Gasanalytik in der Prozessindustrie – Prozessgasanalytik: Messprinzipien und Auswahl

Kategorie: Gasanalytik | Prozessanalytik | Emissionsüberwachung | PAT
Autor: Dusko Kadijevic, Publisher Analytic Journal
Zuletzt aktualisiert: Mai 2026
Lesezeit: ca. 10 Minuten
Zielgruppe: Prozessingenieure, Anlagenplaner, PAT-Spezialisten, Sicherheitsverantwortliche

Schnellcheck: Entscheidung in 5 Fragen

Ist die Zielkomponente eindeutig, passt der Konzentrationsbereich, ist eine In-situ-Messung möglich, sind Temperatur, Staub, Feuchte und Korrosion beherrschbar und sind die normativen Anforderungen erfüllt?

Frage	✅ Grün	⚠️ Gelb	❌ Rot
1. Zielkomponente bekannt?	Einzelkomponente klar definiert	Mehrere Komponenten, aber priorisierbar	Ziel unklar oder wechselnd
2. Konzentrationsbereich passend?	Bereich gut zum Prinzip passend	Grenzbereich oder hohe Matrixeinflüsse	Messbereich ungeeignet
3. In-situ möglich?	Direkte Messung im Prozess möglich	Nur mit Einschränkungen	Nur extraktiv sinnvoll
4. Prozessbedingungen beherrschbar?	Temperatur, Staub, Feuchte, Korrosion unkritisch	Einzelne Störfaktoren vorhanden	Stark belastete oder aggressive Matrix
5. Normen/Sicherheit erfüllt?	Ex, SIL, CEMS oder QAL1 sauber abbildbar	Zusätzliche Prüfungen nötig	Regulatorisch nicht belastbar

Definition

Prozessgasanalytik bezeichnet die kontinuierliche oder diskontinuierliche Messung der chemischen Zusammensetzung von Gasströmen in industriellen Prozessen — mit dem Ziel, Prozessqualität zu sichern, Effizienz zu steigern, gesetzliche Emissionsgrenzen einzuhalten und Sicherheitsrisiken zu erkennen.

Im Unterschied zur Laboranalytik arbeitet die Prozessgasanalytik unter realen Bedingungen: wechselnde Temperaturen, Drücke, Feuchtegehalte, Staubbeladungen und aggressive Begleitkomponenten. Die Robustheit eines Messprinzips unter diesen Bedingungen ist mindestens so entscheidend wie seine Messgenauigkeit im Labor.

Überblick: Die wichtigsten Messprinzipien

Messprinzip	Zielkomponenten	Messort	Besonderheiten
NDIR	CO, CO₂, CH₄, SO₂, NO, N₂O, H₂O	Extraktiv (online)	Bewährt, kostengünstig, breiter Einsatz
TDLS	O₂, H₂O, CO, NH₃, HF, HCl, CH₄	In-situ (inline)	Hochselektiv, wartungsarm, kein Probengas
Paramagnetisch	O₂	Extraktiv (online)	Spezifisch für O₂, robust, bewährt
Zirkondioxid (ZrO₂)	O₂	In-situ oder extraktiv	Sehr schnell, für Verbrennungsregelung
Elektrochemisch	O₂, CO, H₂S, Cl₂, NH₃	Extraktiv	Kostengünstig, begrenzte Lebensdauer
FID	Gesamt-KW (THC), VOC	Extraktiv	Sehr empfindlich, benötigt Brenngas (H₂)
Prozess-GC	Multikomponent, Einzelkomponenten	Extraktiv	Höchste Spezifität, diskontinuierlich
FTIR	Multikomponent simultan	Extraktiv oder in-situ	Breites Spektrum, komplex
Massenspektrometrie	Multikomponent simultan	Extraktiv	Höchste Empfindlichkeit, hoher Aufwand
Wärmeleitfähigkeit (WLD)	H₂, He, CO₂ als Hauptkomponente	Extraktiv	Einfach, unspezifisch
Chemolumineszenz (CLD)	NO, NO₂, NOₓ	Extraktiv	Spezifisch für Stickoxide, Emissionsüberwachung
UV-Photometrie	SO₂, NO, NH₃, H₂S	Extraktiv oder in-situ	Selektiv im UV-Bereich

Die Messprinzipien im Detail

NDIR — Nichtdispersiver Infrarotdetektor

Messprinzip: Infrarotlicht wird durch das Messgas geleitet. Jedes Gasmolekül absorbiert Infrarotstrahlung bei charakteristischen Wellenlängen. Die Abschwächung des Lichts ist proportional zur Konzentration der Zielkomponente.

Stärken: Robust, kostengünstig, bewährt über Jahrzehnte, für viele Industriegase geeignet, gute Langzeitstabilität, weitgehend wartungsarm.

Grenzen: Querempfindlichkeiten durch spektrale Überlappung — CO₂ stört bei CO-Messung, H₂O stört bei vielen Komponenten. Probenaufbereitung (Kühlung, Filterung, Trocknung) ist in der Regel erforderlich.

Typische Anwendungen:

CO, CO₂ in Verbrennungsabgasen und Rauchgasen
CH₄ in Biogas- und Erdgasanlagen
SO₂, NO in Emissionsüberwachungssystemen (CEMS)
CO₂ in Fermentationsprozessen

TDLS — Tunable Diode Laser Spectroscopy

Messprinzip: Ein durchstimmbarer Diodenlaser sendet Laserlicht exakt auf eine charakteristische Absorptionslinie des Zielmoleküls. Da jedes Gas einzigartige Absorptionslinien besitzt, ist die Selektivität extrem hoch. Die Messung erfolgt in-situ — der Laserstrahl durchquert den Prozessgasstrom direkt im Rohr oder Kanal, ohne Probenentnahme.

Stärken: Höchste Selektivität unter den optischen Methoden, kein Probengas, keine Probenaufbereitung, schnelle Antwortzeit, integrierte Eigendiagnose, wartungsarm, für raueste Prozessumgebungen geeignet.

Grenzen: Stark partikelbeladene Medien können den Laserstrahl schwächen. Höhere Investitionskosten. Für flüssige Medien nicht geeignet. Druckabhängigkeit der Absorptionslinienbreite muss bei der Auslegung berücksichtigt werden.

Typische Anwendungen:

O₂ in Inertisierungssystemen und Explosionsschutz
H₂O (Taupunkt) in Erdgas- und Synthesegasanlagen
NH₃ in Düngemittelproduktion und SCR-Anlagen
CO in Verbrennungsüberwachung und Sicherheitsanwendungen
HF, HCl in der Petrochemie und Chlorchemie

Paramagnetischer Sauerstoffsensor

Messprinzip: Sauerstoff ist paramagnetisch — er wird von Magnetfeldern angezogen. Andere Gase sind im Wesentlichen diamagnetisch. Diese physikalische Eigenschaft wird genutzt, um O₂ selektiv und ohne spektroskopische Methoden zu messen.

Stärken: Sehr spezifisch für O₂, bewährt, gute Langzeitstabilität, breiter Messbereich (ppm bis %).

Grenzen: Online-Messprinzip — erfordert Probenaufbereitung (Filterung, Kühlung, Druckregelung). Querempfindlichkeit gegenüber NO und NO₂, die ebenfalls paramagnetisch sind. Nicht für In-situ-Messung geeignet.

Typische Anwendungen:

O₂ in Inertisierungskreisen (redundant zu TDLS)
Verbrennungsregelung
Sauerstoffreinheitskontrolle in Gastrennanlagen

Zirkondioxid-Sauerstoffsensor (ZrO₂)

Messprinzip: Eine keramische Zirkondioxid-Zelle erzeugt bei erhöhter Temperatur (ca. 650–850°C) eine elektrochemische Spannung, die proportional zum Sauerstoffpartialdruckunterschied zwischen Messgasseite und Referenzluftseite ist.

Stärken: Extrem schnelle Antwortzeit (Sekunden), direkte In-situ-Messung möglich, robust bei hohen Temperaturen, ideales Messprinzip für Verbrennungsregelung.

Grenzen: Benötigt Referenzluft oder Referenzgas. Querempfindlichkeit gegenüber brennbaren Gasen (H₂, CO, CH₄), die O₂ an der Sensoroberfläche verbrauchen und zu Falschmessungen führen. Nicht für explosionsgefährdete Atmosphären geeignet ohne besondere Ausführung.

Typische Anwendungen:

Regelung von Verbrennungsprozessen in Kraftwerken und Industrieöfen
Rauchgasüberwachung
Sauerstoffkontrolle in Wärmebehandlungsanlagen

Flammenionisationsdetektor (FID)

Messprinzip: Das Messgas wird in einer Wasserstoffflamme verbrannt. Dabei entstehen Ionen, die einen elektrischen Strom erzeugen. Die Stärke des Stroms ist proportional zum Kohlenstoffgehalt der organischen Verbindungen — unabhängig von deren Struktur.

Stärken: Sehr hohe Empfindlichkeit (ppb-Bereich), erfasst praktisch alle organischen Verbindungen als Summenparameter (THC), nahezu unempfindlich gegenüber Wasser und den meisten anorganischen Gasen.

Grenzen: Benötigt Wasserstoff als Brenngas. Keine Komponentenidentifizierung (nur Summenparameter). CO und CO₂ werden nicht erfasst. Erfordert sorgfältige Probenaufbereitung.

Typische Anwendungen:

Gesamt-Kohlenwasserstoff-Messung (THC) in der Emissionsüberwachung (TA Luft, 17. BImSchV)
VOC-Messung in der Chemieindustrie und an Tanklagern
Leckageüberwachung

Prozess-Gaschromatographie (Prozess-GC)

Messprinzip: Das Gasgemisch wird durch eine Trennsäule geleitet. Verschiedene Komponenten wandern mit unterschiedlicher Geschwindigkeit und werden zeitlich getrennt detektiert. Als Detektor dienen häufig WLD, FID oder massenspektrometrische Detektoren.

Stärken: Höchste Spezifität — Einzelkomponenten in komplexen Gasgemischen identifizierbar und quantifizierbar. Multikomponentenmessung in einem Lauf. Industrietauglich und für kontinuierlichen Betrieb optimiert.

Grenzen: Diskontinuierliches Messprinzip — Zykluszeiten von Minuten bis zu einer Stunde. Hoher Investitions- und Wartungsaufwand. Erfordert Fachpersonal für Methodenentwicklung.

Typische Anwendungen:

Erdgas- und Synthesegasanalyse (Heizwert, Wobbe-Index)
Ethen-, Propen- und Produktreinheitskontrolle in der Petrochemie
Fermentationsgas-Analyse in der Biotechnologie
Multikomponentenüberwachung in Raffinerieprozessen

FTIR — Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie

Messprinzip: Ein Interferometer erzeugt ein breitbandiges Infrarotspektrum, das mit dem Messgas in Wechselwirkung tritt. Durch mathematische Transformation und Spektrenvergleich mit einer Bibliothek werden Komponenten identifiziert und quantifiziert.

Stärken: Simultane Mehrkomponentenmessung ohne Umbau, breites Komponentenspektrum, hohe Flexibilität bei wechselnden Messaufgaben.

Grenzen: Hohe Komplexität in Kalibrierung und Wartung. H₂ und einatomige Gase (He, Ar, N₂, O₂) sind IR-inaktiv. Querempfindlichkeiten zwischen spektral ähnlichen Komponenten erfordern aufwendige Matrixkalibrierung.

Typische Anwendungen:

Emissionsüberwachung mit vielen Komponenten simultan
Prozessüberwachung bei wechselnden Bedingungen
Identifikation unbekannter Komponenten in Gasmischungen

Massenspektrometrie (MS)

Messprinzip: Gasmoleküle werden ionisiert, nach ihrem Masse-zu-Ladungsverhältnis (m/z) getrennt und detektiert. Jede Verbindung erzeugt ein charakteristisches Fragmentierungsmuster.

Stärken: Höchste Empfindlichkeit (sub-ppb-Bereich), simultane Multikomponentenmessung, Identifikation unbekannter Substanzen, sehr kurze Messzyklen möglich.

Grenzen: Hoher Investitions- und Betriebsaufwand, Hochvakuumsystem erforderlich, anspruchsvolle Probenaufbereitung, Fachpersonal notwendig.

Typische Anwendungen:

Reinheitskontrolle von Edelgasen und Halbleiterprozessgasen
Spurengasanalytik in der Pharmaindustrie
Echtzeit-Prozessüberwachung in der Biotechnologie

Anwendungsmatrix: Welches Messprinzip für welche Aufgabe?

Legende: ✅ Gut geeignet | ⚠️ Bedingt geeignet | ❌ Nicht geeignet

Messaufgabe	NDIR	TDLS	Para-mag.	ZrO₂	FID	GC	FTIR	MS
O₂-Überwachung Inertisierung	❌	✅	✅	⚠️	❌	❌	❌	❌
Verbrennungsregelung (O₂)	❌	✅	⚠️	✅	❌	❌	❌	❌
CO/CO₂ Rauchgas	✅	✅	❌	❌	❌	⚠️	✅	⚠️
Gesamt-KW (THC/VOC)	❌	❌	❌	❌	✅	⚠️	⚠️	⚠️
NOₓ Emissionsüberwachung	✅	⚠️	❌	❌	❌	❌	✅	⚠️
SO₂ Emissionsüberwachung	✅	❌	❌	❌	❌	❌	✅	⚠️
NH₃ Prozess/SCR	⚠️	✅	❌	❌	❌	⚠️	✅	⚠️
H₂O / Taupunkt Erdgas	⚠️	✅	❌	❌	❌	⚠️	✅	❌
Erdgas / Heizwert	❌	❌	❌	❌	❌	✅	⚠️	⚠️
Reinheitskontrolle Edelgase	❌	❌	❌	❌	❌	✅	❌	✅
Multikomponent simultan	❌	❌	❌	❌	❌	✅	✅	✅
H₂ Messung	❌	❌	❌	❌	❌	✅	❌	✅
HF/HCl Spurenmessung	❌	✅	❌	❌	❌	⚠️	✅	⚠️
SIL-relevante Sicherheitsmessung	⚠️	✅	✅	⚠️	❌	❌	❌	❌

Hinweis: Die Matrix gibt eine erste Orientierung. Die endgültige Prinzipauswahl erfordert immer eine applikationsspezifische Betrachtung — insbesondere hinsichtlich Begleitkomponenten, Prozessbedingungen und regulatorischer Anforderungen.

Entscheidungskriterien für die Prinzipauswahl

1. Zielkomponente und Konzentration

Einkomponentenmessung im Prozentbereich: NDIR, Paramagnetisch, ZrO₂ — kostengünstig und robust. Spurenmessung im ppb-Bereich: TDLS, MS, FID — höhere Investition, höhere Spezifität. Multikomponentenmessung: GC, FTIR, MS — je nach Anforderung an Zykluszeit und Budget.

2. Messortstrategie: Inline vs. Online

Inline (In-situ): Sensor misst direkt im Prozessraum — kein Probengas, keine Probenleitung. Schnellste Antwortzeit, geringste Fehlerquellen. Geeignet: TDLS, ZrO₂, bestimmte UV-Systeme.

Online (Extraktiv): Probenaufbereitungsanlage entnimmt, kühlt, filtert und konditioniert das Messgas. Ermöglicht empfindlichere Analysatoren. Geeignet: NDIR, Paramagnetisch, FID, GC, MS, FTIR.

Kriterium	Inline	Online (extraktiv)
Antwortzeit	Sehr schnell (Sekunden)	Langsamer (Minuten)
Probenaufbereitung	Nicht erforderlich	Erforderlich
Fehlerquellen	Gering	Höher
Wartungsaufwand	Geringer	Höher
Geeignete Prinzipien	TDLS, ZrO₂, UV	NDIR, GC, FID, MS, Paramagnetisch

3. Messgasaufbereitung — ein oft unterschätzter Kostenfaktor

Komponente	Funktion	Typische Ausfallursache
Filterpatrone	Staubabscheidung	Verstopfung, Bypassleckage
Probenkühler / Peltierkühler	Feuchteabscheidung	Kondensatanstauung
Membranpumpe	Gastransport	Membranverschleiß
Beheizte Probenleitung	Kondensationsverhinderung	Heizungsausfall
Durchflussmesser/-regler	Konstanter Probengasstrom	Drift, Verstopfung

Branchenspezifische Anwendungsschwerpunkte

Chemische Industrie: Brenngasanalyse (Heizwert, Wobbe-Index), Synthesegasüberwachung (H₂, CO, CO₂, CH₄), Inertisierungskontrolle (O₂), Reaktorüberwachung, kontinuierliche Emissionsüberwachung (CEMS). Besondere Herausforderung: Aggressive, korrosive oder toxische Prozessgase erfordern spezielle Materialauswahl und Probenaufbereitungskonzepte.

Öl, Gas und Petrochemie: Heizwertmessung und Tarifabrechnung (Prozess-GC, Kalorimeter), Gasqualitätskontrolle (GC), H₂S-Überwachung (elektrochemisch, UV), BTX-Messung (GC, FID), CEMS an Fackeln und Verbrennungsanlagen.

Pharmazeutische Industrie: Reinheitskontrolle von Prozessgasen und Druckluft (O₂, CO₂, H₂O), Fermentationsgas-Analyse (O₂, CO₂, Ethan), Inertgas-Überwachung, CIP/SIP-Prozessüberwachung.

Energieerzeugung und Kraftwerke: Verbrennungsoptimierung (O₂, CO via ZrO₂ und NDIR), Rauchgasüberwachung CEMS (SO₂, NOₓ, CO, Staub), SCR-Ammoniakschlupfmessung (NH₃ via TDLS oder FTIR), Heizwertmessung Brenngas.

Lebensmittel- und Getränkeindustrie: CO₂-Reinheitskontrolle (NDIR, GC), Schutzgas-Überwachung in Verpackungslinien (O₂, CO₂), Fermentationsgas-Analyse in Brauereien, Ethanol-Dampfmessung.

Normen und regulatorische Grundlagen

Norm / Richtlinie	Inhalt
EN 14181	Qualitätssicherung für automatische Messeinrichtungen — QAL1, QAL2, QAL3, AST
17. BImSchV	Anforderungen an CEMS in der deutschen Großfeuerungsanlagenverordnung
13. BImSchV	Emissionsgrenzwerte für Verbrennungsanlagen
TA Luft	Technische Anleitung Luft — Emissionsanforderungen für Industrieanlagen
EU IED	Europäischer Rahmen für Industrieemissionen
EN 15267	Zertifizierung von Messeinrichtungen für Emissionsüberwachung
ISO 10723	Leistungsbewertung von Gasanalysesystemen
NAMUR NE 107	Selbstüberwachung und Diagnose von Feldgeräten
ATEX-Richtlinie / IEC 60079	Anforderungen an Geräte in explosionsgefährdeten Bereichen

F&A — Häufig gestellte Fragen

Was ist der Unterschied zwischen inline und online in der Gasanalytik?
Inline (In-situ) bedeutet, der Sensor misst direkt im Prozessgasstrom — ohne Probenentnahme. Online (extraktiv) bedeutet, eine Probe wird entnommen, aufbereitet und dem Analysator zugeführt. Inline ist schneller und hat weniger Fehlerquellen. Online ermöglicht den Einsatz empfindlicherer Analysatoren und ist bei aggressiven oder kondensierenden Medien oft die einzige praktikable Lösung.

Warum ist TDLS zunehmend die erste Wahl für Sicherheitsmessungen?
TDLS misst inline, ohne Probenaufbereitung und ohne Verbrauchsstoffe. Durch die hohe Selektivität und die integrierten Eigendiagnosefunktionen sind unerkannte Fehler seltener als bei anderen Messprinzipien. Das macht TDLS zu einem zunehmend akzeptierten Messprinzip für SIL-relevante Anwendungen.

Wann ist eine Prozess-GC die richtige Wahl?
Immer dann, wenn Einzelkomponenten in komplexen Gasgemischen spezifisch und quantitativ erfasst werden müssen — und wenn eine Zykluszeit von Minuten akzeptabel ist. Typisch: Heizwertmessung, Synthesegasanalyse, Reinheitskontrolle in der Petrochemie.

Was ist CEMS und welche Normen gelten?
CEMS steht für Continuous Emission Monitoring System — ein System zur kontinuierlichen Überwachung von Schadstoffemissionen aus Industrieanlagen. In Deutschland und der EU gelten EN 14181 (Qualitätssicherung), EN 15267 (Zertifizierung) sowie anlagenspezifische Verordnungen wie die 17. BImSchV.

Warum ist die Probenaufbereitung so kritisch?
Das Messergebnis eines extraktiven Analysators ist nur so zuverlässig wie die Probenaufbereitung. Filter, Kühler, Pumpen und Leitungen können das Messgas verändern — durch Kondensation, Reaktion mit Leitungswerkstoffen oder Druckverluste. In SIL-Anwendungen muss das gesamte Probennahmesystem in die Sicherheitsbetrachtung einbezogen werden.

Welche Messprinzipien sind für explosionsgefährdete Bereiche (ATEX) geeignet?
Grundsätzlich alle — wenn sie in einer entsprechend zertifizierten Ausführung (Ex-Schutz nach IEC 60079) eingesetzt werden. In-situ-Messprinzipien wie TDLS und ZrO₂ haben dabei den Vorteil, dass die Elektronik außerhalb der Ex-Zone platziert werden kann.

Was bedeutet QAL1 nach EN 14181?
QAL1 (Quality Assurance Level 1) ist die Zertifizierung, dass ein Messgerät für die kontinuierliche Emissionsüberwachung nach europäischen Standards geeignet ist. Die Zertifizierung wird durch akkreditierte Prüfstellen (z.B. TÜV, BG RCI) durchgeführt und ist Voraussetzung für den genehmigungskonformen Betrieb von CEMS-Anlagen in der EU.

Was dieser Artikel bewusst nicht behandelt

Spezialverfahren für Hochreinst- und Spurengasanalytik

Für Anwendungen im ppb- bis ppt-Bereich existieren Messprinzipien die in diesem Überblicksartikel nur am Rande erscheinen: CRDS (Cavity Ring-Down Spectroscopy), QCL (Quantum Cascade Laser), PAS (Photoakustische Spektroskopie), IMS (Ionenmobilitätsspektrometrie).

Diese Verfahren werden in einem separaten Analytic Journal Artikel behandelt: "Spezialverfahren der Gasanalytik — Spurenmessung und Hochreinst-Anwendungen" (in Vorbereitung)

Mobile und stationäre Gaswarnsysteme

Gaswarnsysteme folgen einer eigenen Auswahllogik: Reaktionszeit, Robustheit, Zertifizierung (ATEX, EN 60079), Warnpegel nach TRGS 723/725 und die Abgrenzung zwischen Personen- und Prozessschutz stehen im Vordergrund.

Diese Thematik wird in einem separaten Analytic Journal Artikel behandelt: "Mobile und stationäre Gaswarnsysteme — Personenschutz, ATEX und Messprinzipien" (in Vorbereitung)

Fazit

Gasanalytik in der Prozessindustrie ist keine Frage eines einzelnen Messprinzips — sondern eine Abwägung zwischen Zielkomponente, Prozessbedingungen, Messstrategie, regulatorischen Anforderungen und Wirtschaftlichkeit. Die Anwendungsmatrix in diesem Artikel bietet eine erste Orientierung; die endgültige Entscheidung erfordert immer eine applikationsspezifische Betrachtung.

Drei Entwicklungen prägen die Gasanalytik der kommenden Jahre: Die In-situ-Messung gewinnt weiter an Bedeutung — TDLS und verwandte Lasertechnologien verdrängen in immer mehr Anwendungen extraktive Systeme. Der Druck durch regulatorische Verschärfung wächst — strengere Emissionsgrenzwerte erhöhen die Anforderungen an CEMS-Systeme. Und Datenqualität wird zum Differenzierungsmerkmal — Analysatoren mit integrierter Eigendiagnose (NAMUR NE 107) und nachvollziehbarer Kalibrierhistorie sind nicht mehr optional.

Analytic Journal — Das Portal der Prozessanalytik

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Spezialverfahren der Gasanalytik — Spurenmessung und Hochreinst-Anwendungen (in Vorbereitung)
Mobile und stationäre Gaswarnsysteme — Personenschutz, ATEX und Messprinzipien (in Vorbereitung)
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