Technologie-Referenz

TDLAS: das Messprinzip, das typische Ausfallmechanismen konventioneller Gassensoren vermeidet.

Die Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy arbeitet mit einem DFB-Laser, der auf eine einzelne molekulare Absorptionslinie abgestimmt ist. Keine Querempfindlichkeit. Keine Vergiftung. Kein Feuchtedrift. Diese Seite erklärt die Messkette und ihre Bedeutung für das OEM-Gerätedesign.

DFB-Laser Beer-Lambert-Gesetz 2f/1f-Detektion Keine Querempfindlichkeit CH₄ · CO · CO₂ · NH₃

Was ist TDLAS? TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy) ist ein Verfahren zur Gasmessung mit einem Distributed-Feedback-Halbleiterlaser (DFB), der auf eine bestimmte molekulare Absorptionslinie des Zielgases abgestimmt ist. Die Laserwellenlänge wird über die Absorptionsstruktur geführt. Der Detektor misst die absorbierte Lichtmenge – sie ist über das Beer-Lambert-Gesetz proportional zur Gaskonzentration. Da der Laser auf eine einzelne, schmale Absorptionslinie zielt, ist TDLAS unempfindlich gegenüber Querempfindlichkeiten durch andere Gase, Wasserdampf oder Staub. Das Verfahren vergiftet nicht, driftet nicht mit der Feuchte und benötigt keine häufige Nachkalibrierung.

Die Messkette

Jedes Specvaltech-Modul nutzt dieselbe fünfstufige Messkette. Wer jede Stufe versteht, kann das Modulverhalten besser einschätzen, die Integration planen und die Baumusterprüfung vorbereiten.

Diagramm der TDLAS-Messkette: DFB-Laser (Selektivität) → TEC-Regelung (Wellenlänge) → Gasmesszelle (Bereich und Weglänge) → Detektor (Rauschgrenze) → 2f/1f-Signalverarbeitung (Konzentrationsausgabe)

1. DFB-Laser – Selektivität Ein Distributed-Feedback-Halbleiterlaser emittiert bei einer Wellenlänge, die zu einer bestimmten Absorptionslinie des Zielgases passt. Diese Selektivität auf einer einzelnen Linie bildet die Grundlage der TDLAS-Unempfindlichkeit gegenüber Querempfindlichkeit.

2. TEC-Regelung – Wellenlängenstabilität Ein thermoelektrischer Kühler (TEC) hält den Laser auf einer präzisen Temperatur und damit die Emissionswellenlänge trotz Änderungen der Umgebungstemperatur auf der Zielabsorptionslinie.

3. Messzelle – Messbereich und optische Weglänge Die optische Weglänge durch die Messzelle bestimmt Messbereich und Empfindlichkeit. Längerer Weg = niedrigere Nachweisgrenze. Kürzerer Weg = höherer Konzentrationsbereich. Die Zellenauslegung wird an Zielgas und Konzentrationsbereich angepasst.

4. Detektor – Rauschpegel Ein Photodetektor wandelt das durchgelassene Laserlicht in ein elektrisches Signal um. Die Detektorauswahl bestimmt das Signal-Rausch-Verhältnis und letztlich die Messauflösung.

5. 2f/1f-Verarbeitung – Konzentrationsausgabe Die Wellenlängenmodulationsspektroskopie mit Detektion der zweiten Harmonischen (2f) extrahiert das Absorptionssignal aus dem Rauschen. Das Verhältnis 2f/1f normalisiert Leistungsschwankungen des Lasers und verbessert die Langzeitstabilität.

Ausgabe – sauberer Konzentrationswert Das verarbeitete Signal wird in einen Gaskonzentrationswert umgerechnet und über RS485, RS232 oder 4–20 mA ausgegeben. Ihr Geräte-Controller erhält einen kalibrierten Konzentrationswert, kein rohes optisches Signal.

Beer-Lambert-Gesetz: warum Weglänge und Konzentration zusammenhängen

Das Beer-Lambert-Gesetz beschreibt den Zusammenhang zwischen der Dämpfung des Laserlichts und der Gaskonzentration. Der absorbierte Lichtanteil hängt von der Gaskonzentration, dem Absorptionsquerschnitt bei der Laserwellenlänge und der optischen Weglänge durch das Gas ab.

Diagramm des Beer-Lambert-Gesetzes: Abschwächung der Laserintensität in einer Gasmesszelle als Funktion von Konzentration und optischer Weglänge

In der Praxis bedeutet das: Die Messzellenauslegung ist eine bewusste Engineering-Entscheidung. Eine längere Weglänge ermöglicht die Messung niedriger Konzentrationen im ppm-Bereich; für hohe Konzentrationen im %vol-Bereich ist ein kürzerer Weg nötig, um Sättigung zu vermeiden. Die Weglängen der Specvaltech-Module sind auf die veröffentlichten Konzentrationsbereiche der jeweiligen Gase abgestimmt.

Probenahmeform: wie das Gas zur Messzelle gelangt

Die Art der Gaszufuhr zur optischen Zelle beeinflusst Ansprechzeit, Wartungsbedarf und Eignung für verschiedene Installationsumgebungen.

Drei Probenahmeformen für TDLAS: Diffusion (Zelle hinter einer Öffnung, kein definierter Durchfluss), Durchfluss (Gas strömt durch die Zelle, definierte Austauschzeit) und extraktiv (mit Filtern und Aufbereitung)

Diffusion Die Zelle sitzt hinter einer Öffnung. Das Gas diffundiert hinein, ohne definierte Durchflussrate. Die Ansprechzeit hängt von der Diffusionsgeschwindigkeit ab. Geeignet für die Umgebungsüberwachung, wenn die Ansprechzeit nicht kritisch ist.

Durchfluss Das Gas strömt mit definierter Rate durch die Zelle. Die Austauschzeit wird kontrolliert. Der Druckabfall über der Zelle muss beherrscht werden. Diese Form wird bei der Pipeline-Installation von Line B und bei Line A mit interner Pumpe eingesetzt.

Extraktiv Das Gas wird aus dem Prozess entnommen, aufbereitet (gefiltert, getrocknet und druckgeregelt) und zur Zelle geführt. Das bietet die größte Flexibilität, aber auch den höchsten Wartungsaufwand. Geeignet, wenn die Prozessbedingungen eine direkte Messung nicht zulassen.

TDLAS vs. NDIR vs. katalytisch: was beim OEM-Design zählt

Eigenschaft	TDLAS	NDIR	Katalytische Perle
Querempfindlichkeit gegenüber Wasserdampf	Minimal (wellenlängenselektiv)	Erheblich	Nicht zutreffend
Sensorvergiftung	Keine	Keine	Ja – Silikone, H₂S, Blei
Hochkonzentriertes Methan (>5 %vol)	Ja (0–100 %vol)	Begrenzt (Zellensättigung)	Nein (nur UEG)
Nachkalibrierungsintervall	Jahre	Monate	Wochen bis Monate
Verhalten bei Staub / Aerosolen	Die Überwachung des optischen Wegs erkennt Verunreinigungen	Verschmutzung der Zelle verursacht Drift	Verschmutzung der Perle
Komplexität der OEM-Integration	Mittel (das Modul übernimmt die Optik)	Mittel	Gering (aber hoher Wartungsaufwand)

Messbereiche: segmentweise veröffentlicht

Specvaltech veröffentlicht Messbereiche segmentweise und nicht als einen einzigen ±%‑FS-Wert. Das bildet die tatsächliche Leistung über den Konzentrationsbereich besser ab, da das Beer-Lambert-Verhältnis bei hohen Konzentrationen nichtlinear wird.

CH₄-Messbereich: 0–5000 ppm (±10 ppm / ±2 % vom Messwert) und 0–100 %vol (±0,05 %vol / ±3 % vom Messwert), Auflösung 10 ppm

CO-Messbereich: 0–1000 ppm (±3 ppm / ±2,5 % vom Messwert) und 0–5000 ppm (±10 ppm / ±2,5 % vom Messwert)

CO₂-Messbereich: 0–5000 ppm (±10 ppm / ±2 % vom Messwert) und 0–100 %vol (±0,05 %vol / ±3 % vom Messwert)

NH₃-Messbereich: 0–100 ppm (±0,5 ppm / ±3 % vom Messwert) und 0–1000 ppm (±3 ppm / ±3 % vom Messwert)

Engineering-Hinweis zur Bereichsauswahl

Der benötigte Konzentrationsbereich bestimmt die Weglänge der Messzelle und damit die Bauform des Moduls. Deckt Ihre Anwendung sowohl ppm- als auch %vol-Bereiche ab (z. B. Lecksuche und hochkonzentriertes Absauggas), sollte dies in der technischen Bewertung besprochen werden – möglicherweise sind zwei Module oder ein umschaltbarer Messbereich erforderlich.

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