귀사의 산업 분야에 적합한 TDLAS 레이저 가스 분석기를 선택하는 방법은 무엇일까요?

소개

산업 현장에서는 안전하고 효율적이며 법규를 준수해야 합니다. 가스 농도가 손실되거나 제대로 측정되지 않으면 법적, 상업적 위험뿐 아니라 사고로 이어질 수 있습니다. 분진, 고온, 부식성 가스 등 고온 환경에서의 가스 분석은 공정 측정 및 공정 신뢰성 유지에 어려움을 초래합니다.

가변 다이오드 레이저 흡수 분광법(TDLAS)은 까다로운 산업 응용 분야에서 요구되는 지속적이고 실시간이며 간섭이 없는 면역 분석 측정 문제를 해결합니다. 측정 정확도와 속도가 가장 중요한 경우 TDLAS는 최적의 선택입니다. 이 글에서는 TDLAS 기술, 가능한 구성, 그리고 장거리 릴레이, 법정 릴레이 및 측정 가능한 릴레이 자원 평가를 위한 구성 및 선택에 대한 실용적인 정보를 제공합니다.

TDLAS(튜너블 다이오드 레이저 흡수 분광법)란 무엇인가요?

가변 다이오드 레이저 흡수 분광법(TDLAS)은 산업 현장에서 널리 사용되는 견고한 광학적 가스 측정 방법입니다. 레이저 파장을 조정하여 목표 가스의 흡수 파장을 찾습니다. 그런 다음 레이저를 가스 시료에 통과시켜 가스에 의한 레이저 흡수율을 제어합니다. 흡수율은 가스 농도에 비례합니다.

이 방법은 빠른 응답 속도, 배경 가스에 대한 낮은 간섭, 그리고 열악한 공정 조건에도 적용 가능합니다. 또한, 특정한 측정 능력과 가스 특이성을 제공하여 복잡한 가스 혼합물에 이상적입니다.

공정 분석 전문가들에 따르면, 레이저 기반 분광법은 "높은 선택성과 시료 전처리 없이 실시간 측정이 필요한" 응용 분야에 필수적인 기술이 되었으며, 이는 TDLAS가 현대 산업에서 선호되는 솔루션임을 더욱 뒷받침합니다.

TDLAS 작동 방식

TDLAS 측정은 Beer-Lambert 법칙을 이용하여 시료 내 기체 농도와 기체 시료의 흡수율 사이의 관계를 추정합니다. 이 과정에서 기체는 레이저 형태의 에너지를 일정량 흡수합니다. 이 장치는 강도 손실과 흡수율을 측정하고 신호 처리를 통해 이를 농도로 변환합니다.

일반적인 TDLAS 시스템은 가변 다이오드 레이저, 레이저 빔과 기체의 상호작용을 용이하게 하는 광경로, 검출기, 그리고 신호를 변환하는 처리 장치로 구성됩니다. TDLAS 기술의 진정한 잠재력은 선택성에 있습니다. 시료에 포함된 모든 기체는 고유한 스펙트럼 특징을 가지고 있으므로, 이 기술은 교차 간섭을 최소화하면서 목표 기체를 분리해낼 수 있습니다.

TDLAS를 공정에 통합할 때는 공정 내 다른 가스들이 측정에 미치는 영향을 이해하는 것이 매우 중요합니다. 시스템은 이러한 영향을 고려하여 구성되어야 합니다.

TDLAS 분석기의 장점

TDLAS는 신속하고 정확하며 신뢰할 수 있는 가스 측정을 제공합니다. 특히 레이저 기술의 고속 측정 기능을 활용하여 가스 분석기를 설계합니다. 레이저의 정밀도는 기술의 성능과 신뢰성을 보장하며, 유지보수 비용을 절감하고 일상적인 평가 프로세스를 간소화합니다.

• 선택적 가스 검출 측정에서 교차 오염을 제한합니다.
• 산업 현장의 의사 결정 속도를 빠르게 유지하는 데 도움이 됩니다.
• 혹독한 산업 환경에서도 뛰어난 성능을 발휘합니다.
• 값비싼 부품을 주기적으로 교체할 필요가 없습니다.
• 고온 또는 부식성 환경에 적합합니다.
• 시스템의 활용도가 높아 다양한 환경에서 가스 농도를 측정할 수 있어 좋습니다.
• 낮은 운영 비용, 가스 시스템 수리

제한 사항 및 절충점

TDLAS 기술은 성능 면에서 이점이 있지만, 일부 응용 분야에서는 다른 대안이 필요할 수 있습니다. 구매자는 예산, 공정 조건, 운영 및 설치 기대치 등과 기술 적용이 일치하지 않을 수 있으므로, 이 기술을 구매하기 전에 몇 가지 제약 조건을 고려해야 합니다.

• 기존 분석기보다 초기 투자 비용이 더 높습니다.
• 일반적으로 한 가지 가스만 측정합니다. 최대 두 가지일 수 있습니다.
• 다중 가스 모니터링을 위해서는 고급 시스템 구성이 필요합니다.
• 광 경로가 막히면 측정 정확도가 떨어질 수 있습니다.
• 먼지와 오염물질로 인해 주기적인 청소 및/또는 시스템 퍼지가 필요합니다.
• 극한의 진동을 위해서는 극한의 진동이 필요합니다.
• 극한의 온도 변화에 대비한 보호 케이스

TDLAS 분석기의 종류

1. 현장 TDLAS 시스템

현장 TDLAS 시스템은 공정 라인이나 굴뚝 내부의 가스 흐름에 레이저를 쏘아 가스 농도를 측정합니다. 시료 추출이 필요 없으므로 측정 정확도가 유지되고 결과가 즉시 제공됩니다. 이 시스템은 신속한 대응과 시스템 간소화가 최우선인 경우에 사용됩니다.

• 공정 또는 굴뚝 내부에서 직접 가스를 측정합니다.
• 매우 빠르고 실시간으로 응답합니다.
• 시료 전처리 또는 운송이 필요하지 않습니다.
• 시료 손실이나 오염으로 인한 오류를 방지합니다.
• 고온, 부식성 또는 먼지가 많은 환경에 적합합니다.
• 창문에 이물질이 끼거나 유지보수를 위한 접근성이 제한되는 문제가 발생할 수 있습니다.

2. 추출형 TDLAS 시스템

추출식 TDLAS 시스템은 공정에서 가스 샘플을 채취하여 전처리한 후 제어된 환경에서 분석합니다. 이러한 방식은 까다로운 조건에서도 측정 안정성을 향상시키지만, 시스템 복잡성과 응답 지연을 증가시킵니다. 따라서 제어된 조건에서의 정밀도가 속도보다 중요한 경우에 적합합니다.

• 분석 전 가스를 추출 및 조절합니다.
• 보다 깨끗하고 안정적인 측정 환경을 제공합니다.
• 더욱 손쉬운 유지보수 및 교정 접근성
• 여러 샘플링 지점을 지원할 수 있습니다.
• 시료 운송 및 전처리로 인해 응답 속도가 느려짐
• 시스템 복잡성 증가 및 유지보수 요구 사항 증가

현장 TDLAS와 추출 TDLAS 비교

TDLAS 분석기 선정을 위한 핵심 기준

1. 애플리케이션별 요구사항 정의

선택할 때 TDLAS 분석기 따라서 공정 조건, 원하는 측정 사양 및 규제 제약 조건에 대한 체계적인 평가가 필요합니다. 각 매개변수는 정확성, 신뢰성 및 지속 가능성에 영향을 미칩니다.

애플리케이션의 범위를 올바르게 정의하면 분석기가 처음부터 정확하게 구성되므로 나중에 더 큰 비용을 들여 수정하는 것을 방지할 수 있습니다.

2. 목표 가스 및 농도 범위

먼저 측정 대상 가스와 그 농도를 파악합니다. ppb 수준의 미량 검출이든 고농도 측정이든, 분석기에 적합한 레이저 파장과 광경로 길이를 설정해야 합니다.

물, 황화수소, 메탄, 일산화탄소, 이산화탄소, 암모니아, 염화수소 및 산소는 TDLAS 시스템이 특히 최적화된 특정 목표 가스의 예입니다. 가스는 특정한 흡수선을 가지므로, 이 지점에서 적절한 구성을 선택하면 전체 측정 범위에 걸쳐 높은 감도와 안정적인 성능을 기대할 수 있습니다.

만약 이 시점에서 특정 목표 가스에 대해 가능한 성능을 극대화하도록 구성이 설정되어 있지 않다면, 검출 및 측정 성능이 상당히 저하될 것입니다.

3. 공정 조건 및 환경 요인

분석기의 설계와 측정 품질은 공정 조건의 영향을 받습니다. 온도와 압력이 변하면 가스 밀도와 가스 흡수 특성도 변합니다. 이러한 변화 또한 고려해야 하는데, 이는 설계 보정이나 시스템 구성을 통해 가능합니다.

분석기의 배경 가스, 즉 매트릭스의 구성도 고려해야 합니다. 측정 대상 가스와 흡수선이 겹치는 다른 가스가 측정 스트림에 존재할 경우 측정에 간섭을 일으킬 수 있습니다. 적절한 파장을 선택하고 시스템을 설계하면 이러한 문제를 완화할 수 있습니다.

먼지와 미립자는 많은 산업 분야에서 흔히 발생하는 문제입니다. 이러한 물질들은 광 경로에 침착되거나 윈도우에 오염을 일으켜 시간이 지남에 따라 신호 품질을 저하시킬 수 있습니다. 특히 추출 시료 채취 시스템에서는 높은 습도로 인해 결로 및 윈도우 결빙이 발생할 수 있으며, 이는 측정값에 영향을 미치고 시스템 부품을 손상시킬 수 있습니다. 이러한 문제들을 해결하기 위한 방안으로는 다양한 퍼지 시스템, 필터, 그리고 시스템 구성 변경 등이 있습니다.

4. 응답 시간 요구 사항

응답 시간은 측정값이 프로세스에서 사용되는 방식과 일치해야 합니다.

• 실시간 응답(초): 연소 제어, 안전 연동 장치 및 즉각적인 피드백이 중요한 빠른 공정 조정에 필요합니다.
• 평균 측정값(분): 속도보다 안정성이 중요한 배출량 모니터링 및 규정 준수 보고에 적합합니다.

이를 초기에 정의하면 시스템에 대한 과도한 사양 지정을 방지하는 동시에 운영상의 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

5. 위험 지역 분류 및 안전

석유 및 가스 산업과 많은 화학 처리 산업에서는 설치된 분석기의 안전 인증이 필수적입니다. 위험 지역이나 폭발 위험 지역에서 사용되는 분석기는 ATEX 또는 IECEx와 같은 표준에 따라 인증을 받아야 합니다.

이러한 인증을 준수한다는 것은 해당 장비가 지정된 조건 내에서 안전하게 작동되도록 설계되었으며, 발화 위험과 현장 안전 규정 위반을 최소화했음을 의미합니다.

6. 규제 및 준수 요건

분석기 선정에 있어 규제 준수는 안전만큼 중요합니다. 환경 및 산업 안전 당국이 정한 환경 및 직업 안전 기준은 배출 허용 한도를 정의하고 측정과 관련된 요구되는 정밀도와 정확도를 명시합니다.

규정 미준수 시 벌금 부과 또는 운영 제한 조치가 내려질 수 있습니다. ASTM, ISO 및 기타 산업 표준에서 정의한 측정 또는 성능 표준 또한 준수해야 합니다. 규정 준수는 장기적인 운영 및 감사 관련 문제를 최소화하고 데이터 신뢰성을 극대화합니다.

7. 예산 및 총 소유 비용

총 예산에는 초기 투자 비용, 설치 비용, 교정 비용, 유지 보수 비용 및 운영 비용이 포함되어야 합니다. TDLAS 시스템은 일반적으로 초기 구매 비용은 높지만 유지 보수 및 소모품 비용이 적게 들어 장기적인 투자 비용은 낮아집니다.

8. 실질적인 선택에 대한 통찰력

체계적인 접근 방식은 불필요한 복잡성 없이 올바른 선택을 보장하는 데 도움이 됩니다.

• 먼저 공정 매개변수를 정의해야 합니다. 가스 종류, 농도 범위, 온도, 압력 및 간섭 성분을 명확하게 파악한 후 제품을 검토해야 합니다.
• 환경 조건을 평가하십시오: 먼지, 습기 및 설치 제약 조건을 고려하여 나중에 성능 문제가 발생하는 것을 방지하십시오.
• 분석기 기능을 응용 분야에 맞추십시오. 프로세스에 필요한 기능만 선택하여 과도한 설계를 피하십시오.
• 규정 준수 여부를 조기에 확인하십시오: 최종 선택을 하기 전에 인증 및 표준을 충족하는지 확인하십시오.

이러한 접근 방식은 전체 수명 주기 동안 정확하고 신뢰할 수 있으며 비용 효율적인 TDLAS 시스템을 구축하는 데 기여합니다.

TDLAS 선정에 대한 결론 및 향후 단계

적절하게 선택된 TDLAS 분석기는 까다로운 산업 환경에서도 높은 수준의 가스 측정 정확도와 예측 가능성을 제공하며 유지보수 요구 사항도 낮습니다. 이 분석기는 첨단 검출 기술을 사용하여 간섭에 매우 강하며, 기존 센서들이 제대로 작동하지 못하는 환경에서도 장기간 고품질 측정을 제공합니다.

가스 종류, 공정 조건, 설치 방법 및 규정 준수를 통합적으로 고려한 체계적인 선정 방식을 통해 조정이 필요 없는 분석기 적용이 가능해지며, 이를 통해 신뢰성과 수명 주기 가치를 향상시키고 안정적인 운영 프로세스를 보장할 수 있습니다.

산업용 가스 분석 시스템이 더욱 빠르고, 연결성이 뛰어나며, 스마트해지도록 발전함에 따라 TDLAS 분석기의 적응성과 측정 정확도가 수요를 촉진하고 있습니다.

자신감 있고 효과적인 구축 선택은 적절한 선정 기준, 공급업체 역량에 대한 신중한 평가, 그리고 명시된 사양과 실제 프로세스상의 문제점 간의 상관관계를 파악하는 데서 비롯됩니다.