FTIR-Gasanalytik: Messverfahren, Grenzen und die TDLAS-Alternative
So funktioniert die Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie · was sie gut misst · wo der Validierungsaufwand ins Gewicht fällt · und warum GESHINE bei Mehrgasmessungen auf konfiguriertes TDLAS setzt
Die Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) ist ein Infrarot-Messverfahren mit Vollspektrum: Ein Michelson-Interferometer erfasst ein breitbandiges IR-Signal, und chemometrische Modelle trennen überlagerte Banden auf und ermitteln daraus die Konzentrationen einzelner IR-aktiver Gase. Dieser Leitfaden erläutert die physikalischen Grundlagen, den erforderlichen Kalibrierungs- und Validierungsaufwand sowie den Vergleich mit TDLAS mit schmaler Laserlinie für reale Messaufgaben.
GESHINE behandelt FTIR hier ausschließlich als Hintergrund zum Messverfahren. GESHINE stellt keine FTIR-Geräte her und verkauft sie auch nicht – unsere Hardware für Mehrgasmessungen basiert auf konfiguriertem TDLAS mit mehreren Messdurchgängen. Alle Angaben zu Auflösung, Messbereich und Empfindlichkeit auf dieser Seite sind typische, vom Anbieter abhängige Werte und keine GESHINE-Spezifikationen.
Wo FTIR sinnvoll ist – und welche Validierung erforderlich ist
FTIR ist ein leistungsfähiges Infrarot-Messverfahren für mehrere Komponenten, doch jede Stärke bringt Validierungsaufwand mit sich. Im Folgenden finden Sie typische Einsatzfälle, die Ingenieure für FTIR prüfen, sowie die jeweils erforderlichen Verifizierungsarbeiten. GESHINE behandelt FTIR als Hintergrund zum Messverfahren und liefert keine FTIR-Geräte; für Mehrgasmessungen projektiert GESHINE konfiguriertes TDLAS mit mehreren Messdurchgängen.
Viele IR-aktive Komponenten gleichzeitig
Bei einer FTIR-Messung wird das gesamte mittlere IR-Spektrum erfasst. So lassen sich in einem Messzyklus mehrere IR-aktive Komponenten quantifizieren – CO, CO₂, NO, NO₂, N₂O, SO₂, HCl, HF, NH₃ und H₂O. Zweiatomige homonukleare Gase (O₂, N₂, H₂, Cl₂) sind IR-inaktiv und erfordern ein anderes Messverfahren.
Für jede ausgegebene Komponente sind ein eigenes Kalibrierungsmodell und ein Verifizierungsgas erforderlich. Die Anzahl der Messkanäle richtet sich danach, wofür das chemometrische Modell trainiert wurde, nicht nach der Messzelle selbst. Welche Komponenten realistisch erfasst werden können, hängt vom Anbieter und der Anwendung ab.
Nachweis niedriger Konzentrationen mit Messzellen mit langem optischem Weg
Eine Messzelle mit langem optischem Mehrfachdurchgang vergrößert die optische Weglänge. Dadurch können gasabhängige Nachweisgrenzen im niedrigen ppm- oder bei manchen Komponenten sogar im sub-ppm-Bereich liegen. Deshalb wird FTIR häufig für Spuren saurer Gase wie HCl und HF in Betracht gezogen.
Die Nachweisgrenzen sind gasespezifisch und hängen von der Gasmatrix ab. Die Werte variieren je nach Anbieter und Konfiguration; angegebene Nachweisgrenzen sind daher Richtwerte und keine festen Spezifikationen. Die Einhaltung von Genehmigungsgrenzwerten (z. B. EU-BAT-AEL, US MACT) muss für jede Komponente in der tatsächlichen Gasmatrix nachgewiesen werden.
Überlagerte IR-Banden trennen
Die chemometrische Auftrennung mit PLS / CLS nutzt den vollständigen IR-Fingerabdruck jedes Gases. So lassen sich spektral überlagernde Komponenten (H₂O und HCl, NO und CO, NH₃ und H₂O) rechnerisch statt mit optischen Filtern unterscheiden – nützlich bei heißen, feuchten Rauchgasmatrizes.
Die Genauigkeit der Auftrennung hängt vollständig davon ab, ob das Kalibrierungsmodell mit repräsentativen Konzentrationen der Störkomponenten trainiert wurde. Insbesondere Wasserdampf muss im Modell berücksichtigt werden. Ein unzureichend trainiertes Modell kann zu überhöhten oder verzerrten Messwerten führen. Daher muss die Querempfindlichkeit anhand der tatsächlichen Rauchgaszusammensetzung geprüft werden.
Ein Spektrum, ein Kalibrierungsmodell
Da alle Komponenten aus demselben Spektrum ermittelt werden, kann eine einzige chemometrische Kalibrierung die Liste der modellierten Messkanäle abdecken. Im Anlagenbetrieb sind üblicherweise eine Nullpunktverifizierung und eine Messspannenprüfung für kritische Komponenten erforderlich.
Das gemeinsame Modell ist zugleich ein einzelner möglicher Fehlerpunkt: Es muss gepflegt, regelmäßig revalidiert und bei Änderungen der Gasmatrix oder Komponentenliste neu erstellt werden. Auch gesetzliche Programme (z. B. QAL2/QAL3 nach EN 14181) erfordern unabhängig vom Messverfahren laufende Verifizierungen.
Spektren erneut auf neue Komponenten auswerten
Da das gesamte IR-Spektrum erfasst wird, kann eine zusätzliche IR-aktive Komponente theoretisch durch Erweiterung des Kalibrierungsmodells aufgenommen werden, ohne neue Optik einzubauen. Das kann relevant sein, wenn ein bislang nicht regulierter Schadstoff später berichtet werden muss.
„Einen Messkanal per Software hinzufügen“ erfordert weiterhin eine neue Kalibrierung mit Verifizierungsgasen für die zusätzliche Komponente. Außerdem muss erneut validiert werden, dass dadurch keine bestehenden Messkanäle verzerrt werden. Das ist eine messtechnische Aufgabe und keine kostenlose Funktion.
So funktioniert FTIR: Michelson-Interferometer und multivariate Kalibrierung
Von der breitbandigen IR-Quelle bis zur ermittelten Gaskonzentration – vier physikalische Schritte, keine beweglichen optischen Filter.
Bei der Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) wird eine breitbandige IR-Quelle mithilfe eines Michelson-Interferometers moduliert. Aus dem resultierenden Interferogramm wird das vollständige IR-Spektrum rekonstruiert. So erfasst eine Messung alle IR-aktiven Gase gleichzeitig statt nur eine Bande nach der anderen.
Ein Michelson-Interferometer moduliert eine breitbandige IR-Quelle gleichzeitig über alle Wellenlängen. Das resultierende Interferogramm wird durch Fourier-Transformation in ein vollständiges IR-Spektrum umgewandelt. Messbereich und Auflösung sind typische, vom Anbieter abhängige Werte (bei Prozessgeräten häufig etwa 4000–400 cm⁻¹ bei ungefähr 1 cm⁻¹). Jedes Gas absorbiert bei charakteristischen Wellenzahlen; eine multivariate Kalibrierung (PLS / CLS) trennt überlagerte Banden auf und ermittelt die einzelnen Konzentrationen.
Eine höhere Auflösung kann grundsätzlich helfen, Komponenten mit überlappenden Banden zu trennen – etwa HCl von H₂O und NH₃ von H₂O, zwei der anspruchsvollsten Auftrennungen in feuchtem Rauchgas. Da FTIR das gesamte Spektrum auf einmal erfasst, kann eine Messung theoretisch viele IR-aktive Gase abdecken. Die erreichbare Richtigkeit hängt jedoch vollständig vom chemometrischen Modell, der Referenzbibliothek und der Validierung für die jeweilige Gasmatrix ab, nicht allein von der Optik.
FTIR-Messablauf
Beispiele für mit FTIR erfassbare IR-aktive Gase
FTIR kann Gase mit IR-aktiven Schwingungsbanden unterscheiden. Die folgenden Beispiele veranschaulichen häufige Emissions- und Prozessgase. Die tatsächlich erfassbaren Gase, Messbereiche und Nachweisgrenzen hängen vom Anbieter und der Kalibrierung ab. Homonukleare zweiatomige Moleküle wie O₂, N₂ oder H₂ kann FTIR nicht nachweisen.
| Gas | Richtwert für den Messbereich* | Typischer Anwendungskontext |
|---|---|---|
| CO | 0–500 ppm | Verbrennungswirkungsgrad, CEMS |
| CO₂ | 0–20 vol% | Verbrennung / Prozess |
| NO | 0–500 ppm | NOₓ-CEMS |
| NO₂ | 0–200 ppm | NOₓ-Spezierung |
| N₂O | 0–100 ppm | Müllverbrennung / Salpetersäure |
| SO₂ | 0–500 ppm | SOₓ-CEMS, Austritt der Rauchgasentschwefelungsanlage |
| HCl | 0–50 ppm | Müllverbrennung, EU BAT 50 |
| HF | 0–10 ppm | Aluminium / Zement / Müllverbrennung |
| NH₃ | 0–100 ppm | Ammoniakschlupf bei SCR |
| H₂O | 0–40 vol% | Korrektur auf Feuchtbasis |
| CH₄ | 0–500 ppm | Überwachung von Treibhausgasen |
| C₂H₄ | 0–500 ppm | Ethylen-Cracker |
*Nur zur Veranschaulichung – Messbereiche und Nachweisgrenzen hängen vom jeweiligen FTIR-Messgerät, der optischen Weglänge, der spektralen Auflösung und der chemometrischen Kalibrierung ab und variieren je nach Anbieter. Diese Tabelle dient als Hintergrund zum Messverfahren und ist keine GESHINE-Spezifikation. Für Mehrgasmessungen projektiert GESHINE konfiguriertes TDLAS mit mehreren Messdurchgängen statt FTIR-Geräten.
FTIR, NDIR, UV-DOAS und TDLAS: Unterschiede der Messverfahren
Ein Vergleich dazu, wie die verschiedenen spektroskopischen Messverfahren mit einer Gasmatrix umgehen. FTIR ist ein leistungsfähiges Mehrkomponenten-, Labor- und Referenzmessverfahren. Für Mehrgasmessungen im Feldeinsatz entwickelt und liefert GESHINE konfiguriertes TDLAS mit mehreren Messdurchgängen statt FTIR-Geräten.
| Kriterium | FTIR (Referenzmessverfahren) | NDIR | UV-DOAS | TDLAS (GESHINE-Lösung) |
|---|---|---|---|---|
| Prinzip | Breitband-IR + Interferometer + multivariate Kalibrierung | IR mit einer Bande und optischem Filter | Differenzielle UV-Absorptionsspektroskopie | Absorption mit schmalbandiger Laserlinie; konfigurierbare Messzelle mit mehreren Durchgängen, eine Linie pro Zielgas |
| Messbereich | ppb–vol%, gasabhängig (typische, vom Anbieter abhängige Werte) | ppm–vol% | ppb–ppm für UV-aktive Komponenten | ppb–vol%, konfiguriert für das jeweilige Zielgas |
| Richtigkeit | Anwendungsabhängig; beruht auf der Validierung des chemometrischen Modells | ±1–2 % FS, typisch | ±2 % FS, typisch | Hohe Selektivität je Messlinie; wird bei der technischen Bewertung bestätigt |
| Ansprechzeit | 10–60 s (abhängig von Durchfluss und Messzellenvolumen) | 15–60 s | 10–30 s | <1–10 s (konfigurationsabhängig) |
| Am besten geeignet für | Mehrkomponenten-Referenzmessungen; IR-aktive Schadstoffe im niedrigen ppm-Bereich im Labor oder als Referenzmessung | Ein oder zwei klar definierte IR-aktive Gase (CO, CO₂, CH₄) | SO₂, NO, NO₂, H₂S, Cl₂ – UV-aktive Komponenten | Mehrgasmessungen im Feldeinsatz und CEMS-Aufgaben mit konfigurierbaren Messzellen mit mehreren Durchgängen; hohe Unterdrückung von Querempfindlichkeiten |
| Einschränkungen | Höhere Anschaffungskosten; laufende Pflege des chemometrischen Modells; geschultes Bedienpersonal empfohlen | Ein Filter pro Gas – bei 4+ Komponenten kaum skalierbar | Keine Erfassung ausschließlich IR-aktiver Komponenten (CO, CO₂, CH₄, HF) | Eine Laserlinie pro Zielgas; die Gasauswahl wird bei der Projektierung festgelegt |
Typische Einsatzbereiche von FTIR
- Referenz- oder Laboranalysen mit gleichzeitiger Erfassung vieler IR-aktiver Komponenten
- Spezierung von IR-aktiven Schadstoffen im niedrigen ppm-Bereich in feuchten, gemischten Gasmatrizes
- Multivariate Auftrennung, wenn die Pflege des chemometrischen Modells akzeptabel ist
- Hinweis: GESHINE behandelt FTIR als Hintergrund zum Messverfahren und liefert keine FTIR-Geräte
- Für Einzelkomponentenmessungen siehe NDIR-Gasanalysatoren oder UV-DOAS-Gasanalysatoren.
So löst GESHINE Mehrgasmessungen
- GESHINE liefert konfiguriertes TDLAS mit mehreren Messdurchgängen für Mehrgasmessungen im Feldeinsatz, aber keine FTIR-Geräte
- Für jedes Zielgas wird eine Laserlinie ausgewählt. Das sorgt für hohe Selektivität und geringe Querempfindlichkeit
- Die Zielgase und Messbereiche werden gemeinsam bei der technischen Projektierung festgelegt
- Geeignet für Feldeinsatz, Prozesse und CEMS-Umgebungen ohne den Bedienaufwand eines Labors
- Vergleichen Sie die konfigurierte TDLAS-Lösung unter Mehrgasanalysatoren.
GESHINE-Hardwarelösung für Mehrgasmessungen: konfiguriertes TDLAS
GESHINE stellt keine FTIR-Geräte her. Wenn es tatsächlich um Mehrgasmessungen geht, projektiert GESHINE Lösungen mit konfiguriertem TDLAS mit mehreren Messdurchgängen und CEMS statt einer FTIR-Anlage.
Vom FTIR-Messverfahren zur konkreten Geräteentscheidung
Wenn Sie Mehrgase messen möchten und kein FTIR-Gerät kaufen wollen, projektiert GESHINE auf der Seite zu Mehrgasanalysatoren Lösungen mit konfiguriertem TDLAS mit mehreren Messdurchgängen und CEMS. FTIR eignet sich weiterhin als Referenzmessverfahren, um das IR-Vollspektrum und die Abwägungen bei der Chemometrie zu verstehen. Für Mehrkomponentenmessungen setzt GESHINE auf TDLAS-basierte Geräte.
Wann konfiguriertes TDLAS infrage kommt- Abgas- oder Prozessgasströme, in denen mehrere Gaskomponenten gemeinsam gemessen werden müssen
- CEMS-Messcontainer, bei denen Integration, Probenahme und Berichterstattung wichtiger sind als die Bezeichnung des optischen Messverfahrens
- Projekte, in denen FTIR und TDLAS verglichen werden und eine technische Einschätzung des Validierungsaufwands gefragt ist
- Heiße, feuchte oder störanfällige Gasmatrizes, bei denen die Eignung des Messverfahrens vor der Spezifikation geprüft werden sollte
Warum TDLAS statt FTIR
Diese Seite erläutert FTIR als Messverfahren, nicht als GESHINE-Produkt. Für Mehrkomponentenmessungen liefert GESHINE konfiguriertes TDLAS mit mehreren Messdurchgängen aus der Produktfamilie Mehrgasanalysatoren, ausgelegt auf die Zielgase und die Gasmatrix, statt hier ein allgemeines Datenblatt zu wiederholen.
Typische Einsatzbereiche, in denen FTIR geprüft wird
Sechs Einsatzbereiche, in denen Teams häufig FTIR für mehrere Komponenten mit Einzelgasgeräten vergleichen. Wenn Sie Mehrgase messen möchten und kein FTIR-Gerät kaufen wollen, projektiert GESHINE für dieselben Aufgaben konfiguriertes TDLAS mit mehreren Messdurchgängen und CEMS-Lösungen.
CEMS / Stromerzeugung
CEMS für mehrere Schadstoffe im Kesselabgas
Müllverbrennung
Einhaltung von EU BAT 50 für HCl / HF / NH₃ / N₂O
Halbleiterindustrie
Prozessgasüberwachung und Abgasreinigung am Austritt
Petrochemie
Ethylen-Cracker, gemischte Kohlenwasserstoffströme
Forschung / Pilotanlage
Katalysatorbewertung, Forschung und Entwicklung zur Verbrennung
Zement und Kalk
Kesselabgas: mehrere Schadstoffe und NH₃-Schlupf
Bei den meisten dieser Aufgaben geht es um die Überwachung mehrerer Schadstoffe in Abgasen und Prozessgasen. Dafür liefert GESHINE konfiguriertes TDLAS mit mehreren Messdurchgängen und projektiert CEMS-Lösungen statt FTIR-Geräten. Nennen Sie uns Ihre Zielgase, Messgasmatrix, Feuchte und Berichtspflichten, damit wir den passenden Messweg ermitteln können.
FAQ zum FTIR-Messverfahren
So funktioniert die FTIR-Gasanalytik, wie sie sich von NDIR und TDLAS unterscheidet und wie GESHINE Mehrgasmessungen umsetzt – kurz und direkt beantwortet.
Verkauft GESHINE FTIR-Gasanalysatoren?
Nein. Die Kerntechnologie von GESHINE ist TDLAS; wir stellen keine FTIR-Geräte her. Diese Seite erläutert FTIR als Messverfahren, damit Sie es sachgerecht mit den Verfahren vergleichen können, die wir selbst einsetzen. Wenn Mehrgasmessungen gefragt sind, bietet GESHINE dafür konfiguriertes TDLAS mit mehreren Messdurchgängen statt eines FTIR-Geräts an.
Was ist FTIR und wie misst es Gase?
Bei der Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) durchdringt breitbandiges Infrarotlicht eine Messzelle. Gemessen wird, wie stark die einzelnen Wellenlängen absorbiert werden. Ein Michelson-Interferometer moduliert den Strahl; durch Fourier-Transformation wird das Rohinterferogramm in ein vollständiges IR-Absorptionsspektrum umgewandelt. Da jedes IR-aktive Molekül einen eigenen Fingerabdruck hat, kann ein Spektrum Informationen zu vielen Gasen gleichzeitig enthalten.
Welche Gase kann FTIR nachweisen – und welche nicht?
FTIR erfasst IR-aktive Moleküle, deren Schwingung das Dipolmoment verändert, etwa CO, CO₂, NO, NO₂, N₂O, SO₂, HCl, HF, NH₃, CH₄ und H₂O. Homonukleare zweiatomige Moleküle wie O₂, N₂ und H₂ sind IR-inaktiv und lassen sich überhaupt nicht durch Infrarotabsorption messen. Dafür ist ein anderes Messprinzip erforderlich (paramagnetisch, elektrochemisch oder Wärmeleitfähigkeit).
Wie trennt FTIR Gase mit überlappenden IR-Banden?
FTIR nutzt chemometrische Verfahren – multivariate Modelle wie PLS (Partial Least Squares) oder CLS (Classical Least Squares), die den gesamten Spektralbereich statt eines einzelnen Peaks auswerten. Überlagerungen wie H₂O und HCl oder NO und CO werden rechnerisch anhand von Referenzspektren getrennt, die bei derselben Temperatur und demselben Druck aufgezeichnet wurden. Der Nachteil ist ein höherer Validierungsaufwand: Jedes Modell muss für die jeweilige Gasmatrix erstellt und gepflegt werden.
FTIR oder NDIR – wann lohnt sich der zusätzliche Aufwand?
NDIR ist ein Messverfahren mit fester Wellenlänge: Es ist einfach, robust und kostengünstig für ein oder zwei klar definierte Gase wie CO und CO₂. FTIR erfasst das gesamte Spektrum und kann daher viele IR-aktive Komponenten gleichzeitig messen. Neue Komponenten lassen sich durch eine erneute Modellierung statt durch einen Umbau der Hardware ergänzen. Diese Flexibilität erfordert mehr Optik, mehr Pflege der chemometrischen Modelle und höhere Betriebskosten. Für eng umrissene Messaufgaben ist daher meist NDIR die bessere Wahl, für breite Mehrkomponentenmessungen FTIR.
FTIR oder TDLAS – worin liegt der Unterschied?
TDLAS tastet eine einzelne schmale Laserlinie über eine Absorptionsbande ab. Das ermöglicht hohe Selektivität, kurze Ansprechzeiten und ausgezeichnete Stabilität für ein bestimmtes Zielgas. FTIR erfasst das breitbandige Spektrum und eignet sich für die Untersuchung vieler Komponenten, erfordert aber mehr Validierungsaufwand. Für Mehrkomponentenmessungen konfiguriert GESHINE TDLAS mit mehreren Messdurchgängen, um den optischen Weg zu verlängern und mehrere Zielgase abzudecken. Informationen zu dieser Geräteausführung finden Sie auf der Seite zu Mehrgasanalysatoren.
Welche Messgasaufbereitung ist für eine FTIR-Messung erforderlich?
Bei heißem, feuchtem und staubhaltigem Rauchgas benötigt FTIR wie die meisten extraktiven Messverfahren eine beheizte Probenahmeleitung und einen beheizten Filter – typischerweise bei etwa 180 °C. So bleiben kondensierbare und wasserlösliche Komponenten wie H₂O, HCl, HF und NH₃ bis zur Messzelle in der Gasphase. Dieselben Anforderungen an die Gasaufbereitung gelten unabhängig vom gewählten spektroskopischen Messverfahren. Die Probenahmeanlage wird auf Rauchgastemperatur und Staubbeladung ausgelegt, nicht auf die Marke des Gasanalysators.
Wir benötigen CEMS für mehrere Gase – was sollten wir bei GESHINE anfragen?
Gehen Sie von der Messanforderung aus, nicht vom Gerätetyp. Nennen Sie uns Ihre Zielgase, die Hintergrund-Gasmatrix, die Feuchte, mögliche Querempfindlichkeiten und die Berichtspflichten (Grenzwerte der Genehmigung, Vorschriften). Anschließend projektiert GESHINE eine Lösung mit konfiguriertem TDLAS mit mehreren Messdurchgängen oder CEMS, die diese Anforderungen erfüllt. Gerne besprechen wir auch, ob FTIR als Messverfahren für Ihre Anwendung besser geeignet ist.
Vergleichen Sie FTIR und TDLAS für eine Mehrgasmessung?
Technische Bewertung zu TDLAS und FTIR anfordern
Technische Bewertung anfordern: FTIR-Messverfahren oder GESHINE-TDLAS
GESHINE verkauft keine FTIR-Geräte. Wenn Sie FTIR mit konfiguriertem TDLAS mit mehreren Messdurchgängen oder einer CEMS-Lösung vergleichen, nennen Sie uns Ihre Anwendung. Unsere Ingenieure erläutern, welche Anforderungen die jeweiligen Messverfahren tatsächlich stellen. Folgende Angaben sind hilfreich:
- Zielgase und erwarteter Messbereich für jede Komponente
- Messgasmatrix und Hintergrundgase (Abgaszusammensetzung, Trägergas)
- Feuchtegehalt und Berichterstattung auf Feucht- oder Trockenbasis
- Bekannte spektrale Störungen und mögliche Querempfindlichkeiten
- Berichtspflichten und gesetzliche Vorgaben (EU BAT / EPA / GB)
- Prozesstemperatur, Druck und Staubbeladung
- Einteilung explosionsgefährdeter Bereiche (ATEX-Zone), falls zutreffend
- Vorhandene Gasanalysatoren, die ersetzt oder ergänzt werden sollen, und Ausgangsprotokolle
Besprechen Sie Ihre Mehrgasmessung mit uns
Nennen Sie uns Ihre Gase, Ihre Gasmatrix und Ihre Berichtspflichten. Die GESHINE-Ingenieure vergleichen den Validierungsaufwand des FTIR-Messverfahrens mit einer Lösung aus konfiguriertem TDLAS mit mehreren Messdurchgängen oder CEMS. So vergleichen Sie die Verfahren anhand Ihrer tatsächlichen Anwendung statt anhand eines allgemeinen Datenblatts.
