Bürkert Bürkert, fabrikken i Triembach-au-Val, Alsace, Frankrike. Product manager Andreas Ulsperger viser frem et nytt modulært målesystem for pH, klorinnhold, ORP-verdi, konduktivitet og turbiditet. Systemet er laget for å være online. (Bilde: Joachim Seehusen)
Fordelene med online analyser er mange, mener Skatdvedt. Redusert bruk av laboratorietjenester og mindre kostnader er noen av fordelene. (Bilde: Colourbox)

Industrielle analyser online

Online analysatorer er instrumenter som direkte og kontinuerlig måler sammensatte tilstandstørrelser, altså en størrelse som er gitt av en matematisk sammenheng mellom to eller flere grunnleggende størrelser i prosessen.

De grunnleggende kravene.

De grunnleggende kravene med hensyn til et prøvetakings-system er å fange inn en prøve fra prosessen og levere den til prosessanalysatoren.

1. Prøven som analysatoren måler på skal være representativ for prosessen med hensyn til de variablene det skal måles på.

a) Velg et passende prøvetakingspunkt, i noen tilfeller er det behov for mer enn ett punkt for å få en representativ prøve.

b) Bruk en prøvetaking-sonde som er tilpasset applikasjonen. I de fleste tilfeller er sonden et rørstykke som gjennom sin installasjon i prosessmediet trekker til seg en mengde fluid som kan videresendes til analysator. I noen tilfeller er sonden utstyrt med en sensor som kan gjennomføre analysen på innsiden av prosessrøret eller tanken. Følgelig er det ikke behov for å trekke prøver ut av prosessystemet. I begge tilfeller er det viktig at sonden plasseres der den er i kontakt med en representativ prøve.

c) Sørg for at rørsystemet som skal transportere prøven til analysatoren er konstruert og installert på en slik måte at prøven er representativ når den kommer frem til analysatoren. Det er alltid en fare for at prøvekomposisjonen forandrer seg på fra prøvepunkt til analysator. Tidsforsinkelsen fra når prøven tas til den er fremme i analysator må også vies oppmerksomhet, og kan i mange tilfeller føre til behov for installasjon av «fast loop systemer». Konservering eller dumping av prøve og eventuelt «bypassed» forbikoblet fluid, må også vurderes opp mot økonomi og eventuelle forurensende utslipp.

2. Prøven presenteres for analysatoren i en slik form og tilstand at den er kompatibel med den måleteknikken som analysatoren bruker.

a) Tilpass temperaturen og trykket i prøve fluidet til hva analysatoren krever.

b) Filtrer vekk eller fang inn avfall eller andre uønskede faste partikler.

c) Absorber eller fang inn uønskede gasser eller væsker.

d) Sørg for at prøven enten gjennom fordampning eller kondensering forblir i en fase, gass, damp eller væske, som påkrevd av analysator. Temperaturen må holdes innenfor analysatorens spesifikasjoner.

3. En akseptabel tidsforsinkelse eksisterer mellom forandring i prosessen og til forandringen registreres på analysatoren. Justér strømningsraten i prøvetakingssystemet slik at tidsforsinkelsen holdes på et akseptabelt nivå. Husk imidlertid at det går en grense for hvor mange kostbare prøver som er forsvarlig å trekke ut fra prosessen.

4. Prøvetakningssystemet er til å stole på, og vedlikeholdet kan holdes på et minimum.

5. Totalkostnadene kan holdes til et minimum, sett i henhold til punktene 1 til 4.

6. Systemet er sikkert.

Artikkelserie

Sivilingeniør Rolf Skatvedt, daglig leder i Total Fiscal Metering AS skriver en serie på 10 artikler om industriell måling, inklusive usikkerhetsbetraktninger.

Del 1: nr. 5/14: Hva er prosess og industrielle måleinstrumenter? 

Del 2: nr. 6/14: Fundamentale sensorbeskrivelser

Del 3: nr. 7/14: De fire vanligste industrielle målinger

Del 4: nr. 8/14: Industrielle analyser online

Del 5: nr. 1/15: Kalibrering av industrielle målere

Del 6: nr.2/15: Måleusikkerhet og målefeil er ikke det samme

Del 7: nr. 3:/15 Hvordan beregne usikkerheten i en industriell måling

Del 8: nr. 4/15: Praktisk eksempel på kalkulasjon av måleusikkerhet

Del 9: nr. 5/15: Verktøy for å beregne måle­usikkerheter

Del 10: nr. 6/15: Hvordan redusere måleusikkerheter

Dette feltet er meget omfattende og denne artikkelen vil begrense seg til å se på noen av de viktigste deteksjonsmetodene som benyttes i prosessindustrien.

Representative prøver

Riktig valg av analysator avhenger i stor grad av hvilke egenskaper som skal måles i prosessmediet og derav ingeniørens prosessforståelse. For å oppnå gode målinger er det også viktig å forsikre seg om at prøven som det skal måles på virkelig danner et representativt mål for prosessmediet, som at online analysatorer normalt krever at det installeres et prøvebehandlingssystem mellom prosess og analysator. Uansett hvor godt analytisk utstyr som finnes, kan et analyseresultat aldri være korrekt hvis ikke prøven er representativ for det mediumet hvor den er tatt. Ved enhver form for prøvetaking bør det derfor legges vekt på at prøven er tatt under optimale forhold, altså på riktig sted og under representative prosessbetingelser.

Forståelse er viktig

Problemene rundt prøvetaking, og spesielt rundt det å få en representativ, er meget komplekst. Leverandører av slikt utstyr har forsket på dette området i veldig mange år, og utstyr og metoder har vært gjenstand for stadige forbedringer. I de senere år har ikke minst standardiserte metoder medvirket til at prøvetaking er blitt lettere å håndtere. Likevel er det viktig å forstå en del basisbegreper for å kunne vurdere prøvepunkt, trykk, temperatur etc. Spesielt er dette viktig når det gjelder automatiske prøvetakingssystemer, da disse ofte er mer eller mindre overlatt til seg selv. Det er også viktig å ha en god forståelse av hvorledes hele prøvetakingen foregår. Dette gjør det lettere å forestå normalt vedlikehold og feilsøking. Prøvebehandlingssystemet og analysatorene har som oftest komponenter som krever jevnlig oppfølging, utskifting og vedlikehold. De trenger forskjellige filtre, elektrolytter, osv. En forutsetning for at det kontinuerlig skal være pålitelige målinger fra online analysatorer er at det settes av nødvendige ressurser til driftsoppfølging og kvalitetskontroll, at det finnes prosedyrer, registreringer, forbedringstiltak, avviksbehandling, reservedeler og avsatt tid til personell med korrekt kompetanse til å kunne håndtere dette på en profesjonell måte.

Les om: Målefeilene som gjentas

Fordeler ved online analyse

Vi forsvarer installasjon av «online» analysatorutstyr på samme grunnlag som annet kapitalkrevende utstyr, nemlig ved at vi kan oppnå fordeler eller besparelser. Fordelene ved bruk av analyseinstrumenter stammer fra det at vi øyeblikkelig kan få et mål for mediets sammensetning, renhet eller en komponents mengde. Noen av fordelene ved dette er som følger:

  • Produktet holder seg lettere innenfor de spesifikasjonene som er satt.
  • Mindre sløsing ved å gi bort et produkt med høyere kvalitet enn nødvendig.
  • Reduksjoner i laboratorieanalyser og dermed lavere kostnader.
  • Bruk av analysatorens utgangssignal i en lukket reguleringssløyfe.
  • Optimalisering av tidsfaktorene i en satsvis (batch) prosess.
  • Eksaminering av fremdrift ved bruk av katalysatorer.
  • Online måleverdier kan trekkes inn i overordnede kalkulasjoner som igjen danner grunnlag for kjøp/salg eller er av fiskal karakter.
  • Måling og overvåkning av utslipp for å holde seg innenfor de grenseverdier som er satt opp av regulerende myndigheter.
Analysis on keyboard
Fordelene med online analyser er mange, mener Skatdvedt. Redusert bruk av laboratorietjenester og mindre kostnader er noen av fordelene. Bilde: Colourbox

Varierende måleprinsipper

Måling av vannkvalitet og luftkvalitet er et typisk anvendelsesområde for online analysatorer. Dette er overordnede begreper og de må brytes ned i underliggende prosesser. Da snakker vi eksempelvis om behandling av kildevann, prosessgenerert vann, kjølevann, vann til dampkjeler, drikkevann eller avløpsvann. Disse del-prosessene har noen felles behov, men også sine særegne. Valg av analysator samt prøvebehandlingssystem til fremskaffelse av nødvendig måleparametere, eksempelvis pH-verdi, vil kunne være svært forskjellig fra den ene til den andre del-prosessen.

Analysesensorer bestemmer komposisjonen til en mikstur eller løsning til forskjellige stoffer eller konsentrasjon til et bestemt stoff.

En mikstur er prinsipielt en blanding hvor to eller flere forskjellige stoffer deler felles volum uten at stoffene bindes til hverandre eller forandrer sine individuelle karakteristikker. Eksempler er blanding av vann og petroleumsoljer, vann og sand og flygende aske i røyk som kommer fra en brann. Blandinger kan bearbeides slik at komponentene separeres fra hverandre, eksempelvis gjennom å filtrere sanden ut av vannet.

Les også: Etterlyser mer automatisering i VA-utdanningen

Konsentrasjon

En løsning beskrives som en ensartet blanding, hvilket betyr at de forskjellige stoffene som blandes mister sine individuelle karakteristikker og det hele oppstår som ett stoff. Som eksempel kan vi tilsette små mengder av bordsalt til et glass med rent vann. Det hvite saltet oppløses i vannet og forsvinner for synet. Vannet later til å være uforandret, men det har blitt en løsning som også er gitt andre egenskaper. Frysepunktet er lavere, kokepunktet har steget, den elektriske ledningsevnen er bedre og densiteten høyere. Dersom vi fortsetter å tilsette salt til vannglasset vil vi komme til et punkt hvor saltet ikke lenger løses opp i vannet. Da er løsningen mettet. Salt som tilføres etter at metningspunktet er nådd faller til bunnen av glasset. Vi har nå en salt-vann løsning og en mikstur av fast salt og salt-vann løsning. Dersom vi varmer opp løsningen til vannet koker og lar det fortsette slik til alt vannet koket vekk vil vi i bunn på kokekaret finne saltet som var løst i vannet.

Analyser er generelt angitt i form av konsentrasjon, og da i form av masse- eller volumandeler. Andelen eller konsentrasjon kan angis i prosent (del per hundre), ppm (del per million) eller ppb (del per billion eller milliard).

Et viktig unntak med hensyn til angivelse av analyseresultater er måling av syreinnhold som igjen er gitt av hydrogen-ion aktivitetene i en væske. Vann består av hydrogen og hydroksylioner og aktiviteten betegnes normalt som pH, som står for ”the power of the hydrogen ion”. Nøytralt vann har en pH på 7, syrer lavere enn 7 og baser, eller alkaliske stoffer, høyere enn 7 mens pH verdien til appelsinjuice ligger på ca 3, melk 6, magnesium 10.

Les også: pH-elektroder trenger omsorg