Tuberías pequeñas, grandes ventajas: medición de gas en espacios reducidos

Medición en tuberías pequeñas con un espectrómetro láser de diodo sintonizable y un camino óptico plegado de múltiples reflexiones

mins.

14 Jan, 2026

Tyler Schertz

Cuando se trata de las industrias química y petroquímica, tener información en tiempo real es crucial para controlar los procesos y mejorar la seguridad y la eficiencia. El uso de capas de automatización proporciona lecturas dinámicas y captura variables importantes del proceso como la presión, la temperatura y las concentraciones.

Una versión más larga de este artículo se publicó por primera vez en la revista Hydrocarbon Engineering.

Para obtener lecturas de concentración, las plantas industriales dependen de analizadores o sensores químicos. Una medición automatizada crítica en las instalaciones petroquímicas garantiza que el oxígeno no entre en la tubería de antorcha entre el recipiente de extracción y el sello líquido, lo que ayuda a prevenir mezclas explosivas.

Muchos métodos analíticos tradicionales se han adaptado para medir gases como el oxígeno, ya sea de forma extractiva o directamente dentro del flujo del proceso, evitando este último la necesidad de análisis de laboratorio. Esto incluye tecnologías como los métodos paramagnéticos (para la medición del oxígeno), infrarrojos no dispersivos (NDIR), ultravioleta-visibles (UV-vis) y electroquímicos. En particular, la espectroscopia de absorción láser de diodo sintonizable (TDLAS o TDL) está ganando terreno en estas aplicaciones.

Aunque el TDL comenzó principalmente como un método extractivo, ha evolucionado. Hoy en día, varios fabricantes están introduciendo diseños de medición in situ, incluidas las configuraciones de pila cruzada y sonda. METTLER TOLEDO también ha introducido una adaptación al proceso de obleas que funciona en diámetros de tubería estrechos de solo 5 a 10 cm (2 a 4 pulgadas).

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

En el ámbito de la espectroscopia de absorción, contamos con técnicas como UV-vis, infrarrojo (IR), NDIR, TDL y Raman. Estos métodos se basan en un principio simple: las frecuencias específicas de luz son absorbidas por las moléculas de una manera precisa y consistente. Esto significa que una molécula a una determinada concentración absorberá luz a las mismas longitudes de onda, y la cantidad de luz absorbida está directamente relacionada con la concentración de la molécula. La Ley de Beer-Lambert captura este concepto en la ecuación:

I = I₀^e-acL

Las características de absorción pueden variar ampliamente. Por ejemplo, los rangos de absorción UV-vis son amplios, mientras que la espectroscopia de infrarrojo cercano (NIR), que incluye TDL, presenta longitudes de onda muy estrechas. Esta estrechez permite un enfoque más selectivo para identificar un analito particular en una corriente de gas mixto.

La ecuación nos dice que si se desea aumentar la absorción de luz, especialmente a bajas concentraciones, deberá aumentar la longitud del camino óptico (OPL) que recorre el rayo láser o aumentar la concentración de las especies absorbentes.

A continuación, veremos formas de mejorar las mediciones para concentraciones de analito muy bajas con TDL aumentando el OPL a través de arreglos ópticos únicos, explorando los pros y los contras de cada enfoque.

Echemos un vistazo a las técnicas de espectroscopia de absorción y cómo TDL se compara con otras como UV-vis. Un beneficio significativo de TDL son las líneas de absorción estrechas, que a menudo son exclusivas de un analito específico y se alinean perfectamente con el rango espectral estrecho de la luz láser. Por otro lado, tecnologías como los analizadores paramagnéticos pueden ser propensas a interferencias y no miden directamente dentro del proceso en sí.

La ley de Beer-Lambert sugiere que un obstáculo importante para lograr mediciones de TDL de bajo nivel (ppm y ppb) son las limitaciones del OPL general. Un desafío en la obtención de una medición TDL se relaciona con la disponibilidad comercial de láseres de las longitudes de onda requeridas. El oxígeno, por ejemplo, es una especie de absorción débil en la gama NIR de láseres disponibles, por lo que es esencial encontrar formas de aumentar el OPL para obtener mediciones precisas.

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

En las industrias de procesos, una limitación importante suele ser el tamaño físico de la tubería que contiene la muestra de gas. Para conductos más grandes (1 – 3 m), el OPL no es un obstáculo significativo, incluso para absorbentes débiles como el oxígeno. Sin embargo, cuando el diámetro de la tubería cae por debajo de 38 cm (15 pulgadas), medir el oxígeno por debajo de 5000 ppm (0,5%) se vuelve mucho más complicado.

En la actualidad, hay algunos diseños disponibles para mejorar el OPL para las mediciones extractivas de TDL, pero solo existe una adaptación notable para las mediciones in situ en diámetros de tubería pequeños. Además, si la pila cruzada se configura longitudinalmente, el gas de purga destinado a proteger la óptica de la contaminación puede diluir el flujo de muestra, lo que complica la medición precisa del límite inferior de explosividad (LEL) para el oxígeno.

Los métodos comunes para aumentar el OPL generalmente se dividen en las siguientes tres categorías:

Glóbulos blancos
Célula de Herriott
Disposición óptica del prisma (dispositivo de reflexión múltiple)

Glóbulo blanco

Este método, creado por John White en 1942, utiliza una disposición compacta de tres espejos. El espejo primario es opuesto a dos espejos secundarios, lo que da como resultado una longitud de ruta que es cuatro veces la distancia entre ellos. Si bien es eficaz para aumentar la longitud del camino, esta configuración coloca la óptica en contacto directo con los gases del proceso, que pueden ser corrosivos y estar llenos de contaminantes. Además, alinear tres espejos puede ser complicado, y mantener la precisión de los espejos requiere cuidado y gastos adicionales debido a la posible contaminación.

Célula de Herriott

Esta es otra opción popular entre los fabricantes de TDL. Emplea dos espejos altamente reflectantes para dirigir un rayo láser incidente. Dependiendo de cómo incida el haz en el espejo primario, puede alcanzar longitudes de trayectoria de muchos metros, lo que permite límites de detección muy bajos. La celda Herriott suele ser más fácil de alinear que la celda White, pero al igual que esta última, todavía involucra ópticas que entran en contacto con los gases del proceso, a menudo confinándola a mediciones extractivas.

Disposición de prisma óptico

En los últimos años, se ha introducido una nueva adaptación del proceso en el mercado TDL. El diseño de sonda autoalineable in situ que ofrece METTLER TOLEDO aborda los puntos débiles habituales. Es decir, gestiona la necesidad de realizar una medición dentro del proceso en puntos de medición críticos para la seguridad y el control del proceso, y proporciona un diseño modular y universal que es fácil de mantener.

Una limitación de las configuraciones ópticas rígidas tradicionales es el pequeño diámetro de las tuberías para las mediciones de oxígeno in situ, que a menudo restringe la inserción de la sonda a 20 cm y limita la detección de oxígeno a miles de ppm. Otra solución innovadora de METTLER TOLEDO es la "oblea", que actúa como una pieza de carrete dentro de la tubería sin obstruir el flujo, encajando en diámetros de tubería tan pequeños como 05 cm (2 pulg. OPL). Para superar los desafíos de las OPL cortas en estas configuraciones, METTLER TOLEDO desarrolló el dispositivo de reflexión múltiple (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

Este enfoque es único porque no requiere que los espejos funcionen en un flujo de muestra bien acondicionado; En su lugar, duplica o triplica la trayectoria del láser mediante prismas ópticos. El segundo prisma permanece aislado del gas de proceso, lo que lo hace ideal para entornos hostiles propensos a ensuciamiento óptico. Además, este método es más compacto, lo que facilita su instalación en instalaciones con espacio restringido.

El mismo prisma óptico secundario funciona tanto para las adaptaciones OPL dobles (MR2) como triples (MR3). Para la reflexión triple, se utiliza una lente de zafiro "ojo de gato" sin recubrimiento resistente y químicamente compatible, que minimiza los problemas de las superficies reflectantes planas que podrían afectar la precisión de la medición.

Conclusión

La espectroscopia TDL es cada vez más favorecida en las industrias de procesos debido a su durabilidad, especificidad del analito y su capacidad para proporcionar mediciones rápidas in situ, especialmente para el oxígeno, que es un gas clave para la seguridad y el control. Sin embargo, medir el oxígeno puede ser complicado debido a su débil absorbancia. Es por eso que aumentar el OPL es esencial. Hemos discutido varios métodos para lograr esto, pero algunos tienen inconvenientes notables en entornos industriales hostiles.

Afortunadamente, la solución MRx de METTLER TOLEDO se alinea con la necesidad de la industria de diseños compactos que garanticen una medición eficaz de bajas concentraciones de oxígeno, lo que mejora la seguridad y el control del proceso. De cara al futuro, podemos esperar métodos ópticos aún más innovadores que satisfagan las necesidades cambiantes de las mediciones TDL .

Los analizadores de gas láser de diodo sintonizable se vuelven cada vez más populares

El uso de analizadores de gas TDL es cada vez más común en los procesos industriales. Esto se debe a que miden directamente en el flujo de gas de proceso sin deriva ni interferencia cruzada y son mucho más económicos de comprar, instalar y mantener que otros tipos de analizadores de gas.

Tyler Schertz

Gerente de Desarrollo de Negocios para Gas Analytics

Tyler Schertz es el director de desarrollo empresarial de análisis de gas de METTLER TOLEDO Process Analytics en Estados Unidos. Obtuvo su doctorado en química orgánica de la Universidad de Florida, centrándose en la síntesis de moléculas pequeñas y la química del flúor. Aunque planeaba quedarse en química, ha trabajado en la industria analítica de procesos durante los últimos 20 años. Comenzó su carrera en AMETEK Process Instruments, donde trabajó como científico de servicios y aplicaciones en espectrometría de masas y tecnología TDLAS. En METTLER TOLEDO, trabajó durante cinco años como especialista en gas para la región de NALA. En este puesto, asesoró a clientes y equipos de ventas para aumentar el conocimiento de los analizadores TDL. Tyler está ansioso por continuar promoviendo esta tecnología y compartir su experiencia con los clientes mientras aprende sobre nuevas aplicaciones.