Aus einer Prozessleitung soll die CO₂-Konzentration mit einem NDIR-Messgerät bestimmt werden. Das Gas besitzt beispielsweise 10 Vol.-% CO₂, ist warm, nahezu wasserdampfgesättigt und steht in der Leitung unter mehreren bar Druck. Kann die Gasprobe einfach über einen Schlauch zum CO₂-Sensor geführt werden?
In der Regel nicht. Bei einer NDIR-CO₂-Messung ist nicht nur die tatsächliche CO₂-Konzentration des Prozesses relevant. Entscheidend ist auch, unter welchen Druck-, Temperatur- und Feuchtebedingungen das Gas die Messzelle erreicht.
Wird feuchtes Prozessgas in einer kalten Probenleitung abgekühlt, kann Wasser kondensieren. Wird die Probe vor der Messung getrocknet, verändert sich wiederum die Bezugsbasis der angegebenen CO₂-Konzentration. Gleichzeitig kann ein deutlich veränderter Probendruck die Infrarotabsorption beziehungsweise die daraus berechnete Konzentration beeinflussen.
Eine zuverlässige NDIR-CO₂-Messung beginnt deshalb bereits vor dem Sensor: Druck, Temperatur, Wasserdampfgehalt, Taupunkt, Probenleitung und gewünschte Nass- beziehungsweise Trockenbasis müssen zusammenpassen.
Wie funktioniert eine NDIR-CO₂-Messung?
NDIR steht für Non-Dispersive Infrared. Das Messprinzip nutzt die Eigenschaft von CO₂, Infrarotstrahlung in bestimmten Wellenlängenbereichen zu absorbieren.
Eine typische NDIR-Messzelle besteht vereinfacht aus:
- Infrarotquelle,
- Messstrecke mit dem Probengas,
- optischem Filter beziehungsweise wellenlängenselektiver Auswertung,
- Infrarotdetektor,
- Referenz- und Kompensationsverfahren.
Je mehr CO₂-Moleküle sich im optischen Messweg befinden, desto stärker wird die relevante Infrarotstrahlung absorbiert.
Die Elektronik berechnet daraus die CO₂-Konzentration.
Moderne NDIR-Sensoren verwenden zusätzliche Referenzmessungen beziehungsweise Kompensationsverfahren, um beispielsweise Alterung der Lichtquelle und Veränderungen des optischen Systems zu berücksichtigen.
Warum ist Wasserdampf bei CO₂-Messungen relevant?
Wasserdampf kann eine CO₂-Messung auf unterschiedliche Weise beeinflussen.
Drei Effekte sollten getrennt betrachtet werden:
- Gaszusammensetzung: Wasserdampf nimmt einen Anteil des Gesamtgasvolumens ein und verändert damit die auf Nassbasis angegebene CO₂-Konzentration.
- Optische beziehungsweise sensorspezifische Einflüsse: Je nach NDIR-Technologie kann Wasserdampf in der Signalverarbeitung berücksichtigt beziehungsweise kompensiert werden.
- Kondensation: Flüssiges Wasser in Leitung oder Messzelle ist ein völlig anderer Zustand als gasförmiger Wasserdampf und sollte vermieden werden.
Die Aussage „der Sensor ist für hohe Luftfeuchtigkeit geeignet“ bedeutet deshalb nicht automatisch, dass flüssiges Kondensat in die Messzelle gelangen darf.
Was ist der Unterschied zwischen Nass- und Trockenbasis?
Bei einem feuchten Gasgemisch kann die CO₂-Konzentration entweder auf das komplette feuchte Gas oder auf das nach mathematischer beziehungsweise physikalischer Entfernung des Wasserdampfes verbleibende trockene Gas bezogen werden.
Diese beiden Angaben werden häufig als:
- Wet basis / Nassbasis und
- Dry basis / Trockenbasis
bezeichnet.
Ein Beispiel:
Ein Prozessgas enthält auf Nassbasis:
10,0 Vol.-% CO₂
und:
5,0 Vol.-% H₂O
Wird der Wasserdampf vollständig herausgerechnet, ergibt sich vereinfacht:
CO₂ trocken = 10,0 % / (1 - 0,05)
also ungefähr:
10,53 Vol.-% CO₂
Beide Werte können korrekt sein. Sie beziehen sich lediglich auf unterschiedliche Gasbasen.
Bei Prozessmessungen muss deshalb eindeutig definiert sein, ob Grenzwert, Prozessspezifikation und Messgerät CO₂ auf Nass- oder Trockenbasis angeben.
Warum ist Kondensation in der Probenleitung problematisch?
Warmes Prozessgas kann große Mengen Wasserdampf enthalten.
Wird dieses Gas durch eine kühlere Leitung geführt und sinkt seine Temperatur unter den Taupunkt, kondensiert ein Teil des Wassers.
Dadurch können mehrere Probleme entstehen:
- Wasser sammelt sich in Schlauch beziehungsweise Rohrleitung,
- Filter können sich zusetzen,
- der Probengasstrom verändert sich,
- optische Flächen können verschmutzen oder benetzt werden,
- Reaktionszeit wird länger,
- die Gaszusammensetzung der verbleibenden Probe verändert sich.
CO₂ ist zudem in Wasser löslich. Bei Kondensation kann deshalb nicht einfach davon ausgegangen werden, dass ausschließlich Wasserdampf aus der Probe entfernt wird und sämtliche anderen Bestandteile unverändert bleiben.
Eine unkontrollierte Kondensation ist deshalb keine geeignete Methode zur Messgasaufbereitung.
Warum beeinflusst der Gasdruck die NDIR-Messung?
Die Infrarotabsorption hängt von der Anzahl der absorbierenden Moleküle innerhalb des optischen Messweges ab.
Ändert sich der Druck bei gleicher Zusammensetzung, ändert sich auch die Moleküldichte im Messvolumen.
Deshalb können NDIR-Messgeräte eine Druckabhängigkeit besitzen.
Hochwertige Prozessanalysatoren können den aktuellen Druck messen und rechnerisch kompensieren. Bei anderen Geräten ist dagegen ein definierter Probendruck Voraussetzung für die angegebene Messgenauigkeit.
Die Genauigkeitsangabe eines CO₂-Sensors sollte deshalb immer zusammen mit den spezifizierten Druckbedingungen betrachtet werden.
Warum muss Prozessdruck kontrolliert reduziert werden?
Ein mobiles Gaswarngerät oder ein für Umgebungsdruck ausgelegter Analysator darf nicht einfach direkt mit einer mehrere bar unter Druck stehenden Prozessleitung verbunden werden.
Die Gasprobe benötigt eine geeignete Druckreduzierung.
Ein typischer Aufbau kann beispielsweise enthalten:
Prozess → Probenahmeventil → Druckregler → Filter → Kondensatmanagement → Durchflussregelung → Messgerät
Welche Komponenten tatsächlich erforderlich sind, hängt vom Prozess ab.
Die Druckreduzierung muss so ausgelegt sein, dass der zulässige Eingangsdruck des nachgeschalteten Messsystems nicht überschritten wird.
Zudem ist zu berücksichtigen, dass sich ein Gas bei einer starken Druckreduzierung thermisch verändern kann. Dadurch kann sich die Kondensationssituation ebenfalls verändern.
Welche Rolle spielen Gastemperatur und Taupunkt?
Die relative Feuchtigkeit allein reicht zur Bewertung einer Prozessgasprobe häufig nicht aus.
Wichtiger ist die Frage:
Wie weit liegt die Temperatur der kältesten Stelle der Probenahme oberhalb oder unterhalb des Taupunktes?
Solange sämtliche gasberührten Bereiche ausreichend oberhalb des Taupunktes bleiben, bleibt Wasser gasförmig.
Fällt die Temperatur dagegen unter den Taupunkt, entsteht Kondensat.
Je nach Messstrategie bestehen deshalb grundsätzlich zwei Möglichkeiten:
- Probenleitung ausreichend warm halten und die Feuchte gasförmig bis zum Messgerät transportieren,
- Wasser kontrolliert in einer definierten Messgasaufbereitung entfernen.
Welche Variante sinnvoll ist, hängt davon ab, ob die CO₂-Konzentration auf Nass- oder Trockenbasis benötigt wird.
Wie sieht eine typische Probenaufbereitung aus?
Eine Messgasaufbereitung muss an Prozessgas, Druck, Temperatur, Partikelbelastung und gewünschte Messgröße angepasst werden.
Ein möglicher Aufbau besteht aus:
- Probenahmestelle: repräsentatives Gas aus dem Prozess entnehmen.
- Absperrung: Probe sicher vom Prozess trennen können.
- Druckreduzierung: Prozessdruck auf den zulässigen Messgasdruck reduzieren.
- Partikelfilter: Sensor und Probenweg vor Feststoffen schützen.
- Temperatur- beziehungsweise Kondensatmanagement: Kondensation verhindern oder kontrolliert behandeln.
- Durchflussbegrenzung: geeigneten Probengasstrom einstellen.
- Messgerät: Gas erst unter definierten Bedingungen zum Sensor führen.
Bei sicherheitsrelevanten Gasen müssen zusätzlich eine sichere Ableitung des Messgases und mögliche Ex-Anforderungen berücksichtigt werden.
Soll das Prozessgas vor der CO₂-Messung getrocknet werden?
Das lässt sich nicht pauschal beantworten.
Eine Trocknung kann technisch sinnvoll sein, wenn der eingesetzte Analysator trockenes, nicht kondensierendes Gas benötigt.
Sie verändert jedoch die Bezugsbasis der Messung.
Wird eine ursprünglich feuchte Probe getrocknet, steigt der CO₂-Anteil in Volumenprozent des verbleibenden trockenen Gasgemisches.
Für eine korrekte Bewertung muss deshalb klar sein:
- welche Feuchte vor der Aufbereitung vorhanden war,
- wie die Trocknung erfolgt,
- ob CO₂ auf Nass- oder Trockenbasis gefordert ist,
- ob Kalibrier- und Prozessmessung dieselbe Basis verwenden.
Ein trockenes Kalibriergas und ein feuchtes Prozessgas dürfen nicht ungeprüft miteinander verglichen werden, wenn die Feuchte einen relevanten Anteil des Gasgemisches ausmacht.
Welche Einflüsse hat die Probenleitung?
Auch die Verbindung zwischen Prozess und Messgerät gehört zur Messkette.
Bei der Auswahl und Verlegung sollten unter anderem berücksichtigt werden:
- Länge,
- Innendurchmesser,
- Werkstoff,
- Temperatur,
- Tiefpunkte,
- mögliche Kondensatbildung,
- zulässiger Druck,
- chemische Beständigkeit.
Eine unnötig lange Leitung erhöht das interne Gasvolumen und verlängert damit die Ansprechzeit.
Tiefpunkte können Kondensat sammeln und den Gasstrom teilweise oder vollständig blockieren.
Bei sehr dynamischen Prozessen kann deshalb ein weit entferntes Messgerät einen Zustand anzeigen, der im Prozess bereits einige Zeit zurückliegt.
Warum muss auch der Probengasstrom stimmen?
Bei einem gepumpten Gasdetektor wird das Gas mit einem definierten Volumenstrom durch die Probenleitung zum Sensor transportiert.
Ist der Durchfluss zu gering, steigt die Transport- und Ansprechzeit.
Ursachen können sein:
- verschmutzter Filter,
- Kondensat in der Leitung,
- geknickter Schlauch,
- zu lange Probenleitung,
- ungeeignete Druckverhältnisse.
Ist der Gasstrom dagegen für das Messsystem zu hoch beziehungsweise steht das Gas unter unzulässigem Überdruck, kann ebenfalls ein nicht spezifizierter Betriebszustand entstehen.
Der vom Hersteller vorgegebene Probenahmeaufbau sollte daher eingehalten werden.
Was bedeutet die Probenaufbereitung für Alarmgrenzen?
Bei einer sicherheitsrelevanten Messung muss eine Alarmgrenze auf die tatsächlich gemessene Konzentrationsbasis abgestimmt sein.
Ein Beispiel:
Ein Prozessgrenzwert bezieht sich auf:
CO₂ auf Nassbasis
Das Messgas wird vor dem Sensor jedoch vollständig getrocknet.
Der angezeigte CO₂-Wert auf Trockenbasis kann dadurch höher sein, obwohl sich die absolute CO₂-Menge im ursprünglichen Gas nicht verändert hat.
Eine Alarmgrenze darf deshalb nicht einfach übernommen werden, ohne zu klären, welche Bezugsbasis am Sensor tatsächlich vorliegt.
Zusätzlich erhöht jede Probenleitung die Ansprechzeit des gesamten Systems. Auch dies muss bei einer Alarmierungsstrategie berücksichtigt werden.
Kalibrierung und Prozessmessung unter vergleichbaren Bedingungen
Bei der Kalibrierung wird ein Gas bekannter Konzentration zum Sensor geführt.
Für eine aussagekräftige Kalibrierung sollten die Bedingungen der Kalibriergaszuführung möglichst zur vorgesehenen Messmethode passen.
Zu berücksichtigen sind insbesondere:
- Gasdruck am Sensor,
- Gasstrom,
- Temperatur,
- Feuchte beziehungsweise Nass-/Trockenbasis,
- Probenweg.
Eine Funktionsprüfung beziehungsweise ein Bump Test ist dabei nicht dasselbe wie eine vollständige Kalibrierung.
Bei der Funktionsprüfung wird hauptsächlich kontrolliert, ob:
- Sensor auf das Prüfgas reagiert,
- Anzeige plausibel ansteigt,
- Alarmierung funktioniert,
- Pumpe beziehungsweise Probenweg arbeiten.
Bei einer Kalibrierung wird dagegen die quantitative Zuordnung zwischen Gaskonzentration und Messwert überprüft beziehungsweise angepasst.
Praxisbeispiel: feuchtes CO₂-Prozessgas unter Druck
Eine Prozessleitung führt ein Gasgemisch mit:
8 Vol.-% CO₂
bei:
4 bar Prozessdruck
und hoher Wasserdampfbeladung.
Zur Kontrolle soll eine Probe zu einem mobilen NDIR-Gerät geführt werden.
Beim ersten Versuch wird ein langer unbeheizter Schlauch verwendet. Im kühleren Werkstattbereich bildet sich sichtbar Kondensat.
Gleichzeitig schwankt der Gasstrom und die CO₂-Anzeige reagiert ungewöhnlich langsam.
Die Messstrecke wird daraufhin neu aufgebaut:
- Probenahme direkt am repräsentativen Prozesspunkt.
- Kontrollierte Druckreduzierung.
- Definiertes Kondensat- beziehungsweise Feuchtemanagement.
- Kurze geeignete Probenleitung.
- Konstanter Gasstrom zum Messgerät.
Anschließend stabilisiert sich die Anzeige deutlich schneller.
Bei der Bewertung wird zusätzlich berücksichtigt, ob die Prozessangabe von 8 Vol.-% auf Nass- oder Trockenbasis definiert ist.
Das Beispiel zeigt: Ein schwankender NDIR-CO₂-Wert muss nicht auf einen defekten Infrarotsensor zurückzuführen sein. Bereits die Probenahme kann Druck, Feuchte und Gaszusammensetzung so verändern, dass am Sensor nicht mehr dieselben Bedingungen wie im Prozess vorliegen.
Unplausible CO₂-Werte systematisch diagnostizieren
- Prozess-CO₂-Bereich und erwartete Konzentration klären.
- Prüfen, ob der Wert auf Nass- oder Trockenbasis angegeben ist.
- Prozessdruck bestimmen.
- Zulässigen Eingangsdruck des Messgerätes prüfen.
- Gastemperatur und Taupunkt bewerten.
- Probenleitung auf Kondensat kontrollieren.
- Filter auf Verschmutzung beziehungsweise Wasser prüfen.
- Probengasstrom kontrollieren.
- Probenleitung möglichst kurz und frei von Tiefpunkten halten.
- Prüfen, ob Druckkompensation erforderlich beziehungsweise vorhanden ist.
- Null- und Prüfgas verwenden und Sensorreaktion prüfen.
- Bei Alarmanwendungen komplette Alarmkette testen.
Häufige Fehler
- Prozessgas direkt aus einer Druckleitung zum mobilen Gasmessgerät führen: Der zulässige Probengasdruck kann überschritten werden.
- Hohe Luftfeuchtigkeit mit Kondensat gleichsetzen: Gasförmiger Wasserdampf und flüssiges Wasser sind messtechnisch unterschiedliche Zustände.
- Nass- und Trockenbasis verwechseln: Nach dem Trocknen besitzt dasselbe Gasgemisch einen anderen CO₂-Volumenanteil.
- Kondensat in der Probenleitung ignorieren: Es kann Gasstrom, Zusammensetzung und Ansprechzeit verändern.
- Nur die relative Feuchte betrachten: Für die Kondensationsgefahr ist die Beziehung zwischen Gastemperatur und Taupunkt entscheidend.
- Druckeinfluss ignorieren: NDIR-Messungen können druckabhängig sein beziehungsweise definierte Druckbedingungen erfordern.
- Kalibriergas trocken zuführen und feuchtes Prozessgas ungeprüft vergleichen: Die Bezugsbedingungen können unterschiedlich sein.
- Sehr lange Probenleitungen verwenden: Dadurch steigt die Totzeit des Messsystems.
- Filter nur auf Partikel prüfen: Ein mit Kondensat gefüllter Filter kann den Probengasstrom ebenfalls stark reduzieren.
- Funktionsprüfung mit Kalibrierung gleichsetzen: Eine Sensorreaktion beweist noch nicht automatisch die quantitative Messgenauigkeit.
Gas-Pro IR für mobile CO₂-Messungen
Ein konkretes mobiles Gaswarngerät mit Infrarotmessung für Kohlendioxid ist der Crowcon Gas-Pro IR.
Das Gerät kann abhängig von der Konfiguration mehrere Gase gleichzeitig überwachen. Für CO₂ steht ein Infrarotsensor mit einem Messbereich von:
0 ... 5 Vol.-% CO₂
zur Verfügung.
Für Fernprobenahmen kann der Gas-Pro optional mit einer internen Pumpe ausgestattet werden. Dadurch kann Gas beispielsweise vor dem Betreten eines Bereiches über eine Probenleitung angesaugt werden.
Zusätzlich verfügt das Gerät über:
- akustische Alarmierung,
- optische Alarmierung,
- Vibrationsalarm,
- Datenlogging,
- Ereignisspeicher,
- Bump- und Kalibriererinnerungen.
Der spezifizierte Feuchtebereich liegt bei 10 ... 95 % rF. Dies bedeutet jedoch nicht, dass Flüssigwasser beziehungsweise Kondensat in die Sensorik gelangen sollte.
Bei der Entnahme von Gas aus einer unter Druck stehenden, heißen oder stark feuchten Prozessleitung muss deshalb eine geeignete Probenaufbereitung vorgeschaltet werden.
Insbesondere darf der portable Gas-Pro IR nicht wie ein direkt druckbeaufschlagter Inline-Prozessanalysator behandelt werden.
Weitere Informationen finden Sie beim Crowcon Gas-Pro IR sowie unter Gasmessgeräte / Gaswarngeräte bei ICS Schneider.
Fazit
Eine NDIR-CO₂-Messung bei feuchtem Prozessgas wird nicht allein durch den Infrarotsensor bestimmt. Die gesamte Probenahmekette gehört zur Messung.
Wasserdampf verändert den auf Nassbasis angegebenen Anteil der übrigen Gaskomponenten. Wird die Probe getrocknet, ändert sich dadurch der CO₂-Wert auf Trockenbasis.
Noch kritischer ist unkontrollierte Kondensation. Flüssiges Wasser in Probenleitung, Filter oder Messzelle kann Gasstrom, Zusammensetzung und Ansprechverhalten beeinflussen.
Auch der Druck darf nicht ignoriert werden. Das NDIR-Prinzip reagiert auf die Anzahl der absorbierenden Moleküle im optischen Messweg. Deshalb benötigt ein Messgerät entweder geeignete Druckkompensation oder definierte Druckbedingungen.
Bei unter Druck stehendem Prozessgas muss der Probendruck kontrolliert reduziert werden. Dabei müssen Temperatur und Taupunkt ebenfalls berücksichtigt werden, weil sich durch die Druck- und Temperaturänderung neue Kondensationsbedingungen ergeben können.
Für eine zuverlässige CO₂-Messung gilt deshalb: zuerst festlegen, ob der Wert auf Nass- oder Trockenbasis benötigt wird, anschließend Probendruck, Gastemperatur und Taupunkt kontrollieren, Kondensation vermeiden beziehungsweise definiert behandeln und erst danach das aufbereitete Gas unter den spezifizierten Bedingungen zum NDIR-Sensor führen.
FAQ: NDIR-CO₂-Messung bei feuchtem Prozessgas
Was bedeutet NDIR bei einer CO₂-Messung?
NDIR steht für Non-Dispersive Infrared. CO₂ absorbiert Infrarotstrahlung in charakteristischen Wellenlängenbereichen. Aus der gemessenen Absorption wird die Gaskonzentration bestimmt.
Beeinflusst Wasserdampf eine NDIR-CO₂-Messung?
Ja. Wasserdampf beeinflusst unter anderem die Gaszusammensetzung und damit die Unterscheidung zwischen Nass- und Trockenbasis. Je nach Sensor können zusätzlich sensorspezifische optische Einflüsse berücksichtigt werden.
Was ist der Unterschied zwischen CO₂ auf Nassbasis und Trockenbasis?
Bei der Nassbasis wird Wasserdampf als Bestandteil des Gesamtgasgemisches berücksichtigt. Bei der Trockenbasis wird der CO₂-Anteil auf das wasserfreie Restgas bezogen. Der Zahlenwert ist deshalb auf Trockenbasis höher.
Warum ist Kondensat problematischer als hohe Luftfeuchtigkeit?
Kondensat liegt als Flüssigkeit vor und kann Leitungen, Filter und optische Messwege beeinflussen. Hohe Feuchtigkeit bedeutet dagegen zunächst lediglich, dass viel Wasser gasförmig vorhanden ist.
Kann ein NDIR-CO₂-Sensor direkt an eine Druckgasleitung angeschlossen werden?
Nur wenn das konkrete Messsystem ausdrücklich für diesen Prozessdruck ausgelegt ist. Bei mobilen beziehungsweise für annähernden Umgebungsdruck ausgelegten Geräten muss der Probendruck vorher kontrolliert reduziert werden.
Warum beeinflusst Druck die CO₂-Messung?
Mit dem Gasdruck verändert sich die Moleküldichte im optischen Messvolumen. NDIR-Geräte benötigen deshalb je nach Bauart eine Druckkompensation oder definierte Druckbedingungen.
Warum kann eine Druckreduzierung Kondensation verursachen?
Durch Druckänderung kann sich auch die Gastemperatur verändern. Gleichzeitig ändern sich die Bedingungen, unter denen Wasserdampf kondensiert. Deshalb sollten Druckreduzierung und Taupunkt gemeinsam betrachtet werden.
Sollte feuchtes Prozessgas immer vor der CO₂-Messung getrocknet werden?
Nein. Das hängt vom Messgerät und davon ab, ob der Prozesswert auf Nass- oder Trockenbasis benötigt wird. Eine Trocknung verändert die Bezugsbasis des CO₂-Wertes.
Wie kann Kondensation in der Probenleitung verhindert werden?
Je nach Anwendung kann die Probenleitung oberhalb des Taupunktes temperiert oder die Feuchte in einer kontrollierten Messgasaufbereitung entfernt werden.
Warum sollte die Probenleitung möglichst kurz sein?
Eine lange Leitung enthält ein größeres Gasvolumen und erhöht dadurch die Transport- und Ansprechzeit. Zusätzlich steigt das Risiko von Temperaturänderungen und Kondensation.
Was ist der Unterschied zwischen Bump Test und Kalibrierung?
Beim Bump Test wird hauptsächlich geprüft, ob der Sensor auf Gas reagiert und die Alarmfunktionen arbeiten. Bei der Kalibrierung wird die quantitative Zuordnung zwischen bekannter Gaskonzentration und Messwert überprüft beziehungsweise eingestellt.
Welches konkrete Gerät kann CO₂ mit Infrarottechnik messen?
Ein Beispiel ist der Crowcon Gas-Pro IR. Er kann mit einem CO₂-Infrarotsensor im Bereich 0 bis 5 Vol.-% ausgestattet werden und ist optional mit einer internen Pumpe für Fernprobenahmen erhältlich.