NDIR-Gasanalyse von URAS bis heute: Warum die Physik für SIL spricht und der Ersatz zum Problem wird

Definition

NDIR-Gasanalyse (nichtdispersive Infrarot-Absorptionsmessung) bestimmt die Konzentration infrarotaktiver Gase wie CO, CO₂, CH₄ oder SO₂ über die Absorption von Infrarotstrahlung in einer Messküvette. Die Selektivität entsteht nicht durch Zerlegen des Spektrums, sondern durch gasgefüllte Detektoren und optische Filter.

Warum ist das Thema relevant?

Das Messprinzip ist alt, die Geräte sind es oft auch. In vielen Anlagen laufen NDIR-Analysatoren seit 30 Jahren und länger, teilweise als Teil einer Schutzfunktion. Die eigentliche Frage ist deshalb selten, ob das Prinzip funktioniert. Sie lautet: Wie lange ist das Gerät noch zu bekommen, zu warten und zu ersetzen?

Dieser Artikel hat drei Teile. Er erklärt, warum ein Messprinzip, dessen Selektivität in der Hardware steckt, sich für sicherheitsgerichtete Anwendungen besonders anbietet. Er zeichnet nach, wie sich das Prinzip seit dem URAS von 1938 entwickelt hat. Und er zeigt, warum sich alte Geräte nicht einfach durch neue ersetzen lassen.

Drei Dinge kommen dabei zusammen: Das Wartungswissen geht mit den erfahrenen Kollegen in Rente, Ersatzteile werden knapp, und neue Geräte halten nach meiner Beobachtung kürzer. Der Ersatz muss deshalb früh geplant werden, nicht erst beim Ausfall.

Funktionsprinzip

Ein NDIR-Analysator schickt Infrarotstrahlung durch eine Messküvette, in der das Probengas strömt. Gase, die in diesem Wellenlängenbereich absorbieren, schwächen die Strahlung. Die Schwächung hängt nach dem Lambert-Beer-Gesetz mit der Konzentration zusammen.

Das Besondere an der klassischen Bauart: Der Detektor ist selbst mit dem Zielgas gefüllt und spricht deshalb nur auf dessen Absorptionswellenlängen an. Eine Zerlegung des Lichts mit Prisma oder Gitter findet nicht statt. Überlappen sich die Banden eines Störgases mit denen des Zielgases, kommt eine Filterküvette mit dem Störgas zum Einsatz — pro Störgas eine eigene Küvette.

Baugruppe	Aufgabe
IR-Strahlungsquelle	liefert breitbandige Infrarotstrahlung
Chopper (rotierende Blende)	moduliert die Strahlung, damit der Detektor ein Wechselsignal liefert und Drift ausgeblendet wird
Messküvette	durchströmt vom Probengas
Vergleichsküvette	gefüllt mit nicht absorbierendem Gas (typisch Stickstoff), liefert die Referenz
Filterküvette	entfernt überlappende Absorptionsbanden eines Störgases
Optopneumatischer Detektor (Luft-Detektor)	zwei gasgefüllte Kammern, in denen absorbierte Strahlung Druckunterschiede erzeugt; diese werden kapazitiv oder per Strömungssensor ausgewertet
Auswerteelektronik	wandelt das Detektorsignal in den Messwert und das Ausgangssignal um

Typische Absorptionswellenlängen liegen bei etwa 4,26 µm (4.260 nm) für CO₂ und 4,67 µm (4.670 nm) für CO. Die tatsächlichen Filter- und Detektorbanden sind geräte- und herstellerspezifisch. Wasserdampf absorbiert über weite Teile des Infrarotbereichs und ist deshalb die häufigste Querempfindlichkeit. Er muss bei der Auslegung der Messung berücksichtigt werden.

Prinzipschema eines NDIR-Zweistrahl-Photometers in der klassischen Bauart (URAS): zwei Strahler, Chopper, Filter-, Vergleichs- und Messküvette, Empfänger mit Membrankondensator. Heutige Geräte sind anders aufgebaut, siehe die folgenden beiden Abschnitte. Quelle: Analytic Journal.

Einstrahl-Photometer mit Zweischichtempfänger (UNOR)

Zwischen dem URAS und den heutigen Geräten steht eine dritte Bauart. Karl Friedrich Luft entwickelte sie ab 1957 beim Steinkohlenbergbauverein in Essen, gezielt zur schnellen CO-Messung unter Tage, um Grubenbränden entgegenzuwirken. Das Gerät kam als UNOR auf den Markt.

Neu war der Zweischichtempfänger. Ein strahlungsdurchlässiges Fenster teilt den Empfänger in zwei hintereinanderliegende Kammern, beide mit der Zielkomponente gefüllt und nacheinander durchstrahlt. Die vordere, kürzere Kammer absorbiert vorwiegend die Strahlung aus den Zentren der Absorptionslinien, die hintere, längere die aus den Flanken. Die Differenz der optopneumatischen Signale misst ein Membrankondensator.

Der Gewinn liegt in der Selektivität. Über die Wahl der Kammerlängen lässt sich die Querempfindlichkeit durch Begleitgase gezielt minimieren, und zwar ohne zweite Küvette. Der Aufbau kommt mit einem Strahlengang aus.

Maihak UNOR 6N als 19-Zoll-Einschub. Analoge Zeigeranzeige mit der Skala Vol.-% CO₂, dreisprachige Beschriftung, Bedienelemente für Heizung, Störung, Alarm 1 und Alarm 2, Messbereich, Nullpunkt, Empfindlichkeit und Pumpe. Das abgebildete Gerät ist eine CO₂-Ausführung; die Prüfplakette trägt ein Datum aus dem Jahr 2017. Quelle: cadeex, mit freundlicher Genehmigung.

Bemerkenswert an dieser Bauform sind zwei Dinge. Die beiden Grenzwertkontakte Alarm 1 und Alarm 2 sitzen direkt am Gerät, die Grenzwertüberwachung braucht also keine zusätzliche Logik. Und die Anzeige ist ein analoges Zeigerinstrument, bei dem ein schleichender Signalverlust nur auffällt, wenn jemand den Zeiger über die Zeit beobachtet oder regelmäßig mit Prüfgas prüft.

Im Februar 1962 gewann das Gerät in Luxemburg den ersten Preis eines Preisausschreibens der Montanunion zur Erhöhung der Grubensicherheit. Die Herstellungslizenz ging an die Hamburger Maihak AG, die 1963/64 mit dem UNOR 2 eine Ausführung für CO, CO₂ und CH₄ nachlegte. Spätere Geräte der Reihe wie der UNOR 6N sind in Hochschularbeiten als Detektor in der Abgasanalytik dokumentiert und wurden ebenso für CO eingesetzt.

Wie heutige Geräte gebaut sind

Heutige Gasanalysatoren sind kompakter. Das Gerätehandbuch eines aktuellen NDIR-Analysators beschreibt einen Aufbau mit einer einzigen IR-Quelle. Ein Strahlteiler erzeugt daraus Mess- und Vergleichsstrahl und wirkt zugleich als gasgefüllte Filterküvette. Der Chopper unterbricht beide Strahlen abwechselnd, sodass ein einziger Detektor beide nacheinander sieht.

Der Detektor ist dort ein Zweischichtdetektor. Seine beiden Kammern sind über einen Mikroströmungsfühler verbunden, nicht über einen Membrankondensator. Optisch bleibt das ein Zweistrahl-Photometer, auch wenn nur eine Quelle verbaut ist.

Das Empfängerprinzip selbst ist nicht neu. Nach Ablauf des UNOR-Patents griffen es sowohl Siemens als auch Hartmann & Braun auf, Siemens im Ultramat 5 mit einem durchstrahlten Vierkammerempfänger, Hartmann & Braun im URAS 3 mit einem teilgeschichteten Vierkammerempfänger. In beiden Fällen ging es um dasselbe Ziel wie beim UNOR: geringere Querempfindlichkeit.

Daneben hat sich eine Bauart etabliert, die weder eine Vergleichsküvette noch einen gasgefüllten Detektor braucht: das Einstrahl-Filterphotometer.

Einstrahl-Filterphotometer

Hier gibt es nur einen Strahlengang und eine Küvette. Die Referenz entsteht nicht räumlich über eine zweite Küvette, sondern zeitlich. Ein rotierendes Filterrad bringt nacheinander verschiedene Filter in den Strahl, darunter eine Wellenlänge, bei der die Zielkomponente nicht absorbiert. Aus dem Verhältnis von Mess- und Referenzsignal folgt die Konzentration.

Herstellerunterlagen nennen dafür zwei Verfahren. Bei der Interferenzfilterkorrelation wählen schmalbandige Filter die Wellenlängen aus. Bei der Gasfilterkorrelation sitzt eine gasgefüllte Zelle im Rad, die das Spektrum der Zielkomponente nachbildet. Weil jedes Filter eine eigene Wellenlänge bedient, misst ein Gerät mehrere Komponenten nacheinander im selben Strahlengang.

Einstrahl-Filterphotometer: ein Strahlengang, eine Küvette, rotierendes Filterrad mit Mess- und Referenzfiltern, ein Detektor ohne Gasfüllung. Die Konzentration folgt aus dem Verhältnis von Mess- und Referenzsignal. Quelle: Analytic Journal, schematisch nach Herstellerunterlagen.

Der Detektor ist hier nicht mit dem Zielgas gefüllt, die Selektivität liefern die Filter. Herstellerangaben reichen bis zu sechs gleichzeitig bestimmten Komponenten und Filterrädern mit bis zu acht Wellenlängen. Manche dieser Geräte decken dabei mehr ab als das klassische Infrarotfenster und reichen bis ins nahe Infrarot oder in den sichtbaren Bereich. Anordnung und Detektortyp unterscheiden sich von Gerät zu Gerät und stehen selten vollständig im Datenblatt.

Bauart	Strahlengang	Selektivität durch	Detektor	Typischer Einsatz
Klassisch (URAS)	zwei Strahler, Mess- und Vergleichsküvette	Gasfüllung im Detektor, Filterküvetten	optopneumatisch, mit Membrankondensator	Einkomponentenmessung, viele Altgeräte im Bestand
Einstrahl mit Zweischichtempfänger (UNOR)	ein Strahlengang, ohne Vergleichsküvette	Zweischichtempfänger, Kammerlängen gegen Querempfindlichkeit	optopneumatisch, zwei hintereinanderliegende Kammern, Membrankondensator	ursprünglich CO unter Tage, später Abgas- und Prozessanalytik
Eine IR-Quelle mit Strahlteiler	eine Quelle, zwei Strahlengänge	Gasfüllung im Detektor, Strahlteiler als Filterküvette	Zweischichtdetektor mit Mikroströmungsfühler	heutige Gasanalysatoren, eine bis wenige Komponenten
Einstrahl-Filterphotometer	ein Strahlengang, eine Küvette	Interferenzfilter, Gasfilterzelle, Referenzwellenlänge	geräteabhängig, ohne Gasfüllung, zum Beispiel pyroelektrisch	Mehrkomponentenmessung, bis zu sechs Komponenten

Die Einordnung ist redaktionell und beschreibt verbreitete Bauarten, keine vollständige Marktübersicht.

Entscheidend ist, was alle vier Bauarten gemeinsam haben: Die Selektivität steckt in der Hardware, in der Gasfüllung des Detektors oder in den Filtern. Eine Spektrenauswertung über ein Kalibriermodell findet nicht statt. Genau darauf baut die Sicherheitsargumentation im nächsten Abschnitt auf.

Von URAS bis heute

Der URAS (Ultra-Rot-Absorptions-Schreiber) gilt als erstes industrielles Infrarot-Prozessanalysengerät nach dem NDIR-Prinzip. Entwickelt wurde er bei der BASF in Ludwigshafen. E. Lehrer und K. F. Luft meldeten ihn im März 1938 unter der Nummer DRP 730478 zum Patent an.

Der erste Einsatz war die CO-Überwachung in der Ammoniaksynthese. Dort hatte die BASF schon 1913 mit dem Pfeifenanalysator von Paul Gmelin das erste patentierte Prozessanalysenmessgerät eingesetzt, das das Stickstoff-Wasserstoff-Verhältnis bestimmte. Nach 1945 kamen URAS-Geräte in die USA und nach England und wurden dort unter anderem von Perkin-Elmer und Beckman nachgebaut.

Original BASF-Werbeanzeige für den URAS, ca. 1940er Jahre. Quelle: BASF SE, mit freundlicher Genehmigung.

Original URAS-Gerät, Innenansicht: oben Strahler und Motor, in der Mitte Küvetten und Empfänger, unten die Elektronik. Quelle: BASF SE, mit freundlicher Genehmigung.

Jahr	Ereignis	Quelle
1913	Pfeifenanalysator (N₂/H₂-Verhältnis, Ammoniaksynthese): erstes patentiertes Prozessanalysenmessgerät, BASF	AJ-Historie (nach BASF)
März 1938	Patentanmeldung des URAS durch Lehrer und Luft, DRP 730478	AJ-Historie (nach BASF)
nach 1945	URAS-Geräte in USA und England, Nachbau unter anderem durch Perkin-Elmer und Beckman	AJ-Historie (nach BASF)
ab 1957	K. F. Luft entwickelt beim Steinkohlenbergbauverein Essen den UNOR mit Zweischichtempfänger für die CO-Messung unter Tage	Schmidt 2003
Februar 1962	Erster Preis eines Montanunion-Preisausschreibens zur Grubensicherheit, Herstellungslizenz an Maihak	Schmidt 2003
1963/64	UNOR 2 für CO, CO₂ und CH₄	Schmidt 2003
1968	850 URAS-Geräte allein bei der BASF im Einsatz	AJ-Historie (nach BASF)
1986	1.122 gebaute URAS-Geräte insgesamt, meistverwendetes Analysengerät seiner Zeit	BASF
1988	Gasgefüllte Prüfküvetten ersetzen Prüfgasflaschen bei der Kalibrierung (Herstellerangabe)	ABB
1996	URAS-Technik als Basis der modularen Advance-Optima-Reihe, erster netzwerkfähiger Analysator mit eigener IP-Adresse (Herstellerangabe)	ABB

Die Zeitleiste ist ein Auszug aus öffentlich zugänglichen Quellen, ohne Anspruch auf Vollständigkeit. Die Stückzahlen von 1968 (im Einsatz bei der BASF) und 1986 (insgesamt gebaut) messen Unterschiedliches. Analytic Journal bewertet Hersteller und Geräte redaktionell unabhängig.

Das Prinzip selbst hat sich in dieser Zeit kaum verändert. Geändert haben sich Elektronik, Kalibrierhilfen, Kommunikation und Dokumentation. Genau dort liegt die Schwachstelle des heutigen Ersatzes.

Warum die Physik für SIL spricht

Bei NDIR bestimmt die Physik die Selektivität: die Absorption im gewählten Band und, je nach Bauart, die Gasfüllung im Detektor oder die Interferenzfilter. In keiner der oben beschriebenen Bauarten gibt es ein statistisches Modell, das aus Spektren erst eine Konzentration berechnet. Der Messwert folgt aus dem Detektorsignal und der Kalibrierung.

Das macht das Gerät nachvollziehbar. Eine Fehlfunktion lässt sich am Signalweg verfolgen, und die Funktion lässt sich mit Prüfgasen am Gerät selbst nachweisen. Für eine sicherheitsgerichtete Bewertung nach IEC 61508 und IEC 61511 ist das ein Vorteil, weil sich Fehlermodi und Prüfverfahren konkret beschreiben lassen.

Merkmal	NDIR-Analysator (klassische Bauart)	NIR / FT-NIR mit Kalibriermodell	Inline-Raman mit Chemometrie
Woher kommt die Selektivität?	Detektor-Gasfüllung und Filterküvetten (Hardware)	Spektrum plus Kalibriermodell (Software)	Spektrum plus Kalibriermodell (Software)
Auswertelogik	einfach, aus Detektorsignal und Kalibrierung	Spektrometer, Rechner, Chemometrie-Software	Chemometrie, üblicherweise auf Windows-basierter Spektrometersoftware
Prüfung der Funktion	Null- und Prüfgas am Gerät	Referenzmaterial, Standardproben, Modellvalidierung	Referenzmessungen und Modellvalidierung
Typische Rolle in der Prozessindustrie	Gasanalyse, auch in Sicherheitsfunktionen	Regelung, Reaktions- und Qualitätsüberwachung	Reaktionsüberwachung
Öffentlich nachweisbare SIL-Unterlagen	Beispiele vorhanden (Sicherheitshandbuch)*	dem Autor nicht bekannt	nach heutigem Stand nicht ohne Weiteres SIL-tauglich

* „Nachweisbar“ heißt nicht „automatisch geeignet“. SIL ist eine Eigenschaft des konkreten Geräts, seiner Konfiguration und seines Prüfverfahrens, nicht des Messprinzips. Die Auswahl der Merkmale und die Einordnung sind eine redaktionelle Einschätzung.

Ein Beispiel aus der Praxis der Dokumentation: Das Sicherheitshandbuch eines IR-Gasanalysators weist die Hardware nach IEC 61508 und IEC 61511-1 für SIL 1 aus. Als Sicherheitsfunktion zählt dort allein der analoge 4–20-mA-Ausgang für die Grenzwertüberwachung, das Relais dient nur der Diagnose. Der Hersteller empfiehlt mindestens eine jährliche Wiederholungsprüfung, mit einer Zweipunktkalibrierung und einer Prüfgasmessung in der erweiterten Variante.

Solche Angaben unterscheiden sich von Gerät zu Gerät. Wer ein Gerät in einer Sicherheitsfunktion betreibt oder ersetzt, braucht die Unterlagen genau dieses Typs und dieser Konfiguration.

Für Analysatoren in Sicherheitsfunktionen gibt es einen eigenen technischen Bericht, IEC TR 63176:2019. Er gibt Hinweise zu Planung, Installation und Betrieb einschließlich Wartung und ergänzt die allgemeinen Anforderungen um analysatorspezifische Punkte.

Aus der Anwenderseite kommt die NAMUR-Empfehlung NE 146 dazu, die Systeme der Prozessanalysentechnik als Teil von PLT-Sicherheitseinrichtungen behandelt. Sie bezieht vorhandene Erfahrungen mit prozessanalytischen Messeinrichtungen als Sensorteil sicherheitstechnischer Systeme auf die bestehenden Normen. Ergänzend regelt NE 130 die Auswahl von Feldgeräten für PLT-Sicherheitseinrichtungen unter Berücksichtigung der Betriebsbewährung.

Die Betriebsbewährung ist für Prozessanalysatoren der praktisch wichtigere Weg. Zertifizierte Ausfallraten aus einer Herstelleranalyse sind in diesem Gerätesegment selten, und ohne dokumentierte Störungen und Prüfergebnisse aus dem eigenen Betrieb gibt es dafür keine Grundlage. Das macht Wartungsaufzeichnungen zu einem Teil des Sicherheitsnachweises und nicht nur zu guter Praxis.

Differenzierung: Software ist nicht ausgeschlossen, NDIR nicht automatisch sicher

Spektroskopie mit Software ist nicht grundsätzlich SIL-ungeeignet. Sie ist aufwendiger zu qualifizieren, weil Modellgültigkeit, Kalibriertransfer, Drift, Störgrößen, Software-Versionierung und Validierung Teil des Nachweises werden.

Umgekehrt ist NDIR nicht automatisch einfach sicher. Quelle, Chopper, Küvettenfenster, Detektor, Probenaufbereitung und Elektronik haben jeweils eigene Ausfallmodi. Die Nachvollziehbarkeit erleichtert die Analyse, ersetzt aber nicht die Bewertung der Wahrscheinlichkeit gefährlicher Ausfälle (PFDavg), der Diagnoseabdeckung und der Proof-Test-Strategie.

NIR und FT-NIR: etabliert, aber ohne bekannten SIL-Nachweis

FT-NIR wird in der Prozessindustrie nach meiner Erfahrung überwiegend für Regelung sowie Reaktions- und Qualitätsüberwachung eingesetzt. Ein sicherheitsgerichteter Einsatz wurde diskutiert. Mir sind keine öffentlich nachweisbaren, gerätespezifischen SIL-Zertifizierungen oder Sicherheitshandbücher für FT-NIR-Analysatoren bekannt, vergleichbar mit denen einiger NDIR-Gasanalysatoren. Das ist ein Befund des Autors und kein Beweis, dass es sie nicht gibt.

Ex-Zulassungen nach ATEX oder IECEx ändern daran nichts. Sie betreffen den Explosionsschutz, also die Vermeidung von Zündquellen, und sagen nichts über Ausfallwahrscheinlichkeit, Hardware-Fehlermetriken oder einen SIL-Nachweis.

Der Engpass liegt weniger in der Spektroskopie als in der Auswertung. Kalibriermodell, Referenzierung, Modellvalidierung und Änderungsmanagement müssten Teil des Sicherheitsnachweises werden. Ein SIL-Einsatz wäre damit heute ein projektspezifischer Sonderweg und nicht der Standardfall.

Stärken und Grenzen im Betrieb

NDIR ist in der Gasanalyse etabliert, weil der Signalweg kurz und die Funktion am Gerät prüfbar ist. Die Grenzen liegen weniger im Prinzip als in den Bauteilen und in der Probenaufbereitung.

Stärke	Zugehörige Grenze
Selektivität aus der Hardware, kein Kalibriermodell	nur infrarotaktive Gase messbar; O₂, N₂ und H₂ absorbieren nicht
Funktion mit Null- und Prüfgas direkt am Gerät prüfbar	Prüfgase müssen vorgehalten und auf Haltbarkeit überwacht werden
Einfacher, nachvollziehbarer Signalweg	Chopper und Strahlungsquelle sind Verschleißteile
Messwert folgt direkt aus dem Detektorsignal	ein schleichender Signalverlust wird als Konzentrationsänderung gelesen
Lange Standzeiten im Feld	die Ersatzteilversorgung begrenzt die nutzbare Lebensdauer, nicht die Physik

Die unangenehmste Fehlerart ist nicht der Totalausfall. Ein Gerät, das stehen bleibt, fällt sofort auf. Gefährlicher ist der schleichende Signalverlust: belegte oder beschlagene Küvettenfenster, eine alternde IR-Quelle, eine über Jahre nachlassende Detektorfüllung.

Das Gerät meldet dabei nichts. Es misst weiter, nur zu niedrig. In einer Sicherheitsfunktion ist genau das der gefährliche unerkannte Ausfall, den die Wiederholungsprüfung aufdecken soll. Deshalb steht in den Sicherheitshandbüchern ein Prüfintervall und keine Zustandsanzeige.

Die zweite Grenze liegt vor dem Analysator. Wasserdampf, Staub und Kondensat im Messgas verfälschen die Messung oder setzen die Küvette zu. Nach meiner Erfahrung sitzt die Mehrzahl der Störungen in der Probenaufbereitung und nicht im Analysator.

Aus der Praxis: alte Geräte, Ersatzgeräte und Kollegen im Ruhestand

Hartmann-&-Braun-Analysatoren im Bestand

Ich habe Hartmann-&-Braun-Analysatoren noch im Betrieb gesehen, mit ihnen gearbeitet und Ersatz bereitgelegt. Viele dieser Geräte sind 30 bis 35 Jahre alt. Sie wurden früher von Kollegen gewartet, die noch selbst gelötet haben, und diese Kollegen sind heute zum großen Teil in Rente.

Daraus entstehen zwei Lücken. Die erste ist Wissen: Wie tauscht man einen Detektor, was sagt die Anzeige im Grenzbereich, wie klingt ein Chopper-Motor kurz vor dem Ausfall? Die zweite ist Material, denn Teile für Geräte dieses Alters sind oft nur noch aus Beständen zu bekommen.

Ein UNOR in der Raumluftüberwachung

Ein zweiter Fall zeigt, womit Betreiber diese Lücke schließen. In einem Betrieb lief eine Raumluftüberwachung auf CO mit mehreren Messstellen, Hauptanalysator war ein alter UNOR. Die Frage an mich lautete, ob sich das Gerät noch warten lässt.

Meine Antwort war unbequem. Das Gerät ist alt und schon lange abgekündigt, die Kollegen, die solche Analysatoren gewartet und vor allem repariert haben, gehen gerade in Pension, und Ersatzteile gibt es dafür schon lange nicht mehr. Daraufhin wurde mir ein komplettes zweites Gerät gezeigt, das im Lager liegt und als Ersatz dient.

Wir haben es im Labor geprüft, es lief einwandfrei. Seitdem läuft es so: Das Ersatzgerät wird einmal im Jahr getestet, der alte Analysator misst weiter. Das ist kein Ersatzteilkonzept, sondern die bewusste Entscheidung für ein zweites Gerät, und sie trägt nur so lange, wie jemand beide prüfen kann.

Wie alt der Schrank insgesamt ist, zeigt ein Detail daneben. Die eingebaute Messgaspumpe stammt aus einer der ersten Baureihen von Bühler Technologies. Der Hersteller hat bereits angemeldet, dass er sie für sein Museum haben möchte, sobald der Schrank abgebaut wird.

Warum die Haltbarkeit neuer Geräte sinkt (Beobachtung und Hypothese)

Meine Beobachtung aus der Praxis: Neue Geräte halten oft nicht mehr so lange wie die alten. Als möglichen Grund sehe ich die geringere Fertigungstiefe der Hersteller. Früher wurde mehr im eigenen Haus gebaut, heute wird die Elektronik überwiegend zugekauft.

Dazu kommen kürzere Lebenszyklen bei elektronischen Bauteilen. Viele Bauteile sind nach wenigen Jahren nicht mehr lieferbar, und das schlägt auf die Geräte durch. Das Problem ist bekannt und betrifft nicht nur NDIR-Analysatoren. Branchenartikel beschreiben denselben Mechanismus für industrielle Systeme allgemein: Bauteile laufen nach kürzeren Zyklen aus als die Anlagen, in denen sie stecken, und Abkündigungen kommen oft zu spät, um noch reagieren zu können (Plant Services 2017; Wevolver 2026, gesponsert von einem Bauteil-Distributor).

Die Reparaturtiefe ist eine Ebene nach oben gerutscht

Ein Mechanismus wird dabei leicht übersehen. Früher haben Kollegen einzelne Bauelemente direkt auf der Platine getauscht und gelötet, als normale Instandhaltung. Heute können das die wenigsten noch, die passenden Bauteile sind schwer zu beschaffen, und bei neueren Geräten ist es konstruktiv kaum noch vorgesehen.

Damit ändert sich die kleinste tauschbare Einheit: vom Bauelement zur Baugruppe. Dieselbe Abkündigung hat dadurch eine andere Folge. Solange jemand löten konnte, war ein abgekündigtes Bauteil ein Beschaffungsproblem; ist heute eine Baugruppe abgekündigt und kein Nachfolger verfügbar, endet damit die nutzbare Lebensdauer des Geräts.

Die Lebensdauer hängt in diesem Fall nicht mehr an der Physik des Messprinzips, sondern an der Lieferfähigkeit einer Elektronikbaugruppe. Das ist der Punkt, an dem Obsoleszenzmanagement nach IEC 62402 aufhört, eine Formalie zu sein.

Das ist eine Erfahrung und eine Hypothese, kein Datensatz. Die Fertigungstiefe ist vermutlich nicht der einzige Faktor: Bauteilverfügbarkeit, Supportdauer, Reparaturkonzept und die Obsoleszenzpolitik des Herstellers spielen ebenso hinein. Belastbare Ausfallstatistiken über Gerätegenerationen hinweg liegen nicht vor. Ob die Miniaturisierung die Lebensdauer zusätzlich beeinflusst, ist offen und wird hier nicht behauptet.

Ersatzplan für alte NDIR-Analysatoren

Vorab der Grund, warum solche Pläne oft in der Schublade bleiben. Solange die Messung läuft und die Werte plausibel aussehen, lässt sich der Neubau eines kompletten Analysenschranks betrieblich nur schwer begründen. Das ist keine Nachlässigkeit, sondern die Lage, in der Betreiber tatsächlich entscheiden.

Technisch ist der Ersatz dabei selten das Problem. Ein moderneres 19-Zoll-Gerät passt in der Regel in denselben Schrank. Die Frage ist nicht, ob es Ersatz gibt, sondern wann die Entscheidung fällt und ob sie unter Zeitdruck fällt.

Die folgende Übersicht ist eine redaktionelle Empfehlung. Sie gilt besonders dann, wenn das Gerät Teil einer Sicherheitsfunktion ist.

Maßnahme	Inhalt	Zeitpunkt
Bestand erfassen	Typ, Baujahr, Seriennummer, vorhandene Sicherheitsunterlagen, Einbaustelle, Funktion im Prozess	sofort
Wissen sichern	Wartungswissen der erfahrenen Kollegen dokumentieren, bevor sie ausscheiden: Eigenheiten, Prüfabläufe, typische Fehlerbilder	sofort, solange Kollegen verfügbar sind
Verschleißteile benennen	IR-Quelle, Chopper-Antrieb, Küvettenfenster, Detektor, Probenpumpe, Aufbereitung, Elektronikplatinen	innerhalb von 12 Monaten
Herstellerzusage einholen	schriftlich: Ersatzteil- und Supportdauer, Abkündigungsfristen, Reparaturmöglichkeiten	innerhalb von 12 Monaten
Abkündigungsmeldungen verfolgen	Produktänderungs- und Abkündigungsmitteilungen des Herstellers aktiv abonnieren	laufend
Kritische Ersatzteile bevorraten	Teile mit langer Lieferzeit oder ohne Nachfolger, mit definierten Lagerbedingungen	nach Risikobewertung
Nachfolgegerät früh qualifizieren	Sicherheitsunterlagen, Prüfverfahren, Signalverhalten im Fehlerfall und Leitsystem-Anbindung prüfen	vor dem Ausfall, nicht danach
Änderung bewerten	Gerätetausch in einer Sicherheitsfunktion ist eine Änderung und gehört ins Änderungsmanagement der Anlage	vor dem Austausch

Der häufigste Fehler beim Ersatz: Das neue Gerät misst gleich gut, aber die Sicherheitsunterlagen, das Fehlerstrom-Verhalten oder der Prüfablauf passen nicht zur bestehenden Auslegung. Das fällt erst bei der Inbetriebnahme oder beim ersten Test auf.

Anwendungsbereiche

Einsatzfeld	Typische Messaufgabe	Hinweis
Ammoniaksynthese	CO-Verunreinigungen im Prozessgas	frühe URAS-Anwendung bei BASF
Emissionsüberwachung	CO, CO₂, SO₂, NOₓ im Abgas	etabliert in kontinuierlichen Emissionsmesssystemen
Schiffsabgas	Abgasmessung an Bord	laut Herstellerangabe im Einsatz
Straßentunnel, Bergbau, Medizin	Gasüberwachung (Komponenten in der Quelle nicht genannt)	historische Anwendungen laut BASF
Grenzwertüberwachung in Sicherheitsfunktionen*	Alarm- oder Abschaltschwelle auf Basis des Analysatorausgangs	gerätespezifischer SIL-Nachweis erforderlich

* „Sicherheitsfunktion“ beschreibt den Einsatzzweck, nicht eine Eigenschaft jedes NDIR-Geräts.

Welche Bauart für welche Aufgabe

Messaufgabe	Passende Bauart	Hinweis
Eine Komponente, Grenzwert in einer Sicherheitsfunktion	klassisch oder eine IR-Quelle mit Strahlteiler	gerätespezifische Sicherheitsunterlagen erforderlich
Eine bis wenige Komponenten, Regelung oder Überwachung	eine IR-Quelle mit Strahlteiler	Standardfall heutiger Gasanalysatoren
Mehrere Komponenten im selben Messgas	Einstrahl-Filterphotometer	Herstellerangaben bis sechs Komponenten
Messgas mit hohem Wasserdampf- oder Staubanteil	unabhängig von der Bauart	die Entscheidung fällt in der Probenaufbereitung, nicht am Analysator
O₂, N₂ oder H₂ als Zielkomponente	NDIR nicht geeignet	diese Gase absorbieren im Infraroten nicht; paramagnetische, ZrO₂- oder Wärmeleitfähigkeitsmessung prüfen

Die Zuordnung ist eine redaktionelle Empfehlung und ersetzt keine Auslegung im Einzelfall.

Normen und regulatorische Grundlagen

Norm	Kurzbeschreibung	Relevanz
IEC 61508	Funktionale Sicherheit elektrischer, elektronischer und programmierbarer elektronischer Systeme	Grundlage der SIL-Bewertung von Geräten
IEC 61511	Funktionale Sicherheit sicherheitstechnischer Systeme für die Prozessindustrie	Betreiberseitige Anforderungen, auch für Auslegung und Änderungen
IEC TR 63176:2019	Analysatoren als Teil sicherheitsgerichteter Systeme (technischer Bericht)	Hinweise zu Planung, Installation, Betrieb und Wartung von Analysatoren in Sicherheitsfunktionen
NAMUR NE 146 (21.10.2013)	Systeme der Prozessanalysentechnik als Teil von PLT-Sicherheitseinrichtungen	Anwendersicht auf prozessanalytische Messeinrichtungen als Sensorteil sicherheitstechnischer Systeme
NAMUR NE 130 (14.07.2023)	Auswahl von Feldgeräten für PLT-Sicherheitseinrichtungen unter Berücksichtigung der Betriebsbewährung	Weg für Geräte ohne Zertifizierung nach IEC 61508
IEC 62402:2019	Obsoleszenzmanagement (Ausgabe 2.0, Mai 2019)	Rahmen, um die Verfügbarkeit von Bauteilen und Geräten über die Lebensdauer zu planen

Hinweis: Aktuelle Revisionsstände vor Projektstart gegen die jeweiligen Normungsorganisationen prüfen. Dieser Artikel nennt die Normen als Einstiegsreferenz, keine verbindliche Auslegung.

F&A — Häufig gestellte Fragen

Was ist NDIR-Gasanalyse?
NDIR-Gasanalyse misst die Konzentration infrarotaktiver Gase über die Absorption von Infrarotstrahlung in einer Messküvette. „Nichtdispersiv“ heißt, dass das Licht nicht in einzelne Wellenlängen zerlegt wird. Die Selektivität kommt aus gasgefüllten Detektoren und optischen Filtern.

Wie funktioniert der optopneumatische Detektor (Luft-Detektor)?
Der optopneumatische Detektor, nach seinem Entwickler auch Luft-Detektor genannt, besteht aus gasgefüllten Kammern, die mit dem Zielgas gefüllt sind. Absorbierte Strahlung erwärmt das Füllgas und erzeugt Druckunterschiede, die über eine Membran oder einen Strömungssensor erfasst werden. Dadurch spricht er nur auf die Wellenlängen an, die das Zielgas selbst absorbiert.

Sind heutige NDIR-Geräte noch so aufgebaut wie der URAS von 1938?
Das Prinzip ist dasselbe, die Bauform nicht. Die klassische Bauart hat zwei Strahler und einen Empfänger mit Membrankondensator. Heutige Gasanalysatoren arbeiten häufig mit einer IR-Quelle, einem Strahlteiler als Filterküvette und einem Zweischichtdetektor mit Mikroströmungsfühler. Daneben gibt es Einstrahl-Filterphotometer mit nur einem Strahlengang, bei denen ein rotierendes Filterrad die Selektivität liefert und mehrere Komponenten im selben Strahlengang gemessen werden.

Was war der UNOR und wie unterscheidet er sich vom URAS?
Der UNOR ist ein NDIR-Analysator, den K. F. Luft ab 1957 beim Steinkohlenbergbauverein Essen zur CO-Messung unter Tage entwickelte. Anders als der URAS kommt er mit einem Strahlengang und ohne Vergleichsküvette aus. Die Selektivität liefert ein Zweischichtempfänger, dessen zwei hintereinanderliegende Kammern die Zentren und die Flanken der Absorptionslinien unterschiedlich absorbieren; über die Kammerlängen wird die Querempfindlichkeit minimiert. Nach Ablauf des Patents übernahmen Siemens und Hartmann & Braun dieses Empfängerprinzip.

Was ist der Unterschied zwischen NDIR und NIR, FT-NIR oder Raman?
NIR, FT-NIR und Raman erzeugen Spektren und rechnen sie über ein Kalibriermodell (Chemometrie) in Konzentrationen um. NDIR erhält die Selektivität durch die Hardware und liefert ein einzelnes Messsignal. Das macht die Auswertung einfacher und die Funktion am Gerät nachvollziehbar, ersetzt aber keine Sicherheitsbewertung.

Warum wird NDIR in sicherheitsgerichteten Anwendungen eingesetzt?
Weil Selektivität und Auswertung physikalisch bestimmt und einfach sind, lassen sich Fehlermodi und Prüfverfahren konkret beschreiben. Es gibt NDIR-basierte Analysatoren, deren Hardware nach IEC 61508 und IEC 61511 bewertet ist, etwa für SIL 1. Die SIL-Eignung ist immer gerätespezifisch und muss mit den Unterlagen des konkreten Typs belegt werden.

Gibt es SIL-zertifizierte FT-NIR-Analysatoren?
Dem Autor sind keine öffentlich nachweisbaren, gerätespezifischen SIL-Zertifizierungen oder Sicherheitshandbücher für FT-NIR-Analysatoren bekannt. FT-NIR wird in der Prozessindustrie überwiegend für Regelung und Qualitätsüberwachung eingesetzt. Ex-Zulassungen nach ATEX oder IECEx betreffen den Explosionsschutz, nicht die funktionale Sicherheit.

Welche Normen gelten für NDIR-Analysatoren in Sicherheitsfunktionen?
Die Grundlage bilden IEC 61508 für die Geräte und IEC 61511 für die Anwendung in der Prozessindustrie. IEC TR 63176 gibt Hinweise speziell für Analysatoren in Sicherheitsfunktionen, IEC 62402 hilft beim Obsoleszenzmanagement. Aus der Anwenderseite kommen die NAMUR-Empfehlungen NE 146 für prozessanalytische Systeme und NE 130 für die Auswahl von Feldgeräten unter Berücksichtigung der Betriebsbewährung dazu. Welches SIL-Niveau erreicht wird, steht in den Sicherheitsunterlagen des Herstellers.

Woran erkennt man, dass ein NDIR-Analysator schleichend falsch misst?
Am Gerät selbst meist gar nicht, denn ein langsamer Signalverlust erzeugt keine Fehlermeldung. Belegte Küvettenfenster, eine alternde Strahlungsquelle oder eine nachlassende Detektorfüllung senken den Messwert, ohne dass eine Diagnose anspricht. Deshalb arbeitet man mit festen Prüfintervallen und Prüfgas statt mit Zustandsanzeigen. In Sicherheitsfunktionen ist das der Grund für die vorgeschriebene Wiederholungsprüfung.

Wie lange halten NDIR-Analysatoren?
Eine pauschale Zahl gibt es nicht. In der Praxis laufen Geräte aus den 1980er- und 1990er-Jahren noch, wenn sie gewartet werden und Ersatzteile verfügbar sind. Für neuere Gerätegenerationen liegen keine belastbaren Vergleichsdaten vor, hier zählt vor allem die schriftliche Support- und Ersatzteilzusage des Herstellers.

Warum ist die Ersatzplanung bei alten Analysatoren so kritisch?
Alte Geräte sind oft Teil einer Sicherheitsfunktion und lassen sich nicht ohne Weiteres durch einen anderen Typ ersetzen. Wartungswissen geht mit dem Ruhestand erfahrener Kollegen verloren, Ersatzteile werden knapp. Wer erst beim Ausfall plant, muss unter Zeitdruck ein neues Gerät qualifizieren.

Was sind typische Fehler beim Austausch eines NDIR-Analysators in einer Sicherheitsfunktion?
Häufig werden nur Messbereich und Gaskomponente verglichen. Sicherheitsunterlagen, Signalverhalten im Fehlerfall und Prüfablauf werden nicht geprüft. Außerdem fehlt oft die Behandlung als Änderung im Änderungsmanagement der Anlage.

Was dieser Artikel bewusst nicht behandelt

Konkrete Gerätevergleiche und Herstellerbewertung Dieser Artikel bleibt herstellerneutral. Eine Marktübersicht aktueller NDIR-Analysatoren ist ein eigenes, redaktionell gekennzeichnetes Format.

Eine Marktübersicht ist als eigenes Thema für einen künftigen Analytic-Journal-Artikel vorgesehen, aktuell noch ohne festen Termin.

---

Probenaufbereitung und Messgaspfad Der Einfluss von Wasserdampf, Staub und Kondensat auf die Messung ist ein eigenes Praxisthema mit eigenem Aufbau.

Die Probenaufbereitung für Gasanalysatoren ist ebenfalls als eigenes Thema für einen künftigen Artikel vorgesehen, aktuell noch ohne festen Termin.

---

Qualifizierung chemometrischer Verfahren für Sicherheitsfunktionen Wie sich Kalibriermodelle, Referenzierung und Modellvalidierung in einen SIL-Nachweis einbinden ließen, ist ein eigenes Thema.

Dieses Thema ist als eigener Analytic-Journal-Artikel denkbar, aktuell ohne festen Termin.

---

Belegte Lebensdauerdaten Ob und wie sich Lebensdauer und Bauteilverfügbarkeit über Gerätegenerationen verändert haben, wird hier als Beobachtung beschrieben, nicht mit Daten belegt. Eine Auswertung von Ausfall- und Abkündigungsdaten wäre ein eigenes Projekt.

Fazit

Bei NDIR bestimmt die Physik die Messung, und das erleichtert die Sicherheitsargumentation. Verfahren mit Kalibriermodell wie FT-NIR oder Raman sind damit nicht ausgeschlossen, aber aufwendiger nachzuweisen. Die SIL-Eignung bleibt in jedem Fall eine Eigenschaft des konkreten Geräts und seiner Unterlagen. Das größere Risiko liegt heute im Ersatz: schwindendes Wartungswissen, knappe Teile und Geräte, deren Elektronik kürzere Lebenszyklen hat.

Quellen

1. Normen und Richtlinien

Norm	Kurzbeschreibung	Relevanz
IEC 61508	Funktionale Sicherheit E/E/PE-Systeme	SIL-Grundlage
IEC 61511	Funktionale Sicherheit, Prozessindustrie	Anwendung und Änderungen
IEC TR 63176:2019	Analysatoren in sicherheitsgerichteten Systemen	Planung, Betrieb, Wartung
NAMUR NE 146 (21.10.2013)	Prozessanalysentechnik in PLT-Sicherheitseinrichtungen	Anwenderempfehlung
NAMUR NE 130 (14.07.2023)	Feldgeräteauswahl mit Betriebsbewährung	Anwenderempfehlung
IEC 62402:2019	Obsoleszenzmanagement	Planung der Verfügbarkeit

2. Nationale / Industriestandards

• NAMUR NE 146, „Systeme der Prozessanalysentechnik als Teil von PLT-Sicherheitseinrichtungen“, Fassung 21.10.2013 (Titel und Fassung nach NAMUR-Veröffentlichungshinweis; der Volltext lag für diesen Artikel nicht vor).
• NAMUR NE 130, „Auswahl von Feldgeräten für PLT-Sicherheitseinrichtungen unter Berücksichtigung der Betriebsbewährung“, Ausgabe 14.07.2023, ersetzt die Fassung vom 16.09.2011 (Titel und Ausgabe nach NAMUR-Veröffentlichungshinweis).

3. Fachliteratur

• BASF: „Infrarot-Spektroskopie“, Artikel der Reihe „Herzstück“ zur Entwicklung des URAS. Beschreibt Entwickler, Jahr, Anwendungen und die Stückzahl bis 1986.
• control.com: Online-Lehrbuch „Non-dispersive Luft detector spectroscopy“. Erklärt Aufbau, Referenzküvette, Chopper, Luft-Detektor und Filterküvetten.
• Stephan Schmidt: „Entwicklung von Zweikomponentenverfahren für die nichtdispersive IR-Spektroskopie (NDIR) mit Hilfe von chemometrischen Methoden“, Dissertation, Fakultät für Naturwissenschaften, Universität Duisburg-Essen (Standort Duisburg), 2003. Herangezogen für die Entwicklungsgeschichte des UNOR, den Zweischichtempfänger, den Montanunion-Preis 1962, die Maihak-Lizenz sowie die spätere Übernahme des Empfängerprinzips durch Siemens und Hartmann & Braun.
• Guido Seidel: „Kultivierungen mit einem Hochleistungsstamm von Acremonium chrysogenum in komplexen und synthetischen Medien“, Dissertation, Institut für Technische Chemie, Universität Hannover, 1999. Herangezogen als Beleg für den Einsatz eines UNOR 6N (Maihak) als CO₂-Detektor in der Abgasanalytik eines Bioreaktors.

4. Organisationen und Datenquellen

• Analytic Journal: Historie-Seite zu URAS und Pfeifenanalysator, nach BASF-Dokumentation (BASF SE, mit freundlicher Genehmigung; Patent DRP 730478, Stückzahl 1968, Nachbau nach 1945).
• ABB: „85 years of URAS“ (Herstellerseite, nur für die Herstellerangaben zu 1988 und 1996 herangezogen).
• IEC Webstore: Eintrag zu IEC 62402:2019 (Titel, Ausgabe, Veröffentlichungsdatum).
• BSI Knowledge: Eintrag zu PD IEC TR 63176:2019 (Titel, Veröffentlichungsdatum, Anwendungsbereich).
• Siemens Support: Sicherheitshandbuch eines IR-Gasanalysators (Beispiel für den Aufbau von SIL-Unterlagen: Sicherheitsfunktion, Prüfintervall, Fehlerstrombereiche).
• Siemens: Gerätehandbuch eines aktuellen NDIR-Analysators, Ultramat 6 (Herstellerunterlage, herangezogen für den heutigen Aufbau: eine IR-Quelle, Strahlteiler als gasgefüllte Filterküvette, Zweischichtdetektor mit Mikroströmungsfühler).
• HORIBA: Herstellerseite „Structure and Operating Principle of Gas Analyzer Using NDIR“ (Überblick über pneumatische und pyroelektrische Detektoren sowie Einstrahl-Verfahren).
• SICK: Produktunterlage zum Prozessphotometer MCS300P (nichtdispersives photometrisches Verfahren, beheizte Küvette, Filterräder, bis zu sechs Komponenten mit dynamischer Querempfindlichkeitskorrektur).
• ABB: Produktseite zum Infrarot-Photometer PIR3502 der Multiwave-Reihe (Filterrad mit bis zu acht Wellenlängen, Bereiche 800–2800 nm und 2,5–14,5 µm).
• Wikipedia: „Nondispersive infrared sensor“ (Überblick über Prinzip und typische Gase).
• Plant Services: Will Jacobsen, „Avoid the agony of obsolete parts“, 14.03.2017 (kürzere Bauteil-Lebenszyklen, steigende Abkündigungen; allgemein für Industriesysteme, nicht NDIR-spezifisch).
• Wevolver: Jake Hertz, „Preserving Industrial Systems While Preparing for What Comes Next“, 08.01.2026 (Anlagen mit Jahrzehnten Lebensdauer, Bauteile mit kürzeren Zyklen; gesponsert von Rochester Electronics, Distributor, daher nur für den Mechanismus herangezogen).

---

© 2026 Analytic Journal / Dusko Kadijevic. Alle Rechte vorbehalten.
Dieser Artikel ist urheberrechtlich geschützt (§ 2 UrhG). Kurzauszüge mit Quellenangabe und aktivem Link auf analyticjournal.com sind zulässig. Vollständige oder weitgehende Reproduktion — auch in digitaler Form, durch KI-Systeme oder automatisierte Prozesse — ist ohne ausdrückliche schriftliche Genehmigung des Herausgebers nicht gestattet. Anfragen: info@analyticjournal.de

Analytic Journal — Das Portal der Prozessanalytik
Normen vor Projektstart auf aktuelle Revisionsstände prüfen.

Weiterführende Themen auf Analytic Journal:

• Historie der Prozessanalytik: URAS und Pfeifenanalysator
• Raman-Reaktionskontrolle in der Chemieindustrie: Inline-Monitoring von Synthesereaktoren
• Prozessgasanalytik: Messprinzipien, Auswahlkriterien und Anwendungen
• SIL und PFD: Funktionale Sicherheit für Prozessanalysatoren