NDIR CO2 Sensor: Wie funktioniert das NDIR Messprinzip?

Du sitzt in einem Besprechungsraum, die Luft wird schwer, und das Display an der Wand springt von 600 auf 1.400 ppm. Kannst du dieser Zahl trauen? Wenn ein NDIR CO2 Sensor dahintersteckt, lautet die kurze Antwort: ja, innerhalb seiner Toleranz. Denn ein solcher Sensor schätzt Kohlendioxid nicht aus anderen Gasen ab, sondern misst, wie viel Infrarotlicht die CO2-Moleküle in einer kleinen Messkammer schlucken. Je mehr CO2 in der Luft ist, desto weniger Licht kommt am Detektor an.

Dieses Prinzip ist seit Jahrzehnten der Standard für die Raumluftmessung, und es erklärt fast alles, was du in einem Datenblatt liest: warum eine Genauigkeit in ppm plus Prozent angegeben wird, warum manche Geräte regelmäßig frische Luft „sehen“ müssen und warum der Luftdruck an deinem Standort eine Rolle spielt. Wer die Physik einmal verstanden hat, liest Produktangaben mit anderen Augen und erkennt schnell, ob ein Gerät echtes CO2 misst oder nur einen Rechenwert ausgibt.

Was ist ein NDIR Sensor?

NDIR steht für „nichtdispersives Infrarot“. Ein NDIR Sensor besteht im Kern aus vier Bauteilen: einer Infrarotquelle (eine kleine Glühlampe oder eine IR-LED), einer Messkammer, durch die die Raumluft per Diffusion strömt, einem optischen Filter und einem Detektor, meist einer Thermosäule. Die Quelle sendet breitbandiges Infrarotlicht durch die Kammer, das Filter lässt nur den schmalen Wellenlängenbereich durch, in dem CO2 absorbiert, und der Detektor misst, wie viel davon am Ende noch ankommt.

„Nichtdispersiv“ bedeutet, dass das Licht nicht wie in einem Labor-Spektrometer mit einem Prisma oder Gitter in seine Farben zerlegt wird. Statt ein ganzes Spektrum aufzunehmen, schaut der Sensor nur durch ein festes Fenster auf eine einzige Wellenlänge. Das macht ihn klein, robust und preiswert genug für Geräte, die an jeder Bürowand hängen können.

Wichtig für dich: Die Messung beruht auf einer Eigenschaft, die nur das gesuchte Gas in diesem Wellenlängenbereich hat. Ein NDIR Sensor ist damit selektiv. Stickstoff und Sauerstoff, die zusammen rund 99 Prozent der Luft ausmachen, stören ihn nicht, und auch Gerüche oder Dämpfe aus Reinigungsmitteln verschieben den CO2-Wert praktisch nicht. Genau das unterscheidet ihn von Sensoren, die auf viele Gase gleichzeitig reagieren.

Warum absorbiert CO2 Infrarotlicht bei 4,26 µm?

Ein CO2-Molekül ist linear aufgebaut: ein Kohlenstoffatom in der Mitte, links und rechts je ein Sauerstoffatom. Diese Atome schwingen ständig gegeneinander. Bei der sogenannten asymmetrischen Streckschwingung bewegt sich das Kohlenstoffatom zur einen Seite, während die Sauerstoffatome zur anderen ausweichen. Dabei verschiebt sich die Ladungsverteilung im Molekül, und genau diese Schwingung kann Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von etwa 4,26 Mikrometern aufnehmen. Diese Infrarotabsorption ist so stark und so charakteristisch, dass sie wie ein Fingerabdruck für Kohlendioxid wirkt.

Stickstoff und Sauerstoff bestehen aus zwei gleichen Atomen. Wenn sie schwingen, ändert sich ihre Ladungsverteilung nicht, deshalb schlucken sie in diesem Bereich kein Infrarotlicht. Wasserdampf absorbiert vor allem bei anderen Wellenlängen, etwa um 2,7 und 6,3 µm, und Kohlenmonoxid liegt bei rund 4,6 µm. Das Bandpassfilter vor dem Detektor sorgt dafür, dass der Sensor nur das CO2-Fenster sieht.

Wie aus der Abschwächung eine Konzentration wird, beschreibt das Lambert-Beer-Gesetz: Die durchgelassene Lichtintensität nimmt exponentiell mit der Gaskonzentration und der Länge des Lichtwegs ab. Doppelt so viel CO2 bedeutet also nicht doppelt so wenig Licht, sondern eine gekrümmte Kennlinie, die der Hersteller bei der Kalibrierung hinterlegt. Der Lichtweg erklärt auch die Bauform: Je länger er ist, desto empfindlicher wird der Sensor. Kompakte Module falten den Weg deshalb mit verspiegelten Kammern, damit auf wenigen Zentimetern ein ausreichend langer Messpfad entsteht.

Photoakustischer CO2 Sensor: Was ist der Unterschied zu NDIR?

Ein photoakustischer CO2 Sensor nutzt dieselbe Absorptionslinie bei 4,26 µm, liest sie aber anders aus. Er gehört deshalb zur NDIR-Familie; mancher Hersteller nennt ihn ausdrücklich „photoakustischer NDIR-Sensor“. Statt zu messen, wie viel Licht am Ende der Kammer übrig bleibt, misst er, was mit der absorbierten Energie passiert.

Das funktioniert so: Die Infrarotquelle wird im schnellen Takt ein- und ausgeschaltet. Jedes Mal, wenn CO2-Moleküle Licht aufnehmen, erwärmt sich das Gas in der Kammer minimal und dehnt sich aus; im Dunkeln zieht es sich wieder zusammen. So entsteht eine winzige periodische Druckwelle, also Schall, den ein MEMS-Mikrofon aufnimmt. Je mehr CO2 in der Kammer ist, desto lauter wird dieses Signal. Beim klassischen NDIR-Aufbau sinkt das Signal dagegen mit steigender Konzentration.

Der praktische Vorteil liegt in der Größe. Weil kein langer Lichtweg nötig ist, passen photoakustische Sensoren auf eine Fläche von etwa einem Quadratzentimeter und eignen sich für sehr kompakte Geräte. Klassische optische NDIR-Module sind größer, gelten aber als besonders bewährt für genaue Langzeitmessungen. Für dich als Anwender zählt am Ende weniger das Ausleseprinzip als die Spezifikation des fertigen Geräts: Messbereich, Genauigkeit, Kalibrierverfahren und wie gut die Raumluft an den Sensor gelangt.

NDIR oder eCO2: Misst dein Sensor echtes CO2?

Nicht jeder Raumluftmonitor mit einer ppm-Anzeige misst Kohlendioxid. Viele günstige Geräte arbeiten mit einem Metalloxid-Sensor, kurz MOX. Dessen beheizte Schicht ändert ihren elektrischen Widerstand, wenn reduzierende Gase sie erreichen, etwa Ausdünstungen von Menschen, aber auch Dämpfe von Reinigungsmitteln, Parfüm, Kochen oder frischer Farbe. Aus diesem Mischsignal rechnet ein Algorithmus einen Wert aus, der wie CO2 aussieht und als eCO2 („äquivalentes CO2“) ausgegeben wird.

eCO2 ist kein echtes CO2. Die Annahme dahinter lautet: Wo Menschen atmen, steigen CO2 und andere Ausdünstungen gemeinsam an. Wischt jemand den Tisch mit einem alkoholhaltigen Reiniger ab, kann der eCO2-Wert in einem leeren Raum auf 2.000 ppm springen. Umgekehrt steigt echtes CO2 in einem vollen Klassenzimmer, auch wenn sonst nichts in der Luft liegt.

So erkennst du den Unterschied: Im Datenblatt steht bei echter Messung „NDIR“ oder „photoakustisch“ als Messprinzip, dazu ein Messbereich in ppm und eine Genauigkeit wie ±(30 ppm + 3 %). Bei eCO2 fehlen diese Angaben meist, oder der Wert wird ausdrücklich als „equivalent“ oder „estimated“ bezeichnet. Wenn du CO2 als Lüftungsindikator brauchst, etwa für Schule, Büro oder Besprechungsraum, nimm nur ein Gerät mit direkter Messung.

Wie genau ist ein NDIR CO2 Sensor?

Die Genauigkeit eines NDIR CO2 Sensors wird fast immer als Summe aus einem festen Anteil und einem prozentualen Anteil des Messwerts angegeben. Viele Datenblätter für Innenraumsensoren nennen Werte in der Größenordnung von ±(30 bis 50 ppm + 3 bis 5 % des Messwerts). Eine Angabe von ±50 ppm allein ist deshalb nur die halbe Wahrheit: Bei höheren Konzentrationen kommt der prozentuale Anteil dazu und wird schnell größer als der feste.

Ein Beispiel aus dem Sortiment: Der Milesight AM307 misst CO2 per NDIR im Bereich von 400 bis 5.000 ppm mit einer Genauigkeit von ±(30 ppm + 3 % des Messwerts), spezifiziert für 0 bis 50 °C und 0 bis 85 % relative Feuchte. Die Tabelle zeigt, was diese Formel bei typischen Raumwerten bedeutet:

Für die Lüftungsentscheidung reicht diese Genauigkeit locker aus: Ob ein Raum bei 800 oder bei 1.500 ppm liegt, siehst du eindeutig. Die Anzeigeauflösung von 1 ppm ist keine Messgenauigkeit, sie zeigt nur, in welchen Schritten der Wert ausgegeben wird.

Zwei Faktoren beeinflussen die Genauigkeit in der Praxis zusätzlich: die Kalibrierung über die Lebensdauer, auf die die nächsten Abschnitte eingehen, und der Standort. Ein Sensor direkt neben einem Arbeitsplatz misst die Atemluft der Person davor, nicht den Raum. Ein Abstand von etwa einem bis zwei Metern zu Personen, keine Montage direkt am Fenster oder an der Lüftungsöffnung und eine Höhe ungefähr auf Kopfhöhe sitzender Personen liefern repräsentative Werte.

Single-Beam oder Dual-Beam NDIR: Was bedeutet das?

Jede Infrarotquelle altert. Die Lampe wird über die Jahre etwas schwächer, Staub oder Ablagerungen in der Kammer dämpfen das Licht zusätzlich. Für den Detektor sieht das genauso aus wie mehr CO2. Die Frage ist also, wie ein Sensor diese Drift erkennt und herausrechnet. Hier unterscheiden sich Single-Beam und Dual-Beam.

Ein Single-Beam-Sensor hat nur einen Messkanal bei 4,26 µm. Er kann Alterung nicht von CO2 unterscheiden und braucht deshalb eine Korrektur von außen, meist die automatische Basiskalibrierung (ABC). Dabei merkt sich der Sensor den niedrigsten Wert über einen Zeitraum von typischerweise sieben bis acht Tagen und setzt ihn mit der Außenluft gleich, die heute bei gut 420 ppm liegt. Das funktioniert in Büros und Schulen, die nachts und am Wochenende leer stehen und gelüftet werden.

Ein Dual-Beam-Sensor misst zusätzlich auf einem Referenzkanal, meist bei etwa 3,9 µm, wo kein Gas der Raumluft nennenswert absorbiert. Lässt die Lampe nach, sinken beide Kanäle gleichermaßen; steigt CO2, sinkt nur der Messkanal. Aus dem Verhältnis beider Signale rechnet der Sensor die Alterung heraus, ohne auf frische Luft angewiesen zu sein. Das braucht mehr Bauraum und kostet mehr, lohnt sich aber überall dort, wo die CO2-Konzentration nie auf Außenniveau fällt: in rund um die Uhr belegten Räumen, Gewächshäusern, Ställen oder Lagern mit Trockeneis. Dort würde ABC einen falschen Nullpunkt lernen und dauerhaft zu niedrige Werte anzeigen.

Wie lange hält ein NDIR Sensor?

NDIR gilt als eines der langlebigsten Gasmessprinzipien. Es gibt keine Chemie, die sich verbraucht, und keine Schicht, die vergiftet werden kann. Hersteller von NDIR-Modulen geben typischerweise eine Lebensdauer von zehn bis 15 Jahren an. Begrenzend wirkt vor allem die Infrarotquelle, deren Alterung die Kalibrierung ausgleicht, solange die Abweichung im korrigierbaren Bereich bleibt.

In einem batteriebetriebenen Funkgerät hält in der Regel nicht der Sensor am kürzesten, sondern die Energieversorgung. Die Infrarotquelle braucht für jeden Messvorgang einen kurzen Stromimpuls, deshalb hängt die Laufzeit stark vom Messintervall ab. Beim AM307 gibt Milesight bei einem Intervall von zehn Minuten und 25 °C eine Batterielaufzeit von etwa 3,9 Jahren mit vier ER14505-Zellen an (Labortest, SF7 im EU868-Band); bei schlechterer Funkverbindung mit SF10 sinkt sie auf rund 3,1 Jahre. Alternativ lässt sich das Gerät über USB-C versorgen.

Damit der Sensor seine Lebensdauer erreicht, solltest du ihn vor Kondenswasser, Staub und Lösungsmitteldämpfen schützen. Die Gehäuseöffnungen dürfen nicht überklebt oder überstrichen werden.

Warum braucht ein NDIR Sensor Druck- und Temperaturkompensation?

Ein NDIR Sensor zählt streng genommen nicht ppm, sondern Moleküle im Lichtweg. Die Angabe in ppm ist dagegen ein Anteil: Wie viele von einer Million Luftteilchen sind CO2? Ändert sich die Dichte der Luft, ändert sich die Zahl der Moleküle in der Kammer, obwohl der Anteil gleich bleibt. Und die Luftdichte hängt von Druck und Temperatur ab.

Beim Druck macht das ungefähr 0,1 Prozent Messfehler pro Hektopascal aus. Wetterbedingte Schwankungen von ±30 hPa verschieben den Wert also um etwa ±3 Prozent. Spürbarer ist die Höhe: Ein Sensor, der auf Meereshöhe bei 1.013 hPa kalibriert wurde, liest in München auf rund 520 Metern bei etwa 955 hPa ungefähr sechs Prozent zu niedrig, aus echten 1.000 ppm werden also etwa 940 ppm.

Bei der Temperatur gilt dasselbe Prinzip: Zwischen 20 und 30 °C ändert sich die Gasdichte um gut drei Prozent. Hinzu kommt, dass Lampe und Detektor selbst temperaturabhängig sind. Gute Module messen deshalb die Temperatur intern und rechnen den Effekt heraus. Für den Druck brauchen viele Sensoren einen Wert von außen, entweder einen fest eingestellten Höhenwert oder die Messung eines Drucksensors.

Der AM307 enthält einen eigenen Barometer-Sensor mit einem Messbereich von 260 bis 1.260 hPa. Ob und wie das Gerät diesen Wert intern für die CO2-Korrektur nutzt, geht aus den öffentlichen Herstellerangaben nicht hervor. Wenn du hoch gelegene Standorte ausstattest oder Messwerte zwischen Standorten vergleichst, lohnt sich die Rückfrage beim Hersteller oder ein Blick ins Handbuch.

NDIR CO2 Sensor kaufen: Worauf solltest du achten?

Prüfe zuerst das Messprinzip: Im Datenblatt muss NDIR oder photoakustisch stehen, nicht eCO2 oder ein geschätzter Wert. Danach kommt die Genauigkeit, und zwar als vollständige Formel mit festem und prozentualem Anteil, bezogen auf den Bereich, in dem dein Raum tatsächlich liegt. Ein Messbereich bis 5.000 ppm reicht für Büros, Schulen und Wohnungen.

Als Nächstes klärst du die Kalibrierung. In Räumen, die regelmäßig leer stehen und gelüftet werden, genügt ein Sensor mit automatischer Basiskalibrierung. Bleibt die Konzentration dauerhaft hoch, brauchst du ein Dual-Beam-Modul oder die Möglichkeit, manuell an Frischluft zu kalibrieren. Bei Standorten deutlich über Meereshöhe fragst du nach der Druckkompensation. Für batteriebetriebene Funkgeräte vergleichst du die Batterielaufzeit beim geplanten Messintervall, nicht den besten Wert aus dem Prospekt. Und schließlich zählt der Montageort: Der beste Sensor misst Unsinn, wenn er neben dem Fenster oder direkt am Schreibtisch hängt.

Wenn du einen passenden NDIR CO2 Sensor suchst, findest du unsere Modelle in der Kategorie CO2-Sensoren.

FAQ zum NDIR CO2 Sensor

Muss ein NDIR CO2 Sensor kalibriert werden?

Ja, aber meist nicht von Hand. Ab Werk ist jeder Sensor kalibriert, und viele Geräte korrigieren die Alterung der Lampe über die automatische Basiskalibrierung, die den niedrigsten Wert einer Woche mit der Außenluft gleichsetzt. In Räumen, die nie richtig ausgelüftet werden, solltest du diese Automatik abschalten und stattdessen gelegentlich an Frischluft kalibrieren oder ein Dual-Beam-Modul einsetzen.

Wie schnell reagiert ein NDIR CO2 Sensor?

Das Sensorelement selbst erreicht 90 Prozent eines Sprungs typischerweise in etwa einer bis wenigen Minuten, weil die Luft per Diffusion in die Messkammer gelangt. Im fertigen Gerät kommen Gehäuse, Messintervall und Sendeintervall hinzu. Für die Raumüberwachung ist das völlig ausreichend, denn CO2 steigt in einem belegten Raum über viele Minuten an.

Ist ein NDIR Sensor besser als ein MOX Sensor?

Für die CO2-Messung eindeutig ja, denn nur NDIR misst Kohlendioxid direkt und selektiv. Ein MOX Sensor reagiert auf eine Vielzahl reduzierender Gase und liefert CO2 bestenfalls als Schätzwert. Er ist dafür kleiner, günstiger und sparsamer und beantwortet eine andere Frage, nämlich ob andere Gase oder Dämpfe in der Luft liegen. Manche Raumluftmonitore kombinieren deshalb beide Sensoren in einem Gehäuse.