Instrumentation analytique : choisir un assemblage de sélection d'échantillonnage

L’analyse d’échantillonnage est passée du laboratoire au terrain, rendant les opérations d’analyse plus efficaces. Pour réduire les coûts, de nombreuses installations se sont équipées d’un analyseur process automatisé pour évaluer plusieurs lignes d’échantillonnage à la suite. Bien souvent, ces systèmes utilisent un assemblage de sélection d’échantillonnage qui sélectionne et dirige plusieurs lignes d’échantillonnage vers une ligne de passage partagée conduisant à un unique analyseur. Les assemblages de sélection d’échantillonnage doivent fournir un échantillonnage caractéristique et non contaminé d’une ligne de process à un détecteur dans l’analyseur. Les concepteurs de systèmes doivent sélectionner des assemblages qui utilisent un minimum d’espace pour sélectionner automatiquement une certaine ligne, qui conservent l’intégrité de l’échantillonnage en évitant la contamination croisée et qui purgent rapidement l’ancien échantillonnage tout en déplaçant la nouvelle ligne vers l’analyseur. Les concepteurs de systèmes peuvent choisir parmi plusieurs assemblages de sélection d’échantillonnage en se basant sur les configurations des vannes doubles blocage et purge (DBB). Les assemblages les plus efficaces sont compacts et possèdent des caractéristiques de débit uniformes, des durées de purge rapides, des faibles pressions d’actionnement de vanne et une fiabilité améliorée. En outre, les assemblages faciles à utiliser offrent une position visuelle et des indicateurs de sens de passage, une compatibilité ANSI/ISA 76.00.02, un entretien facile ainsi que des possibilités de dépannage. Nous étudierons ces caractéristiques en détail après un bref aperçu sur l’évolution de la technologie des lignes d’échantillonnage et ses modèles actuels plus efficaces.

Évolution de la technologie des lignes d’échantillonnage

Au tout début de la conception de l’instrumentation analytique, les ingénieurs prélevaient des échantillonnages dans les lignes process et les apportaient au laboratoire pour effectuer des analyses. Par la suite, on ajouta des analyseurs sur le terrain. Dans ces systèmes, les lignes process individuelles avaient chacune une seule vanne à boisseau sphérique. Toutes se rejoignaient ensuite en un passage vers le dispositif de recueil d’échantillonnages ou vers l’analyseur. (voir figure 1.)

Lorsque la nouvelle ligne coule dans le pas-

…sage commun de l’analyseur, elle doit rester intacte et ne doit comporter aucun résidu d’échantillonnages précédents. La nouvelle ligne doit couler dans le système pendant un certain temps pour purger les restes d’anciens échantillonnages pouvant contaminer le nouvel échantillonnage et fausser l’analyse. D’autre part, il peut se produire une contamination croisée, résultant en général d’une fuite interne ou d’une fuite d’écoulement en croix dans les vannes. Les bras morts, ou volumes d’échantillonnages bloqués entre la vanne et le passage commun de l’analyseur, sont aussi source de contamination. En général, les bras morts sont le résultat de la disposition du passage d’écoulement dans le dispositif ou dans une section du système.

La contamination d’échantillonnage, et l’analyse faussée qui en découle, étaient courantes pour les modèles de système avec vanne à boisseau sphérique en raison des bras morts et des fuites de vannes. Pour pallier ces insuffisances, les fabricants de systèmes ont conçu deux modèles différents se basant sur les configurations double blocage et purge (DBP) : un modèle traditionnel et un modèle en cascade. La principale différence entre les deux est constituée par le chemin d’écoulement de l’échantillonnage dans l’assemblage vers le passage commun de l’analyseur.

Dans un système traditionnel DBB, chaque ligne a deux vannes en série pour bloquer l’échantillonnage dans le passage commun de l’analyseur. L’échantillonnage emprunte une route directe de la ligne process vers le passage de l’analyseur. Lorsque les vannes de blocage sont fermées, une vanne de purge s’ouvre pour purger le volume entre les vannes de blocage vers l’atmosphère ou vers un dispositif de recueil. Si la première vanne de blocage fuit, l’échantillonnage s’écoulera vers l’évent plutôt que de produire une contamination dans d’autres lignes. Les bras morts peuvent toujours s’avérer un problème potentiel si les utilisateurs ne permettent pas une purge appropriée du système (voir la figure 2).

Une configuration DBB en cascade, dans laquelle une ligne s’écoule par la vanne de purge au-dessous d’une ou plusieurs lignes adjacentes, évite les bras morts en purgeant le système par le chemin d’écoulement. Lorsque la ligne 2 s’écoule vers l’analyseur dans la figure 3, elle traverse un ensemble de vannes blocage et purge, puis la vanne de purge de la ligne 1, avant d’atteindre la ligne de l’analyseur. La ligne 2 rejette ainsi tout résidu d’échantillonnage de la ligne 1. Lorsque la ligne 2 coule, ses vannes de purge sont fermées, diminuant ainsi la possible contamination d’échantillonnage en provenance d’une autre ligne.

Un débit suffisant, la facilité de manœuvre et la relative facilité d’utilisation et d’entretien reposent sur les vannes à boisseau sphérique, tant pour les modèles DBB traditionnels que pour les modèles en cascade. Cependant, ces assemblages de vannes à boisseau sphérique requièrent beaucoup d’espace en raison des nombreux raccords, tubes et vannes nécessaires à la sélection d’échantillonnage. Ces systèmes d’analyse sont donc volumineux et souvent difficiles à entretenir.

Progrès concernant les assemblages d’échantillonnages

De récents progrès ont introduit des assemblages de vannes modulaires pouvant recevoir plusieurs lignes process dans un espace limité. Des modules de vanne à fonctionnalité DBB contrôlent chaque ligne, servant à…

À la fois de vannes de fermeture et de sélecteurs d’échantillonnage. (voir figure 4.)

Basées sur une technologie à conception modulaire, ces vannes offrent plusieurs fonctions rassemblées en une seule unité. Les utilisateurs finaux peuvent bénéficier des fonctions de double blocage, de purge et d'actionnement dans un seul module au lieu d'utiliser plusieurs vannes à boisseau sphérique pour instruments exécutant ces fonctions. La combinaison des fonctions de DBB dans un module compact minimise l'espace total nécessaire à la sélection d’échantillonnage et réduit la durée totale d’installation. Les modules peuvent être ajoutés ou enlevés selon les exigences spécifiques du système, ce qui permet également de faire des économies de temps.

Avec les assemblages de sélection d’échantillonnage modulaire, les concepteurs de systèmes ont toujours le choix. Ce choix est à faire entre une configuration DBB traditionnelle, en cascade, ou une conception à boucle d’écoulement intégrée. Les concepteurs devraient prêter une grande attention à l'efficacité de l'assemblage en termes d'échantillonnage et d'intégrité.

Les modèles en cascade modulaires, comme leurs homologues non modulaires, font couler les échantillons par les vannes de purge en aval du passage de l’analyseur. Ce chemin d’écoulement entraîne des débits inconsistants de ligne en ligne. La ligne principale — ligne 1 dans la figure 3 — a un accès direct à la sortie. Plus la ligne s’éloigne de la sortie, plus le chemin d’écoulement devient sinueux. Le débit d’échantillonnage diminue donc au fur et à mesure qu'il s’éloigne de la sortie. Les durées de purge sont aussi augmentées pour ces lignes.

La conception modulaire à boucle d’écoulement intégrée élimine le problème d’irré­gularité du débit. Une boucle d’écoulement est intégrée au bas des modules. Les vannes double blocage et purge s’ouvrent directement sur la boucle d’écoulement, lui offrant ainsi un chemin direct vers l’analyseur, comme illustré en figure 5. L’échantillonnage et la purge sont rationalisés. Quelle que soit la ligne qui s’écoule, son débit sera régulier.

Le débit régulier permet aux concepteurs de mettre en place des délais constants de purge et d’analyse pour toutes les lignes. Les variations de débit observées avec les modèles DBB en cascade peuvent entraîner des pertes de produit, le système pouvant être programmé pour purger chaque ligne à la vitesse de purge de la ligne la plus lente. Cette augmentation de la durée générale d’analyse peut aussi rendre inefficace la détection de lignes contaminées. Plus tôt on observe un relevé défaillant, plus tôt on peut arrêter ou corriger le système. Dans un système à débit régulier, on peut détecter et corriger un problème quelques minutes plus tôt, minimisant ainsi la perte de produit. (voir « Comment les débits irréguliers affectent les systèmes d’échantillonnage »).

Autres considérations sur la conception

Pour choisir le meilleur dispositif modulaire pour l'instrumentation analytique, il faut en outre prendre en compte la compatibilité du système, les problèmes de sécurité et la facilité d'utilisation de l’as-

Les concepteurs peuvent privilégier :

- Les faibles pressions d’actionnement. Les actionneurs pneumatiques intégrés dans les assemblages de sélection d’échantillonnage fournissent des arrêts reproductibles avec des potentiels de fuite moindres que les systèmes conventionnels. Les pratiques industrielles courantes font état de pressions d’actionnement de 40 psig (2,7 bar). Les concepteurs de systèmes devraient donc choisir des assemblages de sélection d’échantillonnage avec cette pression. Sinon, ils auront besoin de conduites d’air supplémentaires à plus haute pression afin de s’adapter aux exigences de pression d’actionnement qui diffèrent du reste du système.

- L’espacement d’air avec évent. De nombreux sélecteurs d’échantillon sont utilisés avec des applications dans lesquelles la combinaison du fluide process et d’oxygène sous pression peut créer une situation dangereuse. Un espace d’air avec évent intégral peut empêcher le mélange d’alimentation de l’actionneur avec le fluide sous pression (voir figure 6). Si les joints sont endommagés, la zone vide et l’espacement d’air avec évent permettent la mise à l’atmosphère ou dans une zone de recueil. Par ailleurs, l’espacement d’air avec évent empêche l’air de l’actionneur d’atteindre l’analyseur.

- La taille compacte. La taille des assemblages de sélection d’échantillon a été considérablement réduite depuis les systèmes de vannes à boisseau sphérique pour instruments. Les concepteurs de vannes ont économisé un espace de boîtier important en déplaçant les fonctions DBB dans des modules de petites vannes. Pourtant, si l’on compare les assemblages modulaires, on observe certaines différences. Les concepteurs de système devraient comparer l’encombrement d’un assemblage complet pour le même nombre de lignes afin de déterminer quel modèle est le plus adapté à leurs dimensions.

- La conformité à la norme ANSI/ISA 76.00.02. L’un des facteurs principaux de la réduction de taille des assemblages de sélection d’échantillonnage est l’avènement de la norme ANSI/ISA 76.00.02 pour les systèmes analytiques miniatures et modulaires. Cette norme précise que ces systèmes doivent être montés en surface sur un substrat avec des raccordements d’entrée et de sortie contenus dans un encombrement de 38 mm par 38 mm (1,5 pouce). Les sélecteurs d’échantillonnage conçus pour être compatibles avec cette norme réduisent les temps d’installation et d’entretien puisque les ingénieurs peuvent rapidement monter les vannes directement sur les substrats (voir figure 7). Les systèmes qui requièrent des tubes et des raccordements supplémentaires pour s’adapter aux substrats ANSI/ISA 76.00.02 peuvent augmenter le coût total du système en matériaux, main-d’œuvre et entretien, en particulier lors de la reconfiguration d’un système d’analyse.

- Les indicateurs de position visuels. Sur le terrain, les ingénieurs ont trouvé que les indicateurs de position visuels étaient utiles pour identifier quelle vanne de sélection était actionnée. Ces indicateurs fournissent une confirmation visuelle du fonctionnement du système et réduisent le temps nécessaire à la vérification.

consacré au dépannage. De larges indicateurs aux couleurs vives permettent à l'utilisateur de vérifier facilement que la vanne est ouverte.

• - L'identification de ligne. On peut aussi utiliser des capuchons de vanne de couleur pour rapidement identifier les différentes lignes process dans un système d'analyse. Par exemple, un concepteur de système peut utiliser un capuchon vert pour identifier une ligne d'échantillonnage, un capuchon bleu pour identifier une ligne sans gaz et des capuchons d'autres couleurs selon les besoins. Le marquage en couleur rend le dépannage et l'entretien des vannes plus facile puisque les ingénieurs peuvent repérer une ligne process à problèmes.
• - Facilité d'entretien. De par leur conception, les assemblages de sélecteurs d'échantillonnage sont faciles à installer et à entretenir. Les modules de vannes multiples et les blocs de base sont connectés pour créer le système d'échantillonnage et chacun peut être remplacé sans enlever les raccordements. D'autre part, la possibilité de désassembler les modules vanne rend l'entretien facile et empêche le désassemblage accidentel de toute une unité. Même les petits détails d'assemblage tels que les boulons d'insert capturés dans les blocs de base participent à la facilité d'utilisation du système.

• - Les évents de référence atmosphérique. Un évent de référence atmosphérique est placé entre l'analyseur et le système de sélection d'échantillon afin de rendre la pression d'échantillonnage en boucle égale à la pression atmosphérique. En général, l'égalisation de pression est effectuée juste avant l'injection d'échantillon afin d'assurer une pression régulière pour des situations d'analyse reproductibles.
• - Les modules de vannes à haute pression. Dans certains systèmes analytiques, la pression peut descendre jusqu'à 17,2 ou 34,4 bar (250 ou 500 psig). Ces systèmes requièrent des modules de vannes à haute pression. Les exigences du système dicteront la façon dont ces modules seront utilisés dans l'assemblage de sélecteur d'échantillon.

• - La durée de vie du produit. Les systèmes de sélection d'échantillonnage modulaires sont souvent en marche. C'est pourquoi, lorsque vous choisissez un système de sélection d'échantillon, il est important que le fabricant vous fournisse les résultats de la durée de vie du produit ou de sa durée moyenne avant défaillance (FMAD) afin de définir les programmes d'entretien préventif.
• - La gamme de matériaux. Les systèmes d'analyse ayant besoin de compatibilité pour une large gamme de matériaux peuvent exiger des matériaux d'étanchéité différents. Les concepteurs devraient rechercher des assemblages offrant des joints conçus pour accepter plus de lignes corrosives.

Conclusion

Les assemblages de sélection d'échantillonnage ont fait d'énormes progrès, à l'instar du domaine plus sophistiqué de l'instrumentation analytique. Ces assemblages, auparavant volumineux et difficiles à entretenir, se sont transformés en modèles modulaires et miniatures faciles à entretenir et bien plus performants. Différents facteurs sont à prendre en compte afin de choisir le bon système pour une analyse process particulière. Les concepteurs de systèmes doivent choisir avec précaution les assemblages de sélection d'échantillonnage afin d'obtenir un fonctionnement efficace de leurs systèmes d'analyse.