Kleine leidingen, grote voordelen: Gasmeting in kleine ruimtes

Meting in kleine leidingen met een Tunable Diode Laser-spectrometer en een multireflectie gevouwen optisch pad

min.

14 Jan, 2026

Tyler Schertz

In de chemische en petrochemische industrie is realtime informatie van cruciaal belang om processen te controleren en de veiligheid en efficiëntie te verbeteren. Het gebruik van automatiseringslagen levert dynamische meetwaarden en legt belangrijke procesvariabelen vast, zoals druk, temperatuur en concentraties.

Een langere versie van dit artikel werd voor het eerst gepubliceerd in het tijdschrift Hydrocarbon Engineering.

Industriële installaties vertrouwen op analysers of chemische sensoren om concentratiemetingen te verkrijgen. Een kritieke geautomatiseerde meting in petrochemische installaties zorgt ervoor dat er geen zuurstof in de affakkelleiding tussen de knock-out container en de vloeistofafdichting terechtkomt, waardoor explosieve mengsels worden voorkomen.

Veel traditionele analytische methoden zijn aangepast om gassen zoals zuurstof te meten, hetzij extractief, hetzij direct in de processtroom. Met de laatste methode is laboratoriumanalyse niet meer nodig. Dit omvat technologieën zoals paramagnetische (voor zuurstofmeting), niet-dispersieve infrarode (NDIR), ultraviolet-zichtbare (UV/VIS) en elektrochemische methoden. Tunable diode laserabsorptiespectroscopie (TDLAS of TDL) wordt in deze toepassingen duidelijk steeds populairder.

Hoewel TDL oorspronkelijk voornamelijk als extractieve methode begon, is het geëvolueerd. Tegenwoordig introduceren verschillende fabrikanten in-situ meetontwerpen, waaronder cross-stack- en sondeopstellingen. METTLER TOLEDO heeft ook een wafer-procesaanpassing geïntroduceerd die werkt in smalle leidingen met een diameter van slechts 5 tot 10 cm (2 tot 4 inch).

Bij veiligheidskritische metingen is een snelle responstijd essentieel om ongevallen te voorkomen. Daarom geven fabrieksexploitanten en HSE-professionals altijd de voorkeur aan in situ-metingen wanneer dat mogelijk is.
Maura Crobu, Global Product Manager Gas Analytics bij METTLER TOLEDO

Op het gebied van absorptiespectroscopie hebben we technieken zoals UV/VIS, infrarood (IR), NDIR, TDL en Raman. Deze methoden zijn gebaseerd op een eenvoudig principe: specifieke lichtfrequenties worden op een nauwkeurige en consistente manier door moleculen geabsorbeerd. Dit betekent dat een molecuul bij een bepaalde concentratie licht zal absorberen bij dezelfde golflengtes, waarbij de hoeveelheid geabsorbeerd licht rechtstreeks verband houdt met de concentratie van het molecuul. De wet van Beer-Lambert legt dit concept vast in de vergelijking:

I = I₀ e^-acL

De absorptie-eigenschappen kunnen sterk verschillen. UV/VIS-absorptiebereiken zijn onder andere breed, terwijl nabij-infrarood (NIR) spectroscopie, waaronder TDL, zeer smalle golflengtes heeft. Deze beperking maakt een selectievere aanpak mogelijk om een bepaalde analyt in een gemengde gasstroom te identificeren.

De vergelijking vertelt ons dat als u de absorptie van licht wilt verhogen – vooral bij lage concentraties – u de optische padlengte (OPL) die de laserstraal aflegt moet vergroten of de concentratie van de absorberende soort moet verhogen.

Hieronder bekijken we manieren om metingen voor zeer lage analytconcentraties met TDL te verbeteren door de OPL te verhogen door unieke optische opstellingen, waarbij we de voor- en nadelen van elke aanpak onderzoeken.

Laten we eens kijken naar absorptiespectroscopietechnieken en hoe TDL zich positioneert ten opzichte van andere technieken zoals UV/VIS. Een belangrijk voordeel van TDL is de smalle absorptielijn(en), die vaak uniek is voor een specifieke analyt en perfect aansluit op het smalle spectrale bereik van laserlicht. Aan de andere kant kunnen technologieën zoals paramagnetische analysers gevoelig zijn voor interferentie en niet direct in het proces zelf meten.

De wet van Beer-Lambert suggereert dat de beperkingen van de algehele OPL een belangrijk obstakel vormen voor het verkrijgen van TDL-metingen op lage niveaus (ppm en ppb). Een uitdaging bij het verkrijgen van een TDL-meting heeft te maken met de commerciële beschikbaarheid van lasers met de vereiste golflengten. Zuurstof is bijvoorbeeld een zwak absorberende soort in het NIR-bereik van beschikbare lasers, waardoor het essentieel is om manieren te vinden om de OPL te verhogen voor nauwkeurige metingen.

TDLAS draait niet alleen om nauwkeurige gasmetingen – het is een gamechanger. Met een ongeëvenaarde gevoeligheid en realtime nauwkeurigheid ligt de ware glans in het feit dat het een contactloze, vrijwel onderhoudsvrije technologie is die industriële monitoring transformeert.
Tyler Schertz, Business Development Manager voor gasanalyse bij METTLER TOLEDO

In de procesindustrie is een belangrijke beperking vaak de fysieke grootte van de leiding waarin het gasmonster zit. Voor grotere kanalen (1– 3 m) is OPL geen significant obstakel, zelfs niet voor zwakke absorbers zoals zuurstof. Wanneer de diameter van de leiding echter kleiner wordt dan 38 cm (15 inch), wordt het meten van zuurstof onder 5000 ppm (0,5%) veel lastiger.

Momenteel zijn er enkele ontwerpen beschikbaar om de OPL te verbeteren voor extractieve TDL-metingen, maar er bestaat slechts één opmerkelijke aanpassing voor in situ-metingen in leidingen met kleine diameters. Plus, als de cross-stack in de lengte wordt ingesteld, kan het spoelgas dat bedoeld is om de optiek te beschermen tegen verontreiniging de monsterstroom verdunnen, waardoor de nauwkeurige meting van de onderste explosiegrens (LEL) voor zuurstof moeilijker wordt.

Veelvoorkomende methoden om de OPL te verhogen vallen doorgaans in de volgende drie categorieën:

White load cell
Herriott load cell
Optische prisma-opstelling (multireflectieapparaat)

White load cell

Deze methode, die in 1942 door John White werd ontwikkeld, maakt gebruik van een compacte opstelling van drie spiegels. De primaire spiegel bevindt zich tegenover twee secundaire spiegels, wat resulteert in een padlengte die vier keer zo lang is als de afstand tussen beide. Hoewel deze opstelling effectief is voor het verlengen van de weglengte, brengt deze opstelling de optiek in direct contact met de procesgassen, die corrosief kunnen zijn en vol verontreinigingen zitten. Plus, het uitlijnen van drie spiegels kan lastig zijn en het handhaven van de nauwkeurigheid van de spiegels vereist extra zorg en kosten vanwege mogelijke verontreiniging.

Herriott load cell

Dit is een andere populaire keuze onder de TDL-fabrikanten. Deze maakt gebruik van twee sterk reflecterende spiegels om een incidente laserstraal te richten. Afhankelijk van hoe de straal de primaire spiegel raakt, kunt u padlengtes van vele meters bereiken, wat zeer lage detectielimieten mogelijk maakt. De Herriott load cell is gewoonlijk eenvoudiger uit te lijnen dan de white load cell, maar net als de white load cell is er nog altijd optiek nodig die in contact komt met de procesgassen, waardoor de load cell vaak beperkt blijft tot extractieve metingen.

Optische prisma-opstelling

De afgelopen jaren is een nieuwe procesaanpassing op de markt voor TDL's geïntroduceerd. Het in-situ, zelfuitlijnende sondeontwerp van METTLER TOLEDO pakt veelvoorkomende pijnpunten aan. Het systeem voldoet aan de behoefte om een meting uit te voeren op kritieke meetpunten in het proces voor procesveiligheid en -controle, en biedt een modulair, universeel ontwerp dat eenvoudig te onderhouden is.

Een beperking van traditionele starre optische opstellingen is de kleine diameter van leidingen voor in-situ zuurstofmetingen, waardoor de insteek van de sonde vaak beperkt is tot 20 cm en de detectie van zuurstof beperkt is tot hoge duizenden ppm. Een andere innovatieve oplossing van METTLER TOLEDO is de 'wafer', die als spoelstuk in de leiding fungeert zonder de doorstroming te belemmeren en in leidingen met een diameter van slechts 05 cm (2 inch OPL) past. Om de uitdagingen van korte OPL's in deze opstellingen te overwinnen, heeft METTLER TOLEDO het multireflectieapparaat (MRx) ontwikkeld.

De waferaanpassing van METTLER TOLEDO met de MRX-module past moeiteloos in kleine ruimtes en biedt de meetgevoeligheid en het gebruiksgemak die essentieel zijn voor veeleisende procestoepassingen – een oplossing zonder compromissen.
Maura Crobu, Global Product Manager Gas Analytics bij METTLER TOLEDO

Deze aanpak is uniek omdat er geen spiegels nodig zijn om in een goed geconditioneerde monsterstroom te werken; in plaats daarvan wordt het laserpad verdubbeld of verdriedubbeld met behulp van optische prisma's. Het tweede prisma blijft geïsoleerd van het procesgas, waardoor het ideaal is voor zware werkomgevingen die gevoelig zijn voor optische verontreiniging. Plus, deze methode is compacter, waardoor deze gemakkelijker past in installaties met beperkte ruimte.

Hetzelfde secundaire optische prisma werkt voor zowel de tweevoudige (MR2) als de drievoudige (MR3) OPL-aanpassingen. Voor de drievoudige reflectie wordt een robuuste, chemisch compatibele saffierlens zonder coating gebruikt, waardoor problemen door vlakke reflecterende oppervlakken die de meetnauwkeurigheid kunnen beïnvloeden, tot een minimum worden beperkt.

Conclusie

TDL-spectroscopie wordt steeds vaker gebruikt in de procesindustrie vanwege de duurzaamheid, de specificiteit van de analyt en het vermogen om snelle in-situ metingen te leveren, met name voor zuurstof, een belangrijk gas voor veiligheid en controle. Het meten van zuurstof kan echter lastig zijn vanwege de zwakke absorptie. Daarom is het verhogen van de OPL essentieel. We hebben verschillende methoden besproken om dit te bereiken, maar sommige hebben opmerkelijke nadelen in zware industriële omgevingen.

Gelukkig voldoet de MRx-oplossing van METTLER TOLEDO aan de behoefte van de industrie, aan compacte ontwerpen die een effectieve meting van lage zuurstofconcentraties garanderen en de veiligheid en procescontrole verbeteren. Voor de toekomst kunnen we zelfs nog meer innovatieve optische methodes verwachten die voldoen aan de veranderende behoeften van TDL-metingen.

Tunable Diode Laser-gasanalysers worden steeds populairder

TDL-gasanalysers worden steeds vaker gebruikt in industriële processen. Dit komt omdat deze rechtstreeks in de procesgasstroom meten zonder drift of kruisinterferentie en veel voordeliger zijn in aankoop, installatie en onderhoud dan andere typen gasanalysers.

Tyler Schertz

Business Development Manager voor gasanalyse

Tyler Schertz is Business Development Manager voor gasanalyse bij METTLER TOLEDO Procesanalyse in de Verenigde Staten. Hij behaalde zijn doctoraat in organische chemie aan de University of Florida, met de nadruk op kleinmoleculaire synthese en fluorine chemistry. Hoewel hij van plan was om in de chemie te blijven, heeft hij de afgelopen 20 jaar in de procesanalyse-industrie gewerkt. Hij begon zijn carrière bij AMETEK Process Instruments, waar hij werkte als service- en toepassingswetenschapper in massaspectrometrie en TDLAS-technologie. Bij METTLER TOLEDO werkte hij vijf jaar als gasspecialist voor de NALA-regio. In deze functie begeleidde hij klanten en verkoopteams om hun kennis over TDL-analysers te vergroten. Tyler wil deze technologie graag blijven promoten en zijn expertise met klanten delen, terwijl hij tegelijkertijd meer te weten komt over nieuwe toepassingen.