Cos'è la spettroscopia di assorbimento laser a diodi sintonizzabili (TDLAS)?Seconda parte

La tecnologia TDLAS e la misurazione dei livelli di umidità in tracce

In Che cos'è la spettroscopia di assorbimento laser a diodi sintonizzabili? Nella prima parte, abbiamo introdotto il concetto di TDLAS, spiegato un po' la sua storia e fornito una panoramica del nostro ultimo analizzatore di umidità in tracce OptiPEAK TDL600.  Nella seconda parte ci addentreremo un po' di più nel funzionamento della tecnologia TDLAS e vedremo come può essere utilizzata per rilevare il vapore acqueo nei gas di processo. 

Tecnologia TDLAS

La spettroscopia di assorbimento laser a diodi sintonizzabili si basa, come dice il nome, sul principio della spettroscopia di assorbimento.  Si tratta di una tecnica analitica ampiamente utilizzata che prevede lo studio del modo in cui le molecole di un campione di gas reagiscono con la luce a diverse lunghezze d'onda, quando questa attraversa o interagisce con il campione.  Esistono diverse tecnologie di misura utilizzate nella spettroscopia di assorbimento, tra cui la spettroscopia UV visibile, la risonanza magnetica nucleare, i raggi X, il Raman e la fluorescenza.  Ognuna di esse trova impiego in diverse Applicazioni.

La tecnologia che ha maggiore rilevanza per il rilevamento e la misurazione di molecole specifiche nei campioni di gas è la spettroscopia a infrarossi.  Ciò è dovuto alla natura delle molecole di gas, che vibrano costantemente a frequenze specifiche, con una combinazione unica di frequenze di risonanza specifiche per ogni gas.  Molti dei gas di interesse per le applicazioni industriali assorbono la luce nella regione del vicino infrarosso dello spettro elettromagnetico, tra le lunghezze d'onda di 2,5um e 750nm. 

La sorgente di luce in un analizzatore TDLAS è fornita da un laser a diodi sintonizzabile.  Questo è progettato per emettere un fascio estremamente stretto di luce infrarossa che può essere sintonizzato su lunghezze d'onda specifiche, che corrispondono alla lunghezza d'onda di assorbimento di ciascuna molecola di gas target.  La lunghezza d'onda del laser viene normalmente sintonizzata mediante un attento controllo della temperatura di esercizio e della corrente di pilotaggio del diodo laser. 

Il campione di gas viene prelevato direttamente dal processo di funzionamento e alimentato in una cella di campionamento o camera di gas, che ha una lunghezza di percorso prestabilita.  Si tratta di una misura importante.  Se utilizzata con la misura dell'assorbimento e del coefficiente di estinzione molare (il modo in cui una sostanza assorbe la luce a una particolare lunghezza d'onda e concentrazione, definita dalla legge di Beer-Lambert - vedi figura sotto), consente di calcolare la concentrazione di molecole specifiche nel campione con alti livelli di precisione. 

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In sostanza, il processo si basa sulle caratteristiche della luce infrarossa.  Questa è composta da fotoni, ognuno dei quali ha una frequenza di risonanza.  Se la frequenza dei fotoni corrisponde a quella delle molecole del gas bersaglio, interagiranno e l'energia del fotone sarà assorbita dal gas.  Al contrario, se le frequenze sono diverse, i fotoni di luce saranno respinti dalle molecole di gas e passeranno direttamente attraverso il campione. 

La luce che attraversa il campione di gas raggiunge successivamente un fotorivelatore, dove ne viene misurata l'intensità.  L'uscita del fotorilevatore viene quindi confrontata con l'uscita originale del laser.  Questi dati vengono elaborati dall'elettronica dell'analizzatore per determinare l'assorbimento delle molecole del campione a lunghezze d'onda specifiche e la loro concentrazione all'interno del campione.  La presenza di molecole bersaglio appare nell'analisi risultante come linee scure o linee di assorbimento. 

Le proprietà uniche del vapore acqueo

Rispetto a molti gas, l'acqua ha una molecola più complessa e non lineare.  Ciò significa che ha tre modi di vibrazione distinti determinati dai legami ossigeno-idrogeno: un tratto O-H simmetrico, un tratto O-H asimmetrico e un'ansa O-H simmetrica.  Ciò produce uno spettro di assorbimento complesso ma inequivocabile, con la posizione precisa dei picchi di assorbimento all'interno dello spettro di misurazione a infrarossi.  Ciò significa che l'analizzatore laser può essere facilmente sintonizzato su uno di questi picchi per rilevare solo la presenza di acqua nel campione di gas.  La larghezza di banda del laser è estremamente stretta - in genere 0,05 nm - e il fascio di luce è impostato per scansionare l'area dello spettro di assorbimento in cui si verifica il picco di assorbimento dell'acqua, per eliminare le potenziali interferenze di altri gas presenti. 

Un'eccezione è rappresentata dalla presenza di concentrazioni di anidride carbonica, poiché gli spettri di assorbimento della CO2 e del vapore acqueo si sovrappongono parzialmente.  Questo può essere particolarmente problematico in applicazioni come la misurazione dell'umidità nel gas naturale e richiede l'uso di algoritmi di analisi dei dati e tecniche di calibrazione dell'analizzatore specializzati. 

Nella maggior parte dei casi, la concentrazione di vapore acqueo nei gas di processo è probabilmente bassa, a quelli che vengono normalmente definiti "livelli di traccia".  Una misurazione efficace richiede quindi l'uso di strumenti di analisi estremamente sensibili e avanzati per ottenere risultati precisi, coerenti e affidabili.  Dispositivi come il nostro OptiPEAK TDL600, ad esempio, utilizzano i più recenti progressi nella tecnologia TDL per raggiungere una sensibilità di appena 1ppm, rendendoli ideali per la misurazione dell'umidità in tracce in applicazioni esigenti di gas naturale e metano. 

Con oltre 40 anni di esperienza nello sviluppo di strumenti di precisione innovativi, siamo esperti nella misurazione dell'umidità per tutte le Applicazioni industriali. Se desiderate discutere le vostre esigenze, vi invitiamo a contattare il nostro team oggi stesso.  

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Utilizzare gli analizzatori di umidità TDLAS per monitorare l'umidità nel gas naturale stoccato.

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