使用することができます。減圧レギュレーターは、出口で一定の圧力を維持します。検知要素 (通常はダイヤフラムまたはピストン) が下流の圧力に応じて移動し、制御要素 (ほとんどの場合は円錐形のポペット) がガスが通過するオリフィスの流れ面積を変更できるようにします。より高い圧力に応答して検出エレメントが押し上げられると、制御エレメントがレギュレーターのシートに近づき、オリフィスの面積が小さくなります。検出素子が圧力の低い状態で下に移動すると、オリフィスは大きくなります。ほとんどの分析レギュレーターでは、オペレーターはレギュレーターのハンドルを使用して、設定スプリングを圧縮または緩和することで出口圧力を設定できます。これにより、センサー要素が出口圧力に逆らって動きます。

金属ダイアフラムは、入口圧力が急激に変化しないアプリケーションや、化学的適合性が重要なアプリケーションに最適です。ただし、圧力が不安定または急上昇する可能性があるアプリケーションでは、ピストン式のレギュレータがより適切な場合があります。

レギュレータ アプリケーション #2

2 番目のレギュレータ アプリケーションでは、圧力低下によって結露が発生することが予想されます。圧力が低下すると、ほぼすべてのガスがエネルギーを失います。これはジュール トムソン効果として知られています。これにより、冷却が行われます。ガスが露点に近い場合、この冷却により結露が発生する可能性があります。場合によっては、熱の損失が結露を引き起こすほど大きく、レギュレーターが凍結する可能性があります。ジュール トムソン効果のため、ガスの温度を露点以上に保つために、加熱されたレギュレータが必要になる場合があります。加熱レギュレーターは、システム流体が加熱されたエレメント上を流れる減圧レギュレーターです。ヒーターカートリッジが必要です。

ヒーター カートリッジから必要なエネルギー (またはワット数) の量を計算して、正しい電力範囲で 1 つを指定できます。すべてのガスにはジュールトムソン係数があり、必要なワット数を生成するために、圧力損失と流量とともに式に組み込まれます。

レギュレータ アプリケーション #3

3 番目のレギュレータ アプリケーションでは、ガス クロマトグラフやその他の分析装置で分析する前に、液体が気体になる必要があります。この場合、気化レギュレーターが使用されます。気化レギュレーターは選択が難しい場合がありますが、適切なサイズと取り付けがあれば、液体サンプルを準備するための信頼できる手段になります。気化レギュレータの目的は、気化したサンプルが液体プロセスを代表するように、サンプル全体を瞬時にガスにフラッシュすることです。

気化レギュレーターでは、温度と蒸気流量に細心の注意を払う必要があります。流量が大きすぎると、サンプルは部分的にしか気化されず、液体はレギュレーターを通って分析装置に向かって流れます。気化器の温度が高すぎると、上流の液体サンプルが気化します。サンプリング システムでの気化の管理の詳細については、こちらをご覧ください。

最後に、気化レギュレーターを正しく設定して、かなりの時間遅延が発生しないようにしてください。流体が液体から気体に変わると、体積が劇的に増加します。増加量は、液体の分子量によって異なります。通常、レギュレーターの後の蒸気流量の測定値は、気化レギュレーターの前の液体流量の 300 倍を超えます。

たとえば、蒸気流が 600 cm ³ の場合 /分、液体の流れは 2 cm ³ 未満の場合があります /分この場合、液体が 3 メートル (約 10 フィート) の 6 mm (1/4 インチ) のチューブを移動するのに 25 分かかります。この時間を短縮するには、レギュレーターの前にあるチューブの容積を減らす必要があります。たとえば、3.2 mm (1/8 インチ) のチューブが 30.5 cm (1 フィート) しかない場合、液体がレギュレーターに到達するのに 30 秒しかかかりません。ただし、この時点までに、プローブに時間遅延を追加する必要があります。プローブが狭いほど、応答は速くなります。

高速応答を実現するもう 1 つの方法は、液体高速ループを使用して気化器を分析器に近づけることです。下の図では、レギュレーターは高速ループ フィルターの後に配置され、2 番目の液体低速バイパス ループにより、気化レギュレーターまで良好な液体の流れが継続するようになっています。目的は、気化レギュレーターに向かうゆっくりと移動する液体の量を最小限に抑えることです。

遅延を減らすために適切な規制当局の選択を行う

レギュレーターは、分析システムの時間遅延に対処するための重要なツールです。ガスシステムの圧力が低いほど、応答時間は速くなります。一般に、ガスシステムの圧力を下げるのが早ければ早いほど良いです。液体が気化する場合は、気化レギュレーターまで液体を移動させ続ける液体高速ループを検討してください。フィールド ステーションは、時間遅延を大幅に削減できる複雑な分析計装システムの 1 つの場所ですが、時間遅延へのアプローチは常に包括的でなければなりません。時間遅延を減らすには、システムの遅延の潜在的な原因をすべて精査する必要があります。

分析システムの時間遅延に苦しんでいる場合は、レギュレーターの選択に関する上記のアドバイスに従うだけでなく、他にも助けを求めることができる場所がいくつかあります。サンプリングの専門家が教えるいくつかのサンプリング システム トレーニング コースを提供し、ベスト プラクティスに従って設計された事前に設計された分析サブシステムを提供します。また、フィールド エンジニアリング チームが現場に来て、分析システムの問題を特定し、トラブルシューティングすることもできます。詳細を確認したり、分析システムの遅延を減らす方法について話し合うには、下のボタンをクリックしてください。