NUOVE TECNOLOGIE TDL – TUNABLE DIODE LASER Tuneable Diode Lasers – Un po’ di storia Gli Analizzatori TDL furono in origine progettati e utilizzati nelle misure effettuate nell’ambito delle ricerche in campo atmosferico e aerospaziale. Tuttavia, un grosso limite allo sviluppo era rappresentato dalla mancanza di sorgenti laser a basso costo e, contemporaneamente, affidabili e robuste. I mercati delle Emissioni & “Open Path” divennero accessibili quando, nel campo delle telecomunicazioni, vennero sviluppate sorgenti laser a basso costo e con lunga durata. Gli analizzatori di questo tipo erano usati soprattutto dove le tecniche tradizionali non davano soluzioni valide (ad esempio, analisi di ammoniaca, HCl, HF...). Tutto questo avveniva nella seconda metà degli anni ’90. E’ da sottolineare che tali mercati stanno oggi progressivamente diminuendo. Le applicazioni sulla Combustione sono state il passo successivo per gli analizzatori basati su laser. Grazie alla loro resistenza alle alte temperature (fino a 1500°C) misurando valori di concentrazione lungo l’intero cammino ottico e non solo nel punto di prelievo e senza contatto del sensore col processo, l’analizzatore è stato usato per applicazioni su misure molto difficili a causa dell’alta temperatura, della presenza di gas corrosivi e alte concentrazioni di polvere. Si valuta che l’installato globale di analizzatori laser di questo tipo sia tra le 1.500 e le 2.000 unità. Esistono altre applicazioni sul PROCESSO, meno diffuse ma non per questo di minor interesse e importanza. Tali applicazioni stanno aumentando, man mano che si rendono disponibili nuove sorgenti laser e nuove esigenze applicative. 9 ottobre 2014 Giornata di Studio Sistemi di analisi 2 Punti di forza dei TDL – Ulteriori miglioramenti TDL: Punti di Forza • - Analisi In Situ (nessun sampling system) • - Risposta Rapida (1-20 secondi) • - Insensibilità a composti interferenti • - Pressioni di Processo fino a 10 Bar • - Temperatura di Processo fino a 1500°C • • • Ulteriori miglioramenti • Affinamento metodo misura picchi • Accuracy durante: • • Variazioni della matrice • Variazioni di Pressione e Temperatura - Design adatto al Processo: - Resistenza a Processi Aggressivi (Sensore non in contatto col processo, misure in presenza di gas corrosivi e alti contenuti di polvere) • Materiali / Tenute • Manutenibilità • Comunicazione • ATEX - Diverse Opzioni di Installazione • Interfaccia operatore • Robustezza 9 ottobre 2014 Giornata di Studio Sistemi di analisi 3 Come funziona Legge di Lambert - Beer Specifiche frequenze dell’IR sono assorbite dalle molecole dei gas. Campione Sorgente IR Un fascio di luce IR, passando attraverso il gas, è assorbito (secondo la legge di Lambert Beer) e giunge attenuato al detector. In base a questa legge, è possibile misurare la concentrazione della specie chimica da misurare. Detector Io L Io I = Ioe-KCL K: Coeff. Assorbanza C: Concentrazione L: Cammino ottico I C ･L 9 ottobre 2014 Giornata di Studio Sistemi di analisi 4 Misura del picco 1. Il laser è mantenuto a temperatura costante. 2. Una rampa di corrente è inviata al laser. Questo provoca una piccola variazione della lunghezza d’onda della radiazione emessa. Il laser, in pratica, misura entro un piccolissimo intervallo di frequenze. 3. La luce collimata attraversa il gas subendo un’attenuazione. La luce è focalizzata sul detector che misura la luce residua e il segnale è utilizzato per la misura. Viene misurata l’altezza del picco di assorbimento rispetto alla baseline. Current Time Current ramp to laser Current Time Signal at Detector Flattened Detector Signal 9 ottobre 2014 Giornata di Studio Sistemi di analisi 5 Immunità alle interferenze 1536 1535 1535 1535 1535 1535 1535 1534 1534 1534 1534 1534 1534 1534 1533 1533 1533 1533 1533 5.00E-03 4.50E-03 4.00E-03 3.50E-03 3.00E-03 2.50E-03 2.00E-03 1.50E-03 1.00E-03 5.00E-04 0.00E+00 1 7 13 19 25 31 37 43 49 55 61 67 73 79 85 91 97 103109115121127133139145151 • • • I diodi laser emettono in un intervallo molto ristretto di lunghezze d’onda, tipicamente 0.00004nm, il che permette altissime risoluzioni con migliaia di data points lungo il picco. Questo comporta la possibilità di misurare un singolo picco predefinito, senza sovrapposizioni di altri assorbimenti. Il laser scansiona l’intervallo di lunghezze d’onda, misurando il picco e la linea di base. 9 ottobre 2014 Giornata di Studio Sistemi di analisi 6 Insensibilità alla polvere • Il particolato riduce la potenza del laser • Poiché il TDL misura l’intervallo di lunghezze d’onda che contiene il picco di interesse (incluse le regioni dove non c’è assorbimento), la misura fornisce il valore della % di energia trasmessa ed è indipendente dal valore assoluto della lettura del detector. La polvere può attenuare il segnale senza influire sul valore della misura. • Signal at Detector A livello pratico, tale riduzione può arrivare fino al 98% senza perdere la misura. Flattened Detector Signal 9 ottobre 2014 Giornata di Studio Sistemi di analisi 7 Tempo di risposta • La scansione del picco avviene molto rapidamente e include sia il picco stesso che le regioni adiacenti dove non c’è assorbimento. • Più scansioni sono mediate per ridurre il rumore Current ramp to laser • La misura, tipicamente, viene effettuata in 1-10 secondi Signal at Detector Flattened Detector Signal 9 ottobre 2014 Giornata di Studio Sistemi di analisi 8 Riassunto dei Benefici del TDL •Sensibilità •Selettività •Potenza del Laser (polvere) •Luce monocromatica •Rapidità della misura •Installazione in situ 9 ottobre 2014 Giornata di Studio Sistemi di analisi 9 Pagina 9 In pratica... • Il TDL è un’ alternativa per le misure di Ossigeno effettuate con strumenti paramagnetici, elettrochimici e all’ossido di zirconio. • E’ un’alternativa al NDIR per componenti specifici • E’ in genere monocomponente, al massimo due misure in casi specifici • La possibilità di applicazione è legata alla disponibilità di emettitori laser di lunghezza d’onda adatta al componente di interesse 9 ottobre 2014 Giornata di Studio Sistemi di analisi 10 La configurazione del TDL 1. 2. 3. Sezione elettronica: – CPU & software per elaborazione segnale – Acquisizione dati – Controllo temperatura e corrente del laser – HMI e display – HW per comunicazione (ethernet, AO, DO) Laser, che comprende: – Sorgente Laser – Ottica collimazione – Parti meccaniche – Camera di validazione Connessioni al Processo: – Flange (2-4”) – Finestre per isolamento dal processo (wedged) 9 ottobre 2014 1 Giornata di Studio Sistemi di analisi 3 2 11 La sezione analitica del TDL 5 4. 5. 6. 6 Modulo Detector, include: – Detector – Ottiche – Parti meccaniche Dispositivo allineamento Elettronica del Detector 4 9 ottobre 2014 Giornata di Studio Sistemi di analisi 12 Installazione in situ (cross duct o pipe) 9 ottobre 2014 Giornata di Studio Sistemi di analisi 13 Estrattivo 9 ottobre 2014 Giornata di Studio Sistemi di analisi 14 Affidabilità e diagnostica • Bassa manutenzione • Sensore isolato dal processo, non a contatto coi gas • Memorizzazione dati diagnostici e storico di misura • Diagnostica remota • Indicazione costante del corretto funzionamento 9 ottobre 2014 Giornata di Studio Sistemi di analisi 15 APPLICAZIONE Controllo Combustione Ossigeno – Misura primaria per controllo efficienza combustione – Usata anche per controllo sicurezza CO – Misura per determinare il set point ottimale – Precursore nella rivelazione perdite combustibile FUEL RICH AIR RICH 20 CO & Combustibili PERDITE di EFFICIENZA Eccesso di NOx 16 NOx 12 EFFICIENZA CO2 8 SICUREZZA CO “VIOLATIONS” CO2 EXCURSIONS PERDITE di EFFICIENZA -20 -10 4 IDEALE O2 0 10 20 % ECCESSO ARIA 9 ottobre 2014 Giornata di Studio Sistemi di analisi 16 Il valore corretto di Ossigeno • • Il più basso possibile senza: – Compromettere la sicurezza (incombusti) – Generare CO Eccesso combustibile Eccesso aria La misura di CO può identificare il set point dell’Ossigeno CO O2 9 ottobre 2014 Giornata di Studio Sistemi di analisi 17 Controllo della Combustione • Misure di Ossigeno, CO (e Metano) NEL PROCESSO e ad ALTA TEMPERATURA • Misura con cammino ottico attraverso più bruciatori: migliora la precisione e la sicurezza Convection Section • Tempo di risposta di soli 5 secondi Radiant Section MIGLIORE CONTROLLO, MINORI COSTI COMBUSTIBILE, EMISSIONI RIDOTTE, MIGLIORE SICUREZZA 9 ottobre 2014 Oxygen CO + CH4 Giornata di Studio Sistemi di analisi 18 Misura simultanea con TDL di O2 + CO Operator Test.: diminuzione di O2 per causare un aumento di CO 4500 4500 Secondo upset. L’Operatore aumenta l’O2 e la CO2 diminuisce. 4.5 4.5 4000 4000 44 3500 3500 3.5 3.5 3000 3000 33 2500 2500 2.5 2.5 TDL TDLCO COppm ppm TDL TDLO2 O2%% 2000 2000 1500 1500 22 Primo upset. L’Operatore aumenta l’O2 ed il CO diminuisce. 1.5 1.5 Ripetibilità 1000 1000 11 500 500 0.5 0.5 00 00 11 13 13 25 25 37 37 49 49 61 61 73 73 85 85 97 97 109 109121 121133 133145 145157 157169 169181 181193 193205 205217 217229 229241 241253 253265 265277 277289 289 9 ottobre 2014 Giornata di Studio Sistemi di analisi 19 19 APPLICAZIONE: UMIDITA’ IN CLORO •CONDIZIONI STREAM – I livelli di H2O sono tipicamente 1-3ppm Range tipico analizzatore: 0-10ppm, Allarmi a 5,10,20 ppm – 1-3% CO2, 1-2% O2, 1-2% N2, Resto Cl2 – Pressione 15-45 psig, temperatura Gas 45-95 C •PROBLEMATICHE DELLA MISURA – I sensori elettrochimici (P2O5) sono di regola utilizzati a causa della natura corrosiva del campione – Possono essere danneggiati in presenza di acido solforico e da grosse variazioni di umidità – Il Sample system introduce ritardi nella misura (lag time) – Il tempo di risposta del sensore (T90) può essere di decine di minuti, a seconda del livello di umidità. L’effetto memoria può durare ore. •VANTAGGI DEL TDL – La misura può essere fatta in-situ. – Aggiornamento della misura molto rapido (2-20 secondi) – Sensore non a contatto col campione. I gas corrosivi non provocano danni e si può scegliere il materiale più adatto per le parti a contatto con il processo. – Nessun effetto memoria. Possibilità di testare il sensore e riprendere subito a misurare sul processo – Nessun sampling system da manutenere 9 ottobre 2014 Giornata di Studio Sistemi di analisi 20 RISPOSTA / EFFETTO MEMORIA • Sensore e TDL esposti a 4.91ppm di H2O per 1 ora, poi riportati a 0 ppm H2O in N2 • Risposta max del sensore P2O5 dopo 1 ora: ~2.6ppm 4.91 ppm Cylinder H2O Sample 1Hr Assault 6.0 P2O5 w/SHS TDL w/o SHS Kin-tek & Cylinder 5.0 H2O ppm 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 1/21/05 1/21/05 1/21/05 1/21/05 1/21/05 1/21/05 1/21/05 1/21/05 1/21/05 1/21/05 1/21/05 11:40:00 11:54:24 12:08:48 12:23:12 12:37:36 12:52:00 13:06:24 13:20:48 13:35:12 13:49:36 14:04:00 9 ottobre 2014 Giornata di Studio Sistemi di analisi 21 ABB 9 ottobre 2014 Giornata di Studio Sistemi di analisi 22 Endress & Hauser - Spectrasensors 9 ottobre 2014 Giornata di Studio Sistemi di analisi 23 NEO Monitors 9 ottobre 2014 Giornata di Studio Sistemi di analisi 24 SIEMENS 9 ottobre 2014 Giornata di Studio Sistemi di analisi 25 YOKOGAWA 9 ottobre 2014 Giornata di Studio Sistemi di analisi 26
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