Tubulações Pequenas, Grandes benefícios: Medição de Gás em Espaços Apertados

Medição em tubulações pequenas com um espectrômetro de laser de diodo ajustável e um caminho óptico dobrado multirreflexão

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14 Jan, 2026

Tyler Schertz

Quando se trata das indústrias química e petroquímica, ter informações em tempo real é crucial para controlar processos e aumentar a segurança e a eficiência. A utilização de camadas de automação fornece leituras dinâmicas e captura variáveis importantes do processo, como pressão, temperatura e concentrações.

Uma versão mais longa deste artigo foi publicada pela primeira vez na revista Hydrocarbon Engineering.

Para obter leituras de concentração, as plantas industriais contam com analisadores ou sensores químicos. Uma medição automatizada crítica nas instalações da petroquímica garante que o oxigênio não entre na tubulação de flare entre o tanque de knock-out e a vedação líquida, ajudando a evitar misturas explosivas.

Muitos métodos analíticos tradicionais foram adaptados para medir gases como oxigênio extrativamente ou diretamente no fluxo do processo, o último evitando a necessidade de análises laboratoriais. Isso inclui tecnologias como paramagnética (para medição de oxigênio), infravermelho não dispersivo (NDIR), ultravioleta-visível (UV-vis) e métodos eletroquímicos. Notavelmente, a espectroscopia de absorção de laser de diodo ajustável (TDLAS ou TDL) está ganhando força nessas aplicações.

Embora o TDL tenha começado principalmente como um método extrativo, ele evoluiu. Atualmente, vários fabricantes estão introduzindo projetos de medição in situ, incluindo configurações cross-stack e sonda. A METTLER TOLEDO também introduziu uma adaptação de processo de wafer que funciona em diâmetros de tubulação estreitos de apenas 5 a 10 cm (2 a 4 polegadas).

.Em medições críticas de segurança, o tempo de resposta rápido é essencial para evitar acidentes. É por isso que operadores de planta e profissionais de HSE sempre preferem medições in situ quando possível.
Maura Crobu, Gerente Global de Analítica Fase Gás na METTLER TOLEDO

No campo da espectroscopia de absorção, temos técnicas como UV-vis, infravermelho (IR), NDIR, TDL e Raman. Esses métodos são baseados em um princípio simples: frequências específicas de luz são absorvidas pelas moléculas de maneira precisa e consistente. Isso significa que uma molécula em uma determinada concentração absorverá luz nos mesmos comprimentos de onda, com a quantidade de luz absorvida diretamente relacionada à concentração da molécula. A Lei de Beer-Lambert captura esse conceito na equação:

I = I₀^e-acL

As características de absorção podem variar muito. Por exemplo, as faixas de absorção UV-vis são amplas, enquanto a espectroscopia de infravermelho próximo (NIR), que inclui TDL, apresenta comprimentos de onda muito estreitos. Essa estreiteza permite uma abordagem mais seletiva para identificar um analito específico em um fluxo de gás misto.

A equação nos diz que, se você quiser aumentar a absorção de luz - especialmente em baixas concentrações - precisará aumentar o comprimento do caminho óptico (OPL) que o feixe de laser percorre ou aumentar a concentração das espécies absorventes.

Abaixo, veremos maneiras de aprimorar as medições para concentrações de analitos muito baixas com TDL, aumentando o OPL por meio de arranjos ópticos exclusivos, explorando os prós e contras de cada abordagem.

Vejamos as técnicas de espectroscopia de absorção e como o TDL se compara a outros, como o UV-vis. Um benefício significativo do TDL é a(s) linha(s) de absorção estreita(s), que geralmente é exclusiva de um analito específico e se alinha perfeitamente com a faixa espectral estreita da luz laser. Por outro lado, tecnologias como analisadores paramagnéticos podem ser propensas a interferências e não medem diretamente dentro do próprio processo.

A lei de Beer-Lambert sugere que um grande obstáculo para alcançar medições de TDL de baixo nível (ppm e ppb) são as limitações do OPL geral. Um desafio na obtenção de uma medição de TDL está relacionado à disponibilidade comercial de lasers dos comprimentos de onda necessários. O oxigênio, por exemplo, é uma espécie de absorção fraca na faixa NIR de lasers disponíveis, tornando essencial encontrar maneiras de aumentar o OPL para medições precisas.

TDL não é apenas sobre medição precisa de gás — é um divisor de águas. Com sensibilidade incomparável e precisão em tempo real, seu verdadeiro brilhantismo está em ser uma tecnologia sem contato e praticamente livre de manutenção que transforma o monitoramento industrial.
Tyler Schertz, Gerente de Desenvolvimento de Negócios para Analítica Fase Gás na METTLER TOLEDO

Nas indústrias de processo, uma limitação significativa geralmente é o tamanho físico da tubulação que contém a amostra de gás. Para dutos maiores (1 a 3 m), o OPL não é um obstáculo significativo, mesmo para absorvedores fracos como o oxigênio. No entanto, quando o diâmetro do tubo cai abaixo de 38 cm (15 pol.), medir o oxigênio abaixo de 5000 ppm (0,5%) torna-se muito mais complicado.

Atualmente, existem alguns projetos disponíveis para aprimorar o OPL para medições extrativas de TDL, mas existe apenas uma adaptação notável para medições in situ em pequenos diâmetros de tubos. Além disso, se a pilha cruzada for configurada longitudinalmente, o gás de purga destinado a proteger a óptica da contaminação pode diluir o fluxo da amostra, complicando a medição precisa do limite explosivo inferior (LEL) para oxigênio.

Os métodos comuns para aumentar o OPL geralmente se enquadram nas três categorias a seguir:

Célula branca
Celular Herriott
Arranjo de prisma óptico (dispositivo multirreflexo)

Célula branca

Este método, criado por John White em 1942, usa um arranjo compacto de três espelhos. O espelho primário é oposto a dois espelhos secundários, o que resulta em um comprimento de caminho quatro vezes a distância entre eles. Embora eficaz para aumentar o comprimento do caminho, essa configuração coloca a óptica em contato direto com os gases do processo, que podem ser corrosivos e cheios de contaminantes. Além disso, alinhar três espelhos pode ser complicado, e manter a precisão dos espelhos requer cuidado e despesas extras devido à possível contaminação.

Celular Herriott

Esta é outra escolha popular entre os fabricantes de TDL. Ele emprega dois espelhos altamente reflexivos para direcionar um feixe de laser incidente. Dependendo de como o feixe atinge o espelho primário, você pode atingir comprimentos de caminho de muitos metros, permitindo limites de detecção muito baixos. A célula de Herriott é tipicamente mais fácil de alinhar do que a célula branca, mas, como a última, ainda envolve óptica que entra em contato com os gases do processo, muitas vezes confinando-a a medições extrativas.

Arranjo de prisma óptico

Nos últimos anos, uma nova adaptação de processo foi introduzida no mercado de TDL. O design da sonda autocompensadora in situ oferecido pela METTLER TOLEDO aborda os pontos problemáticos habituais. Ou seja, ele gerencia a necessidade de fazer uma medição dentro do processo em pontos críticos de medição para segurança e controle do processo e fornece um design modular e universal que é fácil de manter.

Uma limitação das configurações ópticas rígidas tradicionais é o pequeno diâmetro das tubulações para medições de oxigênio in situ, muitas vezes restringindo a inserção da sonda a 20 cm e limitando a detecção de oxigênio a altos milhares de ppm. Outra solução inovadora da METTLER TOLEDO é o "wafer", que atua como um carretel dentro da tubulação sem obstruir o fluxo, encaixando-se em diâmetros de tubo tão pequenos quanto 05 cm (2 pol. OPL). Para superar os desafios de OPLs curtos nessas configurações, a METTLER TOLEDO desenvolveu o dispositivo de multirreflexão (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

Essa abordagem é única porque não requer espelhos para funcionar em um fluxo de amostra bem condicionado; em vez disso, ele dobra ou triplica o caminho do laser usando prismas ópticos. O segundo prisma permanece isolado do gás de processo, tornando-o ideal para ambientes agressivos propensos a incrustações ópticas. Além disso, esse método é mais compacto, facilitando o encaixe em instalações com restrição de espaço.

O mesmo prisma óptico secundário funciona para as adaptações OPL duplas (MR2) e triplas (MR3). Para a reflexão tripla, é usada uma lente 'olho de gato' de safira não revestida resistente e quimicamente compatível, o que minimiza os problemas de superfícies reflexivas planas que podem afetar a precisão da medição.

Conclusão

A espectroscopia TDL é cada vez mais favorecida nas indústrias de processo devido à sua durabilidade, especificidade do analito e capacidade de fornecer medições rápidas in situ - especialmente para oxigênio, que é um gás essencial para segurança e controle. No entanto, medir o oxigênio pode ser complicado devido à sua fraca absorvância. É por isso que aumentar o OPL é essencial. Discutimos vários métodos para conseguir isso, mas alguns têm desvantagens notáveis em ambientes industriais adversos.

Felizmente, a solução MRx da METTLER TOLEDO está alinhada com a necessidade da indústria de projetos compactos que garantam a medição eficaz de baixas concentrações de oxigênio, aumentando a segurança e o controle do processo. Olhando para o futuro, podemos esperar métodos ópticos ainda mais inovadores que atendam às crescentes necessidades das medições de TDL.

Os analisadores de gás a laser de diodo ajustável tornam-se cada vez mais populares

O uso de analisadores de gás TDL está se tornando cada vez mais comum em processos industriais. Isso ocorre porque eles medem diretamente no fluxo de gás do processo sem desvio ou interferência cruzada e são muito mais econômicos de comprar, instalar e manter do que outros tipos de analisadores de gás.

Tyler Schertz

Gerente de Desenvolvimento de Negócios para Análise de Gás

Tyler Schertz é Gerente de Desenvolvimento de Negócios para Análise de Gás da METTLER TOLEDO Process Analytics nos Estados Unidos. Ele obteve seu doutorado em química orgânica pela Universidade da Flórida, com foco na síntese de pequenas moléculas e química do flúor. Embora planejasse permanecer na química, ele trabalhou na indústria analítica de processos nos últimos 20 anos. Ele começou sua carreira na AMETEK Process Instruments, onde trabalhou como cientista de serviços e aplicações em espectrometria de massa e tecnologia TDLAS. Na METTLER TOLEDO, ele passou cinco anos como Especialista em Gás para a região NALA. Nessa função, ele orientou clientes e equipes de vendas para aumentar o conhecimento do analisador TDL. Tyler está ansioso para continuar a promover essa tecnologia e compartilhar sua experiência com os clientes enquanto aprende sobre novos aplicativos.