La technologie TDLAS et la mesure des niveaux d'humidité à l'état de traces
Dans Qu'est-ce que la spectroscopie d'absorption par laser à diode accordable ? Dans la première partie, nous avons présenté le concept de TDLAS, expliqué un peu son histoire et donné un aperçu de notre dernier analyseur d'humidité OptiPEAK TDL600. Dans la deuxième partie, nous approfondirons le fonctionnement de la technologie TDLAS et verrons comment elle peut être utilisée pour détecter la vapeur d'eau dans les gaz de traitement.
Technologie TDLAS
La spectroscopie d'absorption par laser à diode accordable est, comme son nom l'indique, basée sur le principe de la spectroscopie d'absorption. Il s'agit d'une technique analytique largement utilisée qui consiste à étudier la manière dont les molécules d'un échantillon de gaz réagissent à la lumière à différentes longueurs d'onde, lorsqu'elle traverse l'échantillon ou interagit avec lui. La spectroscopie d'absorption fait appel à diverses technologies de mesure, notamment la spectroscopie UV visible, la résonance magnétique nucléaire, les rayons X, la spectroscopie Raman et la spectroscopie de fluorescence. Chacune a son utilité dans des Applications différentes.
La technologie la plus pertinente pour la détection et la mesure de molécules spécifiques dans les échantillons de gaz est la spectroscopie infrarouge. Cela est dû à la nature des molécules de gaz, qui vibrent constamment à des fréquences spécifiques, avec une combinaison unique de fréquences de résonance propres à chaque gaz. De nombreux gaz présentant un intérêt pour les Applications industrielles absorbent la lumière dans la région proche de l'infrarouge du spectre électromagnétique, entre les longueurs d'onde de 2,5um et 750nm.
La source lumineuse d'un analyseur TDLAS est un laser à diode accordable. Celui-ci est conçu pour émettre un faisceau extrêmement étroit de lumière infrarouge qui peut être réglé sur des longueurs d'onde spécifiques, correspondant à la longueur d'onde d'absorption de chaque molécule de gaz cible. La longueur d'onde du laser est normalement accordée par un contrôle minutieux de la température de fonctionnement et du courant d'entraînement de la diode laser.
L'échantillon de gaz est prélevé directement dans le fonctionnement du processus et est acheminé vers une cellule d'échantillonnage ou une chambre à gaz, dont la longueur de trajet est définie. Il s'agit d'une mesure importante. Utilisée avec la mesure de l'absorption et le coefficient d'extinction molaire (la manière dont une substance absorbe la lumière à une longueur d'onde et une concentration particulières, définie par la loi de Beer-Lambert - voir figure ci-dessous), elle permet de calculer la concentration de molécules spécifiques dans l'échantillon avec des niveaux de précision élevés.
Le processus est essentiellement basé sur les caractéristiques de la lumière infrarouge. Celle-ci est composée de photons, chacun d'entre eux ayant une fréquence de résonance. Si la fréquence des photons correspond à celle des molécules de gaz cibles, ils interagiront et l'énergie du photon sera absorbée par le gaz. À l'inverse, si les fréquences sont différentes, les photons de lumière seront rejetés par les molécules de gaz et passeront directement à travers l'échantillon.
La lumière qui traverse l'échantillon de gaz atteint ensuite un détecteur photo, où son intensité est mesurée. La sortie du détecteur photo est ensuite comparée à celle de la sortie originale du laser. Ces ensembles de données sont traités par l'électronique de l'analyseur pour déterminer l'absorption des molécules de l'échantillon à des longueurs d'onde spécifiques, ainsi que leur concentration dans l'échantillon. La présence de molécules cibles apparaîtra dans l'analyse résultante sous la forme de lignes sombres, appelées lignes d'absorption.
Les propriétés uniques de la vapeur d'eau
Par rapport à de nombreux gaz, l'eau possède une molécule plus complexe et non linéaire. Cela signifie qu'elle possède trois modes de vibration distincts déterminés par les liaisons oxygène-hydrogène : un étirement O-H symétrique, un étirement O-H asymétrique et une courbure O-H symétrique. Il en résulte un spectre d'absorption complexe mais sans ambiguïté, l'emplacement précis des pics d'absorption dans le spectre de mesure infrarouge étant unique. Cela signifie que l'analyseur laser peut facilement être réglé sur l'un de ces pics pour détecter uniquement la présence d'eau dans l'échantillon de gaz. La largeur de bande du laser est extrêmement étroite - typiquement 0,05 nm - et le faisceau de lumière est réglé pour balayer la zone du spectre d'absorption où se produit le pic d'absorption de l'eau, afin d'éliminer les interférences potentielles de tout autre gaz présent.
Les concentrations de dioxyde de carbone constituent une exception, car les spectres d'absorption du CO2 et de la vapeur d'eau se chevauchent partiellement. Cela peut être particulièrement problématique dans des Applications telles que la mesure de l'humidité dans le gaz naturel, et nécessite l'utilisation d'algorithmes d'analyse de données spécialisés et de techniques d'étalonnage de l'analyseur.
Dans la plupart des cas, la concentration de vapeur d'eau dans les gaz de traitement est probablement faible, à ce que l'on appelle normalement des "niveaux de traces". Une mesure efficace nécessite donc l'utilisation d'instruments d'analyse extrêmement sensibles et avancés si l'on veut obtenir des résultats précis, cohérents et fiables. Des appareils tels que notre OptiPEAK TDL600, par exemple, utilisent les dernières avancées de la technologie TDL pour atteindre une sensibilité de seulement 1ppm, ce qui les rend idéaux pour la mesure de l'humidité à l'état de traces dans les applications exigeantes de gaz naturel et de méthane.
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La loi de Beer-Lambert est un principe fondamental de la spectroscopie d'absorption. Elle établit un lien quantitatif entre la concentration de molécules dans un échantillon de gaz et la quantité de lumière que chaque groupe de molécules de gaz absorbe à une longueur d'onde spécifique.
Ce principe s'exprime comme suit : A=εlc.
- A = absorbance
- ε = coefficient d'extinction
- l = longueur de trajet de la cellule d'échantillonnage
- c = concentration de gaz
Cette loi stipule que si la longueur du trajet de la cellule d'échantillonnage (l) est connue et que vous connaissez l'absorptivité molaire de la molécule d'eau en fonction de la longueur d'onde (ε) (une constante qui décrit la force avec laquelle un gaz particulier absorbe la lumière à une longueur d'onde spécifique), si l'absorbance de la lumière laser par les molécules d'eau est mesurée (A), alors la concentration en eau (c) du flux d'échantillon peut être calculée. Cette loi des gaz est à la base de toutes les mesures photométriques d'absorption des gaz.
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