تصور کنید مقادیر ناچیزی از سولفید هیدروژن به آرامی لوله های گاز طبیعی را خورده و ایمنی عملیاتی را تهدید می کند. یا انحرافات خلوص اتیلن در خطوط تولید پتروشیمی را در نظر بگیرید که به طور بالقوه کاتالیزورها را مسموم کرده و کیفیت محصول را به خطر می اندازد. در چنین محیط های صنعتی پرمخاطره که ایمنی و کیفیت در درجه اول اهمیت قرار دارند، چگونه می توان ترکیب گاز را با دقت و سرعت برای جلوگیری از خطرات تشخیص داد؟ پاسخ در آنالایزرهای گاز طیف‌سنجی جذب لیزری دیود قابل تنظیم (TDLAS) نهفته است.

فناوری TDLAS یک روش پیشرفته تشخیص گاز مبتنی بر لیزر است که به دلیل دقت و حساسیت استثنایی خود مشهور است. این فناوری که به طور گسترده در بخش های گاز طبیعی، پتروشیمی، پالایش و نظارت بر محیط زیست مورد استفاده قرار می گیرد، تجزیه و تحلیل گاز در زمان واقعی را برای اطمینان از ایمنی، انطباق با مقررات و بهینه سازی فرآیند ارائه می دهد.

آنالایزرهای TDLAS دو پیکربندی استقرار متمایز را برای مطابقت با الزامات عملیاتی مختلف ارائه می دهند:

• TDLAS درون‌موقعی: غلظت گاز را مستقیماً در سراسر کل قطر لوله یا دودکش اندازه گیری می کند، بدون اینکه فرآیندها را مختل کند و داده های بلادرنگ را ارائه می دهد که برای نظارت مداوم با پاسخ سریع ایده آل است.
• TDLAS استخراجی: گازهای فرآیند را از طریق خطوط بای پس به آنالایزر منحرف می کند و امکان جداسازی سیستم برای کالیبراسیون، اعتبارسنجی و نگهداری را فراهم می کند. این روش در کاربردهای اندازه گیری پایدار و با دقت بالا عالی است.

در هسته خود، TDLAS از جذب مشخصه مولکول های گاز از طول موج های خاص لیزر از طریق این مکانیسم ها بهره برداری می کند:

1. تنظیم لیزر: طول موج لیزر دیود را با دقت تنظیم می کند تا با خطوط جذب گاز هدف مطابقت داشته باشد.
2. جذب نور: مولکول های هدف طول موج های خاصی را جذب می کنند زیرا نور لیزر از نمونه گاز عبور می کند.
3. محاسبه غلظت: اختلاف های شدت نور را قبل و بعد از قرار گرفتن در معرض نمونه اندازه گیری می کند و جذب را با غلظت گاز تا سطوح قسمت در میلیارد (ppb) مرتبط می کند.

این فناوری بر اساس قانون بیر-لامبرت عمل می کند:

A = – ln (I/I₀) = X ● P ● S ● ϕ ● L

جایی که:
A = جذب
I₀ = شدت نور حادثه
I = شدت نور منتقل شده
X = کسر مولی گاز (غلظت)
P = فشار
S = شدت خط طیفی
ϕ = تابع شکل خط
L = طول مسیر نوری

قابلیت تنظیم لیزرهای دیود، هدف گیری دقیق طول موج از خطوط جذب گاز خاص را امکان پذیر می کند. این لیزرهای جمع و جور و قوی، نور با خطوط باریک بسیار باریک را ساطع می کنند که می تواند به طور دقیق در سراسر طیف های جذب تنظیم شود و اثر انگشت های طیفی منحصر به فردی را برای شناسایی و کمیت سنجی گاز ایجاد کند. این قابلیت برای جلوگیری از تداخل متقابل در مخلوط های گازی پیچیده بسیار مهم است.

در مقایسه با روش های غیر پراکنده مادون قرمز (NDIR)، TDLAS عملکرد برتری را از طریق موارد زیر ارائه می دهد:

• هدف گیری لیزر با خطوط باریک از خطوط جذب خاص
• انتخاب پذیری پیشرفته و حساسیت در سطح ppb
• زمان پاسخ سریعتر
• کاهش تداخل متقابل
• پایداری طولانی مدت با حداقل کالیبراسیون مجدد

یک آنالایزر TDLAS استاندارد شامل موارد زیر است:

• لیزر دیود قابل تنظیم (نزدیک/مادون قرمز میانی)
• سلول جذب (پیکربندی های دو پاس یا چند پاس هریوت)
• فوتودیود
• سیستم مدولاسیون (شکل موج سینوسی برای کاهش نویز)
• پردازنده سیگنال با الگوریتم های غلظت
• محفظه کنترل شده حرارتی

این روش افزایش حساسیت شامل موارد زیر است:

• مدولاسیون فرکانس بالای طول موج لیزر (~7.5 کیلوهرتز)
• تشخیص تقویت کننده قفل در سیگنال های هارمونیک دوم (2f)
• فیلتراسیون نویز برای تشخیص گازهای ردیابی

برای محیط های با پس زمینه بالا، این تکنیک از موارد زیر استفاده می کند:

• اسکرابرهای گاز برای ایجاد طیف های مرجع "خشک"
• تجزیه و تحلیل مقایسه ای با طیف های نمونه "مرطوب"
• جداسازی سیگنال از طریق تفریق طیفی

این پیکربندی نوری به طول مسیرهای طولانی (تا 28 متر) در حجم های جمع و جور از طریق بازتاب های متعدد پرتو دست می یابد و به طور قابل توجهی حساسیت را بدون افزایش ردپای ابزار افزایش می دهد. بر خلاف طرح های تقویت شده حفره، سلول های هریوت مقاومت بیشتری در برابر آلودگی آینه نشان می دهند و در عین حال طول مسیرهای ثابتی را حفظ می کنند.

TDLAS ارائه می دهد:

• انتخاب پذیری بالا از طریق جذب خط باریک
• حدود تشخیص در سطح ppb
• زمان پاسخ زیر ثانیه
• حداقل نگهداری (بدون قطعات متحرک/مواد مصرفی)
• پایداری کالیبراسیون طولانی مدت
• حذف تاخیرهای تعادل مرطوب/خشک

از طریق انتخاب خط طیفی پایگاه داده HITRAN و تکنیک های دیفرانسیل/چند قله کاهش می یابد

از طریق الگوریتم های بلادرنگ و محفظه های کنترل شده با دما جبران می شود

از طریق نرمال سازی سیگنال 2f و پروتکل های تشخیصی خودکار مدیریت می شود

با استفاده از استانداردهای قابل ردیابی NIST از جمله لوله های نفوذ و سیلندرهای گاز تایید شده نگهداری می شود

• تشخیص H₂O زیر 5 ppb در جریان های متان
• نظارت بر H₂S با <1 ppm حدود تشخیص
• اندازه گیری CO₂/CH₄ برای کنترل انتشار

• اندازه گیری ردیابی H₂O/HCl در جریان های اتیلن/پروپیلن
• تشخیص C₂H₂/NH₃/CO₂ برای کنترل کیفیت تولید اتیلن
• نظارت بر گاز اسیدی اسکرابر سوزآور

• تشخیص آلاینده های گاز سوخت پالایشگاه
• نظارت بر خلوص حلقه هیدروژن
• اندازه گیری CO₂ گاز سنتز

• تشخیص گازهای گلخانه ای (CO₂/CH₄/N₂O)
• نظارت بر O₂ در جریان های هیدروکربنی

قابلیت های TDLAS نماینده عبارتند از:

• H₂O در N₂: ±3 ppb تکرارپذیری
• H₂S در گاز اسیدی: ±1% تکرارپذیری (تا محدوده 50%)
• CO₂ در گاز سنتز: ±0.02% تکرارپذیری (تا محدوده 40%)
• NH₃ در C₂H₄: ±50 ppb تکرارپذیری
• CO در H₂: <10 ppb حد تشخیص
• CH₄ در H₂: ±4 ppb تکرارپذیری

این فناوری غلظت گاز را با تنظیم دیودهای لیزر بر روی خطوط جذب خاص اندازه گیری می کند و جذب نور را با توجه به قانون بیر-لامبرت تعیین می کند.

آنالیت های رایج عبارتند از H₂O، CO₂، CH₄، H₂S، NH₃، O₂ و HCl در کاربردهای صنعتی و زیست محیطی.

این روش به اندازه گیری خط دید، انتخاب دقیق خط طیفی در مخلوط های پیچیده نیاز دارد و نشان دهنده سرمایه گذاری اولیه بالاتر از برخی جایگزین ها است. این منحصراً برای تجزیه و تحلیل فاز گاز است.

TDLAS به عنوان یک فناوری سنگ بنا در تجزیه و تحلیل گاز مدرن، حساسیت، انتخاب پذیری و پایداری بی نظیری را برای کنترل فرآیند صنعتی، نظارت بر ایمنی و کاربردهای انطباق با محیط زیست ارائه می دهد.