산업 플랜트는 농도 측정을 위해 분석기나 화학 센서를 사용합니다. 석유화학 시설에서 중요한 자동화 측정 기능 중 하나는 산소가 녹아웃 용기와 액체 씰 사이의 플레어 파이프라인으로 유입되지 않도록 하여 폭발성 혼합물 발생을 방지하는 것입니다.

기존의 많은 분석 방법들이 산소와 같은 가스를 추출하거나 공정 흐름 내에서 직접 측정하는 방식으로 적용되어 왔으며, 후자는 실험실 분석의 필요성을 없애줍니다. 여기에는 상자성(산소 측정용), 비분산 적외선(NDIR), 자외선-가시광선(UV-vis), 전기화학적 방법 등의 기술이 포함됩니다. 특히, 가변 다이오드 레이저 흡수 분광법(TDLAS 또는 TDL)이 이러한 응용 분야에서 주목을 받고 있습니다.

TDL은 원래 추출 방식으로 시작되었지만, 발전해 왔습니다. 오늘날 다양한 제조업체들이 교차 스택 및 프로브 설정을 포함한 현장 측정 설계를 도입하고 있습니다. 또한, 메틀러 토레도는 5~10cm(2~4인치)의 좁은 파이프라인 직경에서 작동하는 웨이퍼 공정 적응 기술을 도입했습니다.

흡수 분광법 기술과 TDL이 UV-vis처럼 다른 분광법과 어떻게 비교되는지 살펴보겠습니다. TDL의 중요한 장점 중 하나는 좁은 흡수선인데, 이는 특정 분석 물질에 고유한 경우가 많으며 레이저 광의 좁은 스펙트럼 범위와 완벽하게 일치합니다. 반면, 상자성 분석기와 같은 기술은 간섭을 받기 쉽고 공정 자체 내에서 직접 측정할 수 없습니다.

비어-람베르트 법칙에 따르면 저농도(ppm 및 ppb) TDL 측정의 주요 장애물 중 하나는 전체 OPL의 한계입니다. TDL 측정의 어려움은 필요한 파장의 레이저가 상업적으로 이용 가능한지 여부와 관련이 있습니다. 예를 들어, 산소는 사용 가능한 근적외선(NIR) 레이저 범위에서 약하게 흡수되는 물질이므로 정확한 측정을 위해 OPL을 높이는 방법을 찾는 것이 필수적입니다.

공정 산업에서 중요한 제약 중 하나는 가스 샘플을 담는 파이프의 물리적 크기입니다. 1~3m 길이의 대형 덕트에서는 산소와 같은 약한 흡수체에도 OPL이 큰 문제가 되지 않습니다. 그러나 파이프 직경이 38cm(15인치) 미만으로 줄어들면 5000ppm(0.5%) 미만의 산소를 측정하는 것이 훨씬 더 까다로워집니다.

현재 추출식 TDL 측정 시 OPL을 향상시키는 몇 가지 설계가 있지만, 작은 직경의 파이프에서 현장 측정을 위한 주목할 만한 적용 사례는 단 하나뿐입니다. 또한, 교차 스택이 세로 방향으로 설치될 경우, 광학 장치를 오염으로부터 보호하기 위한 퍼지 가스가 샘플 흐름을 희석시켜 산소의 폭발하한계(LEL)를 정확하게 측정하는 것을 어렵게 만들 수 있습니다.

OPL을 높이는 일반적인 방법은 일반적으로 다음 세 가지 범주로 나뉩니다.

• 화이트 셀
• 헤리엇 셀
• 광학 프리즘 배열(다중 반사 장치)

이 방식은 잘 조절된 샘플 스트림에서 작동하기 위해 거울이 필요하지 않다는 점에서 독특합니다. 대신 광학 프리즘을 사용하여 레이저 경로를 두 배 또는 세 배로 늘립니다. 두 번째 프리즘은 공정 가스와 분리되어 있어 광학 오염이 발생하기 쉬운 열악한 환경에 이상적입니다. 또한, 이 방식은 더욱 컴팩트하여 공간이 제한된 설치 환경에도 쉽게 적용할 수 있습니다.

동일한 두 번째 광학 프리즘이 2중(MR2) 및 3중(MR3) OPL 방식 모두에 적용됩니다. 3중 반사에는 견고하고 화학적으로 호환되는 코팅되지 않은 사파이어 '캣아이' 렌즈가 사용되어 평평한 반사 표면으로 인해 측정 정확도에 영향을 미칠 수 있는 문제를 최소화합니다.