Was ist abstimmbare Diodenlaser-Absorptionsspektroskopie (TDLAS)? Zweiter Teil

TDLAS-Technologie und die Messung von Spurenfeuchte

In Was ist abstimmbare Diodenlaser-Absorptionsspektroskopie? Im ersten Teil haben wir das Konzept der TDLAS vorgestellt, ein wenig über ihre Geschichte erzählt und einen Überblick über unser neuestes OptiPEAK TDL600-Spurenfeuchtemessgerät gegeben.  Im zweiten Teil werden wir etwas tiefer in die Funktionsweise der TDLAS-Technologie eintauchen und einen Blick darauf werfen, wie sie zum Nachweis von Wasserdampf in Prozessgasen eingesetzt werden kann. 

TDLAS-Technologie

Die abstimmbare Diodenlaser-Absorptionsspektroskopie basiert, wie der Name schon sagt, auf dem Prinzip der Absorptionsspektroskopie.  Dabei handelt es sich um eine weit verbreitete Analysetechnik, bei der untersucht wird, wie die Moleküle in einer Gasprobe mit Licht verschiedener Wellenlängen reagieren, wenn es die Probe durchdringt oder mit ihr in Wechselwirkung tritt.  Bei der Absorptionsspektroskopie kommen verschiedene Messtechniken zum Einsatz, darunter die sichtbare UV-Spektroskopie, die Kernspinresonanz-, die Röntgen-, die Raman- und die Fluoreszenzspektroskopie.  Jedes dieser Verfahren wird für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt.

Die Technologie mit der größten Bedeutung für den Nachweis und die Messung spezifischer Moleküle in Gasproben ist die Infrarotspektroskopie.  Dies liegt in der Natur der Gasmoleküle begründet, die ständig mit bestimmten Frequenzen schwingen, wobei jedes Gas eine eigene Kombination von Resonanzfrequenzen aufweist.  Viele der Gase, die für industrielle Anwendungen von Interesse sind, absorbieren Licht im nahen Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums, zwischen 2,5 und 750 nm Wellenlänge. 

Die Lichtquelle in einem TDLAS-Analysator ist ein abstimmbarer Diodenlaser.  Dieser ist so konzipiert, dass er einen extrem schmalen Infrarotlichtstrahl aussendet, der auf bestimmte Wellenlängen abgestimmt werden kann, die der Absorptionswellenlänge der einzelnen Zielgasmoleküle entsprechen.  Die Wellenlänge des Lasers wird normalerweise durch sorgfältige Kontrolle der Betriebstemperatur und des Treiberstroms der Laserdiode eingestellt. 

Die Gasprobe wird direkt aus dem Prozessbetrieb entnommen und einer Probenzelle oder Gaskammer zugeführt, die eine bestimmte Weglänge aufweist.  Dies ist eine wichtige Messung.  In Verbindung mit der Absorptionsmessung und dem molaren Extinktionskoeffizienten (die Art und Weise, in der eine Substanz Licht bei einer bestimmten Wellenlänge und Konzentration absorbiert, definiert durch das Beer-Lambert-Gesetz - siehe Abbildung unten) ermöglicht sie die Berechnung der Konzentration bestimmter Moleküle in der Probe mit hoher Genauigkeit. 

Im Wesentlichen basiert das Verfahren auf den Eigenschaften von Infrarotlicht.  Dieses setzt sich aus Photonen zusammen, von denen jedes eine Resonanzfrequenz hat.  Wenn die Frequenz der Photonen mit der der Zielgasmoleküle übereinstimmt, kommt es zu einer Wechselwirkung zwischen ihnen, und die Energie des Photons wird vom Gas absorbiert.  Sind die Frequenzen hingegen unterschiedlich, werden die Lichtphotonen von den Gasmolekülen zurückgewiesen und gehen direkt durch die Probe hindurch. 

Das Licht, das die Gasprobe durchläuft, gelangt anschließend zu einem Fotodetektor, wo seine Intensität gemessen wird.  Die Ausgabe des Fotodetektors wird dann mit der ursprünglichen Ausgabe des Lasers verglichen.  Diese Datensätze werden von der Elektronik des Analysators verarbeitet, um die Absorption der Probenmoleküle bei bestimmten Wellenlängen sowie ihre Konzentration in der Probe zu bestimmen.  Das Vorhandensein von Zielmolekülen zeigt sich in der resultierenden Analyse als dunkle Linien oder sogenannte Absorptionslinien. 

Die einzigartigen Eigenschaften von Wasserdampf

Im Vergleich zu vielen Gasen hat Wasser ein komplexeres und nichtlineares Molekül.  Das bedeutet, dass es drei verschiedene Schwingungsmoden hat, die von den Sauerstoff-Wasserstoff-Bindungen bestimmt werden: eine symmetrische O-H-Streckung, eine asymmetrische O-H-Streckung und eine symmetrische O-H-Krümmung.  Daraus ergibt sich ein komplexes, aber eindeutiges Absorptionsspektrum, wobei die genaue Lage der Absorptionsspitzen innerhalb des Infrarotmessspektrums eindeutig ist.  Das bedeutet, dass der Laseranalysator leicht auf einen dieser Peaks abgestimmt werden kann, um nur das Vorhandensein von Wasser in der Gasprobe zu erkennen.  Die Bandbreite des Lasers ist extrem schmal - typischerweise 0,05 nm - und der Lichtstrahl ist so eingestellt, dass er den Bereich des Absorptionsspektrums abtastet, in dem der Wasserabsorptionspeak auftritt, um mögliche Störungen durch andere vorhandene Gase auszuschließen. 

Eine Ausnahme bilden die Konzentrationen von Kohlendioxid, da sich die Absorptionsspektren von CO₂ und Wasserdampf teilweise überschneiden.  Dies kann insbesondere bei Anwendungen wie der Feuchtemessung in Erdgas problematisch sein und erfordert den Einsatz spezieller Datenanalysealgorithmen und Kalibrierungstechniken des Analysators. 

In den meisten Fällen ist die Wasserdampfkonzentration in Prozessgasen wahrscheinlich gering und liegt im so genannten "Spurenbereich".  Eine wirksame Messung erfordert daher den Einsatz äußerst empfindlicher und fortschrittlicher Analysegeräte, wenn präzise, konsistente und zuverlässige Ergebnisse erzielt werden sollen.  Geräte wie unser OptiPEAK TDL600 zum Beispiel nutzen die neuesten Fortschritte in der TDL-Technologie, um eine Empfindlichkeit von nur 1 ppm zu erreichen, was sie ideal für die Spurenfeuchtemessung in anspruchsvollen Erdgas- und Methananwendungen macht. 

Mit über 40 Jahren Erfahrung in der Entwicklung innovativer Präzisionsinstrumente sind wir die Anwendungsexperten für Feuchtemessungen in allen industriellen Anwendungen. Wenn Sie Ihre Anforderungen besprechen möchten, wenden Sie sich bitte noch heute an unser Team.  

Verwandte Informationen

Verwendung von TDLAS-Feuchtigkeitsanalysatoren zur Überwachung der Feuchtigkeit in gespeichertem Erdgas.

Verwandte Blogs

Was ist abstimmbare Diodenlaser-Absorptionsspektroskopie (TDLAS)? Teil eins

Präzise Feuchtemessung in Erdgas

Wie neuartige optische Feuchtemessungen das Risiko reduzieren und Kosten bei der Erdgasspeicherung sparen können

Wie Sie die beste Wahl des Feuchtesensors für Ihren Erdgasprozess treffen

Einige Ingenieure glauben immer noch an diese drei falschen Annahmen über Metalloxid-Feuchtigkeit

Verwandte Kategorien

Spurenfeuchte-Analysatoren für Erdgasqualität und petrochemische Anwendungen