サンプリングシステムにおける正確なタイムディレイ測定のための4つの重要評価領域

サンプリングシステムでタイムディレイを測定する際に検査すべき4領域

Karim Mahraz、プロダクトマネージャー

プロセスアナライザーサンプリングシステムでは、サンプルを採取した瞬間と測定値を得る瞬間の間に、常に遅延があります。

タイムディレイは累積的で、プロセスラインのタップからプロセスアナライザー（結果取得場所）までサンプルが移動する総時間を考慮します。このタイムディレイは想像以上に長く、過小評価するとプロセス制御が劣化します。タイムディレイが1分だと想定していても、実際は2時間なら、アナライザー読み取りはもはや適切でも目的にも合いません。この遅延を最小限に抑えるべきで、一般的な目標はタップからアナライザー読み取りまで1分以下です。

分析計装システム全体にタイムディレイの原因があります。システムのタイムディレイ削減を始めるために検討すべき4つの主要領域は以下の通りです：

1. プローブでの遅延
2. サンプル輸送での遅延（フィールドステーションと輸送ラインを含む）
3. サンプル調整での遅延（ストリーム切替を含む）
4. アナライザーでの遅延

1. プローブでのタイムディレイ

過度に大きなサンプルプローブは避けてください。プローブは、流れが最も速く、最もクリーンで代表的なサンプルが得られるプロセスライン径の中央1/3まで到達する長さで十分です。必要以上に長く、または太くしてはいけません。プローブの容積が大きいほど遅延が大きくなるためです。

プロセスチューブ内のタップ位置も関連する問題です。プロセスチューブの低流速セクション近くにプローブを配置すると、プロセス化学の変化が現れるまで長く待つことになります。例えば、新しい分子が大容量タンクやドラムに流入すると、「混合容積」が生じ、新旧の分子が容積が完全にパージされるまで出口に現れます。タイムディレイを減らすには、タップをこうしたプロセス内遅延源（ドラム、タンク、デッドレグ、停滞ライン）より上流に配置すべきです。

2. サンプル輸送でのタイムディレイ

• リモートサンプルタップ位置： サンプルが分析まで遠くまで移動するほどタイムディレイは長くなります。タップをアナライザーにできるだけ近く配置してください。輸送ラインが長い場合、ファストループを使用して流速を上げ、アナライザーにより新しいサンプルを供給することを検討してください。
• ライン長と径： サンプルの移動距離が長く、輸送ラインの内部容積が大きいほどタイムディレイは長くなります。精度を確保するため、ライン長と径を適切に計算・調整してください。
• 液体サンプル輸送ラインの低圧力： 液体サンプルでは、タップ位置がポンプなしで輸送ラインやファストループを通じてサンプルを届けられる十分な圧力を提供すべきです。ポンプのようなコスト高の追加変数は避け、タイムディレイを増やさないようにしてください。
• ガスサンプル輸送ラインの高圧力： ガスの場合、圧力が高いほど流速は遅くなります。流速を上げてタイムディレイを減らすには、圧力を下げます。例えば、圧力を半分にすれば、タイムディレイも半分になります。

3. サンプル調整システムでのタイムディレイ

• 未パージティー継手によるデッドレグ： デッドレグは、流れるシステム媒体に分子が出入りできる未パージの側方容積です。分析サンプルラインのあらゆるティーやクロスは、すべてのポートが流れていない限りデッドレグです。一般的なデッドレグには、圧力・温度ゲージ接続点、パージ・ブリードバルブ、校正マニホールド、ラボサンプリングポイントがあります。サンプル分析前にこれらの領域をパージする必要があります。パージ期間がタイムディレイに寄与するためです。デッドレグ（ゲージなど）の移設が最もシンプルな解決策になることもあります。
• チューブ壁とフィルターへのサンプル吸着： サンプルがチューブ壁や他の固体表面に触れると、わずかな分子がその表面に付着します。ppmオーダーの分析では、吸着（または脱着による増加）による分子損失が有意になり得ます。この損失が統計的に有意なのはガスサンプルの場合のみです。液体サンプルでは1ppm未満を測定する場合のみ吸着を懸念してください。ガスサンプルでは、ソース切替時に前のガス分子がクリアされるまで十分な待機時間を設けてください。
• 内部コンポーネント容積が大きい： 代表的なサンプルと正確なアナライザー読み取りを確保するには、流路内のすべてのデバイスの全容積をパージする必要があります。フィルターやコアレサーのような大容積デバイスがある場合、十分な時間をかけて徹底的にパージしてください。一般的な目安は、デバイス容積の3倍をフラッシュすることです。可能な限りこれらのコンポーネントサイズを最小化してください。

4. アナライザーでのタイムディレイ

• 不連続なアナライザー応答時間： アナライザー内部で行われるプロセスにより、分析に時間がかかるものがあります。例えば、比色計は測定色を発色させる時間が必要で、ガスクロマトグラフは測定成分を分離する時間が必要です。
• 連続アナライザー応答時間： 連続稼働型アナライザーでも即座の結果は出ず、常に多少の遅延があります。
• 手動システムオペレーター応答時間： サンプル分析プロセスを手動管理する場合、オペレーターが必要なシステム調整に気づき対応するまでの不可避なタイムディレイを考慮に入れてください。

タイムディレイを把握し、正確なシステム応答を実現する

プロセスラインのタップでサンプルが最初に採取された瞬間から、サンプルがアナライザーに到達し、結果を受け取るまで、どれだけ時間が経過したかを認識することは重要です。このタイムラグについて間違った想定をすると、プロセスライン内の状態と分析結果の関係を理解できていないことになります。本記事で議論した、サンプリングシステムで遅延を受けやすい要素（プローブ、サンプル輸送、サンプル調整、アナライザー）を理解することで、システム内のどこでタイムディレイが発生しているかという結論に至り、全体的なプロセス制御が改善されます。