NDIR-Gasanalysatoren – nichtdispersive Infrarottechnik

NDIR steht für nichtdispersive Infrarotmessung. Anders als ein scannendes FTIR, das das vollständige Spektrum auflöst, verwendet NDIR eine breitbandige IR-Quelle und einen oder mehrere Bandpassfilter, die ein vorab ausgewähltes Absorptionsmerkmal isolieren. Deshalb ist NDIR kostengünstiger, einfacher und mechanisch stabiler – zugleich ist die Selektivität geringer als bei TDLAS (einzelne Laserlinie) oder FTIR (vollständige spektrale Dekonvolution). Für etablierte Zielgase mit hohem Messvolumen wie CO und CO₂ ist es die richtige Wahl, wenn das Absorptionsmerkmal stark und die Gasmatrix gut verstanden ist.

Dafür gibt es drei Gründe. Erstens weist CO₂ bei 4,26 μm eine ungewöhnlich starke und gut isolierte Absorption im mittleren IR auf, die NDIR effizient nutzt. Zweitens liegt der Zielkonzentrationsbereich der meisten Anwendungen – von 400 ppm in der Umgebungsluft bis zu 20 %vol im Rauchgas – bequem innerhalb des dynamischen Messbereichs von NDIR. Drittens ist NDIR ein Massenprodukt: NDIR-CO₂-Module werden seit Jahrzehnten in großen Stückzahlen gefertigt, weshalb Anschaffung und OEM-Integration deutlich günstiger sind als bei einem TDLAS-Laserkopf. Bei CO₂ ist TDLAS nur dann im Vorteil, wenn ppb-Spurenmessungen oder die Messung mehrerer Gase mit einem einzelnen Laser für das Projekt ausschlaggebend sind.

Wasser weist eine breite Kontinuumsabsorption im mittleren IR auf, die sich mit vielen Zielgasbanden überlappt – insbesondere mit CO bei 4,6 μm und N₂O bei 4,5 μm. Es gibt drei technische Möglichkeiten: (1) das Messgas vorgeschaltet mit einem Peltierkühler oder einem Nafion-Schlauch trocknen (am einfachsten, kann aber wasserlösliche Zielkomponenten entfernen); (2) Zweistrahloptik mit einem Referenzfilter bei benachbarter Wellenlänge verwenden, um das Kontinuum herauszurechnen; oder (3) eine GFC-Architektur mit einer versiegelten, mit dem Zielgas gefüllten Referenzmesszelle einsetzen, die sich am Zielmerkmal selbst auf die feuchte Gasmatrix referenziert. Die meisten N₂O- und CO-Gasanalysatoren für die vorschriftskonforme Messung an feuchten Abgasen nutzen dafür GFC.

In der Regel nicht. Die Nachweisgrenzen von NDIR werden durch die Bandbreite der Breitbandfilter, Schwankungen der Quellenintensität und das Schrotrauschen nach dem Beer-Lambert-Gesetz bestimmt. Bei realistischen Anwendungen im niedrigen Messbereich sind etwa 0,5–5 ppm in sauberen Gasmatrizes üblich. Für alles im ppb-Bereich – toxische Stoffe an der Grundstücksgrenze, Verunreinigungsprüfungen von Wasserstoff in Brennstoffzellenqualität sowie ppb-Messungen von HCl / HF in der Halbleiterindustrie – sind TDLAS, CRDS oder Chromatografie in Laborqualität geeignet, nicht NDIR. Wenn Ihnen ein „ppb-NDIR“ angeboten wurde, prüfen Sie im Datenblatt noch einmal die Annahmen zur Gasmatrix und optischen Weglänge.

GFC – Gasfilterkorrelation – ist eine Variante der NDIR-Optikfamilie, keine eigenständige Technologie. Der Unterschied: Der Referenzweg führt durch eine versiegelte Messzelle, die mit dem Zielgas selbst gefüllt ist. Wenn das rotierende Filterrad die mit Zielgas gefüllte Messzelle vor den Strahl bewegt, wird die gesamte Absorption des Zielgases bereits vorweggenommen, sodass der Detektor „alles außer dem Zielgas“ erfasst. Befindet sich die nicht gefüllte Messzelle im Strahlengang, erfasst der Detektor „alles einschließlich des Zielgases“. Der Vergleich der beiden Zustände eliminiert Interferenzen der Gasmatrix am spektralen Fingerabdruck des Zielmoleküls. GFC ist teurer als einfaches NDIR und ergänzt einen Drehmechanismus, macht NDIR aber erst für schwierige Gasmatrizes CEMS-tauglich.

In den USA legen die Performance Specifications 3 (O₂ / CO₂) und 4 / 4A (CO) nach 40 CFR Part 60 Appendix B die Anforderungen an die laufende Richtigkeit und Kalibrierungsdrift fest; für instrumentelle Messungen gelten die Reference Methods 3A und 10. In der EU decken MCERTS (UK Environment Agency) sowie EN 15267 / EN 14181 QAL1 / QAL2 / AST die Typzulassung und die Kalibrierung auf Anlagenebene ab. Für die MRV von Treibhausgasen gelten zusätzlich 40 CFR Part 98 (USA) und Regulation 2018/2066 (EU ETS). Bei der Beschaffung sollten die geforderten Zertifizierungen in der Spezifikation festgelegt werden; verlassen Sie sich nicht auf Marketing-Siegel der Anbieter.

Ein NDIR-Gasanalysator leitet Infrarotlicht durch das Messgas und misst in vier Schritten, wie stark das Zielgas bei seiner charakteristischen Wellenlänge absorbiert. Erstens sendet eine breitbandige IR-Quelle Licht über den mittleren IR-Bereich aus; der Strahl wird unterbrochen oder moduliert, damit die Elektronik ihn von der Hintergrundwärme unterscheiden kann. Zweitens durchquert der Strahl die Messzelle, in der das Zielgas (CO, CO₂, CH₄, N₂O) in seiner Bande absorbiert – zum Beispiel CO₂ bei 4,26 μm. Drittens isoliert ein Bandpassfilter vor dem Detektor diese Bande, und der Detektor misst die verbleibende Intensität. Die fraktionelle Absorption folgt dem Beer-Lambert-Gesetz und steigt proportional zur Gaskonzentration und optischen Weglänge. Viertens setzt eine Einstrahl-Ausführung den Nullpunkt automatisch mit sauberem Gas, während eine Zweistrahl-Ausführung das Messgas mit einem versiegelten Referenzweg vergleicht, um Quelldrift auszugleichen. Anschließend wandelt die Firmware die Absorption in ppm oder %vol um und gibt sie über 4-20 mA / Modbus aus.

NDIR für ein einzelnes Gas reicht aus, wenn Sie ein oder zwei klar definierte IR-aktive Gase messen. FTIR ist nötig, wenn gleichzeitig viele Komponenten oder ein Mehrkomponenten-Referenzmessverfahren gefragt sind. Wählen Sie NDIR bei einer kurzen, stabilen Zielliste – CO, CO₂, CH₄, N₂O in einer bekannten Gasmatrix –, denn ein Bandpassfilter je Gas ist kostengünstig, robust und bewährt. Ein NDIR-Gasanalysator für ein einzelnes Gas deckt Messaufgaben in Prozessanlagen und CEMS von ppm bis %vol problemlos ab. Wechseln Sie zu FTIR, wenn Sie ungefähr vier oder mehr Komponenten gleichzeitig benötigen, wenn die Speziation von HCl / HF / NH₃ / N₂O wichtig ist (EU-BAT für die Abfallverbrennung, Halbleiterindustrie) oder wenn eine Genehmigung ein Mehrkomponenten-Messverfahren wie EPA Method 320 vorschreibt – Aufgaben, bei denen vier NDIR-Messkanäle teurer und umständlicher sind als ein Spektrometer. Entscheidend für den Wechsel sind die Anzahl der Komponenten und das Messverfahren, nicht die reine Richtigkeit. Eine Erklärung der FTIR-Messmethode und des Vergleichs mit TDLAS und NDIR finden Sie im Leitfaden zu FTIR und NDIR; für GESHINE-Hardware zur Mehrgasmessung ist die Produktionslösung konfiguriertes Mehrweg-TDLAS. Diese NDIR-Seite bleibt der zentrale Anlaufpunkt für IR-Messungen einzelner Gase.

Ein NDIR-Gasanalysator mit geschlossenem Messpfad (extraktiv) saugt Messgas in eine versiegelte, interne Messzelle mit fester optischer Weglänge. Ein NDIR-Gasanalysator mit offenem Messpfad misst dagegen über eine freie Strecke im Prozess oder in der Umgebungsluft, ohne Messgas zu entnehmen. Bei einer Ausführung mit geschlossenem Messpfad führen eine Sonde und eine beheizte Leitung Abgas oder Prozessgas durch eine Gasaufbereitung (Filter, Kühler) in die eigene Messzelle des Gasanalysators. Dort werden Temperatur, Druck und optische Weglänge kontrolliert – deshalb dominiert extraktives NDIR bei CEMS- und Prozessmessungen, wenn ein stabiler, reproduzierbarer Messwert zählt. Bei NDIR mit offenem Messpfad verläuft der IR-Strahl über einen Kanal, den Durchmesser eines Abgaskanals oder eine Messstrecke an der Grundstücksgrenze bis zu einem Retroreflektor oder einem separaten Empfänger. So wird eine über den Messpfad gemittelte Konzentration ohne Messgasaufbereitung ermittelt – nützlich für die Überwachung von Bereichen und Grundstücksgrenzen, aber anfällig für Ausrichtungsfehler, Staub und Witterung. Abgewogen werden müssen Kontrolle und Abdeckung: geschlossener Messpfad für eine präzise Punktmessung, offener Messpfad für einen räumlich gemittelten Messwert.

Eine NDIR-Messzelle wird mit einem Nullpunkt und einer Messspanne an zwei Punkten kalibriert: Zuerst wird ein Nullgas (reines N₂ oder gereinigte Luft) zugeführt, um die Basislinie ohne Absorption festzulegen. Danach wird ein zertifiziertes Prüfgas nahe dem oberen Ende des Messbereichs aufgegeben, um die Steigung festzulegen. Die Firmware bildet den Verlauf dazwischen nach dem Beer-Lambert-Gesetz ab. Wie oft das nötig ist, hängt vom Einsatz ab: Prozessmessgeräte können wochenlang stabil bleiben. Bei geregelten CEMS wird jedoch üblicherweise täglich automatisch eine Nullpunkt- und Messspannenprüfung anhand von Referenzgasflaschen durchgeführt und für Audits protokolliert. Ergänzend erfolgt in größeren Abständen eine manuelle Mehrpunktverifizierung im Rahmen der Qualitätssicherung. Drift entsteht durch Alterung der Quelle, das Ansprechverhalten des Detektors und verschmutzte Fenster – genau diese Einflüsse erfasst der Nullpunkt- und Messspannungszyklus, bevor sie den Messwert verfälschen. Zweistrahl- und GFC-Ausführungen referenzieren sich zwischen den Kalibrierungen selbst und verlängern so die Intervalle, machen aber rückführbares Prüfgas nicht überflüssig. Stimmen Sie den Turnus auf die Gasmatrix und die Anforderungen der Aufsichtsbehörde ab, nicht auf einen festen Kalender.

Nein – ein tragbarer NDIR-Gasanalysator ist für Stichprobenprüfungen und kurze Messkampagnen ausgelegt, nicht für den kontinuierlichen Einsatz in einem stationären CEMS. Ein tragbarer NDIR-Gasanalysator ist auf Batterielaufzeit, kurze Aufwärmzeit und Einhandbedienung bei der Kesseleinstellung, Lecksuche und Inbetriebnahme optimiert. Zwischen den Messungen setzt er den Nullpunkt automatisch neu, statt über Monate eine rückführbare Basislinie zu halten. Ein stationäres CEMS läuft rund um die Uhr ohne Bedienpersonal, mit aufbereitetem Messgas, täglicher automatischer Nullpunkt- und Messspannenprüfung, protokollierter Datenerfassung und der für geregelte Berichte erforderlichen Typzulassung (US Performance Specifications, EN 15267 / EN 14181) – all das bietet ein tragbares Gerät nicht. Ein tragbares Gerät als Ersatz für ein CEMS einzusetzen, scheitert an Verfügbarkeit, Rückführbarkeit und Zertifizierung; ein Auditor wird die Daten ablehnen. Die passende Lösung ist ein stationäres CEMS am behördlich geregelten Messpunkt und ein tragbarer Gasanalysator für Messkampagnen und Gegenprüfungen im Umfeld.