Malé potrubí, velké výhody: Měření plynu ve stísněných prostorech

Měření v malých potrubích pomocí laditelného diodového laserového spektrometru a multireflexní skládané optické dráhy

minut

14 Jan, 2026

Tyler Schertz

Pokud jde o chemický a petrochemický průmysl, mít informace v reálném čase je zásadní pro řízení procesů a zvýšení bezpečnosti a efektivity. Využití vrstev automatizace poskytuje dynamické odečty a zachycuje důležité procesní proměnné, jako je tlak, teplota a koncentrace.

Delší verze tohoto článku byla poprvé publikována v časopise Hydrocarbon Engineering.

Aby průmyslové závody získaly údaje o koncentraci, spoléhají na analyzátory nebo chemické senzory. Jedno kritické automatizované měření v petrochemických zařízeních zajišťuje, že se kyslík nedostane do potrubí mezi vylamovací nádobou a kapalinovým těsněním, což pomáhá předcházet výbušným směsím.

Mnoho tradičních analytických metod bylo upraveno pro měření plynů, jako je kyslík, přičemž jste se vyhnuli potřebě laboratorní analýzy. To zahrnuje technologie, jako jsou paramagnetické (pro měření kyslíku), nedisperzní infračervené (NDIR), ultrafialově viditelné (UV-vis) a elektrochemické metody. V těchto aplikacích se prosazuje zejména laditelná diodová laserová absorpční spektroskopie (TDLAS nebo TDL).

Ačkoli TDL začalo primárně jako extraktivní metoda, v současné době různí výrobci zavádějí měření in situ, včetně nastavení cross-stack a sond. Společnost METTLER TOLEDO představila přizpůsobení procesu waferů, které funguje v úzkých průměrech potrubí pouhých 5 až 10 cm (2 až 4 palce).

In safety-critical measurements, rapid response time is essential to prevent accidents. That’s why plant operators and HSE professionals always prefer in situ measurements when possible.
Maura Crobu, Global Product Manager Gas Analytics at METTLER TOLEDO

V oblasti absorpční spektroskopie máme techniky jako UV-vis, infračervené (IR), NDIR, TDL a Raman. Tyto metody jsou založeny na jednoduchém principu: specifické frekvence světla jsou molekulami absorbovány přesným a konzistentním způsobem. To znamená, že molekula v určité koncentraci bude absorbovat světlo na stejných vlnových délkách, přičemž množství absorbovaného světla přímo souvisí s koncentrací molekuly. Beer-Lambertův zákon zachycuje tento koncept v rovnici:

I = I 0^e-acL

Absorpční charakteristiky se mohou značně lišit. Například rozsahy absorpce UV-vis jsou široké, zatímco spektroskopie blízké infračervené oblasti (NIR), která zahrnuje TDL, má velmi úzké vlnové délky. Tato zúžení umožňuje selektivnější přístup k identifikaci konkrétního analytu ve smíšeném proudu plynu.

Rovnice nám říká, že pokud chcete zvýšit absorpci světla – zejména při nízkých koncentracích – budete muset buď zvýšit délku optické dráhy (OPL), kterou laserový paprsek urazí, nebo zvýšit koncentraci absorbujících látek.

Níže se podíváme na způsoby, jak vylepšit měření pro velmi nízké koncentrace analytů pomocí TDL zvýšením OPL prostřednictvím jedinečného optického uspořádání, přičemž prozkoumáme výhody a nevýhody každého přístupu.

Podívejme se na techniky absorpční spektroskopie a na to, jak si TDL stojí ve srovnání s ostatními, jako je UV-vis. Jednou z významných výhod TDL je úzká absorpční čára (čáry), která je často jedinečná pro konkrétní analyt a dokonale se sladí s úzkým spektrálním rozsahem laserového světla. Na druhou stranu technologie, jako jsou paramagnetické analyzátory, mohou být náchylné k rušení a neměří přímo v samotném procesu.

Beer-Lambertův zákon naznačuje, že jednou z hlavních překážek pro dosažení měření TDL na nízké úrovni (ppm a ppb) jsou omezení celkového OPL. Problém při získávání TDL měření se týká komerční dostupnosti laserů požadovaných vlnových délek. Například kyslík je slabě absorbující druh v rozsahu dostupných laserů NIR, takže je nezbytné najít způsoby, jak zvýšit OPL pro přesná měření.

TDLAS isn't just about precise gas measurement—it's a game-changer. With unmatched sensitivity and real-time accuracy, its true brilliance lies in being a non-contact, virtually maintenance-free technology that transforms industrial monitoring.
Tyler Schertz, Business Development Manager for Gas Analytics at METTLER TOLEDO

Ve zpracovatelském průmyslu je jedním z významných omezení často fyzická velikost potrubí, které drží vzorek plynu. Pro větší potrubí (1 – 3 m) není OPL významnou překážkou, a to ani pro slabé absorbéry, jako je kyslík. Když však průměr potrubí klesne pod 38 cm (15 palců), měření kyslíku pod 5000 ppm (0,5 %) je mnohem složitější.

V současné době je k dispozici několik návrhů pro rozšíření OPL pro extraktivní TDL měření, ale existuje pouze jedna pozoruhodná adaptace pro měření in situ v malých průměrech potrubí. Navíc, pokud je křížový svazek nastaven podélně, může proplachovací plyn určený k ochraně optiky před kontaminací zředit proud vzorku, což komplikuje přesné měření dolní meze výbušnosti (LEL) kyslíku.

Běžné metody zvýšení OPL obvykle spadají do následujících tří kategorií:

Bílá buňka
Herriottova buňka
Uspořádání optických hranolů (multireflexní zařízení)

Bílá krvinka

Tato metoda, vytvořená Johnem Whitem v roce 1942, využívá kompaktní uspořádání tří zrcadel. Primární zrcadlo je opačné než dvě sekundární zrcadla, což má za následek délku cesty, která je čtyřikrát větší než vzdálenost mezi nimi. I když je toto nastavení účinné pro zvětšení délky dráhy, umístí optiku do přímého kontaktu s procesními plyny, které mohou být korozivní a plné nečistot. Zarovnání tří zrcadel může být navíc složité a zachování přesnosti zrcadel vyžaduje zvláštní péči a náklady kvůli potenciální kontaminaci.

Herriottova buňka

Toto je další oblíbená volba mezi výrobci TDL. Využívá dvě vysoce reflexní zrcadla k nasměrování dopadajícího laserového paprsku. V závislosti na tom, jak paprsek narazí na primární zrcadlo, můžete dosáhnout délek drah mnoha metrů, což umožňuje velmi nízké detekční limity. Herriottova cela se obvykle snáze zarovnává než bílá buňka, ale stejně jako bílá buňka stále zahrnuje optiku, která přichází do styku s procesními plyny a často ji omezuje na extraktivní měření.

Uspořádání optického hranolu

V posledních letech byla na TDL trh zavedena nová adaptace procesu. Samovyrovnávací konstrukce sondy in situ, kterou společnost METTLER TOLEDO nabízí, řeší obvyklá problematická místa. Konkrétně zvládá potřebu provádět měření v rámci procesu v kritických měřicích bodech pro bezpečnost a řízení procesu a poskytuje modulární, univerzální design, který se snadno udržuje.

Jedním z omezení tradičních pevných optických sestav je malý průměr potrubí pro měření kyslíku in situ, který často omezuje vložení sondy na 20 cm a omezuje detekci kyslíku na vysoké tisíce ppm. Dalším inovativním řešením společnosti METTLER TOLEDO je "destička", která funguje jako kus cívky v potrubí, aniž by bránila průtoku, a vejde se do potrubí o průměru pouhých 05 cm (2 palce). OPL). Aby bylo možné překonat problémy spojené s krátkými OPL v těchto sestavách, vyvinula společnost METTLER TOLEDO multireflexní zařízení (MRx).

The METTLER TOLEDO Wafer adaption with the MRX module fits effortlessly into compact spaces while delivering the measurement sensitivity and ease of use essential for demanding process applications—a solution without compromise.
Maura Crobu, Global Product Manager Gas Analytics at METTLER TOLEDO

Tento přístup je jedinečný, protože nevyžaduje, aby zrcadla fungovala v dobře podmíněném vzorkovém streamu. Místo toho zdvojnásobuje nebo ztrojnásobuje dráhu laseru pomocí optických hranolů. Druhý hranol zůstává izolován od procesního plynu, takže je ideální pro drsná prostředí náchylná k optickému znečištění. Navíc je tato metoda kompaktnější, což usnadňuje instalaci s omezeným prostorem.

Stejný sekundární optický hranol funguje pro dvojitou (MR2) i trojitou (MR3) adaptaci PL. Pro trojnásobný odraz se používá pevná, chemicky kompatibilní safírová čočka "cat eye" bez povrchové úpravy, která minimalizuje problémy s plochými reflexními povrchy, které by mohly ovlivnit přesnost měření.

Závěr

TDL spektroskopie je stále více upřednostňována ve zpracovatelském průmyslu díky své odolnosti, specifičnosti analytů a schopnosti poskytovat rychlá měření in situ – zejména kyslíku, který je klíčovým plynem pro bezpečnost a kontrolu. Měření kyslíku však může být složité kvůli jeho slabé absorpci. Proto je nezbytné zvýšit PL. Probrali jsme několik metod, jak toho dosáhnout, ale některé mají v drsném průmyslovém prostředí značné nevýhody.

Řešení MRx společnosti METTLER TOLEDO naštěstí odpovídá požadavkům průmyslu na kompaktní konstrukce, které zajišťují efektivní měření nízkých koncentrací kyslíku, zvyšují bezpečnost a řízení procesů. Při pohledu do budoucna můžeme očekávat ještě inovativnější optické metody, které splňují vyvíjející se potřeby TDL měření.

Analyzátory plynů s nastavitelným diodovým laserem jsou stále populárnější

Použití TDL analyzátorů plynů je v průmyslových procesech stále běžnější. Je to proto, že měří přímo v proudu procesního plynu bez driftu nebo křížového rušení a jejich pořízení, instalace a údržba jsou mnohem ekonomičtější než jiné typy analyzátorů plynu.

Tyler Schertz

Manažer rozvoje obchodu pro analýzu plynů

Tyler Schertz je manažerem rozvoje obchodu pro analýzu plynů ve společnosti METTLER TOLEDO Process Analytics ve Spojených státech. Získal doktorát z organické chemie na Floridské univerzitě se zaměřením na syntézu malých molekul a chemii fluoru. Přestože plánoval zůstat v chemii, posledních 20 let pracoval v oboru procesní analýzy. Svou kariéru zahájil ve společnosti AMETEK Process Instruments, kde pracoval jako servisní a aplikační vědec v oblasti hmotnostní spektrometrie a technologie TDLAS. Ve společnosti METTLER TOLEDO působil pět let na pozici specialisty pro region NALA. V této roli mentoroval zákazníky a prodejní týmy s cílem rozšířit znalosti TDL analyzátoru. Tyler touží pokračovat v propagaci této technologie a sdílet své odborné znalosti se zákazníky a zároveň se učit o nových aplikacích.