小径パイプ、大きなメリット:狭いスペースでのガス測定

波長可変半導体レーザー分光器と多重反射折り返し光路による小径パイプラインでの測定

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14 Jan, 2026

Tyler Schertz

化学および石油化学業界において、リアルタイムの情報を持つことは、プロセスを制御し、安全性と効率を高めるために非常に重要です。自動化のレイヤーを利用することで、動的な読み取りが可能になり、圧力、温度、濃度などの重要なプロセス変数がキャプチャされます。

この記事の長編版は、 Hydrocarbon Engineering誌に最初に掲載されました。

濃度を読み取るために、プラントは分析装置や化学センサーに依存しています。石油化学施設の重要な自動測定の1つは、ノックアウト容器と液体シールの間のフレアパイプラインに酸素が入らないようにし、爆発性混合物の防止に役立ちます。

多くの従来の分析方法は、酸素などのガスを抽出的に、またはプロセスストリーム内で直接測定するように適応されており、後者ではラボ分析の必要性が回避されています。これには、磁気式(酸素測定用)、非分散型赤外線(NDIR)、紫外可視(UV-vis)、電気化学的方法などの技術が含まれます。特に、波長可変半導体レーザー吸収分光法(TDLASまたはTDL)は、これらのアプリケーションで注目を集めています。

TDLは、主に抽出式として始まりましたが、進化しました。最近では、さまざまなメーカーが、クロススタックやプローブのセットアップなど、in situ測定設計を導入しています。メトラー・トレドは、わずか5〜10 cm(2〜4インチ)の狭いパイプライン直径で動作するウェーハプロセス適応用も導入しました。

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

吸収分光法の分野では、UV-vis、赤外線(IR)、NDIR、TDL、ラマンなどの手法があります。これらの方法は、特定の周波数の光が正確かつ一貫した方法で分子に吸収されるという単純な原理に基づいています。これは、特定の濃度の分子が同じ波長の光を吸収し、吸収される光の量が分子の濃度に直接関係していることを意味します。ランベルトビールの法則は、この概念を方程式で捉えています。

I = I₀^e-acL

吸収特性は大きく異なります。例えば、紫外可視光線の吸収範囲は広いですが、TDLを含む近赤外(NIR)分光法は非常に波長が狭いという特徴があります。この狭さにより、混合ガス流中の特定の分析種をより選択的に同定するアプローチが可能になります。

この方程式は、特に低濃度で光の吸収を増やしたい場合は、レーザービームが透過する光路長(OPL)を増やすか、吸収する種の濃度を上げる必要があることを示しています。

以下では、独自の光学配置によりOPLを増加させることにより、TDLを使用して非常に低い分析種の測定を強化する方法を見ていきます。また、各アプローチの長所と短所を探ります。

吸収分光法の技術と、TDLがUV-visなどの他のTDLとどのように比較されるかを見てみましょう。TDLの大きな利点の1つは、吸収線が狭いことであり、これは特定の分析種に特有のものであることが多く、レーザー光の狭いスペクトル範囲と完全に一致します。一方、磁気式分析装置などの技術は干渉を受けやすく、プロセス自体内で直接測定することはできません。

ランベルトベールの法則は、低レベル(ppmおよびppb)のTDL測定を達成するための主要なハードルの1つは、全体的なOPLの制限であることを示唆しています。TDL測定を採用する際の課題は、必要な波長のレーザーの商業的入手可能性に関連しています。例えば、酸素は、利用可能なレーザーのNIR範囲では吸収が弱い種であるため、正確な測定のためにはOPLを増加させる方法を見つけることが不可欠です。

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

プロセス産業では、多くの場合、ガスサンプルを保持する配管の物理的なサイズが大きな制限となります。より大きなダクト(1〜3 m)の場合、酸素のような弱い吸収体であっても、OPLは大きな障害にはなりません。ただし、パイプの直径が38 cm(15インチ)未満になると、5000 ppm(0.5%)未満の酸素の測定は非常に難しくなります。

現在、エクストラクティブTDL測定用のOPLを強化するための設計はいくつかありますが、小さなパイプ径でのin situ測定には注目すべき適応が1つだけ存在します。さらに、クロススタックが縦方向に設定されている場合、光学系を汚染から保護するためのパージガスがサンプルストリームを希釈し、酸素の爆発下限(LEL)の正確な測定を複雑にする可能性があります。

OPLを増やすための一般的な方法は、通常、次の3つのカテゴリに分類されます。

ホワイトセル
ヘリオットセル
光学プリズム配列(多反射装置)

ホワイトセル

1942年にジョン・ホワイトによって作成されたこの方法は、3つのミラーのコンパクトな配置を使用します。プライマリミラーは 2 つのセカンダリミラーの反対側にあるため、パスの長さは 2 つのセカンダリミラー間の距離の 4 倍になります。このセットアップでは、光路長を長くするのに効果的ですが、光学系がプロセスガスと直接接触するため、腐食性で汚染物質が大量に発生することがあります。さらに、3つのミラーの位置合わせは難しい場合があり、ミラーの精度を維持するには、汚染の可能性があるため、特別な注意と費用が必要です。

ヘリオットセル

これもTDLメーカーの間で人気のある選択肢です。2つの高反射ミラーを使用して、入射レーザービームを向けます。ビームが主鏡にどのように当たるかにもよりますが、数メートルの光路長を達成でき、非常に低い検出限界が可能になります。ヘリオットセルは通常、ホワイトセルよりも位置合わせが簡単ですが、ホワイトセルと同様に、プロセスガスと接触する光学系が関与するため、多くの場合、抽出測定に限定されます。

光学プリズム配置

近年、TDL市場に新たなプロセス適応が導入されています。メトラー・トレドが提供する in situ自動調心プローブ設計は、一般的な問題点に対処します。つまり、プロセスの安全性と制御のための重要な測定ポイントでプロセス内で測定を行う必要性を管理し、メンテナンスが容易なモジュール式のユニバーサルデザインを提供します。

従来の硬質光学セットアップの1つの制限は、in situ酸素測定用のパイプラインの直径が小さいことであり、多くの場合、プローブの挿入長さは20cmに制限され、酸素の検出は数千ppmに制限されます。メトラー・トレドのもう一つの革新的なソリューションは、パイプライン内のスプールピースとして機能し、流れを妨げず、05 cm (2 in.OPL) です。これらのセットアップにおける短いOPLの課題を克服するために、メトラー・トレドはマルチリフレクションデバイス(MRx)を開発しました。

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

このアプローチは、適切に調整されたサンプルストリームでミラーを機能させる必要がないという点で独特です。代わりに、光学プリズムを使用してレーザー光路を2倍または3倍にします。2番目のプリズムはプロセスガスから分離されたままであるため、光学ファウリングが発生しやすい過酷な環境に最適です。さらに、この方法はよりコンパクトであるため、スペースに制約のある設置に簡単に収まります。

同じ二次光学プリズムは、2倍(MR2)と3倍(MR3)の両方のOPL適応で機能します。三倍反射には、丈夫で化学的に適合するコーティングされていないサファイアの「キャットアイ」レンズが使用され、測定精度に影響を与える可能性のある平らな反射面の問題を最小限に抑えます。

結論

TDL分光法は、その耐久性、分析種の特異性、特に安全性と制御の重要なガスである酸素の迅速なin situ測定を可能にする能力により、プロセス業界でますます好まれています。ただし、酸素の測定は吸光度が弱いため、難しい場合があります。そのため、OPLを増やすことが不可欠です。これを実現するためのいくつかの方法について説明しましたが、過酷な産業環境では顕著な欠点があります。幸いなことに、メトラー・トレドのMRxソリューションは、低酸素濃度の効果的な測定を保証し、安全性とプロセス制御を強化するコンパクトな設計を求める業界のニーズに応えています。今後は、TDL測定の進化するニーズに対応する、さらに革新的な光学的手法が期待できます。

波長可変半導体レーザーガス分析計はますます人気が高まっています

TDLガス分析計の使用は、工業プロセスでますます一般的になっています。これは、ドリフトや相互干渉なしにプロセスガスストリームで直接測定し、他のタイプのガス分析器よりも購入、設置、保守がはるかに経済的であるためです。

タイラー・シャーツ

ガス分析のビジネス開発マネージャー

Tyler Schertzは、米国のメトラー・トレド・プロセス・アナリティクスでガス分析のビジネス開発マネージャーを務めています。フロリダ大学で有機化学の博士号を取得し、低分子合成とフッ素化学を専門としています。彼は化学に留まる予定でしたが、過去20年間、プロセス分析業界で働いてきました。AMETEK Process Instruments社でキャリアをスタートし、質量分析とTDLAS技術のサービスおよびアプリケーションサイエンティストとして勤務しました。メトラー・トレドでは、NALA地域のガススペシャリストとして5年間勤務しました。この役職では、TDLアナライザーの知識を増やすために、顧客と営業チームを指導しました。タイラーは、この技術を引き続き推進し、新しいアプリケーションについて学びながら、彼の専門知識を顧客と共有することを熱望しています。