TDLAS-Gasanalysatoren

Ein TDLAS-Gasanalysator (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy) nutzt eine Halbleiter-Laserdiode, die präzise auf eine bestimmte Absorptionswellenlänge des Zielgasmoleküls abgestimmt ist. Durch das Abtasten dieser schmalen Absorptionslinie bestimmt der Gasanalysator anhand der gemessenen Absorptionstiefe die Gaskonzentration nach dem Beer-Lambert-Gesetz.

Im Gegensatz zu breitbandigen Verfahren wie NDIR ist die Laserlinienbreite in einem TDLAS-System viel schmaler als die Absorptionslinie des Gases – typischerweise weniger als 0.001 nm. Dank dieses engen Abstimmungsbereichs ist die Messung von Natur aus selektiv für das Zielmolekül, und Querempfindlichkeiten gegenüber anderen Gaskomponenten werden minimiert. TDLAS-Gasanalysatoren sind sowohl in extraktiver als auch in In-situ-Ausführung erhältlich und eignen sich für Anwendungen von der Feuchtemessung im Spurenbereich bis zur Überwachung von Ammoniakschlupf über den gesamten Abgasquerschnitt.

TDLAS-Gasanalysatoren können alle Gasmoleküle messen, die im nahen oder mittleren Infrarotbereich klar abgegrenzte, gut aufgelöste Absorptionslinien aufweisen. Zu den gängigen messbaren Gasen zählen NH₃, HF, HCl, CO, CO₂, CH₄, O₂, H₂O, H₂S und C₂H₂. Für jedes Gas wird eine Laserdiode ausgewählt, die auf einen bestimmten Absorptionsübergang abgestimmt ist.

Die TDLAS-Plattform von GESHINE deckt mit drei Produktlinien mehr als 10 Zielgase ab. Jedes Lasermodul ist für eine einzelne Gaskomponente optimiert. Das ermöglicht die hohe Selektivität von TDLAS. Für Anwendungen, bei denen mehrere Gase gleichzeitig gemessen werden müssen, lassen sich Systeme mit mehreren Lasermesskanälen konfigurieren oder mit ergänzenden Technologien wie NDIR oder UV-DOAS kombinieren.

Der wichtigste Unterschied liegt in der Selektivität: TDLAS tastet mit einem Laser geringer Linienbreite eine einzelne Absorptionslinie ab, während NDIR breitbandiges Infrarotlicht verwendet, das durch optische Bandpassfilter geleitet wird, welche ein breiteres Spektralfenster abdecken. Dadurch weist TDLAS eine deutlich bessere Unterdrückung von Querinterferenzen und eine kürzere Ansprechzeit auf (typischerweise <1 s in situ gegenüber 15–60 s bei NDIR).

NDIR bleibt jedoch für viele Anwendungen eine bewährte und kostengünstige Lösung – insbesondere für Mehrkomponentenmessungen gängiger Gase wie CO, CO₂ und CH₄, bei denen sich spektrale Überlappungen beherrschen lassen. TDLAS wird meist bevorzugt, wenn reaktive oder korrosive Gase (NH₃, HF, HCl) gemessen werden, eine kurze Ansprechzeit für die Prozessregelung entscheidend ist oder die Gasmatrix störende Komponenten enthält, die Breitbandmessungen beeinflussen würden.

TDLAS-Gasanalysatoren sind für ihre langfristige Kalibrierstabilität bekannt. Viele Anlagen erfüllen die Spezifikationen zwischen Kalibrierprüfungen über 6 Monate oder länger. Diese Stabilität beruht auf dem grundlegenden Messprinzip: Die Laserwellenlänge ist auf eine bestimmte molekulare Absorptionslinie fixiert, die sich im Laufe der Zeit nicht verschiebt.

Die Kalibrierintervalle hängen von der jeweiligen Anwendung, den gesetzlichen Anforderungen und den Bedingungen am Standort ab. Einige TDLAS-Modelle von GESHINE verfügen über eine integrierte Referenzmesszelle, die den Nullpunkt automatisch und ohne manuellen Eingriff überprüft. Bei CEMS-Anwendungen mit gesetzlichen Anforderungen legen standortspezifische QAL2/QAL3- oder RATA-Protokolle in der Regel verbindliche Kalibrierintervalle fest – unabhängig von der eingesetzten Gasanalysatortechnologie.

Die Nachweisgrenzen hängen von der Gaskomponente, der Länge des optischen Wegs und der Systemkonfiguration ab. Für geeignete Anwendungen erreichen extraktive TDLAS-Systeme mit einfachem Durchgang typischerweise Nachweisgrenzen im niedrigen ppm-Bereich. Mehrfachdurchgangskonfigurationen mit verlängertem optischem Weg können bei Gasen wie H₂O und C₂H₂ eine Empfindlichkeit unter 1 ppm oder sogar im ppb-Bereich erzielen.

Die Mehrfachdurchgangsplattform GESHINE ZS8600 ist beispielsweise für die Feuchtemessung im Spurenbereich bis hinunter zu 0,1 ppm in Anwendungen mit hochreinen Gasen ausgelegt. Die In-situ-Plattform ZS8100-NH3 erreicht für NH₃ typischerweise Nachweisgrenzen von 0,5–2 ppm, abhängig vom Abgasdurchmesser und der optischen Ausrichtung. In der Praxis wird die Nachweisgrenze unter anderem durch Verschmutzungen an den optischen Fenstern, Vibrationen, Temperaturschwankungen und störende Gaskomponenten beeinflusst.

In-situ-TDLAS-Gasanalysatoren werden direkt am Prozesskanal oder Abgas montiert. Der Laserstrahl durchläuft dabei den gesamten Durchmesser des Gaswegs – es wird kein Messgas entnommen. Bei extraktiven TDLAS-Systemen wird Messgas über eine beheizte Leitung zu einer externen Messzelle geführt, in der die Laseranalyse unter kontrollierten Bedingungen erfolgt.

Bei der In-situ-Installation entfällt die Messgasaufbereitung vollständig. Das sorgt für eine kürzere Ansprechzeit und weniger Wartungsaufwand; außerdem besteht keine Gefahr, dass sich das Messgas während des Transports verändert. Daher ist In-situ-TDLAS die bevorzugte Lösung für reaktive Gase wie NH₃ und HCl, die in Probenahmeleitungen durch Adsorption verloren gehen können. Extraktive Systeme eignen sich, wenn die Prozessumgebung einen direkten optischen Zugang erschwert (starke Staubbelastung, sehr hohe Temperaturen oder kleine Kanaldurchmesser) oder wenn für die Validierung eines behördlich vorgeschriebenen Referenzmessverfahrens aufbereitetes Messgas benötigt wird.

Ein einzelnes TDLAS-Lasermodul misst jeweils eine Gaskomponente, da jede Laserdiode auf eine bestimmte Absorptionswellenlänge abgestimmt ist. Mehrkanal-TDLAS-Systeme können jedoch zwei oder mehr Lasermodule in derselben Messzelle integrieren. Jedes Modul arbeitet mit einer anderen Wellenlänge, sodass mehrere Gase gleichzeitig in einem einzigen Messgasstrom gemessen werden können.

Wenn eine große Anzahl von Gaskomponenten gemessen werden muss (z. B. bei einer umfassenden CEMS-Ausstattung mit SO₂, NOₓ, CO, CO₂, O₂ und NH₃), werden häufig TDLAS und ergänzende Technologien kombiniert. So kann TDLAS etwa für NH₃ und HCl eingesetzt werden, wo die hohe Selektivität besonders vorteilhaft ist, und NDIR oder UV-DOAS für die übrigen Komponenten. Dieser hybride Ansatz optimiert sowohl die Leistungsfähigkeit als auch die Gesamtkosten des Systems.

Für die optimale Auslegung einer TDLAS-Lösung benötigen unsere Anwendungstechniker in der Regel folgende Angaben: Zielgas und erwarteter Konzentrationsmessbereich, Zusammensetzung des Prozessgases (Hintergrundmatrix), Prozesstemperatur und -druck an der Punktmessung, Kanal- oder Rohrdurchmesser, erforderliche Zertifizierungen (ATEX, SIL usw.) sowie die gewünschte Installationsart (in situ oder extraktiv).

Zusätzliche Angaben helfen dabei, die Empfehlung zu präzisieren: Zweck der Messung (Prozessregelung, Sicherheit oder Einhaltung gesetzlicher Vorschriften), erforderliche Ansprechzeit, Umgebungsbedingungen, bevorzugte Kommunikationsprotokolle (4–20 mA, Modbus, HART) sowie standortspezifische Einschränkungen wie begrenzte Zugangsmöglichkeiten oder die Einstufung als explosionsgefährdeter Bereich.

Es handelt sich um dieselbe Messmethode unter verschiedenen Bezeichnungen: TDLAS, TDL und „Gasanalysator mit abstimmbarem Diodenlaser“ beziehen sich alle auf die Absorptionsspektroskopie mit abstimmbarem Diodenlaser. TDLAS ist die vollständige Bezeichnung; TDL ist lediglich die Abkürzung für „tunable diode laser“ (abstimmbarer Diodenlaser). Anbieter, die von einem „Diodenlaser-Gasanalysator“ oder einem „Gasanalysator mit abstimmbarem Laser“ sprechen, beschreiben fast immer dieselbe Technik: Ein Halbleiterlaser wird über eine einzelne molekulare Absorptionslinie abgestimmt und die Konzentration anhand der Absorptionstiefe nach dem Beer-Lambert-Gesetz bestimmt. Entscheidend sind nicht die Bezeichnungen, sondern die Ausführung: Laser im nahen oder mittleren Infrarot, Messzelle mit einfachem oder mehrfachem Durchgang, In-situ- oder extraktive Messung und die gewählte Absorptionslinie für das Zielgas in Ihrer Gasmatrix. Achten Sie lediglich darauf, dass „abstimmbarer Laser“ nicht ungenau für andere Verfahren verwendet wird (etwa für Systeme auf CRDS- oder QCL-Basis). Vergewissern Sie sich, dass es sich um direkte Absorptionsspektroskopie mit einer abstimmbaren Diodenlaserlinie handelt. Vergleichen Sie bei Angeboten die Auswahl der Absorptionslinie, die Weglänge und den Umgang mit der Gasmatrix – nicht die Marketingbezeichnung.

TDLAS unterdrückt die meisten Hintergrundinterferenzen, indem eine einzelne, schmale Absorptionslinie statt eines breiten Spektralbands abgetastet wird. Das Verfahren ist jedoch nicht immun gegen Störungen: Mitabsorbierende Gase können die Messung in einer ungeeigneten Gasmatrix weiterhin verfälschen. Da die Laserlinienbreite viel schmaler ist als die Absorptionslinie, tastet TDLAS eine einzelne isolierte Linie des Zielmoleküls ab. Dadurch werden breitbandige Querempfindlichkeiten und die kontinuierliche Absorption, die bei NDIR zu einer Messwertdrift führen können, ebenso weitgehend vermieden wie Querempfindlichkeiten gegenüber anderen Gasen und die Drift von Verbrauchsmaterialien, die eine elektrochemische Messzelle (EC) beeinflussen. TDLAS kann jedoch weiterhin durch Druck und stoßbedingte Linienverbreiterung beeinträchtigt werden: Ändert sich die Hintergrundzusammensetzung – etwa durch Verschiebungen in der Gasmatrix bei Methan (C1), Ethan (C2) oder CO₂ –, verbreitern sich die Flanken benachbarter Absorptionslinien oder überlappen die Ziellinie. Dadurch wird das Messergebnis verfälscht, obwohl sich die Zielgaskonzentration nicht verändert hat. Abhilfe schaffen eine anwendungsspezifische Kalibrierung und ein Verbreiterungsmodell, das auf den erwarteten Zusammensetzungsbereich abgestimmt ist – nicht die Annahme einer perfekten Selektivität. Teilen Sie dem Anwendungstechniker den tatsächlichen Hintergrundbereich mit, damit Absorptionslinie und Korrektur darauf abgestimmt werden können.