Stel je voor dat sporen van waterstofsulfide in stilte aardgasleidingen aantasten, wat de operationele veiligheid bedreigt. Of denk aan afwijkingen in de zuiverheid van ethyleen in petrochemische productielijnen die mogelijk katalysatoren vergiftigen en de productkwaliteit in gevaar brengen. In dergelijke industriële omgevingen met hoge inzet, waar veiligheid en kwaliteit van het grootste belang zijn, hoe kan de gassamenstelling met precisie en snelheid worden gedetecteerd om gevaren te voorkomen? Het antwoord ligt in Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) gasanalysers.

TDLAS-technologie vertegenwoordigt een op laser gebaseerde geavanceerde gasdetectiemethode die bekend staat om zijn uitzonderlijke nauwkeurigheid en gevoeligheid. Deze technologie wordt veel gebruikt in de aardgas-, petrochemische, raffinage- en milieumonitoringsectoren en biedt kritieke real-time gasanalyse voor veiligheidsborging, naleving van de regelgeving en procesoptimalisatie.

TDLAS-analysers bieden twee verschillende implementatieconfiguraties die passen bij verschillende operationele vereisten:

• In-situ TDLAS: Meet gasconcentraties direct over de gehele diameter van pijpen of stacks zonder processen te onderbreken, en levert real-time gegevens die ideaal zijn voor snelle, continue monitoring.
• Extractive TDLAS: Leidt procesgassen via bypass-leidingen naar de analyser, waardoor systeemisolatie mogelijk is voor kalibratie, validatie en onderhoud. Deze methode blinkt uit in toepassingen met hoge precisie en stabiele metingen.

In de kern maakt TDLAS gebruik van de karakteristieke absorptie van specifieke lasergolflengten door gasmoleculen via deze mechanismen:

1. Laser Tuning: Past de golflengte van de diodelaser nauwkeurig aan om overeen te komen met de absorptielijnen van het doelgas.
2. Lichtabsorptie: Doelmoleculen absorberen specifieke golflengten terwijl laserlicht door de gasmonster gaat.
3. Concentratieberekening: Meet de verschillen in lichtintensiteit voor en na blootstelling aan het monster, en correleert de absorptie met de gasconcentratie tot op delen per miljard (ppb) niveaus.

De technologie werkt volgens de Beer-Lambert-wet:

A = – ln (I/I₀) = X ● P ● S ● ϕ ● L

Waar:
A = Absorptie
I₀ = Invallende lichtintensiteit
I = Doorgelaten lichtintensiteit
X = Molfractie van het gas (concentratie)
P = Druk
S = Intensiteit van de spectraallijn
ϕ = Lijnvormfunctie
L = Optische padlengte

De afstembaarheid van diodelasers maakt een nauwkeurige golflengtegerichte aanpak van specifieke gasabsorptielijnen mogelijk. Deze compacte, robuuste lasers zenden licht met een extreem smalle lijnbreedte uit, dat fijn kan worden afgestemd over absorptiespectra, waardoor unieke spectrale vingerafdrukken worden gegenereerd voor ondubbelzinnige gasidentificatie en -kwantificering. Deze mogelijkheid is cruciaal om kruisinterferenties in complexe gasmengsels te voorkomen.

Vergeleken met niet-dispersieve infrarood (NDIR)-methoden biedt TDLAS superieure prestaties door:

• Lasergerichte aanpak met smalle lijnbreedte van specifieke absorptielijnen
• Verbeterde selectiviteit en ppb-niveau gevoeligheid
• Snellere reactietijden
• Verminderde kruisinterferentie
• Langdurige stabiliteit met minimale herkalibratie

Een standaard TDLAS-analyser bestaat uit:

• Afstembare diodelaser (nabij/midden-infrarood)
• Absorptiecel (dual-pass of Herriott multi-pass configuraties)
• Fotodetector
• Modulatiesysteem (sinusvormige golfvorm voor ruisonderdrukking)
• Signaalprocessor met concentratie-algoritmen
• Thermisch gecontroleerde behuizing

Deze gevoeligheidsverbeterende methode omvat:

• Hoogfrequente lasergolflengtemodulatie (~7,5 kHz)
• Lock-in versterkerdetectie van tweede harmonische (2f) signalen
• Ruisfiltratie voor detectie van sporen van gas

Voor omgevingen met een hoge achtergrond gebruikt deze techniek:

• Gasscrubbers om "droge" referentiespectra te creëren
• Vergelijkende analyse met "natte" monsterspectra
• Signaalisolatie door spectrale aftrekking

Deze optische configuratie bereikt verlengde padlengtes (tot 28 m) binnen compacte volumes door meerdere straalreflecties, waardoor de gevoeligheid aanzienlijk wordt verbeterd zonder de voetafdruk van het instrument te vergroten. In tegenstelling tot ontwerpen met holteversterking, vertonen Herriott-cellen een grotere weerstand tegen spiegelverontreiniging en behouden ze tegelijkertijd consistente padlengtes.

TDLAS levert:

• Hoge selectiviteit door absorptie met smalle lijnen
• Detectiegrenzen op ppb-niveau
• Sub-seconden reactietijden
• Minimaal onderhoud (geen bewegende delen/verbruiksartikelen)
• Langdurige kalibratiestabiliteit
• Eliminatie van vertragingen bij het evenwicht van nat/droog

Verminderd door selectie van spectraallijnen uit de HITRAN-database en differentiële/multi-piektechnieken

Gecompenseerd via real-time algoritmen en temperatuurgecontroleerde behuizingen

Beheerd door 2f-signaalnormalisatie en geautomatiseerde diagnostische protocollen

Behouden met behulp van NIST-traceerbare standaarden, waaronder permeatiebuizen en gecertificeerde gascilinders

• H₂O-detectie onder 5 ppb in methaanstromen
• H₂S-monitoring met <1 ppm detectiegrenzen
• CO₂/CH₄-metingen voor emissiecontrole

• Spoor H₂O/HCl-meting in ethyleen-/propyleenstromen
• C₂H₂/NH₃/CO₂-detectie voor ethyleenproductie QC
• Monitoring van zure gassen in bijtende scrubbers

• Detectie van verontreinigingen in raffinaderijbrandstofgas
• Zuiverheidsmonitoring van waterstofkringloop
• CO₂-meting van syngas

• Detectie van broeikasgassen (CO₂/CH₄/N₂O)
• O₂-monitoring in koolwaterstofstromen

Representatieve TDLAS-mogelijkheden omvatten:

• H₂O in N₂: ±3 ppb herhaalbaarheid
• H₂S in zuur gas: ±1% herhaalbaarheid (tot 50% bereik)
• CO₂ in syngas: ±0,02% herhaalbaarheid (tot 40% bereik)
• NH₃ in C₂H₄: ±50 ppb herhaalbaarheid
• CO in H₂: <10 ppb detectiegrens
• CH₄ in H₂: ±4 ppb herhaalbaarheid

De technologie meet de gasconcentratie door laserdiodes af te stemmen op specifieke absorptielijnen, waarbij de lichtabsorptie wordt gekwantificeerd volgens de Beer-Lambert-wet.

Veelvoorkomende analyten zijn onder meer H₂O, CO₂, CH₄, H₂S, NH₃, O₂ en HCl in industriële en milieutoepassingen.

De methode vereist meting in de zichtlijn, zorgvuldige selectie van spectraallijnen in complexe mengsels en vertegenwoordigt een hogere initiële investering dan sommige alternatieven. Het is uitsluitend voor gasfase-analyse.

Als een hoeksteentechnologie in moderne gasanalyse levert TDLAS ongeëvenaarde gevoeligheid, selectiviteit en stabiliteit voor industriële procescontrole, veiligheidsmonitoring en milieunaleving.