Probenahmesysteme sind in Fluidsystemen unverzichtbar. Sie dienen der ständigen Qualitätskontrolle der im System transportierten flüssigen und gasförmigen Medien. Dazu ist es wichtig, dass die Proben von der Entnahmestelle durch das Probenahmesystem so schnell wie möglich zum Prozessanalysegerät geleitet werden. Der Grund dafür ist das Risiko, dass die Proben umso mehr an repräsentativer Aussagekraft verlieren, je länger sie bis zur Messung durch das Analysegerät unterwegs sind.
Je nach Komplexität des Fluidsystems und der ablaufenden Prozesse ist auch das Probenahmesystem umfangreich bestückt mit Komponenten wie Prozessleitungen, Anschlüssen, Sonden, gegebenenfalls einer Feldstation, Transportleitungen, der Probenaufbereitung, dem Probenumschaltsystem bis hin zum Analysegerät (s. Grafik unten). Jede dieser Komponenten kann der Grund für Verzögerungen beim Probentransport sein. Und das Fatale: Jede Zeitverzögerung addiert sich auf, sodass bis zur Ankunft im Analysegerät mitunter so viel Zeit vergangen ist, dass die Probe unbrauchbar geworden ist. Unbrauchbar kann heißen, dass sich die Zusammensetzung der Probe auf dem Weg durch das Probenahmesystem verändert haben kann.
In jedem Fall aber laufen die Prozesse im Fluidsystem unverändert weiter. Wenn also eine Probe beispielsweise eine halbe Stunde benötigt, und das Analyseergebnis nicht den Spezifikationen entspricht, kann das zwei Ursachen haben:
- Im Probenahmesystem befinden sich Fehlerquellen, die die Probe verfälschen (z.B. unerkannte Lecks, Toträume, unvollständige Spülung)
- Schon im Fluidsystem entspricht das Medium nicht den Spezifikationen, sodass die gesamte Durchlaufmenge, die während der verzögerten Probennahme durch das Fluidsystem transportiert wurde, fehlerhaft ist.
Eine Reduzierung der Zeitverzögerung sollte deshalb angestrebt werden, weil ein übermäßiger Zeitbedarf für den Probentransport ein Indikator für Fehlerquellen im Probenahmesystem ist, die durch konstruktive Maßnahmen eliminiert werden müssen. Zudem bietet die Beschleunigung des Probenahmeprozesses die Möglichkeit, in kürzeren Abständen Proben zu entnehmen und zu analysieren, womit die Qualitätssicherung der Fluidsystem-Prozesse gesteigert wird.
Wie lange darf eine Probenahme bis zum Analyseergebnis dauern?
Prinzipiell gibt es darauf nur eine Antwort: Es kommt darauf an, wie komplex das Fluidsystem angelegt ist und wie viele Ströme in das Probenahmesystem eingeleitet werden können. Im Allgemeinen sollte das Ziel sein, dass eine Analyse nach etwa 5 Minuten vorliegt. Manche Experten sprechen sogar von einem Industriestandard von 1 Minute.
Bemerkenswert ist, dass manche Verantwortlichen für die Fluidsystembetreuung die Dauer einer Probennahme nicht genau kennen, da ihnen die Priorität des Zeitbedarfs nicht bewusst ist. Wenn dann anhand von Messungen oder Berechnungen der tatsächliche Zeitbedarf ermittelt wird, ist das Erstaunen groß, wenn mitunter Verzögerungen von mehr als einer Stunde festgestellt werden.
Systematisches Vorgehen bei der Suche nach den „Zeitfressern“
Aus dem bisher Gesagten sollte die Bedeutung von Zeitverzögerungen und die Notwendigkeit ihrer Reduzierung deutlich geworden sein. Folglich stellt sich die Frage, wo die Zeitverzögerungen auftreten können, welche Ursachen sie haben und mit welchen Maßnahmen man sie beheben kann.
Bei der Fehlersuche ist es hilfreich, das Probenahmesystem in folgende vier Bereiche einzuteilen:
- Sondengröße und -position
- Leitungssystem
- Probenaufbereitungssystem
- Analysegerät
Mit der richtigen Sonde Proben nehmen: mitten im Strom
Die Größe einer Sonde kann mit darüber entscheiden, ob eine Probe repräsentativ ist und wie lange diese bis zum Analysegerät unterwegs ist. Deshalb entscheiden schon die Abmessungen der Sonde über die Qualität der Probe. Eine Probensonde sollte lang genug sein, dass sie etwa bis zur Mitte des Fluidstroms reicht, weil dort der Durchfluss am schnellsten und die Durchmischung am besten ist.
Auch die Position der Sonde ist ausschlaggebend. Befindet sie sich in einem Leitungsabschnitt mit nur träger Durchflussdynamik, dauert beispielsweise bei einer Änderung der Fluidmischung bzw. Einbringung neuer Bestandteile auch die vollständige – und damit repräsentative – Durchmischung des Fluids länger. Eine Sondenposition sollte deshalb stets oberhalb, d.h. stromaufwärts von Tanks, Behältern, Sammlern, Toträumen und stehenden Leitungen gewählt werden.
Beim Leitungssystem gilt: „In der Kürze liegt die Würze“
Je kürzer der Weg von der Probenahmestelle bis zum Analysegerät ist, desto geringer ist die Zeitverzögerung. Ideal ist eine Geräteinstallation in unmittelbarer Nähe, wenngleich das nicht immer möglich ist. Insbesondere ist darauf zu achten, dass die Entnahmestelle stromaufwärts von retardierenden, stromverlangsamenden Behältern, Sammlern etc. positioniert ist.
Mit zunehmender Entfernung zwischen Probennahme und Analysegerät sollte die Installation eines Fast Loops eingeplant werden. Dieser bietet die Möglichkeit der deutlich beschleunigten Weiterleitung der Probe zum Analysegerät.
Bei Gas-Fluiden sollte möglichst nah am Anschluss eine Feldstation positioniert sein, wenn eine beschleunigte Probenweiterleitung erforderlich ist. Mit einer Feldstation kann der Druck in den Leitungen des Probenahmensystems inklusive des Fast Loop reduziert werden. Speziell bei gasförmigen Fluiden wirkt sich ein reduzierter Druck unmittelbar und proportional auf den Zeitbedarf für den Probentransport aus: Bei Halbierung des Drucks halbiert sich auch die Zeitverzögerung. Bei flüssigen Proben wird hoher Druck benötigt, um eine Blasenbildung zu unterbinden. Deshalb ist der Einsatz einer Feldstation in diesem Fall eher kontraproduktiv.
Nicht selten kommt es auch vor, dass eine flüssige Probe als Gas analysiert werden muss, weil das Analysegerät nur auf gasförmige Proben ausgelegt ist. In einem solchen Fall sollte ein Verdampfungsdruckregler (kurz: Verdampfer) zwischengeschaltet werden. Dies kann jedoch eine enorme Zeitverzögerung bedeuten, wenn nicht von vornherein die Arbeitsweise bzw. die Wirkung des Verdampfers berücksichtigt wird: Beim Verdampfungsprozess steigt das Probenvolumen durchschnittlich um das 300-fache, sodass sich auch die Menge des Dampfdurchflusses entsprechend erhöht. Folglich muss schon das Volumen der Flüssigprobe vor dem Verdampfer um ein Vielfaches verringert werden, indem ein stark verkürztes Zuleitungsrohr mit kleinerem Durchmesser eingesetzt wird.
Mit dem Probenaufbereitungssystem spülen, spülen, spülen…
Als Teil des Probenahmesystems hat das Probenaufbereitungssystem die Aufgabe, eine Probe für die Analyse so vorzubereiten, dass diese sich in der richtigen Phase befindet. Dabei werden auch Druck, Durchfluss und Temperatur eingestellt.
Da vor jeder neuen Probe das gesamte System in der Regel dreimal gespült werden muss, um Reste der alten Probe zu entfernen, ist beim Probenaufbereitungssystem auf möglichst geringes Volumen der Bauteile zu achten, vom Manometer und Durchflussmesser über Rückschlag- und Steuerventile bis zu Kugelhähnen. Deshalb ist die Verwendung von möglichst kompakten Komponenten mit kleinen Innenvolumina und kurzen Verbindungsrohren in platzsparender Anordnung empfohlen. Beim Systemdesign ist auch darauf zu achten, dass alle Anschlüsse durchflossen werden. T- oder Kreuzstücke mit nur teilweiser Durchflussfunktion werden auch bei der Spülung oft nicht gänzlich erfasst. Dann bleiben Altprobenreste zurück, die das Ergebnis der aktuellen Probe verfälschen und damit unbrauchbar machen.
Das richtige Analysegerät für Ihre Anwendung
Wenn die Probe endlich das Analysegerät erreicht, ist auch hier mit Zeitverzögerung zu rechnen und zwar je nach Funktionsprinzip des Gerätes: So benötigt ein Gaschromatograph durchschnittlich 10 Minuten, bis ein Ergebnis vorliegt. Bei Infrarot- und Ultraviolett-Analysegeräten liegen Ergebnisse oft schon nach wenigen Sekunden vor. Welche Geräteart die geeignetste ist, entscheidet sich in der Regel an den zu analysierenden Proben. In jedem Fall muss auch der Zeitbedarf für die Analyse zur Gesamtsumme aller Verzögerungswerte hinzugerechnet werden.
Fazit
Für eine genaue und repräsentative Prozessanalyse ist ein intelligent ausgearbeitetes und realisiertes Probenahmesystem unerlässlich. Charakteristisch ist die hoch anspruchsvolle Abstimmung der sich oft gegenseitig beeinflussenden Variablen, bis eine fehlerfreie und in angemessenem Zeitrahmen ablaufende Probenanalyse zustande kommt. Nicht selten sind bei bestehenden Systemen grundlegende Umbauten bis hin zu Neuinstallationen nötig, um verwertbare, repräsentative Analyseergebnisse zu erzielen. Aber erst mit solchen Ergebnissen ist die effektive Qualitätskontrolle der Prozesse im Fluidsystem möglich.
Es ist deshalb kaum verwunderlich, dass eine fundierte Fachkenntnis und viel Erfahrung dazu gehören, um Probenahmesysteme zu entwickeln, zu installieren, auf ihre fehlerfreie Funktion hin zu überprüfen oder zu analysieren, wo und welche Fehler im System zu beheben sind.
Fundierte Fachkenntnis und viel Erfahrung – diese beiden Merkmale bringen die Experten von Swagelok mit, wenn sie gerufen werden, um bei der Entwicklung eines Probenahmesystems zu beraten, bei der Funktions- und Fehleranalyse eines bestehenden Systems mitzuhelfen und Schulungen durchzuführen für Mitarbeiter, die für die Betreuung dieser Systeme zuständig sind.
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