Tecnologia TDLAS e a medição de níveis de traços de umidade
Em O que é Espectroscopia de Absorção de Laser de Diodo Sintonizável? Na Parte Um, apresentamos o conceito de TDLAS, explicamos um pouco sobre sua história e fornecemos uma visão geral do nosso mais recente analisador de traços de umidade OptiPEAK TDL600. Na Parte Dois, vamos nos aprofundar um pouco mais no funcionamento da tecnologia TDLAS e dar uma olhada em como ela pode ser usada para detectar vapor de água em gases de processo.
Tecnologia TDLAS
A Espectroscopia de Absorção a Laser de Diodo Sintonizável é, como o nome indica, baseada no princípio da espectroscopia de absorção. Essa é uma técnica analítica amplamente utilizada que envolve o estudo da maneira como as moléculas em uma amostra de gás reagem com a luz em diferentes comprimentos de onda, conforme ela passa ou interage com a amostra. Há várias tecnologias de medição usadas na espectroscopia de absorção, incluindo UV visível, ressonância magnética nuclear, raios X, Raman e espectroscopia de fluorescência. Cada uma delas tem seu uso em diferentes aplicações.
A tecnologia de maior relevância para a detecção e medição de moléculas específicas em amostras de gás é a espectroscopia de infravermelho. Isso se deve à natureza das moléculas de gás, que vibram constantemente em frequências específicas, com uma combinação exclusiva de frequências de ressonância específicas para cada gás. Muitos dos gases de interesse em aplicações industriais absorvem luz na região do infravermelho próximo do espectro eletromagnético, entre os comprimentos de onda de 2,5um e 750nm.
A fonte de luz em um analisador TDLAS é fornecida por um laser de diodo sintonizável. Ele foi projetado para emitir um feixe extremamente estreito de luz infravermelha que pode ser ajustado para comprimentos de onda específicos, que correspondem ao comprimento de onda de absorção de cada molécula de gás alvo. Normalmente, o comprimento de onda do laser é ajustado pelo controle cuidadoso da temperatura de operação e da corrente de acionamento do diodo do laser.
A amostra de gás é retirada diretamente da operação do processo e é alimentada em uma célula de amostra ou câmara de gás, que tem um comprimento de caminho definido. Essa é uma medição importante. Quando usada com a medição de absorção e o coeficiente de extinção molar (a maneira pela qual uma substância absorve a luz em um determinado comprimento de onda e concentração, definida pela lei de Beer-Lambert - veja a figura abaixo), ela permite que a concentração de moléculas específicas na amostra seja calculada com altos níveis de precisão.
Em essência, o processo é baseado nas características da luz infravermelha. Ela é composta de fótons, cada um dos quais tem uma frequência ressonante. Se a frequência dos fótons coincidir com a das moléculas do gás alvo, eles interagirão e a energia do fóton será absorvida pelo gás. Por outro lado, se as frequências forem diferentes, os fótons de luz serão rejeitados pelas moléculas de gás e passarão diretamente pela amostra.
A luz que passa pela amostra de gás chega posteriormente a um fotodetector, onde sua intensidade é medida. A saída do fotodetector é então comparada com a saída original do laser. Esses conjuntos de dados são processados pelos componentes eletrônicos do analisador para determinar a absorção das moléculas da amostra em comprimentos de onda específicos, bem como sua concentração na amostra. A presença de moléculas-alvo aparecerá na análise resultante como linhas escuras, ou as chamadas linhas de absorção.
As propriedades exclusivas do vapor de água
Em comparação com muitos gases, a água tem uma molécula mais complexa e não linear. Isso significa que ela tem três modos de vibração distintos determinados pelas ligações oxigênio-hidrogênio: um estiramento O-H simétrico, um estiramento O-H assimétrico e uma curvatura O-H simétrica. Isso produz um espectro de absorção complexo, mas não ambíguo, com as localizações precisas dos picos de absorção no espectro de medição de infravermelho sendo únicas. Isso significa que o analisador a laser pode ser facilmente ajustado a um desses picos para detectar apenas a presença de água na amostra de gás. A largura de banda do laser é extremamente estreita - normalmente 0,05 nm - e o feixe de luz é ajustado para varrer a área do espectro de absorção onde ocorre o pico de absorção de água, para eliminar a possível interferência de outros gases presentes.
Uma exceção é quando há concentrações de dióxido de carbono, pois os espectros de absorção de CO2 e vapor de água se sobrepõem parcialmente. Isso pode ser especialmente problemático em aplicações como a medição de umidade em gás natural e requer o uso de algoritmos especializados de análise de dados e técnicas de calibração do analisador.
Na maioria dos casos, a concentração de vapor de água nos gases de processo é provavelmente baixa, no que normalmente é chamado de "níveis de traços". Portanto, a medição eficaz exige o uso de instrumentos de análise extremamente sensíveis e avançados para que sejam obtidos resultados precisos, consistentes e confiáveis. Dispositivos como o nosso OptiPEAK TDL600, por exemplo, utilizam os mais recentes avanços da tecnologia TDL para atingir uma sensibilidade de apenas 1ppm, o que os torna ideais para a medição de traços de umidade em aplicações exigentes de gás natural e metano.
Com mais de 40 anos de experiência no desenvolvimento de instrumentos de precisão inovadores, somos especialistas em medições de umidade para todas as aplicações industriais. Se quiser discutir seus requisitos, contate nossa equipe hoje mesmo.
A Lei de Beer-Lambert é um princípio fundamental da espectroscopia de absorção. Ela relaciona quantitativamente a concentração de moléculas em uma amostra de gás com a quantidade de luz que cada grupo de moléculas de gás absorve em um comprimento de onda específico.
Isso é expresso como: A=εlc.
- A = absorbância
- ε = coeficiente de extinção
- l = comprimento da trajetória da célula de amostra
- c = concentração de gás
O que essa lei afirma é que, se o comprimento do caminho da célula de amostra (l) for conhecido e você souber a absortividade molar dependente do comprimento de onda da molécula de água (ε) (uma constante que descreve a intensidade com que um determinado gás absorve a luz em um comprimento de onda específico), se a absorção da luz do laser pelas moléculas de água for medida (A), a concentração de água (c) do fluxo de amostra poderá ser calculada. Essa lei do gás é a base de todas as medições fotométricas de absorção de gás.
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