Маленькие трубы — большие преимущества: измерение газа в тесных пространствах

Измерение в небольших трубопроводах с помощью настраиваемого диодного лазерного спектрометра и многоотражаемого сложенного оптического пути

мин.

14 Jan, 2026

Tyler Schertz

В химической и нефтехимической промышленности наличие информации в реальном времени крайне важно для контроля процессов и повышения безопасности и эффективности. Использование слоёв автоматизации обеспечивает динамические показания и фиксирует важные переменные процесса, такие как давление, температура и концентрации.

Расширенная версия этой статьи впервые была опубликована в журнале Hydrocarbon Engineering.

Для получения показаний концентрации промышленные предприятия используют анализаторы или химические датчики. Одно из критически важных автоматизированных измерений на нефтехимических предприятиях гарантирует, что кислород не попадает в трубопровод вспышки между сосудом для выбивания и жидкостным уплотнением, что помогает предотвратить появление взрывных смесей.

Многие традиционные аналитические методы были адаптированы для измерения газов, таких как кислород, как экстракции, так и непосредственно внутри потока процесса, при этом последние избегают необходимости лабораторного анализа. Сюда входят такие технологии, как парамагнитные (для измерения кислорода), недисперсионный инфракрасный (NDIR), ультрафиолетово-видимые (УФ-визы) и электрохимические методы. Особенно заметно, что лазерная абсорбционная спектроскопия с регулируемым диодами (TDLAS или TDL) набирает популярность в этих приложениях.

Хотя TDL изначально был в основном как метод экстракции, он эволюционировал. В наши дни различные производители внедряют модели измерения in situ, включая перекрёстные и зондовые установки. METTLER TOLEDO также внедрила адаптацию процесса пластин , которая работает с узкими диаметрами трубопроводов всего 5–10 см (2–4 дюйма).

В измерениях, критически важных для безопасности, быстрая реакция необходима для предотвращения аварий. Именно поэтому операторы заводов и специалисты по HSE всегда предпочитают измерения на месте, когда это возможно.
Маура Кробу, глобальный менеджер по газовой аналитике в METTLER TOLEDO

В области абсорбционной спектроскопии у нас есть такие методы, как УФ-визуал, инфракрасный (IR), NDIR, TDL и Raman. Эти методы основаны на простом принципе: определённые частоты света поглощаются молекулами точно и последовательно. Это означает, что молекула при определённой концентрации поглощает свет на тех же длинах волн, при этом количество поглощённого света напрямую связано с концентрацией молекулы. Закон Бира-Ламберта отражает эту концепцию в уравнении:

I = I₀^e-acL

Характеристики поглощения могут сильно различаться. Например, диапазоны поглощения УФ-видимости широки, тогда как ближняя инфракрасная (NIR) спектроскопия, включающая TDL, характеризуется очень узкими длинами волн. Эта узость позволяет более избирательно идентифицировать конкретный анализ в смешанном газовом потоке.

Уравнение говорит нам, что если вы хотите увеличить поглощение света — особенно при низких концентрациях — вам нужно либо увеличить длину оптического пути (OPL), которую проходит лазерный луч, либо увеличить концентрацию поглощающих видов.

Ниже мы рассмотрим способы улучшения измерений при очень низких концентрациях анализируемых веществ с помощью TDL, увеличивая OPL с помощью уникальных оптических схем, а также рассмотрим плюсы и минусы каждого подхода.

Давайте рассмотрим методы абсорбционной спектроскопии и то, как TDL сравнивается с другими, такими как UV-vis. Одним из значимых преимуществ TDL является узкая линия поглощения, которая часто уникальна для конкретного анализа и идеально совпадает с узким спектральным диапазоном лазерного света. С другой стороны, такие технологии, как парамагнитные анализаторы, могут быть подвержены помехам и не измерять их непосредственно внутри самого процесса.

Закон Бира-Ламберта предполагает, что одним из основных препятствий для достижения низкоуровневых (ppm и ppb) измерений TDL являются ограничения общего OPL. Одна из сложностей при получении измерения TDL связана с коммерческой доступностью лазеров требуемых длин волн. Кислород, например, является слабо поглощающим видом в диапазоне доступных лазеров NIR, поэтому крайне важно найти способы повышения OPL для точных измерений.

TDLAS — это не просто точное измерение газов, это действительно меняет правила игры. Обладая непревзойдённой чувствительностью и точностью в реальном времени, истинное преимущество технологии заключается в бесконтактности и практически полном отсутствии необходимости в обслуживании, что трансформирует промышленный мониторинг.
Тайлер Шерц, менеджер по развитию бизнеса по газовой аналитике в METTLER TOLEDO

В технологических отраслях одним из значимых ограничений часто является физический размер трубы, в которой хранится образец газа. Для больших протоков (1–3 м) OPL не является значительной проблемой, даже для слабых поглотителей, таких как кислород. Однако, когда диаметр трубы падает ниже 38 см (15 дюймов), измерение кислорода ниже 5000 ppm (0,5%) становится гораздо сложнее.

В настоящее время существует несколько проектов для улучшения OPL для экстракционных TDL-измерений, но существует лишь одна заметная адаптация для измерений in situ в малых диаметрах труб. Кроме того, если перекрёстная труба установлена продольно, продувочный газ, предназначенный для защиты оптики от загрязнения, может разбавить поток пробы, что усложняет точное измерение нижнего взрывчатого предела (LEL) кислорода.

Распространённые методы повышения OPL обычно делятся на три категории:

 Белая Ячейка

 Ячейка Херриотта

 Оптическая призматическая схема

(устройство многоотражения)

Белая Ячейка

Этот метод, созданный Джоном Уайтом в 1942 году, использует компактное расположение из трёх зеркал. Основное зеркало напротив двух вторичных зеркал, что приводит к длине пути в четыре раза больше, чем расстояние между ними. Хотя эта система эффективна для увеличения длины пути, оптика напрямую контактирует с процессующими газами, которые могут быть коррозионными и содержать загрязнители.

Кроме того, выравнивание трёх зеркал может быть непростым, а поддержание точности зеркал требует дополнительной заботы и затрат из-за возможного загрязнения.

Ячейка Херриотт

Это ещё один популярный выбор среди производителей TDL. Он использует два сильно отражающих зеркала для направления падающего лазерного луча. В зависимости от того, как луч попадает в основное зеркало, можно достичь длины пути в несколько метров, что позволяет устанавливать очень низкие ограничения обнаружения.

Ячейку Херриотта обычно легче выровнять, чем Белую Ячейку, но, как и последний, она всё равно включает оптику, контактирующую с процессующими газами, часто ограничивая её экстракционными измерениями.

Оптическая призматическая схема

В последние годы на рынке TDL была внедрена новая адаптация процессов. Самовыравнивающаяся конструкция зонда in situ, предлагаемая METTLER TOLEDO, решает привычные проблемные моменты. А именно, он управляет необходимостью проведения измерений в процессе в критических точках измерения для безопасности и управления процессом, а также обеспечивает модульную, универсальную конструкцию, которую легко поддерживать.

Одним из ограничений традиционных жёстких оптических систем является малый диаметр трубопроводов для измерений кислорода in situ, что часто ограничивает вставку зонда до 20 см и ограничивает обнаружение кислорода до больших тысяч ppm.

Ещё одним инновационным решением от METTLER TOLEDO является «пластина», которая действует как катушка внутри трубопровода, не препятствуя потоку, вставляясь в трубы диаметром всего 05 см (2 дюйма OPL). Чтобы преодолеть трудности коротких OPL в таких установках, METTLER TOLEDO разработал устройство с множественным отражением (MRx).

Адаптация пластин METTLER TOLEDO с модулем MRX легко вписывается в компактные пространства, обеспечивая чувствительность измерения и простоту использования, необходимые для требовательных технологических процессов — решение без компромиссов.
Маура Кробу, глобальный менеджер по газовой аналитике в METTLER TOLEDO

Этот подход уникален тем, что не требует зеркал для работы в хорошо настроенном потоке выборок; Вместо этого он удваивает или утраивает траекторию лазера с помощью оптических призм. Вторая призма остаётся изолированной от технологического газа, что делает её идеальной для суровых условий, подверженных оптическому загрязнению. Кроме того, этот способ более компактный, что облегчает размещение в ограниченных помещениях.

Одна и та же вторичная оптическая призма работает как для двухкратных (MR2), так и для трёхкратных (MR3) адаптаций OPL. Для трёхкратного отражения используется прочная, химически совместимая сапфировая «кошачий глаз» линза, которая минимизирует проблемы с плоскими отражающими поверхностями, которые могут повлиять на точность измерения.

Заключение

TDL-спектроскопия всё больше популярна в технологических отраслях благодаря своей прочности, специфичности анализа и способности быстро проводить измерения на месте — особенно для кислорода, который является ключевым газом для безопасности и контроля. Однако измерение кислорода может быть сложно из-за его слабого всасывания. Вот почему повышение OPL крайне важно. Мы обсудили несколько способов достижения этой цели, но некоторые из них имеют заметные недостатки в суровых промышленных условиях.

К счастью, решение METTLER TOLEDO MRx соответствует потребности отрасли в компактных конструкциях, обеспечивающих эффективное измерение низких концентраций кислорода, повышая безопасность и контроль процессов. Смотря в будущее, можно ожидать ещё более инновационных оптических методов, соответствующих меняющимся потребностям измерений TDL.

Настраиваемые диодные лазерные газоанализаторы становятся всё более популярными

Использование газоанализаторов TDL становится всё более распространённым в промышленных процессах. Это связано с тем, что они измеряются непосредственно в потоке технологического газа без дрейфа или перекрёстных помех и значительно экономичнее в покупке, установке и обслуживании, чем другие типы газоанализаторов.

Тайлер Шерц

Менеджер по развитию бизнеса в области газовой аналитики

Тайлер Шерц — менеджер по развитию бизнеса по газовой аналитике в METTLER TOLEDO Process Analytics в США. Он получил докторскую степень по органической химии в Университете Флориды, сосредоточившись на синтезе малых молекул и химии фтора. Хотя он планировал остаться в химии, последние 20 лет он работает в индустрии технологического анализа. Он начал свою карьеру в AMETEK Process Instruments, где работал специалистом по сервису и прикладным технологиям в области масс-спектрометрии и TDLAS. В METTLER TOLEDO он провёл пять лет в качестве специалиста по газу в регионе NALA. В этой роли он наставлял клиентов и отделы продаж, чтобы повысить знания TDL-анализаторов. Тайлер стремится продолжать продвигать эту технологию и делиться своим опытом с клиентами, одновременно изучая новые приложения.