Qué es la Espectroscopía de laser de diodo sintonizable (TDLAS)?Segunda parte

La tecnología TDLAS y la medición de trazas de humedad

En Qué es la Espectroscopía de laser de diodo sintonizable? Primera parte, presentamos el concepto de TDLAS, explicamos un poco su historia y ofrecimos una visión general de nuestro último analizador de humedad de trazas OptiPEAK TDL600.  En la segunda parte, profundizaremos un poco más en el funcionamiento de la tecnología TDLAS y veremos cómo puede utilizarse para detectar vapor de agua en gases de proceso. 

Tecnología TDLAS

La Espectroscopía de laser de diodo sintonizable se basa, como su nombre indica, en el principio de la espectroscopía de absorción.  Se trata de una técnica analítica muy utilizada que consiste en estudiar el modo en que las moléculas de un gas de muestra reaccionan con la luz a diferentes longitudes de onda, a medida que ésta atraviesa la muestra o interactúa con ella.  En la espectroscopia de absorción se emplean varias tecnologías de medición, como la espectroscopia UV visible, de resonancia magnética nuclear, de rayos X, Raman y de fluorescencia.  Cada una de ellas tiene su utilidad en distintas Aplicaciones.

La tecnología de mayor relevancia para la detección y medición de moléculas específicas en muestras de gas es la espectroscopia de infrarrojos.  Esto se debe a la naturaleza de las moléculas de gas, que vibran constantemente a frecuencias específicas, con una combinación única de frecuencias de resonancia propias de cada gas.  Muchos de los gases de interés en aplicaciones industriales absorben la luz en la región del infrarrojo cercano del espectro electromagnético, entre las longitudes de onda de 2,5um y 750nm. 

La fuente de luz de un analizador TDLAS es un láser de diodo sintonizable.  Está diseñado para emitir un haz extremadamente estrecho de luz infrarroja que puede ajustarse a longitudes de onda específicas, que coinciden con la longitud de onda de absorción de cada molécula de gas objetivo.  La longitud de onda del láser se sintoniza normalmente mediante un control cuidadoso de la temperatura de funcionamiento y la corriente de accionamiento del diodo láser. 

La muestra de gas se toma directamente de la operación del proceso y se introduce en una célula de muestra o cámara de gas, que tiene una longitud de recorrido establecida.  Se trata de una medición importante.  Cuando se utiliza con la medida de absorción y el coeficiente de extinción molar (la forma en que una sustancia absorbe la luz a una determinada longitud de onda y concentración, definida por la ley de Beer-Lambert - véase la figure siguiente), permite calcular la concentración de moléculas específicas en la muestra con altos niveles de precisión. 

En esencia, el proceso se basa en las características de la luz infrarroja.  Ésta se compone de fotones, cada uno de los cuales tiene una frecuencia de resonancia.  Si la frecuencia de los fotones coincide con la de las moléculas del gas objetivo, interactuarán y la energía del fotón será absorbida por el gas.  Por el contrario, si las frecuencias son diferentes, los fotones de luz serán rechazados por las moléculas de gas y atravesarán directamente la muestra. 

La luz que atraviesa la muestra de gas llega posteriormente a un fotodetector, donde se mide su intensidad.  A continuación, la salida del fotodetector se compara con la salida original del láser.  Estos conjuntos de datos son procesados por la electrónica del analizador para determinar la absorción de las moléculas de la muestra en longitudes de onda específicas, así como su concentración en la muestra.  La presencia de moléculas diana aparecerá en el análisis resultante como líneas oscuras, o las llamadas líneas de absorción. 

Propiedades únicas del vapor de agua

En comparación con muchos gases, el agua tiene una molécula más compleja y no lineal.  Esto significa que tiene tres modos de vibración distintos determinados por los enlaces oxígeno-hidrógeno: un estiramiento O-H simétrico, un estiramiento O-H asimétrico y una curvatura O-H simétrica.  Esto da lugar a un espectro de absorción complejo pero inequívoco, en el que la ubicación exacta de los picos de absorción dentro del espectro de medición de infrarrojos es única.  Esto significa que el analizador láser puede sintonizarse fácilmente con uno de estos picos para detectar únicamente la presencia de agua en la muestra de gas.  El ancho de banda del láser es extremadamente estrecho -típicamente 0,05 nm- y el haz de luz se ajusta para escanear a través del área del espectro de absorción donde se produce el pico de absorción de agua, para eliminar la interferencia potencial de cualquier otro gas presente. 

Una excepción es la presencia de concentraciones de dióxido de carbono, ya que los espectros de absorción del CO2 y del vapor de agua se solapan parcialmente.  Esto puede ser especialmente problemático en aplicaciones como la medición de la humedad en el gas natural, y requiere el uso de algoritmos especializados de análisis de datos y técnicas de calibración del analizador. 

En la mayoría de los casos, es probable que la concentración de vapor de agua en los gases de proceso sea baja, en lo que normalmente se denominan "niveles traza".  Por tanto, una medición eficaz requiere el uso de instrumentos de análisis extremadamente sensibles y avanzados si se quieren obtener resultados precisos, coherentes y fiables.  Dispositivos como nuestro OptiPEAK TDL600, por ejemplo, utilizan los últimos avances en tecnología TDL para alcanzar una sensibilidad de sólo 1ppm, lo que los hace ideales para la medición de trazas de humedad en aplicaciones exigentes de gas natural y metano. 

Con más de 40 años de experiencia en el desarrollo de instrumentos de precisión innovadores, somos expertos en aplicaciones de medición de humedad para todas las aplicaciones industriales. Si desea analizar sus necesidades, póngase en contacto con nuestro equipo hoy mismo.