Wie wählt man den richtigen TDLAS-Laser-Gasanalysator für seine Branche aus?

Einführung

Industrieunternehmen müssen sicher, effizient und gesetzeskonform arbeiten. Fehlende oder nicht korrekt gemessene Gaskonzentrationen stellen nicht nur ein rechtliches und wirtschaftliches Risiko dar, sondern können auch zu Zwischenfällen führen. Die Gasanalyse unter anspruchsvollen Prozessbedingungen mit Staub, hohen Temperaturen und/oder korrosiven Gasen ist eine Herausforderung für die Prozessmessung und die Zuverlässigkeit der Prozesse.

Die abstimmbare Diodenlaser-Absorptionsspektroskopie (TDLAS) löst das Problem konstanter, echtzeitfähiger und störungsfreier Immunoassay-Messungen für anspruchsvolle industrielle Anwendungen. Wo Messgenauigkeit und -geschwindigkeit von höchster Bedeutung sind, ist TDLAS die erste Wahl. Dieser Artikel bietet praktische Informationen zur TDLAS-Technologie, ihren möglichen Konfigurationen sowie deren Auswahl und Anwendung zur Bewertung von Langzeit-, rechtlich zulässigen und messbaren Relaisressourcen.

Was ist TDLAS (Abstimmbare Diodenlaser-Absorptionsspektroskopie)?

Die abstimmbare Diodenlaser-Absorptionsspektroskopie (TDLAS) ist eine robuste optische Gasmessmethode, die in industriellen Anwendungen eingesetzt wird. Die Absorptionswellenlänge des Zielgases wird durch Abstimmung eines Lasers ermittelt. Anschließend wird der Laserstrahl durch eine Gasprobe geleitet. Dadurch wird die Absorption des Lasers durch das Gas gesteuert. Die Absorption ist proportional zur Gaskonzentration.

Dieses Verfahren zeichnet sich durch schnelle Reaktionszeiten, geringe Störungen durch Hintergrundgase und Unempfindlichkeit gegenüber rauen Prozessbedingungen aus. Es bietet spezifische Messmöglichkeiten und Gasspezifität und ist daher ideal für komplexe Gasgemische geeignet.

Nach Ansicht von Experten für Prozessanalytik sind laserbasierte Spektroskopieverfahren für Anwendungen, die eine „hohe Selektivität und Echtzeitmessung ohne Probenaufbereitung“ erfordern, unerlässlich geworden, was TDLAS als bevorzugte Lösung in modernen Industrien untermauert.

So funktioniert TDLAS

Die TDLAS-Messung nutzt das Lambert-Beer-Gesetz, um den Zusammenhang zwischen der Gaskonzentration in der Probe und der Absorption des Gases zu bestimmen. Das Gas absorbiert dabei eine bestimmte Energiemenge in Form eines Laserstrahls. Das Gerät misst den Intensitätsverlust und die Absorption und berechnet daraus mittels Signalverarbeitung die Konzentration.

Ein typisches TDLAS-System besteht aus einem abstimmbaren Diodenlaser, einem optischen Pfad zur Ermöglichung der Gaswechselwirkung mit dem Laserstrahl, einem Detektor und einer Verarbeitungseinheit zur Signalverarbeitung. Das wahre Potenzial der TDLAS-Technologie liegt in ihrer Selektivität. Jedes Gas in der Probe besitzt einen einzigartigen spektralen Fingerabdruck, wodurch diese Technologie das Zielgas mit vernachlässigbarer Überlagerung isolieren kann.

Bei der Integration von TDLAS in einen Prozess ist es unerlässlich, die Auswirkungen der übrigen Prozessgase auf die Messungen zu verstehen. Das System sollte entsprechend konfiguriert werden.

Vorteile von TDLAS-Analysatoren

TDLAS ermöglicht schnelle und präzise Gasmessungen. Die Gasanalysegeräte sind speziell mit modernster Lasertechnologie ausgestattet. Die Laserpräzision gewährleistet eine zuverlässige und gleichbleibende Leistung. Wartungsaufwand wird reduziert und Routineanalysen werden effizienter.

• Begrenzung der Kreuzkontamination bei der selektiven Gasdetektionsmessung
• Hilft dabei, das hohe Tempo industrieller Entscheidungen aufrechtzuerhalten.
• Hervorragende Leistung auch unter härtesten industriellen Einsatzbedingungen
• Teure und regelmäßige Ersatzteile sind nicht erforderlich.
• Gut geeignet für hohe Temperaturen oder korrosive Umgebungen
• Gut geeignet für die Systemflexibilität, Messung der Gaskonzentration in allen verschiedenen Umgebungen
• Niedrige Betriebskosten, Reparatur von Gasanlagen

Einschränkungen und Abwägungen

Die TDLAS-Technologie bietet Leistungsvorteile, jedoch erfordern manche Anwendungen Alternativen. Käufer müssen vor dem Kauf dieser Technologie einige Einschränkungen berücksichtigen, da diese möglicherweise nicht mit Budgetvorgaben, Prozessbedingungen sowie Betriebs- und Installationserwartungen übereinstimmen.

• Höhere Anfangsinvestition als bei herkömmlichen Analysegeräten
• Normalerweise wird nur ein Gas gemessen. Es können maximal zwei sein.
• Für die Mehrgasüberwachung sind fortgeschrittene Systemkonfigurationen erforderlich.
• Blockierte optische Pfade können zu Ungenauigkeiten bei Messungen führen.
• Regelmäßige Reinigung und/oder Spülung der Systeme aufgrund von Staub und Ablagerungen erforderlich
• Extreme Vibrationen sind für extreme Vibrationsniveaus erforderlich.
• Schutzgehäuse für extreme Temperaturänderungen erforderlich

Arten von TDLAS-Analysatoren

1. In-situ-TDLAS-Systeme

In-situ-TDLAS-Systeme messen Gaskonzentrationen, indem sie einen Laserstrahl durch den Gasstrom innerhalb der Prozessleitung oder des Kamins senden. Da keine Probenentnahme erforderlich ist, bleibt die Messgenauigkeit erhalten und die Ergebnisse werden sofort geliefert. Dieses System kommt zum Einsatz, wenn schnelle Reaktionszeiten und Systemeinfachheit höchste Priorität haben.

• Misst Gas direkt im Prozess oder im Schornstein.
• Liefert sehr schnelle Echtzeit-Reaktionen
• Keine Probenaufbereitung oder Transport erforderlich
• Vermeidet Fehler durch Probenverlust oder Kontamination
• Geeignet für Umgebungen mit hohen Temperaturen, korrosiven oder staubigen Bedingungen
• Es könnten Probleme mit Fensterverschmutzungen oder eingeschränktem Zugang für Wartungsarbeiten auftreten.

2. Extraktive TDLAS-Systeme

Extraktive TDLAS-Systeme entnehmen dem Prozess eine Gasprobe, konditionieren diese und analysieren sie anschließend in einer kontrollierten Umgebung. Dieses Verfahren verbessert die Messstabilität unter schwierigen Bedingungen, erhöht jedoch die Systemkomplexität und die Reaktionszeit. Es ist dann vorzuziehen, wenn Präzision unter kontrollierten Bedingungen wichtiger ist als Geschwindigkeit.

• Extrakte und konditionieren Gas vor der Analyse
• Bietet sauberere und stabilere Messbedingungen
• Einfacherer Zugang für Wartung und Kalibrierung
• Kann mehrere Probenahmepunkte unterstützen
• Langsamere Reaktion aufgrund von Probentransport und -aufbereitung
• Höhere Systemkomplexität und Wartungsanforderungen

Vergleich von In-situ- und extraktiver TDLAS

Kritische Auswahlkriterien für TDLAS-Analysatoren

1. Definition Ihrer anwendungsspezifischen Anforderungen

Bei der Auswahl eines TDLAS-Analysator Eine systematische Bewertung der Prozessbedingungen, der gewünschten Messspezifikationen und der regulatorischen Vorgaben ist erforderlich. Jeder Parameter beeinflusst Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Nachhaltigkeit.

Durch die korrekte Definition des Anwendungsbereichs wird sichergestellt, dass ein Analysator von Anfang an korrekt konfiguriert wird und nicht später mit höherem Aufwand geändert werden muss.

2. Zielgas und Konzentrationsbereich

Wir beginnen mit dem Zielgas und seiner Konzentration. Ob Sie Spuren im ppb-Bereich nachweisen oder Messungen bei hohen Konzentrationen durchführen möchten – die passende Laserwellenlänge und optische Weglänge müssen für Ihr Analysegerät eingestellt werden.

Wasser, Schwefelwasserstoff, Methan, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Ammoniak, Chlorwasserstoff und Sauerstoff sind Beispiele für spezifische Zielgase, für die TDLAS-Systeme besonders optimiert sind. Da Gase spezifische Absorptionslinien aufweisen, ist bei Auswahl der geeigneten Konfiguration eine hohe Empfindlichkeit und stabile Leistung über den gesamten Messbereich zu erwarten.

Wenn die Konfiguration zu diesem Zeitpunkt nicht so eingestellt ist, dass die bestmögliche Leistung für das jeweilige Zielgas erzielt wird, wird die Detektions- und Messleistung deutlich schlechter sein.

3. Prozessbedingungen und Umweltfaktoren

Die Auslegung eines Analysators und die Qualität seiner Messungen werden von den Prozessbedingungen beeinflusst. Mit Temperatur- und Druckänderungen ändern sich die Gasdichte und das Gasabsorptionsverhalten. Diese Änderungen müssen berücksichtigt werden, was durch eine entsprechende Auslegung oder Systemkonfiguration erfolgen kann.

Die Zusammensetzung des Hintergrundgases des Analysators, oft auch Matrix genannt, muss ebenfalls berücksichtigt werden. Sind im Messstrom andere Gase vorhanden, deren Absorptionslinien sich mit denen des zu analysierenden Gases überlappen, können diese die Messung stören. Die Wahl geeigneter Wellenlängen und die Systemauslegung können dieses Problem mindern.

Staub und Partikel stellen in vielen Branchen ein häufiges Problem dar. Sie können sich im optischen Strahlengang ablagern und/oder zu Verschmutzungen der Sichtscheiben führen. Dies kann die Signalqualität mit der Zeit beeinträchtigen. Hohe Luftfeuchtigkeit kann in Systemen, die eine Extraktprobe entnehmen, Kondensation und Vereisung der Sichtscheiben verursachen. Dies kann Messungen beeinflussen und Systemkomponenten beschädigen. Abhilfe schaffen unter anderem unterschiedliche Spülsysteme, Filter und Systemkonfigurationen.

4. Anforderungen an die Reaktionszeit

Die Reaktionszeit sollte darauf abgestimmt sein, wie die Messung im Prozess verwendet wird.

• Echtzeit-Reaktion (Sekunden): Erforderlich für die Verbrennungssteuerung, Sicherheitsverriegelungen und schnelle Prozessanpassungen, bei denen eine sofortige Rückmeldung entscheidend ist.
• Mittelwerte (Minuten): Geeignet für die Emissionsüberwachung und die Berichterstattung über die Einhaltung von Vorschriften, wo Stabilität wichtiger ist als Geschwindigkeit.

Durch eine frühzeitige Definition wird eine Überspezifizierung des Systems verhindert und gleichzeitig sichergestellt, dass es den betrieblichen Anforderungen entspricht.

5. Gefahrenbereichsklassifizierung und Sicherheit

In der Öl- und Gasindustrie sowie in vielen Bereichen der chemischen Verarbeitung ist die Sicherheitszertifizierung installierter Analysegeräte erforderlich. Analysegeräte, die in explosionsgefährdeten Bereichen oder anderen Gefahrenzonen eingesetzt werden, müssen nach Normen wie ATEX oder IECEx zertifiziert sein.

Die Einhaltung dieser Zertifizierungen zeigt an, dass die Geräte so konstruiert wurden, dass sie unter den festgelegten Bedingungen sicher betrieben werden können, wodurch das Entzündungsrisiko und die Verletzung der Sicherheitsbestimmungen des Standorts minimiert werden.

6. Regulatorische und Compliance-Anforderungen

Die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften ist bei der Auswahl von Analysegeräten ebenso wichtig wie die Sicherheit. Umwelt- und Arbeitsschutznormen, die von Umwelt- und Arbeitsschutzbehörden festgelegt werden, konzentrieren sich auf die Definition der zulässigen Emissionsgrenzwerte und legen die erforderliche Präzision und Genauigkeit in Verbindung mit der Messung fest.

Die Nichteinhaltung kann zu Strafen oder Betriebsbeschränkungen führen. Die von ASTM, ISO und anderen Branchenstandards definierten Mess- und Leistungsstandards sind ebenfalls einzuhalten. Die Einhaltung minimiert langfristige Betriebs- und Prüfungsrisiken und maximiert die Datenzuverlässigkeit.

7. Budget und Gesamtbetriebskosten

Das Gesamtbudget sollte die Anfangsinvestition, die Installationskosten, die Kalibrierungskosten, die Wartungskosten und die Betriebskosten berücksichtigen. TDLAS-Systeme haben in der Regel höhere Anschaffungskosten, weisen aber aufgrund des geringeren Wartungsaufwands und des niedrigeren Verbrauchs an Verbrauchsmaterialien langfristig geringere Investitionskosten auf.

8. Praktische Einblicke in die Personalauswahl

Ein strukturierter Ansatz trägt dazu bei, die richtige Wahl ohne unnötige Komplexität zu treffen.

• Zunächst müssen die Prozessparameter definiert werden: Gasart, Konzentrationsbereich, Temperatur, Druck und Störkomponenten sollten vor der Produktprüfung klar identifiziert werden.
• Umgebungsbedingungen prüfen: Staub, Feuchtigkeit und Installationsbeschränkungen berücksichtigen, um spätere Leistungsprobleme zu vermeiden.
• Passen Sie die Analysefunktionen an die Anwendung an: Vermeiden Sie Überentwicklung, indem Sie nur die für Ihren Prozess erforderlichen Funktionen auswählen.
• Vorab die Einhaltung der Vorschriften prüfen: Sicherstellen, dass Zertifizierungen und Standards erfüllt sind, bevor die Auswahl endgültig getroffen wird.

Dieser Ansatz führt zu einem TDLAS-System, das über seinen gesamten Lebenszyklus hinweg präzise, ​​zuverlässig und kosteneffektiv ist.

Schlussfolgerung und nächste Schritte bei der TDLAS-Auswahl

Bei sachgemäßer Auswahl bieten TDLAS-Analysatoren eine hohe Messgenauigkeit und -vorhersagbarkeit bei gleichzeitig geringem Wartungsaufwand, selbst unter anspruchsvollen industriellen Bedingungen. Die Analysatoren nutzen fortschrittliche Detektionstechnologie und sind daher äußerst störungsresistent. Sie liefern langfristig qualitativ hochwertige Messungen, wo herkömmliche Sensoren oft versagen.

Durch die Integration von Gasart, Prozessbedingungen, Installationsmethode und Konformität ermöglicht die strukturierte Auswahl den Einsatz des Analysators dort, wo keine Justierung erforderlich ist, was eine verbesserte Zuverlässigkeit und einen höheren Lebenszykluswert sowie einen stabilen Betriebsprozess gewährleistet.

Da die industrielle Gasanalyse darauf abzielt, schnellere, besser vernetzte und intelligentere Systeme herzustellen, wird die Nachfrage nach TDLAS-Analysatoren durch deren Anpassungsfähigkeit und Messgenauigkeit befeuert.

Eine sichere und effektive Implementierungsentscheidung basiert auf den richtigen Auswahlkriterien, einer sorgfältigen Bewertung der Fähigkeiten der Anbieter und einer Übereinstimmung zwischen den angegebenen Spezifikationen und den tatsächlichen Prozessanforderungen.