TDLS — Tunable Diode Laser Spectroscopy in der Prozessanalytik

Kategorie: Gasanalytik | Prozessanalytik | Laserspektroskopie | PAT | Funktionale Sicherheit
Autor: Dusko Kadijevic, Publisher Analytic Journal
Zuletzt aktualisiert: Mai 2026
Lesezeit: ca. 10 Minuten
Zielgruppe: Prozessingenieure, PAT-Spezialisten, Instrumentierungsingenieure, Sicherheitsverantwortliche in der verfahrenstechnischen Industrie

Definition

TDLS (Tunable Diode Laser Spectroscopy) — im Deutschen auch als abstimmbare Diodenlaser-Absorptionsspektroskopie bezeichnet — ist ein optisches Messprinzip, bei dem ein Diodenlaser auf eine für das Zielmolekül charakteristische Absorptionslinie abgestimmt wird. Das Licht durchquert das Messgas, wird von den Zielmolekülen in einem definierten Maß absorbiert, und aus der Abschwächung des Signals wird die Gaskonzentration berechnet. Die Messung erfolgt ohne Probenentnahme, ohne Medienkontakt und ohne Verbrauchsstoffe.

Warum TDLS in der Prozessanalytik besondere Bedeutung hat

TDLS ist nicht das einzige Lasermessverfahren in der Gasanalytik — aber es ist das am weitesten verbreitete für den direkten In-situ-Einsatz in industriellen Prozessen. Kein anderes Messprinzip verbindet hohe Selektivität, wartungsarmen Betrieb und die Fähigkeit zur Messung unter härtesten Prozessbedingungen so überzeugend.

In den letzten 30 Jahren hat sich das Vertrauen der Prozessindustrie in TDLS-Systeme so weit entwickelt, dass sie zunehmend in sicherheitsrelevanten Anwendungen eingesetzt werden — einschließlich SIL-klassifizierter Messkreise. Das ist keine Selbstverständlichkeit für ein Messprinzip das noch vor zwei Jahrzehnten als technologisch anspruchsvoll und schwer beherrschbar galt.

Das Messprinzip — verständlich erklärt

Wie TDLS funktioniert

Ein Diodenlaser erzeugt monochromatisches Licht — Licht einer einzigen, sehr präzisen Wellenlänge. Diese Wellenlänge wird so gewählt, dass sie exakt mit einer Absorptionslinie des Zielmoleküls übereinstimmt. Das Gas absorbiert Licht bei genau dieser Wellenlänge — je mehr Zielmoleküle im Lichtweg vorhanden sind, desto mehr Licht wird absorbiert.

Der Laser wird dabei leicht über einen schmalen Wellenlängenbereich durchgestimmt — daher der Name "tunable" (abstimmbar). Auf der Empfängerseite misst ein Detektor wie stark das Licht abgeschwächt wurde. Aus dieser Abschwächung, der bekannten Pfadlänge und den Prozessparametern Druck und Temperatur wird die Gaskonzentration berechnet.

Was TDLS von anderen optischen Methoden unterscheidet

Eigenschaft	TDLS	NDIR	FTIR
Lichtquelle	Diodenlaser — schmalbandig, monochromat	Breitbandige IR-Quelle	Breitbandige IR-Quelle
Selektivität	Sehr hoch — eine einzige Absorptionslinie	Mittel — Bandfilter	Hoch — volles Spektrum
Querempfindlichkeit	Sehr gering bei richtiger Linienwahl	Vorhanden	Matrixabhängig
Probenaufbereitung	Nicht erforderlich (In-situ)	Erforderlich	Oft erforderlich
Messgeschwindigkeit	Sekunden	Sekunden	Sekunden bis Minuten
Druckabhängigkeit	Vorhanden — kompensierbar	Gering	Gering

Systemaufbau — mit und ohne Fensterflansche

Direktdurchstrahlung ohne Fensterflansche

In manchen Prozessen — insbesondere bei großen Rohrdurchmessern, Kanälen oder Öfen — können Sender und Empfänger direkt gegenüberliegend eingebaut werden, ohne dass optische Fenster den Laserstrahl vom Prozessgas trennen. Der Laserstrahl durchquert das Gas direkt. Diese Konfiguration ist mechanisch einfach und eliminiert eine wesentliche Fehlerquelle — die Fensterverschmutzung.

Messung mit Fensterflangschen

In den meisten Prozessanwendungen sind optische Fenster erforderlich — um die Laseroptik vom aggressiven Prozessgas zu trennen, Druckdifferenzen zu überbrücken oder Ex-Schutzanforderungen zu erfüllen. Dabei entstehen mehrere praktische Herausforderungen:

Einbauwinkel: Fensterscheiben dürfen nicht senkrecht (90°) zum Laserstrahl eingebaut werden. Der Grund ist der Etalon-Effekt.

Der Etalon-Effekt — eine kritische Fehlerquelle:

Wenn der Laserstrahl auf eine parallel zur Strahlenachse orientierte Fensterscheibe trifft, entsteht durch Mehrfachreflexion zwischen den Glasoberflächen ein Interferenzmuster — ähnlich wie bei einem optischen Fabry-Pérot-Etalon. Diese Interferenzstreifen überlagern sich dem eigentlichen Absorptionssignal und können die Messung erheblich verfälschen. Das Problem ist besonders tückisch, weil die Fringes sich mit Temperatur- und Vibrationsänderungen verschieben und damit zeitlich variabel sind.

Die Lösung: Fensterscheiben werden leicht geneigt eingebaut — typischerweise um wenige Grad aus der Senkrechten — so dass reflektierte Strahlen aus dem Detektionsweg herausgelenkt werden.

Fensterbeschichtungen:

Je nach eingesetzter Wellenlänge können die Fensterscheiben mit Anti-Reflexionsbeschichtungen versehen sein, um Reflexionsverluste zu minimieren und den Etalon-Effekt zu reduzieren. Die Beschichtung muss auf die spezifische Wellenlänge des eingesetzten Lasers abgestimmt sein.

Fensterspülung — und ihre Tücken

In staubbeladenen oder korrosiven Prozessen werden die Fensterscheiben mit einem inerten Gas — typischerweise Stickstoff oder Instrumentenluft — gespült, um Ablagerungen zu verhindern. Dabei muss ein kritischer Punkt beachtet werden:

Das Pfadlängenproblem bei der Fensterspülung:

Die Pfadlänge — also die Strecke die der Laserstrahl durch das Messgas zurücklegt — bestimmt direkt die gemessene Konzentration. Wenn die Fensterspülung zu stark eingestellt wird, kann das Spülgas in den Messpfad eindringen und dort das Prozessgas verdrängen. Das Ergebnis: Die effektive Pfadlänge durch das Messgas verkürzt sich — die gemessene Konzentration erscheint niedriger als sie tatsächlich ist.

In einer O₂-Inertisierungsüberwachung bedeutet das eine besonders gefährliche Situation: Ein zu hoher N₂-Spülstrom kann dazu führen, dass das System eine O₂-Konzentration von nahezu null misst — nicht weil die Inertisierung funktioniert, sondern weil das Stickstoffspülgas den Messpfad dominiert. Ein falscher Niederbefund beim O₂ in einer Inertisierungsanwendung ist sicherheitsrelevant.

Praxishinweis — teures Projekt ohne Happy End: In einem Projekt mit drei TDLS-Lasermessungen (Investition über 500.000 Euro) für eine SIL-relevante Messung wurde für die TDLS-Infrastruktur extra ein eigenes Rohrstück in die Anlage integriert — ein erheblicher mechanischer Aufwand in einer laufenden Industrieanlage. Die Durchflussmesser wurden vor dem Aufbau auf Belegungsneigung getestet — ohne Befund. Die optischen Fenster selbst wurden jedoch nicht separat getestet. Das war die entscheidende Lücke: Nach dem Aufbau der Messanlage unter realen Prozessbedingungen belegten genau diese Fenster. Das Messprojekt galt der H₂O-Spurenmessung in einem kritischen Prozess. Das Projekt endete ohne die angestrebte Betriebsbereitschaft — trotz des enormen baulichen und finanziellen Aufwands. Die Lektion: Vorabtests müssen alle relevanten Komponenten des optischen Pfades abdecken — nicht nur die Hauptmesskomponente. Und der Aufwand für die Infrastruktur macht ein Scheitern umso teurer.

Praxishinweis — O₂-Messung direkt in der Brennkammer: In einer anderen Anwendung wurden TDLS-Systeme direkt in Brennkammern eingesetzt — unter Bedingungen mit hoher Temperatur, Staub und erheblichen Transmissionsverlusten durch Partikelbeladung. Überraschenderweise arbeiteten die Systeme auch bei stark reduzierter Transmission zuverlässig weiter. TDLS-Systeme sind robuster gegenüber Transmissionsverlusten als oft angenommen — solange die Signalstärke oberhalb des Mindestdetektionsschwellwerts bleibt und die Eigendiagnose den Zustand überwacht.

Druckabhängigkeit — ein bekannter und beherrschbarer Effekt

Die Breite einer Absorptionslinie hängt vom Druck ab — ein physikalischer Effekt der als Druckverbreiterung bezeichnet wird. Bei höherem Druck wird die Absorptionslinie breiter und flacher; bei niedrigerem Druck ist sie schmaler und steiler.

Warum das praktisch relevant ist:

TDLS-Systeme sind für einen definierten Druckbereich kalibriert. Wenn der Prozessdruck außerhalb des Kalibrierbereichs liegt oder stark schwankt, kann das die Konzentrationsberechnung beeinflussen. Moderne TDLS-Systeme kompensieren diesen Effekt durch:

Integration eines Drucksensors in den Messkreis
Druckkorrektur in der Auswertungsalgorithmik
Kalibrierung bei verschiedenen Drücken für Anwendungen mit stark variablem Prozessdruck

In der Praxis ist die Druckabhängigkeit bei richtig ausgelegten Systemen gut beherrschbar — sie muss aber bei der Systemauslegung explizit berücksichtigt werden.

Zielkomponenten und typische Anwendungen

Übersicht der wichtigsten Messaufgaben

Komponente	Wellenlängenbereich	Typische Anwendung	Besonderheit
O₂	760 nm (sichtbar)	Inertisierung, Verbrennungsregelung, Personenschutz	Stärkste O₂-Absorptionsbande; In-situ bevorzugt
H₂O	1350–1950 nm	Taupunktkontrolle, Trocknungsprozesse, Cl₂-Elektrolyse	Überall dort wo Standardsensoren versagen
CO	1560 nm, 2300 nm	Verbrennungsüberwachung, Sicherheitsmessung	2300 nm empfindlicher, aber schwieriger
NH₃	1500 nm, 2000 nm	SCR-Schlupfmessung, Düngemittelproduktion	Alternative zu nass-chemischen Methoden
HCl	1740 nm, 3400 nm	Emissionsüberwachung, Chlorchemie	TDLS zunehmend eignungsgeprüft für CEMS
HF	1300 nm, 2500 nm	Glasindustrie, Petrochemie, Aluminiumhütten	Aggressiv — In-situ vermeidet Materialprobleme
CH₄	1650 nm	Erdgas, Biogasanlagen, Leckdetektion	Gute Empfindlichkeit im NIR
H₂	2122 nm (Quadrupolübergang)	Cl₂-Elektrolyse, Wasserstoffsicherheit, Elektrolyseanlagen	Schwaches Signal — spezialisierte Systeme erforderlich, aber in-situ möglich

Ein besonderer Fall: H₂-Messung mit TDLS

H₂ gilt traditionell als "optisch schwer messbar" — und das hat einen guten physikalischen Grund. Als zweiatomiges homonukleares Molekül (beide Atome identisch) hat H₂ kein elektrisches Dipolmoment. Das bedeutet: Die starken Dipolübergänge die bei den meisten anderen Gasen das Absorptionssignal erzeugen, existieren für H₂ nicht.

Was H₂ jedoch hat, sind schwache elektrische Quadrupolübergänge — physikalisch eine völlig andere Klasse von Übergängen, mit einer Signalstärke die rund hundert Mal schwächer ist als typische Dipolübergänge. Die relevante Absorptionslinie liegt bei etwa 2122 nm.

Diese extreme Schwäche des Signals machte H₂-Messung per TDLS lange Zeit praktisch unmöglich mit konventionellen Systemkonfigurationen. Erst durch zwei Entwicklungen wurde es für Industrieanwendungen beherrschbar:

Erstens durch Wellenlängenmodulationsspektroskopie (WMS) — eine Detektionstechnik die das Signal-Rausch-Verhältnis erheblich verbessert und das schwache Quadrupolsignal aus dem Rauschen herausheben kann.

Zweitens durch die Bereitschaft der Industrie, mit größeren Pfadlängen und speziell optimierten Systemen zu arbeiten — was für die H₂-Messung in der Cl₂-Elektrolyse und in Elektrolyseanlagen für grünen Wasserstoff praktisch bedeutsam ist.

Warum TDLS trotz des schwachen Signals wertvoll ist: Konventionelle H₂-Sensoren — katalytische Sensoren, elektrochemische Sensoren, Wärmeleitfähigkeitsdetektoren — stehen in direktem Kontakt mit dem Messgas. Im Chlorgasstrom der Elektrolyse werden diese Sensoren durch das aggressive Cl₂ schnell zerstört. TDLS misst ohne Medienkontakt — das ist in korrosiven, explosionsgefährdeten und hochreinen Gasströmen ein entscheidender Vorteil, auch wenn die Empfindlichkeit geringer ist als bei anderen TDLS-Anwendungen.

Warum die H₂-Überwachung in Cl₂ sicherheitskritisch ist:

In der Chlor-Elektrolyse entsteht H₂ als unvermeidliches Nebenprodukt. Die untere Explosionsgrenze (UEG) für H₂/Cl₂-Gemische liegt laut Eurochlor-Dokumentation (GEST 91/168) bei 2,5 bis 3 Vol-% H₂ — abhängig von Druck und Temperatur. H₂/Cl₂-Gemische sind dabei besonders tückisch: Die Zündenergie ist extrem niedrig (ca. 10⁻⁷ Joule) und die Selbstzündungstemperatur liegt mit etwa 207°C deutlich unter der von H₂/Luft-Gemischen (ca. 400°C). Damit ist die kontinuierliche H₂-Überwachung in dieser Anwendung eine Sicherheitsmessung mit direkter Schutzfunktion.

Warum konventionelle Messmethoden hier an ihre Grenzen stoßen:

Methode	Prinzip	Problem in der H₂/Cl₂-Anwendung
Prozess-GC	Trennung und Detektion der Einzelkomponenten	Zykluszeit zu lang — mehrere Minuten; bei schnellen Konzentrationsänderungen zu langsam für Schutzfunktionen
Konverter + WLD	H₂ und Cl₂ werden im beheizten Ofen zu HCl umgesetzt; WLD misst vor und nach Konverter im Vergleich	WLD kann nur zwei Komponenten unterscheiden — bei weiteren schwankenden Begleitkomponenten wird die Messung unzuverlässig. Und: Der beheizte Konverter ist selbst eine potenzielle Zündquelle — er kann nicht in allen Anlagenzuständen betrieben werden, insbesondere nicht während An- und Abfahrprozessen wenn die Gaszusammensetzung unkontrolliert ist
IR-Messung von HCl	Indirekte Messung: HCl nach dem Konverter per NDIR	Besser als WLD wenn andere Komponenten schwanken; robuster, aber teilt das grundsätzliche Problem des beheizten Konverters als Zündquelle — und damit die Einschränkung bei An- und Abfahrvorgängen
TDLS direkt	Direktmessung H₂ über Quadrupolabsorption bei 2122 nm	Direkt, ohne Konverter, ohne Zündquelle, ohne Medienkontakt — und wenn die Prozessbedingungen es erlauben inline einsetzbar. Kann prinzipiell auch während An- und Abfahrvorgängen betrieben werden

Die Logik der Methodenwahl: GC ist zu langsam für eine Schutzfunktion. Der Konverter-Ansatz — ob mit WLD oder IR — hat zwei fundamentale Einschränkungen: erstens die Gasmatrix-Abhängigkeit bei WLD, zweitens und grundsätzlicher der beheizte Konverter selbst als potenzielle Zündquelle. Das bedeutet: In kritischen Betriebszuständen wie An- und Abfahren — genau dann wenn die Gaszusammensetzung am wenigsten kontrolliert ist — kann die Konverter-Methode oft nicht eingesetzt werden. TDLS hat diesen Zündquellen-Nachteil nicht. | CO₂ | 1570 nm, 2000 nm | Fermentation, Verbrennungsüberwachung, Treibhausgase | Hohe Hintergrundkonzentration in vielen Prozessen |

Praxisanwendungen im Detail

O₂-Überwachung in Inertisierungssystemen

Die Überwachung von Sauerstoff in inertisierten Anlagen und Behältern ist eine der wichtigsten TDLS-Anwendungen in der chemischen Industrie. TDLS misst O₂ ohne Probenaufbereitung, ohne Probenpumpe und ohne Kontakt mit dem Prozessgas — und damit ohne die Wartungsintensität die extraktive paramagnetische Systeme mit sich bringen.

Praxisvergleich aus der Sonderabfallverbrennung: In einer Anlage mit extremen Bedingungen — hohe Staubbeladung, aggressives Abgas, Feuchtigkeit und Schlamm — wurde die O₂-Überwachung mit extraktiven paramagnetischen Analysatoren betrieben. Das Probennahmesystem war ein dauerhafter Wartungsalptraum: Filter verstopften, Pumpen fielen aus, kondensierbare Bestandteile schufen Probleme im gesamten Probenpfad. Das Betriebs- und Wartungspersonal arbeitete unter unangenehmen und teilweise gefährlichen Bedingungen. Der Wechsel auf TDLS In-situ hätte den Probennahmepfad vollständig eliminiert. Das Beispiel zeigt: In rauen Prozessumgebungen ist der Wartungsaufwand des Probennahmesystems oft das eigentliche Betriebsproblem — nicht die Messgenauigkeit des Analysators.

O₂-Überwachung bei Verbrennungsprozessen mit organischen Stoffen

In Verbrennungsprozessen bei denen organische Stoffe im Abgas vorhanden sind, versagt der Zirkondioxid-Sensor (ZrO₂) — weil brennbare Gase an der Sensoroberfläche Sauerstoff verbrauchen und zu Falschmessungen führen. TDLS misst O₂ über den optischen Absorptionsweg ohne Medienkontakt und ist damit immun gegenüber diesem Effekt. Für solche Anwendungen ist TDLS oft die einzig praktikable In-situ-Lösung.

H₂ in Cl₂ — Sicherheitsmessung in der Chlor-Elektrolyse

In der Chlor-Alkali-Elektrolyse entsteht Wasserstoff als Nebenprodukt. Gelangt H₂ in den Chlorstrom, entsteht ein explosionsfähiges Gemisch. TDLS misst H₂ über schwache Quadrupolübergänge im Infrarot — berührungslos, schnell und ohne Kontakt mit dem aggressiven Chlorgas das konventionelle Sensoren schnell zerstören würde.

H₂O in der Cl₂-Elektrolyse — wo Standardsensoren versagen

Nach dem Trocknungsturm in der Chlor-Elektrolyse muss der Feuchtegehalt des Chlorgases im ppm-Bereich überwacht werden. Schon geringe Mengen Wasser (ab ca. 30 ppm) führen zu Korrosion am nachgeschalteten Kompressor und verunreinigen das Produkt.

Konventionelle Feuchtesensoren auf Basis von Phosphorpentoxid (P₂O₅) versagen hier aus einem einfachen Grund: Sie stehen in direktem Kontakt mit dem Chlorgas und werden durch dessen extreme Aggressivität angegriffen — der Sensor verschleißt, reagiert immer langsamer und erfordert häufige Erneuerung. Antwortzeiten von bis zu fünf Minuten sind bei P₂O₅-Sensoren keine Ausnahme.

TDLS misst H₂O im Chlorgasstrom ohne Medienkontakt — mit Antwortzeiten im Sekundenbereich und ohne Sensordegradation durch das aggressive Prozessgas. Das ist ein Paradebeispiel für Anwendungen bei denen TDLS nicht nur besser ist als die Alternative, sondern wo die Alternative dauerhaft nicht funktioniert.

HCl und HF in der Emissionsüberwachung

TDLS-Systeme für HCl und HF erhalten zunehmend Eignungszulassungen für den CEMS-Einsatz und ersetzen dort nasschemische Verfahren. Sie sind wartungsärmer, reagieren schneller und messen kontinuierlich statt diskontinuierlich.

TDLS in sicherheitsrelevanten Anwendungen (SIL)

Das Vertrauen der Prozessindustrie in TDLS-Systeme hat sich über 30 Jahre Betriebserfahrung so weit entwickelt, dass sie heute regelmäßig in SIL-klassifizierten Messkreisen eingesetzt werden. Typische Konfigurationen:

1oo2-Konfiguration (1 aus 2): Zwei TDLS-Systeme — oft vom gleichen Hersteller — messen dieselbe Größe. Beide Systeme müssen unabhängig voneinander ansprechen, um eine Schutzaktion auszulösen. Diese Konfiguration bietet hohe Verfügbarkeit bei gleichzeitiger Redundanz.

2oo3-Konfiguration (2 aus 3): Drei TDLS-Systeme, wobei zwei übereinstimmend ansprechen müssen. Besonders für O₂-Inertisierungsüberwachung in hochkritischen Anlagen.

Warum TDLS für SIL-Anwendungen geeignet ist:

SIL-relevante Eigenschaft	TDLS-Vorteil
Keine Verbrauchsstoffe	Keine Ausfälle durch leere Gasflaschen, verschlissene Elektroden oder verbrauchte Reagenzien
Integrierte Eigendiagnose	Laserleistung und Transmissionssignal werden kontinuierlich überwacht — Ausfall wird erkannt
Kein Probennahmesystem	Weniger Komponenten im Sicherheitskreis — weniger Fehlerquellen
Schnelle Antwortzeit	Sekunden statt Minuten — kritisch für schnelle Schutzreaktionen
Selektivität	Geringe Querempfindlichkeit reduziert Risiko unerkannter Falschmessungen

Wichtiger Hinweis: Bei TDLS-Systemen desselben Herstellers in redundanten Konfigurationen besteht ein Restrisiko systematischer Fehler — beide Systeme könnten von demselben gerätespezifischen Fehler betroffen sein. Bei höchsten Sicherheitsanforderungen kann diversitäre Redundanz sinnvoll sein — etwa TDLS kombiniert mit paramagnetischer Messung für O₂.

Anwendungsmatrix

Legende: ✅ TDLS bevorzugt | ⚠️ TDLS möglich, aber Alternativen prüfen | ❌ TDLS nicht geeignet

Anwendung	TDLS	Grund / Kommentar
O₂-Inertisierung	✅	Kein Probennahmesystem, SIL-fähig
O₂-Verbrennungsregelung	✅	Schnell, In-situ, auch bei organischen Begleitstoffen
O₂ bei organischen Stoffen im Abgas	✅	ZrO₂ versagt — TDLS unempfindlich gegenüber brennbaren Gasen
H₂O in Cl₂-Elektrolyse	✅	P₂O₅-Sensor versagt — TDLS ohne Medienkontakt
H₂ in Cl₂-Sicherheitsmessung	✅	Berührungslos, schnell, Cl₂-resistent
NH₃-Schlupfmessung (SCR)	✅	Schnell, In-situ, wartungsarm
HCl-Emissionsüberwachung	✅	Zunehmend eignungsgeprüft für CEMS
HF-Messung	✅	Aggressives Medium — kein Kontakt vorteilhaft
CO in Verbrennungsüberwachung	✅	In-situ möglich, schnell
Multikomponenten-Gasanalyse	❌	Nur eine Komponente pro Laser — GC oder FTIR geeigneter
Flüssigkeitsmessung	❌	TDLS ist für Gasmessung — nicht für Flüssigkeiten
Stark partikelbeladene Gase	⚠️	Transmission überwachen — Fensterspülung kritisch auslegen

Normen und regulatorische Grundlagen

Norm / Richtlinie	Inhalt
IEC 61508 / IEC 61511	Funktionale Sicherheit — Grundlage für SIL-Einsatz von TDLS-Systemen
EN 14181	Qualitätssicherung für automatische Messsysteme — relevant für TDLS in CEMS
EN 15267	Zertifizierung automatischer Messeinrichtungen — Eignungsprüfung für CEMS-Anwendungen
NAMUR NE 107	Selbstüberwachung und Diagnose von Feldgeräten — Anforderungen an TDLS-Eigendiagnose
ATEX / IEC 60079	Explosionsschutzanforderungen für TDLS-Systeme in Ex-Bereichen
VDI/VDE 2650	Prozessanalysatoren — Betrieb und Anforderungen

F&A — Häufig gestellte Fragen

Was bedeutet TDLS und wie funktioniert es?
TDLS steht für Tunable Diode Laser Spectroscopy — abstimmbare Diodenlaser-Absorptionsspektroskopie. Ein Diodenlaser wird auf eine charakteristische Absorptionslinie des Zielmoleküls abgestimmt und durchstrahlt das Prozessgas. Je mehr Zielmoleküle vorhanden sind, desto mehr Licht wird absorbiert. Aus der gemessenen Abschwächung, der Pfadlänge und den Prozessparametern wird die Konzentration berechnet — ohne Probenentnahme und ohne Medienkontakt.

Was ist der Etalon-Effekt und warum ist er bei TDLS kritisch?
Der Etalon-Effekt entsteht wenn der Laserstrahl auf parallele Oberflächen — typisch: senkrecht eingebaute Fensterscheiben — trifft. Mehrfachreflexionen zwischen den Glasoberflächen erzeugen Interferenzstreifen (Fringes) die sich dem Absorptionssignal überlagern und die Messung verfälschen können. Die Lösung: Fensterscheiben werden leicht geneigt eingebaut, damit reflektierte Strahlen aus dem Detektionsweg herausgelenkt werden.

Warum ist die Fensterspülung bei TDLS so kritisch?
Die Fensterspülung hält optische Fenster sauber — schützt aber gleichzeitig vor einer Fehlmessung wenn sie falsch dimensioniert ist. Zu starke Spülung kann das Spülgas in den Messpfad drücken und das Prozessgas verdrängen. Die gemessene Pfadlänge durch das Prozessgas verkürzt sich, die angezeigte Konzentration sinkt. In O₂-Inertisierungsanwendungen wäre ein zu niedrig gemessener O₂-Wert wegen zu starker N₂-Spülung sicherheitsrelevant.

Warum ist TDLS für H₂O-Messung in der Cl₂-Elektrolyse besser geeignet als konventionelle Sensoren?
Konventionelle Feuchtesensoren auf Basis von Phosphorpentoxid (P₂O₅) stehen in direktem Kontakt mit dem aggressiven Chlorgas und werden durch dieses zerstört — sie verschleißen schnell, reagieren langsam und erfordern häufigen Austausch. TDLS misst den H₂O-Gehalt optisch ohne jeden Medienkontakt — mit Antwortzeiten im Sekundenbereich und ohne Degradation durch das Prozessgas.

Warum ist TDLS besser als ZrO₂ für O₂-Messung bei organischen Stoffen im Abgas?
Zirkondioxid-Sensoren messen O₂ elektrochemisch an einer heißen Keramiksensoroberfläche. Brennbare Begleitgase (CO, H₂, Kohlenwasserstoffe) werden an dieser Oberfläche oxidiert und verbrauchen dabei Sauerstoff — der Sensor zeigt fälschlicherweise weniger O₂ an als tatsächlich vorhanden ist. TDLS misst über den optischen Absorptionsweg ohne Medienkontakt und ist daher immun gegenüber diesem Effekt.

Für welche SIL-Konfigurationen wird TDLS eingesetzt?
In der Praxis werden vor allem 1oo2- und 2oo3-Konfigurationen eingesetzt. Bei O₂-Inertisierungsüberwachung ist 2oo3 verbreitet. Oft werden Systeme desselben Herstellers kombiniert — was Vorteile bei Wartung und Kalibrierung bietet, aber das Restrisiko systematischer Fehler nicht vollständig eliminiert. Bei höchsten Anforderungen kann diversitäre Redundanz mit zwei verschiedenen Messprinzipien sinnvoll sein.

Was ist der Unterschied zwischen single-pass und multi-pass TDLS?
Beim single-pass durchquert der Laserstrahl das Messgas einmal. Beim multi-pass wird der Strahl durch Spiegel mehrfach durch die Messzelle gelenkt — die effektive Pfadlänge und damit die Empfindlichkeit steigt erheblich. Multi-pass wird vor allem in extraktiven TDLS-Systemen für Spurenkonzentrationsmessungen eingesetzt. In-situ single-pass ist für die meisten Prozessanwendungen ausreichend empfindlich.

Wie robust ist TDLS bei reduzierter Transmission durch Staub oder Ablagerungen?
TDLS-Systeme überwachen die Transmission des Laserstrahls kontinuierlich als Teil ihrer Eigendiagnose. Sinkt die Transmission unter einen definierten Schwellwert, wird ein Alarm ausgelöst. In der Praxis haben TDLS-Systeme bei deutlich reduzierter Transmission — etwa durch Partikel in Brennkammern — oft noch zuverlässig gemessen. Es gibt aber eine Grenze: Wenn die Transmission zu stark absinkt, ist eine valide Messung nicht mehr möglich und das System muss als ausgefallen behandelt werden.

Was dieser Artikel bewusst nicht behandelt

TDLS-Gerätetypen und Systemarchitekturen

Unterschiedliche Konfigurationen — single-pass vs. multi-pass, extraktive TDLS-Zellen, Cross-duct vs. probe-Konfigurationen — sowie ein Überblick über verfügbare Systemkonzepte werden in einem separaten Artikel behandelt.

Weiterführend: "NIR- und Raman-Analysatoren für die Prozessanalytik — Gerätetypen, Systemkonzepte und Auswahlkriterien" (in Vorbereitung)

Detailphysik: Harmonische Detektion und Wellenlängenmodulation

Die physikalischen Grundlagen der Wellenlängenmodulationsspektroskopie (WMS), 2f/1f-Detektion und verwandter Techniken sind ein eigenständiges Fachgebiet und werden in diesem Überblicksartikel nicht vertieft.

Fazit

TDLS hat sich in den letzten 30 Jahren von einer anspruchsvollen Labortechnologie zu einem der zuverlässigsten und wartungsärmsten Messprinzipien in der industriellen Prozessgasanalytik entwickelt. Die Kombination aus In-situ-Messung ohne Medienkontakt, hoher Selektivität, integrierter Eigendiagnose und wachsender Betriebserfahrung macht TDLS zur ersten Wahl für eine wachsende Zahl von Prozessaufgaben — von der O₂-Inertisierungsüberwachung bis zur H₂O-Messung im aggressiven Chlorgasstrom.

Die praktischen Herausforderungen — Fensterverschmutzung, Etalon-Effekt, Pfadlängenveränderung durch Spülung, Druckabhängigkeit — sind lösbar, aber sie müssen bei der Systemauslegung explizit berücksichtigt werden. Ein TDLS-System ist nur so gut wie seine Installation und die Sorgfalt mit der die Randbedingungen des spezifischen Prozesses analysiert wurden.

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