如何校准过程分析仪系统中的分析仪

如何校准分析仪器系统中的分析仪

Tony Waters，采样系统专家和讲师

在许多分析仪器系统中，过程分析仪不提供绝对测量。相反，它提供了基于校准期间建立的设置的相对响应——这是一个容易出现重大错误的关键过程。为了校准过程分析仪，已知含量和数量的校准液通过分析仪，产生组分浓度的测量值。如果这些测量值与校准流体中的已知量不一致，则相应地调整过程分析仪。稍后，当分析过程样品时，分析仪读数的准确性将取决于校准过程的准确性。

我们必须了解如何通过校准引入错误或污染；校准何时能够——也不能——解决过程分析仪的感知性能问题；大气压力或温度波动如何影响校准工作；以及何时何地不进行校准。

系统设计

校准中的一个常见问题是选择系统设计不足。在许多情况下，校准流体是在流路选择阀系统的下游引入的，而没有图 1 所示的双关断和排放 (DBB) 配置的优势。引入校准流体的更好位置是通过样品流路选择系统，如图 2 所示。样品流选择系统的目的是能够快速更换样品流，而不会有交叉污染的风险。在图 1 和图 2 中，样品流路选择系统中的每个流路都配备了两个截止阀和一个排放阀，以确保一个流路（并且只有一个流路）同时进入分析仪。

多年来，流选择系统已经从由传统组件组成的 DBB 配置发展为模块化的小型化系统。最有效的系统提供快速的吹扫时间、低阀门驱动压力和增强的安全特性，以及高流量和一致的流间压降，从而为分析仪提供可预测的输送时间。

流选择系统提供了最大的保障，防止校准流体泄漏到样品流中的可能性。尽管如此，一些技术人员会绕过这个组件，将校准液放置在尽可能靠近分析仪的位置，以节省液体。如果只使用一个球阀，如图 1 所示，试图保存校准气体可能会导致分析仪读数出现偏差。分析仪可能已正确校准，但始终存在少量校准气体泄漏到样品流中并影响测量结果的风险。

图 1。 在这种配置中，校准气体被引入流选择系统的下游，没有 DBB 组件的优势。

图 2。 如该配置所示，校准气体最好通过样品流选择系统引入，其中 DBB 组件可防止污染风险。

在某些应用中，美国环境保护署 (EPA) 要求在采样系统的早期引入校准液，通常靠近探头。原因是校准流体应与样品流经受所有相同的变量。这是有道理的，因为此设置将提供样本从探头到分析仪所需时间的公平估计。一般来说，这段时间往往被低估或未知。

但是，如果要流经整个采样系统，则需要相对大量的校准液。许多设施不能使用此选项也就不足为奇了。一个很好的折衷方案是通过流选择系统运行校准流体，将一个流专用于流体。这种配置为校准液提供了到达分析仪的最佳机会，而不会被采样流污染。不使用时，两个截止阀将防止流体污染样品流。使用微型模块化平台，所需的校准液量将降至最低。

校准限制

为了有效地校准分析仪，操作员、技术人员或工程师应该从理论上了解校准是什么，可以纠正什么，不能纠正什么。

过程分析仪必须是精确的。当以校准液的形式呈现已知量时，它必须产生可重复的结果。如果过程分析仪没有返回可重复的结果，要么是分析仪出现故障，要么是系统没有将样品保持在恒定条件下。校准不能纠正不精确。

如果过程分析仪产生一致的结果，但结果与校准液的已知成分不同，则称该分析仪不准确。这种情况可以而且应该通过校准来解决。这称为纠正偏差。

然而，即使发现过程分析仪在使用校准液进行测试时准确无误，但在分析样品流时仍可能产生不准确的结果。如果要求分析仪计数红色分子并且遇到粉红色分子，它会做什么？粉红色的分子在分析仪看来是红色的，因此它会将它们计为红色，从而导致红色计数膨胀。这称为正干扰。例如，在设计用于计算丙烷分子的过程分析仪系统中，可能会出现丙烯分子。分析仪可能会将它们视为丙烷，因为它未配置为区分两者。

没有过程分析仪是完美的，但它们都是为选择性而构建的。一些过程分析仪更复杂，并经过编程以化学方式抑制某些类型的干扰。例如，总有机化合物 (TOC) 分析仪旨在测量废水中的碳含量，以便确定碳氢化合物是否被不当处置。为了准确地做到这一点，过程分析仪去除了硬水中存在的正干扰源——无机碳，如石灰石。如果没有这个初始步骤，过程分析仪将同时测量有机碳和无机碳，从而将碳氢化合物与硬水混淆。

另一种类型的干扰是负干扰：应该计数的分子没有被计数，因为另一个分子隐藏了它。例如，在氟化饮用水中，使用电极来分析水中的氟化物含量。然而，饮用水中常见的氢离子会隐藏氟化物，因此计数不准确。分析仪可能会读取 1 ppm，这是标准剂量，但实际上，水中可能含有 10 ppm。解决办法是去除干扰源。通过引入缓冲溶液，去除氢离子，电极可以准确测量氟化物。

随着对正干扰和负干扰以及精度和准确度的了解，我们开始掌握在使过程分析仪产生预期结果方面面临的巨大挑战。有一个简单的假设，如果过程分析仪没有产生预期的结果，校准就是答案。但正如我们刚刚看到的，校准有其局限性，并不能解决所有问题。

控制气体分析仪中的大气变化

气体分析仪本质上是分子计数器。校准时，会引入已知浓度的气体，并检查过程分析仪的输出以确保其计数正确。但是当大气压力发生 5% 到 10% 的变化时会发生什么呢？给定体积中的分子数量会随着大气压力的变化而变化，因此，分析仪的最终计数也会发生变化。

人们普遍认为大气压恒定为 14.7 psia (1 bar.a)，但根据天气情况，它可能上下波动多达 1 psi (0.07 bar)。为了使校准过程有效，校准期间和样品分析期间采样系统中的绝对压力必须相同。绝对压力可以定义为完美真空以上的总压力。在采样系统中，它将是由仪表测量的系统压力加上大气压力。

如果压力如此关键，如何控制它？一些过程分析仪，尤其是红外线和紫外线，允许大气压力影响读数，但随后以电子方式对其进行校正。然而，许多过程分析仪，包括许多气相色谱仪，不能校正大气压力波动。事实上，大多数系统都没有纠正压力波动，许多系统工程师或操作员都忽略了它们。一些人认为大气波动并不显着。其他人坚持认为，任何大气波动都可以通过影响过程分析仪的其他相关或不相关变量来补偿。然而，大气波动可能很大。假设当您校准过程分析仪时，大气压力为 X，但稍后，当您注入过程气体时，大气压力为 X + 1 psi (0.07 bar)。答案可能与测量值相差 7%。

根据环境法规，大多数过程分析仪系统现在都排放到火炬烟囱或其他返回点。由于来自这些目的地的压力波动会影响分析仪上游的压力，因此有配备喷射器和调节器的排气系统，旨在控制这些波动。不幸的是，这些系统采用了参考大气的调节器。因此，虽然这些系统控制来自通风口的波动，但它们不控制大气压力的波动。

对于这样一个控制大气压力和排气压力波动的系统，需要一个绝对压力调节器。与普通调节器不同，绝对压力调节器不会将系统内的压力与系统外的压力进行比较，系统外的压力本身会根据天气而波动。相反，它将系统内的压力与完全不波动（或波动很小）的恒定设定压力进行比较。通常，这个设定压力实际上是 0 psia (0 bar.a)。

验证与校准

校准的最佳方法是采用定期验证的自动化系统，并带有统计解释。验证是定期检查分析仪以确定其是否符合目标的过程。在验证中，读取读数并记录该读数。它与校准的过程相同，只是不进行校正。

自动化系统将定期运行验证检查，通常每天一次，并分析任何需要调整或重新校准的问题的结果。该系统将允许不可避免的起伏，但如果它观察到测量中的一致漂移 - 一个没有自我纠正的漂移 - 然后它会提醒操作员系统可能会出错。

一个人可以定期手动验证系统，就像自动化系统一样，但通常情况下，这个人也会对分析仪进行调整，即使系统只有 1% 的折扣。结果是一系列偶然的微小调整，这些调整引入了额外的差异，使分析趋势和确定系统何时真正偏离轨道变得困难。最好让自动化系统在无人值守的情况下运行，直到对结果的统计分析表明需要注意。

结论

校准是分析系统中的一个重要过程和绝对要求，但必须注意正确执行此过程。操作员、技术人员或工程师应了解如何最好地将校准气体引入系统以及如何控制气体分析仪中的大气波动。此外，技术人员或操作员应该了解校准的局限性——它可以解决哪些问题以及它不能解决哪些问题——以及基于单一校准对分析仪的频繁调整如何引入错误。如果过程分析仪定期使用自动化系统进行验证，并且在统计分析证明合理时进行了正确校准，那么校准将发挥应有的作用，并提供重要服务，使分析仪能够提供准确的测量结果。