Wyobraź sobie śladowe ilości siarkowodoru, które w sposób niezauważalny powodują korozję rurociągów gazu ziemnego, zagrażając bezpieczeństwu operacyjnemu. Albo rozważ odchylenia czystości etylenu w liniach produkcyjnych petrochemicznych, które potencjalnie zatruwają katalizatory i pogarszają jakość produktu. W takich wysokiego ryzyka środowiskach przemysłowych, gdzie bezpieczeństwo i jakość są najważniejsze, w jaki sposób można precyzyjnie i szybko wykrywać skład gazu, aby zapobiegać zagrożeniom? Odpowiedź tkwi w analizatorach gazu wykorzystujących spektroskopię absorpcyjną z laserem diodowym o regulowanej długości fali (TDLAS).

Technologia TDLAS reprezentuje zaawansowaną metodę wykrywania gazów opartą na laserach, znaną z wyjątkowej dokładności i czułości. Powszechnie stosowana w sektorach gazu ziemnego, petrochemii, rafinacji i monitoringu środowiska, technologia ta zapewnia krytyczną analizę gazu w czasie rzeczywistym w celu zapewnienia bezpieczeństwa, zgodności z przepisami i optymalizacji procesów.

Analizatory TDLAS oferują dwie różne konfiguracje wdrożenia, aby dopasować się do różnych wymagań operacyjnych:

• TDLAS in-situ: Mierzy stężenia gazów bezpośrednio w całej średnicy rury lub komina bez przerywania procesów, dostarczając dane w czasie rzeczywistym, idealne do szybkiej reakcji i ciągłego monitoringu.
• TDLAS ekstrakcyjne: Przekierowuje gazy procesowe przez linie obejściowe do analizatora, umożliwiając izolację systemu w celu kalibracji, walidacji i konserwacji. Metoda ta sprawdza się w zastosowaniach wymagających wysokiej precyzji i stabilnych pomiarów.

U podstaw TDLAS wykorzystuje charakterystyczną absorpcję określonych długości fal laserowych przez cząsteczki gazu poprzez następujące mechanizmy:

1. Strojenie lasera: Precyzyjnie dostosowuje długość fali lasera diodowego do linii absorpcji gazu docelowego.
2. Absorpcja światła: Cząsteczki docelowe absorbują określone długości fal, gdy światło laserowe przechodzi przez próbkę gazu.
3. Obliczanie stężenia: Mierzy różnice w natężeniu światła przed i po ekspozycji na próbkę, korelując absorpcję ze stężeniem gazu do poziomu części na miliard (ppb).

Technologia działa w oparciu o prawo Beera-Lamberta:

A = – ln (I/I₀) = X ● P ● S ● ϕ ● L

Gdzie:
A = Absorbancja
I₀ = Natężenie światła padającego
I = Natężenie światła przechodzącego
X = Ułamek molowy gazu (stężenie)
P = Ciśnienie
S = Natężenie linii widmowej
ϕ = Funkcja kształtu linii
L = Długość ścieżki optycznej

Możliwość regulacji laserów diodowych umożliwia precyzyjne celowanie w określone linie absorpcji gazu. Te kompaktowe, wytrzymałe lasery emitują światło o bardzo wąskiej szerokości linii, które można precyzyjnie dostroić w całym spektrum absorpcji, generując unikalne odciski widmowe do jednoznacznej identyfikacji i ilościowego oznaczania gazu. Ta zdolność okazuje się kluczowa dla unikania zakłóceń krzyżowych w złożonych mieszaninach gazów.

W porównaniu z metodami niedyspersyjnymi w podczerwieni (NDIR), TDLAS oferuje lepszą wydajność dzięki:

• Celowaniu laserem o wąskiej szerokości linii w określone linie absorpcji
• Zwiększonej selektywności i czułości na poziomie ppb
• Szybszym czasom reakcji
• Zmniejszonym zakłóceniom krzyżowym
• Długoterminowej stabilności przy minimalnej rekalibracji

Standardowy analizator TDLAS składa się z:

• Lasera diodowego o regulowanej długości fali (bliska/średnia podczerwień)
• Komórki absorpcyjnej (konfiguracje dwuprzebiegowe lub wieloprzebiegowe Herriotta)
• Fotodetektora
• Systemu modulacji (fala sinusoidalna w celu redukcji szumów)
• Procesora sygnału z algorytmami stężenia
• Obudowy z kontrolą termiczną

Ta metoda zwiększająca czułość obejmuje:

• Modulację długości fali lasera o wysokiej częstotliwości (~7,5 kHz)
• Detekcję drugiego harmonicznego (2f) sygnałów za pomocą wzmacniacza blokującego
• Filtrację szumów w celu wykrywania gazów śladowych

W przypadku środowisk o wysokim tle technika ta wykorzystuje:

• Płuczki gazowe do tworzenia "suchych" widm odniesienia
• Analizę porównawczą z "mokrymi" widmami próbek
• Izolację sygnału poprzez odejmowanie widmowe

Ta konfiguracja optyczna pozwala na uzyskanie wydłużonych długości ścieżek (do 28 m) w kompaktowych objętościach dzięki wielokrotnym odbiciom wiązki, co znacznie zwiększa czułość bez zwiększania powierzchni instrumentu. W przeciwieństwie do konstrukcji wzmocnionych wnękami, komory Herriotta wykazują większą odporność na zanieczyszczenia luster, zachowując jednocześnie spójne długości ścieżek.

TDLAS zapewnia:

• Wysoką selektywność dzięki absorpcji wąskopasmowej
• Granice wykrywania na poziomie ppb
• Czasy reakcji poniżej sekundy
• Minimalną konserwację (brak ruchomych części/materiałów eksploatacyjnych)
• Długoterminową stabilność kalibracji
• Eliminację opóźnień w równoważeniu na mokro/sucho

Złagodzone poprzez wybór linii widmowych z bazy danych HITRAN i techniki różnicowe/wieloszczytowe

Kompensowane za pomocą algorytmów w czasie rzeczywistym i obudów z kontrolą temperatury

Zarządzane za pomocą normalizacji sygnału 2f i zautomatyzowanych protokołów diagnostycznych

Utrzymywane przy użyciu standardów identyfikowalnych przez NIST, w tym rurek permeacyjnych i certyfikowanych butli gazowych

• Wykrywanie H₂O poniżej 5 ppb w strumieniach metanu
• Monitorowanie H₂S z <1 ppm granicami wykrywania
• Pomiary CO₂/CH₄ do kontroli emisji

• Pomiar śladowy H₂O/HCl w strumieniach etylenu/propylenu
• Wykrywanie C₂H₂/NH₃/CO₂ do kontroli jakości produkcji etylenu
• Monitorowanie gazu kwaśnego w płuczkach kaustycznych

• Wykrywanie zanieczyszczeń w gazie opałowym w rafinerii
• Monitorowanie czystości pętli wodorowej
• Pomiar CO₂ w gazie syntezowym

• Wykrywanie gazów cieplarnianych (CO₂/CH₄/N₂O)
• Monitorowanie O₂ w strumieniach węglowodorów

Reprezentatywne możliwości TDLAS obejmują:

• H₂O w N₂: powtarzalność ±3 ppb
• H₂S w gazie kwaśnym: powtarzalność ±1% (do zakresu 50%)
• CO₂ w gazie syntezowym: powtarzalność ±0,02% (do zakresu 40%)
• NH₃ w C₂H₄: powtarzalność ±50 ppb
• CO w H₂: <10 ppb granica wykrywania
• CH₄ w H₂: powtarzalność ±4 ppb

Technologia mierzy stężenie gazu poprzez dostrajanie diod laserowych do określonych linii absorpcji, ilościowo określając absorpcję światła zgodnie z prawem Beera-Lamberta.

Typowe analitów obejmują H₂O, CO₂, CH₄, H₂S, NH₃, O₂ i HCl w zastosowaniach przemysłowych i środowiskowych.

Metoda wymaga pomiaru w linii wzroku, starannego doboru linii widmowych w złożonych mieszaninach i stanowi wyższą początkową inwestycję niż niektóre alternatywy. Jest przeznaczona wyłącznie do analizy w fazie gazowej.

Jako technologia stanowiąca kamień węgielny w nowoczesnej analizie gazu, TDLAS zapewnia niezrównaną czułość, selektywność i stabilność w zakresie kontroli procesów przemysłowych, monitoringu bezpieczeństwa i zgodności z przepisami ochrony środowiska.