分析計装におけるタイムディレイの習得：正確な測定と軽減策

分析計装システムにおけるタイムディレイの理解と測定

Karim Mahraz

サンプルシステムにおけるタイムディレイは、プロセスアナライザーから不適切な結果が出る最も一般的な原因です。プロセス測定は瞬時ですが、アナライザー応答はそうではありません。タップからアナライザーまで、常にタイムディレイが存在します。タイムディレイの可能性は、下図に示す分析計装（AI）システムの以下のセクションに存在します：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、ストリーム切替システム、アナライザー。

タイムディレイが累積的であることを理解することが重要です。プロセスラインからアナライザーまで流体が移動するのにかかる総時間で構成され、最終分析に要する時間も含みます。例えば、ガスクロマトグラフがサンプル分析に5分かかるなら、その5分はサンプリング調整システムとストリーム切替システムのタイムディレイに加算されるだけでなく、輸送ライン、フィールドステーション、タップ、プローブのタイムディレイにも加算されます。この小計は、さらに、監視対象プロセスユニットからタップまで流体が移動する時間に加算されなければなりません。重要なのは、監視対象プロセスユニットからアナライザーまでの総時間です。

残念ながら、タイムディレイはしばしば過小評価され、考慮されず、誤解されます。多くの場合、タイムディレイは、サンプルをアナライザーに適した状態にすることに集中しているアナライザースペシャリストや技術者には見えません。アナライザースペシャリストは分析測定が瞬時だと仮定しがちです。しかし、サンプリングシステムは業界標準の1分応答を達成できないことが多く、タイムディレイの機会を大量に生んでいます。長いサイクルタイムでもタイムディレイを最小限に抑えるのが常に最善ですが、業界標準を超える遅延が必ずしも問題ではありません。プロセスエンジニアがプロセスダイナミクスに基づき許容遅延時間を決定すべきです。

タイムディレイがシステム設計者の期待を超えるとき、問題になります。タイムディレイの不適切な見積もりや間違った想定は、劣ったプロセス制御をもたらします。タイムディレイの原因を理解し、合理的な誤差範囲内で遅延を計算または近似する方法を学ぶことは、遅延削減と全体的なシステム応答性向上の両方に役立ちます。

プロセスライン、タップ、ファストループ、輸送ラインの配置で最大効果を得る

タイムディレイを減らすには、一般的にタップをアナライザーに最も近い場所に配置するのがベストですが、必ずしも実現可能ではありません。タップは、ドラム、タンク、デッドレグ、停滞ライン、冗長または陳腐化した設備（これらは排除して流れを改善すべき）など、遅延源より上流に配置すべきです。前述の変数により、タップをプロセスアナライザー近くに指定できない場合もあります。タップがアナライザーから遠い場合、ファストループを使用して流体をアナライザーに素早く届けることを推奨します。適切に設計されていれば、ファストループの流れはアナライザーラインを通る流れよりはるかに速くなります。

圧力低減によるタイムディレイ削減

ガスと共に使用される場合、フィールドステーションは輸送ラインまたはファストループの圧力を下げる手段です。同じ流量なら、輸送ラインのタイムディレイは絶対圧力の低減に直接比例して減少します。圧力が半分なら、タイムディレイも半分です。フィールドステーションはタップにできるだけ近く配置すべきです。圧力を早く下げれば下げるほど良いです。

液体サンプルの場合、制御フィールドステーションは使用しません。気泡発生を防ぐため、液体を高圧に保つのが良いためです。液体サンプルをガスとして分析する場合、フィールドステーションで気化レギュレーターを使用できます。しかし、これは相当なタイムディレイを生みます。流体が液体から気体に変わると、体積が劇的に増加するためです。増加率は液体の分子量に依存します。

通常、レギュレーター後の測定蒸気流量は、気化レギュレーター前の液体流量の300倍以上になります。例えば、蒸気流量500 cm3/minなら、液体流量は2 cm3/min未満となります。したがって、液体が10フィートの1/4インチチューブを通過するのに25分かかります。この時間を減らすには、レギュレーター前のチューブ容積を減らさなければなりません。例えば、1/8インチチューブを1フィートのみにすれば、液体がレギュレーターに到達するまで30秒で済みます。ただし、これにプローブのタイムディレイを加算する必要があります。プローブが細ければ細いほど、応答は速くなります。

より速い応答を得るもう一つの手段は、液体ファストループを用いて気化器をアナライザー位置に近づけることです。下図では、レギュレーターはファストループフィルターの後ろに配置され、第2の液体スローバイパスループが、気化レギュレーター直前まで正の流れを確保します。目的は、気化レギュレーターに向かう低速移動液体容積を最小限に抑えることです。

ストリーム切替

可能な限りタイムディレイを避けるには、ストリーム切替アセンブリが高速で動作し、古いサンプル物質を速やかにパージしながら新しいストリームをアナライザーに移送しなければなりません。ダブルブロックアンドブリード（DBB）バルブ構成は、従来コンポーネントまたはミニチュアモジュラー設計で利用可能で、最小限のデッドレグと、バルブシートからの漏れによるクロスストリーム汚染なしでストリームを切り替える手段を提供します。

従来のDBB構成は、下図のカスケーディングDBBです。カスケーディングDBBは、ティーピースの代わりに第2ブロックバルブを使用することでデッドレグを排除します。

DBBカスケーディング構成を使用する際は、流路を考慮する必要があります。この構成は圧力降下と流速低下を招く可能性があります。圧力降下は、製品のCv（流量係数、流れにくさの指標）を参照して推定できます。Cvが低いほど圧力降下が大きく、流量が低下します。

DBBカスケーディング構成では、主ストリーム（ストリーム1）は過度な圧力降下を引き起こしませんが、ストリーム2、ストリーム3以降は、徐々に圧力降下が大きくなり流路が長くなるため、出口への移動時間が段階的に長くなります。結果、異なるストリームからの供給時間が一貫せず、すべてのストリームで一貫したパージ時間を設定するのが困難になります。

統合フローループ付きDBB構成（下図参照）は、DBBカスケーディング構成のすべての利点を備えつつ、すべてのストリームで一貫して最小限の圧力降下を確保します。各ストリームのCv（したがって供給時間）が同一になります。Cv 0.3のコンポーネントは、Cv 0.1のコンポーネントの1/3の圧力降下しか生じないことに注意してください。

サンプル調整システム

サンプル調整システムは、サンプルをフィルタリングし、適切な相にし、圧力、流量、温度を調整することで分析用に準備します。小型フォームファクタでこれを行うため、ゲージ、レギュレーター、面積流量計、流量コントローラー、チェックバルブ、制御バルブ、ボールバルブなど、比較的小さなコンポーネントを多く使用します。頻繁に、ミニチュアモジュラーコンポーネントもタイトなスペースへのコンパクトなソリューションとして使用されます。これらのトップマウントコンポーネントは、New Sampling/Sensor Initiative（NeSSI）に基づきANSI/ISA 76.00.02標準で製造されています。ストリーム切替バルブと同様、内部容積より圧力降下が重要です。コンポーネント選定時は、メーカー提供のCvを比較すべきです。

サンプル調整システムで使用される他のコンポーネント（フィルター、ノックアウトポット、コアレシングフィルターなど）は、新しいサンプルと古いサンプルが混ざることを許すため、大きなタイムディレイを引き起こす可能性があります。フィルターやノックアウトポットをクリアして古いサンプルの95%を除去することでタイムディレイを改善できます。残念ながら、これにはコンポーネント容積の3倍が必要です。これは、入口と出口が隣接している場合（下図参照）を前提としています。

図のような入口・出口構成のフィルターを考えます。流量100 cm3/minでフィルター容積100 cm3なら、古いサンプルの95%がフラッシュアウトされるまで3分かかります。したがって、このAIシステムのタイムディレイ計算に3分を加算しなければなりません。同じ式をプロセスラインの混合容積にも適用できます。

アナライザー

一般的に、ガスクロマトグラフはサンプル分析に5〜10分かかります。赤外線と紫外線アナライザーははるかに速く、数秒で分析を完了します。アナライザースペシャリスト、技術者、エンジニアは、アナライザーがサンプル処理に要する時間を把握すべきです。その時間は、上記で議論したタップからアナライザーまでの総タイムディレイ見積もりに加算されます。

結論

本記事で説明したツールで計算される総タイムディレイは、合理的な誤差範囲内での見積もりを提供するはずです。重要なのは、監視対象プロセスからアナライザーまでの総時間であり、この遅延を構成するすべてのコンポーネントを総計に加算しなければならないことです。タイムディレイは、アナライザースペシャリストの綿密な精査に値する問題です。特にプローブやフィールドステーションの気化レギュレーターなど、典型的なトラブルスポットについてのサンプルタイムに関する誤った想定は、アナライザースペシャリストの努力をすべて無駄にし、アナライザーを無効にします。アナライザースペシャリストは、流体システムプロバイダーやコンサルタントと協力し、タップ位置、ファストループセットアップ、適切なチューブ径、ストリーム切替構成に関するコンポーネントと構成の賢明な選択により、タイムディレイを改善できます。