Referencja techniczna

TDLAS: zasada pomiaru, która eliminuje tryby awarii typowych czujników gazu.

Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy wykorzystuje laser DFB dostrojony do pojedynczej molekularnej linii absorpcyjnej. Bez wrażliwości krzyżowej, zatrucia i dryfu od wilgotności. Ta strona wyjaśnia łańcuch pomiarowy i jego znaczenie dla projektu przyrządu OEM.

Laser DFB Prawo Beera–Lamberta Detekcja 2f/1f Brak wrażliwości krzyżowej CH₄ · CO · CO₂ · NH₃

Czym jest TDLAS? TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy) to metoda pomiaru gazu wykorzystująca półprzewodnikowy laser z rozłożonym sprzężeniem zwrotnym (DFB), dostrojony do określonej molekularnej linii absorpcyjnej gazu docelowego. Długość fali lasera jest skanowana przez pasmo absorpcji, a detektor mierzy ilość pochłoniętego światła – proporcjonalną do stężenia gazu zgodnie z prawem Beera–Lamberta. Ponieważ laser wybiera jedną wąską linię absorpcyjną, TDLAS jest odporny na wpływ innych gazów, pary wodnej i pyłu. Nie ulega zatruciu, nie dryfuje z wilgotnością i nie wymaga częstej kalibracji.

Łańcuch pomiarowy

Każdy moduł Specvaltech wykorzystuje ten sam pięciostopniowy łańcuch pomiarowy. Zrozumienie każdej części pomaga inżynierom OEM przewidzieć zachowanie modułu, zaplanować integrację i przygotować badanie typu.

Schemat łańcucha pomiarowego TDLAS: laser DFB (selektywność) → sterowanie TEC (długość fali) → cela gazowa (zakres i droga optyczna) → detektor (poziom szumu) → przetwarzanie 2f/1f (wyjście stężenia)

1. Laser DFB – selektywność Półprzewodnikowy laser DFB emituje na długości fali dopasowanej do określonej linii absorpcyjnej gazu docelowego. Ta selektywność pojedynczej linii jest podstawą odporności TDLAS na wrażliwość krzyżową.

2. Sterowanie TEC – stabilność długości fali Chłodnica termoelektryczna (TEC) utrzymuje laser w precyzyjnej temperaturze, dzięki czemu długość fali emisji pozostaje na docelowej linii absorpcyjnej mimo zmian temperatury otoczenia.

3. Cela gazowa – zakres i długość drogi optycznej Długość drogi optycznej w celi gazowej określa zakres i czułość pomiaru. Dłuższa droga oznacza niższy próg detekcji, krótsza – wyższy zakres stężeń. Konstrukcję celi dobiera się do gazu docelowego i zakresu stężenia.

4. Detektor – poziom szumu Fotodetektor zamienia przechodzące światło lasera na sygnał elektryczny. Dobór detektora określa stosunek sygnału do szumu, a ostatecznie rozdzielczość pomiaru.

5. Przetwarzanie 2f/1f – wyjście stężenia Spektroskopia z modulacją długości fali i detekcją drugiej harmonicznej (2f) wydobywa sygnał absorpcji z szumu. Stosunek 2f/1f normalizuje zmiany mocy lasera i poprawia stabilność długoterminową.

Wyjście – gotowa wartość stężenia Przetworzony sygnał jest zamieniany na wartość stężenia gazu i wyprowadzany przez RS485, RS232 lub 4–20 mA. Sterownik przyrządu otrzymuje skalibrowany odczyt stężenia, a nie surowy sygnał optyczny.

Prawo Beera–Lamberta: dlaczego długość drogi i stężenie są powiązane

Prawo Beera–Lamberta opisuje zależność między osłabieniem lasera a stężeniem gazu. Udział pochłoniętego światła zależy od stężenia, przekroju absorpcji przy długości fali lasera i długości drogi optycznej w gazie.

Schemat prawa Beera-Lamberta: osłabienie natężenia lasera w celi gazowej jako funkcja stężenia i długości drogi optycznej

W praktyce oznacza to, że konstrukcja celi jest świadomą decyzją inżynierską: dłuższa droga pozwala mierzyć niższe stężenia na poziomie ppm, a dla wysokich stężeń w zakresie %vol potrzebna jest krótsza droga, aby uniknąć nasycenia. Moduły Specvaltech mają drogi optyczne dobrane do opublikowanych zakresów dla poszczególnych gazów.

Forma poboru próbki: jak gaz dociera do celi pomiarowej

Sposób doprowadzenia gazu do celi optycznej wpływa na czas odpowiedzi, wymagania utrzymaniowe i przydatność w różnych środowiskach instalacji.

Trzy formy poboru próbki dla TDLAS: dyfuzyjna (cela za otworem, brak określonego przepływu), przepływowa (gaz przechodzi przez celę, określony czas wymiany) i ekstrakcyjna (z filtrami i kondycjonowaniem)

Dyfuzyjny Cela znajduje się za otworem, a gaz napływa dyfuzyjnie bez określonego przepływu. Czas odpowiedzi zależy od szybkości dyfuzji. Rozwiązanie odpowiednie do monitoringu otoczenia, gdy czas odpowiedzi nie jest krytyczny.

Przepływowy Gaz przepływa przez celę z określonym przepływem, a czas wymiany jest kontrolowany. Trzeba zarządzać spadkiem ciśnienia na celi. Forma stosowana w rurociągowym module Line B oraz w Line A z wewnętrzną pompą.

Ekstrakcyjny Gaz jest pobierany z procesu, kondycjonowany (filtrowany, suszony i stabilizowany ciśnieniowo), a następnie doprowadzany do celi. Zapewnia to największą elastyczność, ale także największe wymagania utrzymaniowe. Stosowane, gdy warunki procesu nie pozwalają na pomiar bezpośredni.

TDLAS, NDIR czy katalityczny: co ma znaczenie w projekcie OEM

Właściwość	TDLAS	NDIR	Kulka katalityczna
Wrażliwość krzyżowa na parę wodną	Minimalna (wybór długości fali)	Znacząca	Nie dotyczy
Zatrucie czujnika	Brak	Brak	Tak – silikony, H₂S, ołów
Metan o wysokim stężeniu (>5 %vol)	Tak (0–100 %vol)	Ograniczony (nasycenie celi)	Nie (tylko DGW)
Okres ponownej kalibracji	Lata	Miesiące	Tygodnie–miesiące
Reakcja na pył / aerozole	Monitorowanie drogi optycznej wykrywa zanieczyszczenie	Zabrudzenie celi powoduje dryf	Zabrudzenie kulki
Złożoność integracji OEM	Umiarkowana (moduł obsługuje optykę)	Umiarkowana	Niska (ale duże wymagania utrzymaniowe)

Zakresy pomiarowe: publikowane segmentami

Specvaltech publikuje zakresy pomiarowe segmentami, a nie jako jedną wartość ±% FS. Odzwierciedla to rzeczywiste parametry w całym zakresie stężeń, ponieważ przy wysokich stężeniach zależność Beera–Lamberta staje się nieliniowa.

Zakres pomiaru metanu CH₄: 0–5000 ppm (±10 ppm / ±2% odczytu) oraz 0–100 % obj. (±0,05 % obj. / ±3% odczytu), rozdzielczość 10 ppm

Zakres pomiaru tlenku węgla CO: 0–1000 ppm (±3 ppm / ±2,5% odczytu) i 0–5000 ppm (±10 ppm / ±2,5% odczytu)

Zakres pomiaru dwutlenku węgla CO₂: 0–5000 ppm (±10 ppm / ±2% odczytu) i 0–100 % obj. (±0,05 % obj. / ±3% odczytu)

Zakres pomiaru amoniaku NH₃: 0–100 ppm (±0,5 ppm / ±3% odczytu) i 0–1000 ppm (±3 ppm / ±3% odczytu)

Uwagi inżynierskie dotyczące doboru zakresu

Wymagany zakres stężenia określa długość drogi w celi, a ta – formę modułu. Jeśli zastosowanie obejmuje zarówno zakres ppm, jak i %vol (np. wykrywanie nieszczelności i gaz odmetanowania o wysokim stężeniu), omów to podczas oceny inżynierskiej – mogą być potrzebne dwa moduły albo konstrukcja z przełączanym zakresem.

Gotowy ocenić TDLAS dla swojego przyrządu?

Prześlij gaz, zakres stężenia i warunki instalacji do oceny inżynierskiej.

Rozpocznij ocenę →