Технический справочник

TDLAS: принцип измерения, устраняющий типичные отказы обычных газовых датчиков.

Спектроскопия поглощения на перестраиваемом диодном лазере использует DFB-лазер, настроенный на одну молекулярную линию поглощения. Нет перекрёстной чувствительности, отравления и дрейфа из-за влажности. На этой странице объясняется измерительная цепочка и её значение для конструкции OEM-прибора.

DFB-лазер Закон Бугера–Ламберта Детектирование 2f/1f Нет перекрёстной чувствительности CH₄ · CO · CO₂ · NH₃

Что такое TDLAS? TDLAS (спектроскопия поглощения на перестраиваемом диодном лазере) — метод измерения газа с использованием полупроводникового лазера с распределённой обратной связью (DFB), настроенного на определённую молекулярную линию поглощения целевого газа. Длина волны сканируется по полосе поглощения, а детектор измеряет поглощённую долю света; по закону Бугера–Ламберта она пропорциональна концентрации. Поскольку лазер работает по одной узкой линии, TDLAS невосприимчив к перекрёстной чувствительности от других газов, водяного пара и пыли. Метод не отравляется, не дрейфует при изменении влажности и не требует частой калибровки.

Измерительная цепочка

Каждый модуль Specvaltech использует одну и ту же пятиступенчатую измерительную цепочку. Понимание каждой ступени помогает инженерам OEM прогнозировать работу модуля, планировать интеграцию и готовить прибор к испытаниям типа.

Схема измерительной цепочки TDLAS: DFB-лазер (селективность) → управление TEC (длина волны) → газовая ячейка (диапазон и длина пути) → детектор (уровень шума) → обработка 2f/1f (выход концентрации)

1. DFB-лазер — селективность Полупроводниковый лазер с распределённой обратной связью излучает на длине волны, соответствующей определённой линии поглощения целевого газа. Такая селективность по одной линии лежит в основе устойчивости TDLAS к перекрёстной чувствительности.

2. Управление TEC — стабильность длины волны Термоэлектрический охладитель (TEC) поддерживает точную температуру лазера и удерживает длину волны излучения на целевой линии поглощения при изменении окружающей температуры.

3. Газовая ячейка — диапазон и длина оптического пути Длина оптического пути в газовой ячейке определяет диапазон и чувствительность измерения. Большая длина пути означает более низкий предел обнаружения, меньшая — более высокий диапазон концентраций. Конструкция ячейки подбирается под целевой газ и диапазон концентрации.

4. Детектор — уровень шума Фотодетектор преобразует прошедший лазерный свет в электрический сигнал. Выбор детектора определяет отношение сигнал/шум и, в конечном счёте, разрешение измерения.

5. Обработка 2f/1f — выход концентрации Спектроскопия с модуляцией длины волны и детектированием второй гармоники (2f) выделяет сигнал поглощения из шума. Отношение 2f/1f нормирует изменения мощности лазера и повышает долговременную стабильность.

Выход — готовое значение концентрации Обработанный сигнал преобразуется в значение концентрации газа и выдаётся по RS485, RS232 или 4–20 мА. Контроллер прибора получает откалиброванное значение концентрации, а не необработанный оптический сигнал.

Закон Бугера–Ламберта: почему длина пути связана с концентрацией

Закон Бугера–Ламберта определяет связь между ослаблением лазера и концентрацией газа. Доля поглощённого света зависит от концентрации, сечения поглощения на длине волны лазера и длины оптического пути через газ.

Схема закона Бугера–Ламберта: ослабление интенсивности лазера в газовой ячейке как функция концентрации и длины оптического пути

На практике это означает, что конструкция ячейки — осознанное инженерное решение: длинный путь позволяет измерять низкие концентрации на уровне ppm, а для высоких концентраций в диапазоне %vol нужен короткий путь, чтобы избежать насыщения. В модулях Specvaltech длина пути согласована с опубликованным диапазоном для каждого газа.

Форма пробоотбора: как газ поступает в измерительную ячейку

Способ подачи газа в оптическую ячейку влияет на время отклика, требования к обслуживанию и пригодность для разных условий установки.

Три формы пробоотбора для TDLAS: диффузионная (ячейка за отверстием, поток не задан), проточная (газ проходит через ячейку, время обмена задано) и экстрактивная (с фильтрами и подготовкой)

Диффузионный Ячейка расположена за отверстием, газ поступает диффузией, а расход не задан. Время отклика зависит от скорости диффузии. Подходит для контроля окружающей среды, где время отклика не критично.

Проточный Газ проходит через ячейку с заданным расходом, поэтому время обмена контролируется. Перепад давления на ячейке необходимо учитывать. Такой вариант используется в трубопроводном Line B и в Line A с внутренним насосом.

Экстрактивный Газ отбирается из процесса, подготавливается (фильтруется, осушается, давление регулируется) и подаётся в ячейку. Это даёт максимальную гибкость, но и наибольшую нагрузку по обслуживанию. Подходит, когда условия процесса несовместимы с прямым измерением.

TDLAS, NDIR и каталитический метод: что важно при проектировании OEM

Параметр	TDLAS	NDIR	Каталитический шарик
Перекрёстная чувствительность к водяному пару	Минимальная (выбор по длине волны)	Значительная	Не применимо
Отравление датчика	Нет	Нет	Да — силиконы, H₂S, свинец
Метан высокой концентрации (>5 %vol)	Да (0–100 %vol)	Ограничен (насыщение ячейки)	Нет (только НКПВ)
Интервал калибровки	Годы	Месяцы	Недели–месяцы
Реакция на пыль / аэрозоли	Контроль оптического пути выявляет загрязнение	Загрязнение ячейки вызывает дрейф	Загрязнение шарика
Сложность интеграции OEM	Средняя (модуль содержит оптику)	Средняя	Низкая (но высокая нагрузка по обслуживанию)

Диапазоны измерения: публикуются сегментами

Specvaltech публикует диапазоны измерения сегментами, а не одной цифрой ±% FS. Это отражает фактические характеристики во всём диапазоне концентраций, поскольку при высоких концентрациях зависимость Бугера–Ламберта становится нелинейной.

Диапазон измерения метана CH₄: 0–5000 ppm (±10 ppm / ±2% показания) и 0–100 % об. (±0,05 % об. / ±3% показания), разрешение 10 ppm

Диапазон измерения оксида углерода CO: 0–1000 ppm (±3 ppm / ±2,5% показания) и 0–5000 ppm (±10 ppm / ±2,5% показания)

Диапазон измерения диоксида углерода CO₂: 0–5000 ppm (±10 ppm / ±2% показания) и 0–100 % об. (±0,05 % об. / ±3% показания)

Диапазон измерения аммиака NH₃: 0–100 ppm (±0,5 ppm / ±3% показания) и 0–1000 ppm (±3 ppm / ±3% показания)

Инженерное примечание по выбору диапазона

Требуемый диапазон концентрации определяет длину пути в ячейке, а она — габаритную форму модуля. Если применение охватывает и диапазон ppm, и диапазон %vol (например, обнаружение утечек и высококонцентрированный газ дегазации), обсудите это при инженерной оценке: могут потребоваться два модуля или конструкция с переключаемым диапазоном.

Готовы оценить TDLAS для вашего прибора?

Передайте целевой газ, диапазон концентрации и условия установки для инженерной оценки.

Начать оценку →