Die Bedeutung der Luftdruckkompensation in NDIR-Gassensoren

Eine präzise Gaserkennung ist entscheidend, besonders in Anwendungen, bei denen Sicherheit, Normkonformität oder Prozesssteuerung wichtig sind. Faktoren wie Kalibrierung, Temperaturstabilität oder Kreuzempfindlichkeit werden häufig berücksichtigt, der Einfluss des Umgebungsluftdrucks hingegen oft übersehen. Schon geringe Druckänderungen können ohne Kompensation zu deutlichen Messfehlern führen.

Viele nichtdispersive Infrarot-(NDIR)-Gassensoren verfügen nicht über eine automatische Druckkompensation. Dadurch liegt die Verantwortung beim Anwender, was das Risiko ungenauer Messwerte erhöht. Dieser Beitrag zeigt, warum die Luftdruckkompensation für verlässliche Gasmessungen unerlässlich ist. Außerdem wird erläutert, wie Sensoren mit integrierter Kompensation, wie die von Micro-Hybrid, auch unter wechselnden Umweltbedingungen präzise arbeiten. Abschließend vergleichen wir Micro-Hybrids Lösung mit anderen Herstellern, die auf diese Funktion verzichten, und zeigen, welche Risiken unkompensierte Druckabweichungen verursachen können.

NDIR-Sensoren bestimmen die Gaskonzentration anhand der Anzahl von Gasmolekülen in einem festen Volumen. Grundlage dafür ist das ideale Gasgesetz:

Zunächst ist entscheidend, dass sich der Umgebungsdruck stark mit der Höhe über dem Meeresspiegel verändert. Dazu ein Blick auf die folgende Übersicht:

Als Faustregel gilt: Der Luftdruck sinkt um etwa 1 hPa pro 8 Meter Höhenzunahme bis zu rund 100 Metern, danach langsamer. Einige Hersteller kalibrieren ihre Sensoren werkseitig auf einen festen Referenzdruck, meist auf Standardbedingungen auf Meereshöhe von etwa 1013 hPa. Fehlt eine integrierte Druckkompensation, muss der Anwender diese Daten selbst bereitstellen, was häufig zu geringerer Messgenauigkeit führt.

Betrachten wir nun den Fall, dass ein solcher Sensor in einer anderen Höhe eingesetzt wird, ohne die Kalibrierung anzupassen. Die Stadt Chengdu liegt im Durchschnitt auf 499 Metern Höhe, der atmosphärische Druck beträgt dort typischerweise etwa 950 hPa. Stellen wir uns vor, ein NDIR-Gassensor wird in einem Inkubator in Chengdu betrieben, ist aber weiterhin auf Meereshöhe mit 1013 hPa kalibriert.

Der daraus entstehende Messfehler lässt sich wie folgt abschätzen:

(1013 hPa − 950 hPa) × 0,0073 Vol.-%/hPa = 0,459 Vol.-%

Diese Abweichung liegt deutlich über den üblichen Toleranzen der präzisen Gasmessung, die oft eine Genauigkeit von ±0,2 Vol.-% verlangen.

Selbst an einem festen Standort schwankt der Umgebungsdruck. Betrachten wir dazu die Luftdruckänderungen in dieser Prognose für Peking am 16. Juli 2025:

Tägliche Schwankungen in Peking (16. Juli 2025)

• Minimaler Druck: 998,7 hPa
• Maximaler Druck: 1004,75 hPa
• Differenz: 6,05 hPa

Bei einem Zielwert von 5 Vol.-% ergibt sich daraus folgender Fehler:

6,05 hPa × 0,0073 Vol.-%/hPa = 0,044 Vol.-%

Selbst ohne Standortwechsel kann der Messwert innerhalb eines einzigen Tages um mehr als 0,04 Vol.-% abweichen – ein Wert, der bei vielen Anwendungen bereits außerhalb der zulässigen Toleranz liegt.

Zweiwöchige Schwankungen in Peking (Juli 2025)

Betrachtet man einen längeren Zeitraum, zeigt der 14-tägige Luftdruckverlauf für Peking noch größere Schwankungen:

• Minimum: 994,7 hPa (15. Juli, 11:00 Uhr)
• Maximum: 1011,62 hPa (17. Juli, 03:00 Uhr)
• Spannweite: 16,92 hPa

Dies entspricht einem Fehler von 16,92 × 0,0073 = 0,1235 Vol.-% und ist für kritische Anwendungen nicht akzeptabel. Diese alltäglichen Schwankungen verdeutlichen, dass NDIR-Gassensoren ohne automatische Luftdruckkompensation leicht außerhalb der Spezifikationen driften können – selbst ohne Änderungen der Höhenlage.

Um innerhalb einer Genauigkeit von ±0,2 Vol.-% bei einem Zielwert von 5 Vol.-% zu bleiben, darf die maximale Druckabweichung 0,2 / 0,0073 ≈ 27 hPa betragen.

Dieser Grenzwert wird in täglichen Wetterschwankungen leicht überschritten, besonders bei Stürmen oder wenn Geräte zwischen verschiedenen Standorten bewegt werden. Selbst moderate Druckänderungen können dazu führen, dass Messwerte außerhalb der Spezifikationen liegen.

Alle Micro-Hybrid NDIR-Sensoren verfügen über integrierte Drucksensoren, die eine Echtzeitkompensation ohne Eingriff des Anwenders ermöglichen. Zu den wichtigsten Vorteilen gehören präzise Messwerte unabhängig von der Einbauhöhe, automatische Korrektur täglicher und jahreszeitlicher Druckschwankungen, keine manuelle Eingabe oder Neukalibrierung des Drucks sowie gleichbleibend verlässliche Ergebnisse an unterschiedlichen Standorten und unter verschiedenen Umgebungsbedingungen.