Dominando la calibración del analizador para mediciones de proceso confiables

Cómo calibrar un analizador en un sistema de instrumentación analítica

Tony Waters, Experto en Sistemas de Muestreo e Instructor

En muchos sistemas de instrumentación analítica, el analizador de proceso no proporciona una medición absoluta. Más bien, proporciona una respuesta relativa basada en configuraciones establecidas durante la calibración —un proceso crítico sujeto a error significativo. Para calibrar un analizador de proceso, fluido de calibración de contenidos y cantidades conocidos se pasa a través del analizador, produciendo mediciones de concentración de componentes. Si estas mediciones no son consistentes con las cantidades conocidas en el fluido de calibración, el analizador de proceso se ajusta en consecuencia. Más tarde, cuando se analizan muestras de proceso, la precisión de la lectura del analizador dependerá de la precisión del proceso de calibración.

Es imperativo que entendamos cómo el error o contaminación pueden introducirse a través de la calibración; cuándo la calibración puede —y no puede— abordar un problema de rendimiento percibido con el analizador de proceso; cómo las fluctuaciones de presión atmosférica o temperatura pueden deshacer el trabajo de calibración; y cuándo y cuándo no calibrar.

Diseño del sistema

Un problema común en la calibración es el diseño inadecuado del sistema de selección. En muchos casos, el fluido de calibración se introduce aguas abajo del sistema de válvulas de selección de corriente y sin los beneficios de una configuración de doble bloqueo y purga (DBB) demostrada en la Figura 1. Un mejor lugar para introducir el fluido de calibración sería a través del sistema de selección de corriente de muestra, como en la Figura 2. El propósito de un sistema de selección de corriente de muestra es permitir el reemplazo rápido de corrientes de muestra sin el riesgo de contaminación cruzada. En las Figuras 1 y 2, cada corriente en el sistema de selección de corriente de muestra está equipada con dos válvulas de bloqueo y una válvula de purga para asegurar que una corriente —y solo una corriente— está llegando al analizador a la vez.

A lo largo de los años, los sistemas de selección de corriente han evolucionado desde configuraciones DBB compuestas por componentes convencionales a sistemas modulares y miniaturizados. Los sistemas más eficientes proporcionan tiempos de purga rápidos, bajas presiones de actuación de válvula y características de seguridad mejoradas, junto con alta capacidad de flujo y caída de presión consistente de corriente a corriente para un tiempo de entrega predecible al analizador.

Un sistema de selección de corriente proporciona la mayor garantía contra la posibilidad de que el fluido de calibración filtre en una corriente de muestra. Sin embargo, algunos técnicos pasarán por alto este ensamblaje y ubicarán el fluido de calibración lo más cerca posible del analizador con la intención de conservar el fluido. Si solo se usa una válvula de bola simple, como se muestra en la Figura 1, el intento de conservar gas de calibración puede resultar en lecturas sesgadas del analizador. El analizador puede estar correctamente calibrado, pero siempre existe el riesgo de que una pequeña cantidad de gas de calibración pueda filtrar en la corriente de muestra y alterar las mediciones.

Figura 1. En esta configuración, el gas de calibración se introduce aguas abajo del sistema de selección de corriente sin los beneficios de un ensamblaje DBB.

Figura 2. Como se muestra en esta configuración, el gas de calibración se introduce mejor a través del sistema de selección de corriente de muestra, donde un ensamblaje DBB protege contra el riesgo de contaminación.

En algunas aplicaciones, la Agencia de Protección Ambiental (EPA) de Estados Unidos requiere que el fluido de calibración se introduzca en un punto temprano del sistema de muestreo, usualmente cerca de la sonda. El razonamiento es que el fluido de calibración debería someterse a todas las mismas variables que la corriente de muestra. Esto tiene sentido, ya que esta configuración proporcionará una estimación justa de la cantidad de tiempo que toma para que una muestra viaje desde la sonda al analizador. Generalmente hablando, ese período de tiempo a menudo se subestima o desconoce.

Sin embargo, se requiere una cantidad relativamente grande de fluido de calibración si debe correr a través de todo el sistema de muestreo. No es sorprendente que muchas instalaciones no puedan usar esta opción. Un buen compromiso es hacer correr el fluido de calibración a través del sistema de selección de corriente, dedicando una corriente al fluido. Esta configuración proporciona al fluido de calibración la mejor oportunidad de llegar al analizador sin ser contaminado por las corrientes de muestreo. Cuando no está en uso, las dos válvulas de bloqueo evitarán que el fluido contamine las corrientes de muestra. Con plataformas modulares miniaturizadas, la cantidad de fluido de calibración requerida será mínima.

Limitaciones de la calibración

Para calibrar efectivamente un analizador, el operador, técnico o ingeniero debería entender, teóricamente, qué es la calibración, qué puede corregir y qué no.

Un analizador de proceso debe ser preciso. Debe producir resultados repetibles cuando se presenta con una cantidad conocida en forma de fluido de calibración. Si el analizador de proceso no devuelve resultados repetibles, ya sea el analizador está funcionando mal, o el sistema no está manteniendo la muestra en condiciones constantes. La calibración no puede corregir la imprecisión.

Si el analizador de proceso produce resultados consistentes pero los resultados no son los mismos que la composición conocida del fluido de calibración, se dice que el analizador es inexacto. Esta situación puede y debe abordarse a través de la calibración. Esto se llama corregir el sesgo.

Sin embargo, incluso si el analizador de proceso se encuentra preciso y exacto cuando se prueba con fluidos de calibración, aún es posible que produzca resultados inexactos al analizar la corriente de muestra. Si se le pide al analizador contar moléculas rojas y encuentra rosadas, ¿qué hace? Las moléculas rosadas se ven rojas para el analizador, así que las cuenta como rojas, resultando en un conteo rojo inflado. Esto se llama interferencia positiva. Por ejemplo, en un sistema de analizador de proceso diseñado para contar moléculas de propano, pueden aparecer moléculas de propileno. Es posible que el analizador las cuente como propano porque no fue configurado para hacer una distinción entre las dos.

Ningún analizador de proceso es perfecto, pero todos están construidos para selectividad. Algunos analizadores de proceso son más complejos y están programados para inhibir químicamente ciertos tipos de interferencia. Por ejemplo, un analizador de carbono orgánico total (TOC) está diseñado para medir contenido de carbono en aguas residuales para determinar si los hidrocarburos se están eliminando inapropiadamente. Para hacerlo con precisión, el analizador de proceso elimina una fuente de interferencia positiva —carbonos inorgánicos, como piedra caliza— que está presente en agua dura. Sin este paso inicial, el analizador mediría tanto carbono orgánico como inorgánico, confundiendo hidrocarburos con agua dura.

Otro tipo de interferencia es interferencia negativa: una molécula que debería contarse no se cuenta porque otra molécula la está escondiendo. Por ejemplo, en agua potable fluorada, se usa un electrodo para analizar la cantidad de fluoruro en el agua. Sin embargo, iones de hidrógeno, que son comunes en agua potable, esconden el fluoruro para que el conteo sea inexactamente bajo. El analizador puede leer 1 ppm, que es una dosis estándar pero, de hecho, el agua puede contener 10 ppm. La solución es eliminar la fuente de interferencia. Al introducir una solución amortiguadora, los iones de hidrógeno se eliminan, y el electrodo puede medir con precisión el fluoruro.

Con una comprensión de interferencia positiva y negativa, así como precisión y exactitud, comenzamos a comprender los formidables desafíos que enfrentamos para permitir que los analizadores de proceso produzcan resultados deseados. Hay una suposición fácil de que si el analizador de proceso no está produciendo el resultado deseado, la calibración es la respuesta. Pero como acabamos de ver, la calibración tiene sus limitaciones y no puede resolver todos los problemas.

Controlando cambios atmosféricos en analizadores de gas

Los analizadores de gas son esencialmente contadores de moléculas. Cuando se calibran, se introduce una concentración conocida de gas, y se verifica la salida del analizador para asegurar que está contando correctamente. Pero, ¿qué sucede cuando la presión atmosférica cambia en un 5 a 10 por ciento como se sabe que ocurre en algunos climas? El número de moléculas en un volumen dado variará con el cambio en la presión atmosférica y como resultado, el conteo final del analizador cambiará.

Hay una percepción errónea común de que la presión atmosférica es una constante 14.7 psia (1 bar.a), pero, basada en el clima, puede fluctuar hasta 1 psi (0.07 bar) arriba o abajo. Para que el proceso de calibración sea efectivo, la presión absoluta en el sistema de muestreo durante la calibración y durante el análisis de muestras debe ser la misma. La presión absoluta puede definirse como la presión total sobre un vacío perfecto. En un sistema de muestreo, sería la presión del sistema medida por un manómetro, más la presión atmosférica.

Si la presión es tan crítica, ¿cómo se controla? Algunos analizadores de proceso, especialmente infrarrojos y ultravioleta, permiten que la presión atmosférica afecte la lectura pero luego la corrigen electrónicamente. Sin embargo, muchos analizadores de proceso, incluyendo muchos cromatógrafos de gases, no corrigen las fluctuaciones de presión atmosférica. De hecho, la mayoría de los sistemas no corrigen fluctuaciones de presión y muchos ingenieros u operadores de sistemas las ignoran. Algunos creen que las fluctuaciones atmosféricas no son significativas. Otros mantienen que cualquier fluctuación atmosférica es compensada por otras variables relacionadas o no relacionadas que afectan el analizador. No obstante, las fluctuaciones atmosféricas pueden ser significativas. Supongamos que cuando calibra su analizador, la presión atmosférica es X, pero luego, cuando inyecta el gas de proceso, la presión atmosférica es X + 1 psi (0.07 bar). La respuesta puede estar hasta un 7 por ciento fuera del valor medido.

Con regulaciones ambientales, la mayoría de los sistemas de analizadores de proceso ahora ventilan a antorchas u otros puntos de retorno. Dado que las fluctuaciones de presión de tales destinos afectarán la presión aguas arriba en el analizador, hay sistemas de ventilación, equipados con ejectores y reguladores, diseñados para controlar estas fluctuaciones. Desafortunadamente, estos sistemas emplean reguladores que están referenciados a la atmósfera. Como resultado, mientras estos sistemas controlan fluctuaciones desde la ventilación, no controlan fluctuaciones en la presión atmosférica.

Para que tal sistema controle fluctuaciones atmosféricas así como de ventilación, se requiere un regulador de presión absoluta. A diferencia de un regulador normal, un regulador de presión absoluta no está comparando la presión dentro del sistema con la presión fuera del sistema, que a su vez fluctúa según el clima. Más bien, está comparando la presión dentro del sistema con una presión de consigna constante que no fluctúa en absoluto (o muy poco). A menudo, esta presión de consigna es en realidad 0 psia (0 bar.a).

Validación versus calibración

El mejor método para calibración es uno que emplea un sistema automatizado de validación regular, con interpretación estadística. La validación es el proceso de verificar el analizador a intervalos de tiempo regulares para determinar si está en el objetivo o fuera de él. En la validación, se toma una lectura, y esa lectura se registra. Es el mismo proceso que la calibración, excepto que no se hace corrección.

Un sistema automatizado ejecutará una verificación de validación a intervalos regulares, usualmente una vez al día, y analizará el resultado para cualquier problema que requiera un ajuste o recalibración. El sistema permitirá inevitables subidas y bajadas, pero si observa una deriva consistente en las mediciones —una que no se está corrigiendo sola— entonces alerta al operador que el sistema podría estar yendo mal.

Una persona puede validar manualmente un sistema a intervalos regulares, al igual que un sistema automatizado, pero, más a menudo que no, esa persona también hará un ajuste al analizador, incluso si el sistema está solo 1 por ciento fuera. El resultado es una serie de ajustes ocasionales y menores que introducen varianza adicional y hacen difícil analizar tendencias y determinar cuándo el sistema está realmente fuera de curso. Es mejor permitir que un sistema automatizado funcione desatendido hasta que un análisis estadístico de los resultados sugiera que se requiere atención.

Conclusión

La calibración es un proceso importante y un requisito absoluto en sistemas analíticos, pero se debe tener cuidado para realizar este proceso correctamente. El operador, técnico o ingeniero debería entender cómo introducir mejor el gas de calibración en el sistema y cómo controlar las fluctuaciones atmosféricas en analizadores de gas. Además, el técnico u operador debería entender las limitaciones de la calibración —qué problemas puede abordar y qué problemas no puede— y cómo los ajustes frecuentes al analizador basados en calibraciones individuales introducen error. Si el analizador de proceso se valida regularmente con un sistema automatizado y se calibra adecuadamente cuando un análisis estadístico lo justifica, la calibración funcionará como debe, y proporcionará un servicio importante para permitir que el analizador proporcione mediciones precisas.