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Analizadores de Gases ContinuosMauro Ogido, 2019
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Varias longitudes de onda de luzIR son absorbidascaracterísticamente según lasdiferentes configuraciones deuniones químicas en lasdiferentes moléculas.
1
32
4
Métodos Ópticos de Análisis
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Materia vs Interacción con la Luz
MoléculasÁtomos
Vibraciones
Enlace (e-)
Estiramiento Simétrico Estiramiento Asimétrico Flexión
MateriaMateria
Ley de Lambert-BeerMétodos Ópticos de Análisis
Ley de Lambert-Beer
Donde– P0 Potencia Emitida por la fuente de luz– P Potencia Transmitida a través de la celda– a l Es el coeficiente de absortividad específica
(propia de cada compuesto a unaTemperatura determinada, a unalongitud de onda determinada)
– b Es la longitud del camino óptico (celda)– c Es la concentración del analito
bcaePP
bcaPP
bcaPP
bPcaP
l
l
l
l
-=
-=
¶-=¶
¶-=¶
0
0
ln
Métodos Ópticos de AnálisisTecnologías de ABB
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NDIRNDIR FiltrosFiltros FTIRFTIR LASERLASER
§ Infrarrojo no dispersivo
§ La selectividad selogra utilizandodetectoresespecíficos
§ Se utiliza una lámparauniversal
§ Se pueden medirmúltiples componentescon múltiplesdetectores
§ URAS (FRANKFURT)
§ Se selecciona lalongitud de ondamediate dispersion ofiltración de luz
§ Se utilizan lámparasuniversales (UV – IR)
§ Se pueden medirmultiples componentscon multiples filtros
§ Limas 11 UV/IR(FRANKFURT) –PUV/PIR/PFO(LEWISBURG)
§ Se miden lasabosorcionessimultáneamente atodas las longitudes deonda
§ Se utiliza una lámparauniversal
§ Se obtiene uninterferograma y porTransformada deFourier se obtiene unespectro
§ MB3000 / MB3600 /FTPA2000 (QUEBEC)
§ ACF-NT (FRANKFURTcon tecnología deQUEBEC)
§ Se sintoniza el laser auna determinadalongitud de onda
§ TDLS (Tunable DiodeLaser Spectroscopy):Se puede medir unsolo componente LS25/ LS4000(FRANKFURT)
§ CEAS (CavityEnhanced AbsorptionSpectroscopy): OA-ICOS (Off-AxisIntegrated CavityOutput Spectroscopy)Permite mediciónmulticomponente convarios emisores deLaser. Permite bajasconcentraciones (ppb)(LGR)
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Analizador NDIR(Infrarrojo No Dispersivo)
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NDIRURAS – PMU Frankfurt
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Uras26 Principio NDIRCaracterísticas
§ Para medición de componentes que absorben eninfrarrojo
§ Analizador multicomponente que puede medirsimultáneamente 1 a 4 gases en un módulo
§ Combinable con analizador de O2 Magnos206 osensor electroquímico
§ Calibración rutinaria de Span con celdas decalibración.
§ Rangos libremente configurables, hasta 1:20
NDIRURAS – PMU Frankfurt
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Chopper wheelRadiation Unit(Lámpara)
Shutter
N2
Celda de Medición
CO
Detector
§ La selectividad selogra utilizando
detectores específicos
§ Se utiliza una lámparauniversal
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N2
CO SO2
NO CH4
N2
N2
N2
N2
NO
CH4
N2
N2
N2
CO
SO2
p
Uras 14with 4 measuredcomponentsand calibration cells
NDIRURAS – PMU Frankfurt
§ Se pueden medirmúltiples componentescon múltiplesdetectores
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Uras26Calibración con Celdas de Calibración
§ Calibración de Cero y Span sin necesidad debotellas de gas patrón
§ Cero:Nitrógeno
§ Span:Celda de Calibración
§ Vida útil > 10 años
§ Más de 20 años de experiencia enfabricación de celdas de calibraciónPrinciple
Uras with calibrationcells
Calibration cell
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Uras26Reference for calibration cells
§ Calibration cells tested by German TÜVfor emission monitoring applications
§ Test period: 8 - 10 years for CO, CO2, NO,SO2
deviation of the set point< 0,5% per year
§ Our recommendation for emission monitoringsystems
„check of the complete system with flowingtest gases once a year“
stability test of withCO filled calibrationcells by TÜV
TÜV certificate
300
350
400
450
500
Jan 90 Jan 92 Jan 94 Jan 96 Jan 98 Jan 00
CO [ppm]
Gerät 1L Gerät 2L
Drift:< 0,3 % v. MW /a
© ABB20-06-2019 Engineering I 2011: Uras26 | 13
Uras26HistoryThe success story started in 1938
Karl LuftErwin Lehrer
Uras (~1950),still running
Uras 1License H&B
1952Uras26
First Usable NDIR-Spectrometer
Métodos Ópticos de AnálisisTecnologías de ABB
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NDIRNDIR FiltrosFiltros FTIRFTIR LASERLASER
§ Infrarrojo no dispersivo
§ La selectividad selogra utilizandodetectoresespecíficos
§ Se utiliza una lámparauniversal
§ Se pueden medirmúltiples componentescon múltiplesdetectores
§ URAS (FRANKFURT)
§ Se selecciona lalongitud de ondamediate dispersion ofiltración de luz
§ Se utilizan lámparasuniversales (UV – IR)
§ Se pueden medirmultiples componentscon multiples filtros
§ Limas 11 UV/IR(FRANKFURT) –PUV/PIR/PFO(LEWISBURG)
§ Se miden lasabosorcionessimultáneamente atodas las longitudes deonda
§ Se utiliza una lámparauniversal
§ Se obtiene uninterferograma y porTransformada deFourier se obtiene unespectro
§ MB3000 / MB3600 /FTPA2000 (QUEBEC)
§ ACF-NT (FRANKFURTcon tecnología deQUEBEC)
§ Se sintoniza el laser auna determinadalongitud de onda
§ TDLS (Tunable DiodeLaser Spectroscopy):Se puede medir unsolo componente LS25/ LS4000(FRANKFURT)
§ CEAS (CavityEnhanced AbsorptionSpectroscopy): OA-ICOS (Off-AxisIntegrated CavityOutput Spectroscopy)Permite mediciónmulticomponente convarios emisores deLaser. Permite bajasconcentraciones (ppb)(LGR)
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Analizador UV
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UVLimas
UVLimas
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calibration wheel
sample cell
Referencedetector
filter wheel
beam splitter
Measurementdetector
UV- Lamp
interference filterλM + λV
gas filter
IR- Lamp
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Fotómetro de Proceso UV
Para medición continua y selectiva de SO2,NO y NO2
Module, separated, without covers
Meas detector
Sample cellSSI-board
Ref detector
EDL
Beam splitterFilter wheel
Calibration wheel
UVLimas
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UVLimas
© ABB Group
UVLimas
§ Functionality optimized for combustionapplications
§ Measuring components max 3 + 1measuring ranges 2 ratio 1:5
§ Measuring components and ranges:smallest biggest
NO 0…50 0…5000 ppmNO2 0…50 0… 200 ppmSO2 0…100* 0… 50 000 ppm
NOx as NO + NO2
§ Integrated QAL3 solution
Limas23 analyzer module
* range corrected
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§ Usage of reliable assemblies
§ UV – lamp with high lifetime(approx. > 3 years )stable Electrodeless Discharge Lampe
§ Quartz sample cellsresistant against corrosive sample gases
§ Gas filled calibration cellssealed and chemical inert with high stability
§ Calibration without test gas bottles§ zero point with ambient air§ span point with calibration cells
UVLimas
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-8-7-6-5-4-3-2-1012345
Month2 60 9
response of calibration cell NO2
response of the test gas bottle NO2
analysis of the test gas bottle
Limas response [ % ]
§ Calibration:with gas filled quartz cellswithout test gas bottles
§ zero point with ambient airspan point with ambient air + gas filledcells
§ reference measurements showed stabilityvalues of the set point of <0,4% per year
§ technology melt quartz cells helps toguarantee the stability of the gas fillingover a lot of years
§ high stability also by critical gaseslike NO and NO2
§ no problem with stability of test gas bottles
300
310
320
330
340
350
360
370
380
390
400
in p
pm
1 2 3 4
5 years
Limas 10.4 % / a
Limas 20.3 % / a
Calibration Cells NO
NO2 stability test:calibration cells andtest gas bottles testedby a customer
NO stability testmeasured by GermanTÜV
UVLimas
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Principio de MediciónAnalizador de O2TermomagnéticoMagnos27
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NS
Comportamiento Paramagnético del Oxígeno
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Susceptibilidad Magnética del OxígneoRelativo a O2 = 100%
cm3/mol %x 10 E-6
O2 3449 100,00NO 1461 42,36
NO2 150 4,35CO2 -21 -0,61N2 -12 -0,35H2 -3,98 -0,12
SO2 -18,2 -0,53CO -9,8 -0,28CH4 -17,4 -0,50
C2H6 -26,8 -0,78C3H8 -38,6 -1,12
Molar Magnetic Susceptibility
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Analizador Termomagnético
Imán
Calefactor(hilo calefaccionado)
Magnos27Principio de Medición
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N
S
N
S
Gas adjustment(CS – correctionat Zero-Point)
Resistores dependientes de temperatura(Pt/Glass ... ca. 180 °C)
Bypass
Magnos27Principio de Medición
§ Sistema de dos cámaras(lado medición y referencia)
§ Solamente la cámara de mediciónestá ubicada en un campomagnético
§ Resistores dependiente detemperatura
§ Efecto de Medición:Caudal circulatorio aumentadoproporcional a la concentraciónde oxígeno medido porconductividad térmica
§ Solamente para gases de escapacon dependencias conocidas(O2/SO2)
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AO2000-Magnos27Caractéristicas
Para aplicaciones severas§ Diseño de Celda robusto, sin partes
móviles
§ Alta tolerancia al polvo
§ Elementos sensors sellados con vidrios
§ Apropiado para gases corrosivos
Mínimo Rango de Medición: 0 – 3 vol.%§ Presición mejorada por corrección de
presión
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Acondicionamiento deMuestra
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LáserLS4000
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Process purging isapplied to keep the
optical windowsclean.
Analog outputsDigital outputs
Analog inputs (optional)Service Port (Ethernet)
Power supply
Receiver unitTransmitter unit
Junction box
The influence oftemperature and
pressure variationsis eliminated by
automatic dynamiccorrection.
Stand-aloneoperation
(without AO2000control unit)
Compact &flameproof (Ex-d)
housing approved foruse in hazardous
areas.Purging flange
LáserLS4000
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High precision Suitable for harshprocess conditions
Fast and direct Safe, compact and easy
LáserLS4000
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Highly selectivemeasurement is virtuallycross interference free.§ Due to the narrow spectral
width of the laser beam andthe narrow scan window,only the absorption by thetarget gas component ismeasured.
§ Consequently, highselectivity and accuracy areachieved and themeasurement is virtuallycross-interference free.
Targetabsorption
line
Laser scan window
Absorptionlines of
accompanyinggases
LáserLS4000
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-0.1
0.1
0.3
0.5
0.7
0.9
1.1
1.3
1.5
00.10.20.30.40.50.60.70.80.91
Peak 1 Peak 2 Filters (3) Measure, Measure, Reference
Estamos acostumbrados a ver espectros de este tipo:- Picos suaves
Los fotómetros operan a resoluciones muy bajas (un filtro típico de infrarrojotiene un ancho de banda de 10-20nm)
Debido a ésto, los fotómetros están limitados a áreas amplias de absorciónde longitud de onda.
Para realizar un análisis libre de interferencia, no puede haber uncomponente cuyo espectro se solape con las áreas filtradas.
Láser vs IR Convencional
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A altas resoluciones, algunos gases presentan estructuras de picofino (picos dentro de picos). Cada pico generalmente está bienresuelto y bien separado.
Ejemplos de estos gases son CO, CO2, SO2, NO, C2H2, NH3, HF,HCl, O2, H2O
Mientras la banda de abosrción es tiene un ancho de decenas denanómetros (nm), cada pico individual tiene un 0.1-0.2nm de ancho
Estructura de Pico fino
Interferencia de Espectro
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0.00E+00
5.00E-03
1.00E-02
1.50E-02
2.00E-0215
38
1537
1536
1535
1534
1533
1532
1531
1530
1529
1528
CO2 H2O
0.00E+005.00E-041.00E-031.50E-032.00E-032.50E-033.00E-033.50E-034.00E-034.50E-035.00E-03
1536
1535
1535
1535
1535
1535
1535
1534
1534
1534
1534
1534
1534
1534
1533
1533
1533
1533
1533
Interference Free CO2 Peaks
Espectro de 10nm (típico ancho debanda de un filtro óptico) de CO2 yH2O.
Un espectrómetro de baja resolución(fotómetro de filtro) reportaría todaesta sección entera como un valor deabsorbancia.
No es posible la discriminación entreel CO2 y el H2O.INTERFERENCIA.
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0.00E+005.00E-041.00E-031.50E-032.00E-032.50E-033.00E-033.50E-034.00E-034.50E-035.00E-03
1536
1535
1535
1535
1535
1535
1535
1534
1534
1534
1534
1534
1534
1534
1533
1533
1533
1533
1533
1 7 13 19 25 31 37 43 49 55 61 67 73 79 85 91 97103109115121127133139145151
Los láser de diodo tienen emisiones de longitudes de línea muydelgadas, típicamente 0.00004nm.
Por esta causa, se puede analizar en un pico único definido, que notiene solapamiento.
Interferencia de Espectro
Beneficios de Medición con Láser
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Sensibilidad. Tan bajo como 10-6
(ppm), menor con aumento delongitud de paso óptico.
Selectividad. La línea delgada delláser permite resolver líneas deabsorción únicas. Esto proporcionamás posibilidades de picos para usarpara una medición.
Potencia. Los lásers de diodotienen una potencia de 0.5mW a35mW, en un haz altamenteconcentrado, lo cual proporcionamediciones en procesos con altacarga de particulado.
© ABBSlide 39
IngenieríaParámetros Importantes
Temperatura de Proc.
Presión de Proceso
Polvo (tipo, carga)
Longitud de Paso
Gases Acompañantes
Ancho de picos
Altura y forma de picos
Refracción Transmisión ↓
Sensibilidad
Parámetros de Proceso Efecto en:
Mantenimiento
Límite de Detección
Parámetros de Proceso a tener en cuentaPresión y Temperatura de Proceso
© ABBSlide 40
Temperatura Presión
§ Las alturas de los picos dependen de la temperatura
§ Aparición de algunos picos depende de la temperatura
§ El ancho de los picos depende de la temperatura, presión, gases acompañantes(ensanchamiento de picos)
Transmitter unit Receiver unit
Parámetros a tener en cuentaLa presión y temperatura tienen efecto en la medición
Measuring componentAccompanying gasesDust
Slide41
© ABB |
bar abs
Vol%
Vol%
Absorption
Wavelength
Realconcentration
Measuredconcentration
100
100
1
3
2
0
Process pressure
IngenieríaCorrección Dinámica Automática
§ Como se vio, la altura y forma de las líneas de absorcióndependen de la temperatura y presión del gas de proceso.
§ Las fluctuaciones en las presiones y temperaturas delproceso llevarían a errores en la medición.
§ La influencia de las variaciones de la presión ytemperatura se eliminan con una corrección automáticadinámica.
§ Dependiendo de la aplicación se requieren transmisoresde presión y temperatura (4-20mA).
© ABB20 de junio de 2019 | 42
El polvo reduce la señal en el detector
DustTransmission
Dust, transmissionSignal withoutdust
Measuring componentAccompanying gasesDust
Signal at detector
Slide43
© ABB |
Signal withdust
Parámetros a tener en cuenta
Parámetros a tener en cuenta
Measuring componentAccompanying gasesDust
Help
Slide44
© ABB |
Aire deInstrumento parapurga de proceso
La purga previene la deposición de polvo ycontaminantes en los components ópticos
Aire deInstrumento parapurga de proceso
Help
Measuring componentAccompanying gasesDust
Purga de ProcesoLa purga de proceso con aire de instrumento causaerrores en la medición de oxígeno
O2
Slide45
© ABB |
Absorción
Vol%
Vol%
Realconcentration
Measuredconcentration
100
100
Aire deInstrumento parapurga de proceso
Aire deInstrumento parapurga de proceso
Purga de Proceso
Se utiliza nitrógeno para evitar errores
O2
Help
Slide46
© ABB |
Accompanying gasesDust
Instrument air forprocess purging
N2
Instrument air forprocess purgingN2 N2
Vol%
Vol%
Realconcentration
Measuredconcentration
100
100
Absorption
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