Petites conduites, grands avantages: mesure des gaz dans les espaces restreints

Mesure dans de petits pipelines avec un spectromètre laser à diode ajustable et un chemin optique replié multi-réflexion

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14 Jan, 2026

Tyler Schertz

Dans les industries chimiques et pétrochimiques, il est essentiel de disposer d’informations en temps réel pour contrôler les processus et améliorer la sécurité et l’efficacité. L’utilisation de couches d’automatisation fournit des lectures dynamiques et capture des variables de processus importantes telles que la pression, la température et les concentrations.

Une version plus longue de cet article a été publiée pour la première fois dans le magazine Hydrocarbon Engineering.

Pour obtenir des relevés de concentration, les usines industrielles s’appuient sur des analyseurs ou des capteurs chimiques. Une mesure automatisée critique dans les installations pétrochimiques garantit que l’oxygène ne pénètre pas dans la canalisation de torche entre la cuve d’éjection et le joint d’étanchéité, ce qui permet d’éviter les mélanges explosifs.

De nombreuses méthodes analytiques traditionnelles ont été adaptées pour mesurer des gaz tels que l’oxygène, soit par extraction, soit directement dans le flux de processus, ce dernier évitant ainsi la nécessité d’une analyse en laboratoire. Cela inclut des technologies telles que les méthodes paramagnétiques (pour la mesure de l’oxygène), infrarouges non dispersives (NDIR), ultraviolets-visibles (UV-vis) et électrochimiques. Il est notable que, la spectroscopie d’absorption laser à diode ajustable (TDLAS ou TDL) gagneen intérêt dans ces applications.

Bien que le TDL ait commencé principalement comme une méthode d’extraction, elle a évolué. De nos jours, divers fabricants introduisent des conceptions de mesure in situ, y compris des configurations cross-stack et de sondes. METTLER TOLEDO a également introduit un système d’adaptation au processus à bride sectionnelles qui fonctionne dans des diamètres de conduites étroites de seulement 5 à 10 cm (2 à 4 pouces).

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

Dans le domaine de la spectroscopie d’absorption, nous disposons de techniques telles que l’UV-vis, l’infrarouge (IR), NDIR, TDL et Raman. Ces méthodes reposent sur un principe simple : des fréquences spécifiques de lumière sont absorbées par les molécules de manière précise et cohérente. Cela signifie qu’une molécule à une certaine concentration absorbera la lumière aux mêmes longueurs d’onde, la quantité de lumière absorbée étant directement liée à la concentration de la molécule. La loi de Beer-Lambert résume ce concept dans l’équation :

I = I₀^e-acL

Les caractéristiques d’absorption peuvent varier considérablement. Par exemple, les plages d’absorption UV-vis sont larges, tandis que la spectroscopie proche infrarouge (NIR), qui inclut le TDL, présente des longueurs d’onde très étroites. Cette étroitesse permet une approche plus sélective de l’identification d’un analyte particulier dans un flux de gaz mixte.

L’équation nous dit que si vous voulez augmenter l’absorption de la lumière, en particulier à de faibles concentrations, vous devrez soit augmenter la longueur du chemin optique (OPL) parcouru par le faisceau laser, soit augmenter la concentration des espèces absorbantes.

Ci-dessous, nous examinerons les moyens d’améliorer les mesures pour de très faibles concentrations d’analytes avec TDL en augmentant l’OPL grâce à des arrangements optiques uniques, en explorant les avantages et les inconvénients de chaque approche.

Examinons les techniques de spectroscopie d’absorption et comment TDL se compare à d’autres comme l’UV-vis. L’un des avantages significatifs du TDL est la ou les raies d’absorption étroites, qui sont souvent uniques à un analyte spécifique et s’alignent parfaitement avec la gamme spectrale étroite de la lumière laser. D’un autre côté, les technologies telles que les analyseurs paramagnétiques peuvent être sujettes aux interférences et ne mesurent pas directement dans le processus lui-même.

La loi de Beer-Lambert suggère que l’un des principaux obstacles à la réalisation de mesures TDL de faible niveau (ppm et ppb) est les limites de l’OPL global. L’un des enjeux dans l’obtention d’une mesure TDL est lié à la disponibilité commerciale des lasers aux longueurs d’onde requises. L’oxygène, par exemple, est une espèce faiblement absorbante dans la gamme NIR des lasers disponibles, ce qui rend essentiel de trouver des moyens d’augmenter l’OPL pour des mesures précises.

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

Dans les industries de transformation, une limitation importante est souvent la taille physique de la tuyauterie qui contient l’échantillon de gaz. Pour les conduits plus grands (1 à 3 m), l’OPL n’est pas un obstacle significatif, même pour les absorbeurs faibles comme l’oxygène. Cependant, lorsque le diamètre du tuyau descend en dessous de 38 cm (15 po), la mesure de l’oxygène en dessous de 5000 ppm (0,5 %) devient beaucoup plus délicate.

À l’heure actuelle, il existe quelques modèles permettant d’améliorer l’OPL pour les mesures TDL extractives, mais il n’existe qu’une seule adaptation notable pour les mesures in situ dans les petits diamètres de conduite. De plus, si le cross stack est installé longitudinalement, le gaz de purge destiné à protéger l’optique de la contamination peut diluer le flux d’échantillons, ce qui complique la mesure précise de la limite inférieure d’explosivité (LIE) pour l’oxygène.

Les méthodes courantes pour augmenter l’OPL entrent généralement dans les trois catégories suivantes :

Cellule de White
Cellule de Herriott
Agencement de prismes optiques (dispositif multi-réflexion)

Cellule de White

Cette méthode, créée par John White en 1942, utilise un agencement compact de trois miroirs. Le miroir principal est opposé à deux miroirs secondaires, ce qui se traduit par une longueur de chemin quatre fois supérieure à la distance entre eux. Bien qu’efficace pour augmenter la longueur du trajet, cette configuration met l’optique en contact direct avec les gaz de processus, qui peuvent être corrosifs et pleins de contaminants. De plus, l’alignement de trois miroirs peut être délicat, et le maintien de la précision des miroirs nécessite des soins et des dépenses supplémentaires en raison de la contamination potentielle.

Cellule de Herriott

Il s’agit d’un autre choix populaire parmi les fabricants de TDL. Il utilise deux miroirs hautement réfléchissants pour diriger un faisceau laser incident. Selon la façon dont le faisceau frappe le miroir primaire, vous pouvez atteindre des longueurs de trajet de plusieurs mètres, ce qui permet des limites de détection très basses. La cellule de Herriott est généralement plus facile à aligner que la cellule de White, mais comme cette dernière, elle implique toujours des optiques qui entrent en contact avec les gaz de processus, ce qui la confine souvent à des mesures extractives.

Agencement du prisme optique

Ces dernières années, une nouvelle adaptation de processus a été introduite sur le marché des TDL. La conception de la sonde in situ à alignement automatique proposée par METTLER TOLEDO résout les problèmes habituels. En effet, il répond à la nécessité d’effectuer une mesure dans le processus à des points de mesure critiques pour la sécurité et le contrôle du processus, et fournit une conception modulaire et universelle facile à entretenir.

L’une des limites des configurations optiques rigides traditionnelles est le petit diamètre des canalisations pour les mesures d’oxygène in situ, limitant souvent l’insertion de la sonde à 20 cm et limitant la détection de l’oxygène à des milliers de ppm. Une autre solution innovante de METTLER TOLEDO est la « bride sectionnelle », qui agit comme une bobine à l’intérieur de la canalisation sans obstruer l’écoulement, s’adaptant à des tuyaux d’un diamètre aussi petit que 05 cm (2 po. OPL). Pour surmonter les défis posés par les OPL courts dans ces configurations, METTLER TOLEDO a développé le dispositif multi-réflexion (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

Cette approche est unique car elle ne nécessite pas de miroirs pour fonctionner dans un flux d’échantillons bien conditionné ; Au lieu de cela, il double ou triple la trajectoire du laser à l’aide de prismes optiques. Le deuxième prisme reste isolé du gaz de processus, ce qui le rend idéal pour les environnements difficiles sujets à l’encrassement optique. De plus, cette méthode est plus compacte, ce qui facilite l’intégration dans des installations à espace restreint.

Le même prisme optique secondaire fonctionne pour les adaptations OPL à deux volets (MR2) et à trois volets (MR3). Pour la réflexion triple, une lentille saphir « œil de chat » non traitée robuste et chimiquement compatible est utilisée, ce qui minimise les problèmes liés aux surfaces réfléchissantes planes qui pourraient affecter la précision de la mesure.

Conclusion

La spectroscopie TDL est de plus en plus privilégiée dans les industries de transformation en raison de sa durabilité, de la spécificité de son analyte et de sa capacité à fournir des mesures in situ rapides, en particulier pour l’oxygène, qui est un gaz clé pour la sécurité et le contrôle. Cependant, la mesure de l’oxygène peut être délicate en raison de sa faible absorbance. C’est pourquoi il est essentiel d’augmenter l’OPL. Nous avons discuté de plusieurs méthodes pour y parvenir, mais certaines présentent des inconvénients notables dans des environnements industriels difficiles.

Heureusement, la solution MRx de METTLER TOLEDO répond aux besoins de l’industrie en matière de conceptions compactes qui garantissent une mesure efficace des faibles concentrations d’oxygène, améliorant ainsi la sécurité et le contrôle des processus. À l’avenir, nous pouvons nous attendre à des méthodes optiques encore plus innovantes qui répondent aux besoins changeants des mesures TDL .

Les analyseurs de gaz à diode laser ajustable deviennent de plus en plus populaires

L’utilisation d’analyseurs de gaz TDL est de plus en plus courante dans les processus industriels. En effet, ils mesurent directement dans le flux de gaz de procédé sans dérive ni interférence croisée et sont beaucoup plus économiques à l’achat, à l’installation et à l’entretien que les autres types d’analyseurs de gaz.

Tyler Schertz

Responsable du développement commercial pour l’analyse des gaz

Tyler Schertz est responsable du développement commercial pour l’analyse des gaz chez METTLER TOLEDO Process Analytics aux États-Unis. Il a obtenu son doctorat en chimie organique à l’Université de Floride, en se concentrant sur la synthèse de petites molécules et la chimie du fluor. Bien qu’il ait prévu de rester en chimie, il a travaillé dans l’industrie de l’analyse des procédés au cours des 20 dernières années. Il a commencé sa carrière chez AMETEK Process Instruments, où il a travaillé en tant que scientifique de service et d’application dans le domaine de la spectrométrie de masse et de la technologie TDLAS. Chez METTLER TOLEDO, il a passé cinq ans en tant que spécialiste des gaz pour la région NALA. Dans le cadre de ses fonctions, il a encadré des clients et des équipes de vente afin d’accroître leurs connaissances sur les analyseurs TDL. Tyler est impatient de continuer à promouvoir cette technologie et de partager son expertise avec les clients tout en apprenant de nouvelles applications.