Messtechnik
Die Messung der Luftschadstoffe im kontinuierlichen Verfahren erfolgt in den Messstationen mit automatisierten Analysatoren. Die Messplatzanforderung für diese Geräte macht es in der Regel erforderlich, eine Luftmessstation als begehbaren thermostatisierten Laborraum auszulegen. Zusätzlich werden meteorologische Größen gemessen, um die für die Entstehung und die Ausbreitung von Luftverunreinigungen bedeutsamen meteorologischen Bedingungen beurteilen zu können.
Allgemeine Informationen über die Messung von Luftschadstoffen und das Luftmessnetz haben wir hier für Sie zusammengefasst.
Hier erläutern wir die im hessischen Luftmessnetz verwendeten Verfahren zur Messung der Luftschadstoffe sowie der meteorologischen Größen.
Messprinzip: Chemilumineszenz
Gerätetyp: APNA 370
Hersteller: Horiba
Zur Messung von Stickoxiden wird das Chemilumineszenz-Verfahren herangezogen. Chemilumineszenz bezeichnet die Emission von Licht bei einer chemischen Reaktion.
Zur Bestimmung des Gehalts an Stickstoffmonoxid (NO) wird die Luft in eine Reaktionskammer geleitet, in der sie mit Ozon im Überschuss gemischt wird. Bei der Reaktion des NO mit dem Ozon entsteht ein angeregtes NO2-Molekül, welches beim Übergang in seinen Grundzustand messbare Lichtenergie abgibt (Chemilumineszenz). Diese Strahlung wird detektiert und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Sie ist proportional zur NO-Konzentration.
Auch Stickstoffdioxid (NO2) kann mit diesem Verfahren ermittelt werden. Das NO2 muss dazu vor der Chemilumineszenz-Reaktion zu NO reduziert werden. Dies geschieht in einem Konverter durch Reduktion an geeigneten heißen Metalloberflächen. Die Anordnung und Steuerung der Magnetventile im Gerät gewährleistet die erforderliche parallele Messung der Gesamtstickstoffoxid-Konzentration (NOx = NO + NO2) und der NO-Konzentration. Durch Subtraktion wird daraus die NO2-Konzentration ermittelt.
Das hier beschriebene und vom HLNUG verwendete Verfahren gilt als Referenzmethode zur Messung von Stickstoffdioxid und Stickstoffoxiden. Sie ist in der DIN EN 14211:2012 „Außenluft – Messverfahren zur Bestimmung der Konzentration von Stickstoffdioxid und Stickstoffmonoxid mit Chemilumineszenz“ beschrieben.
Das HLNUG verwendet den Gerätetyp APNA-370 der Firma Horiba.
Messprinzip: Adsorption von NO2-Molekülen an ein Medium (Triethanolamin). Anschließend quantitativ-chemische Laboranalyse.
Gerätetyp: Palmes tube
Hersteller: Passam
Passivsammler stellen im Vergleich zu den in der Messstation betriebenen Analysatoren eine kostengünstige und flexible Alternative zur Messung von Stickstoffdioxid dar. Sie benötigen keinen Stromanschluss, sind klein und können lediglich in einem Wetterschutzgehäuse beispielsweise an Laternenmasten angebracht werden.
Das Messprinzip der Passivsammler unterscheidet sich vom Messprinzip der Analysatoren. Ein Passivsammler besteht aus einem Polypropylen Röhrchen, das ein Adsorbens (Triethanolamin) enthält. Die NO2-Moleküle in der Luft diffundieren in das Röhrchen und werden vom Triethanolamin adsorbiert. Im Gegensatz zu einer Absorption findet bei einer Adsorption nur eine Anhaftung der Moleküle an der Oberfläche des Adsorbens statt. Die Moleküle werden also nicht vollständig von dieser Substanz aufgenommen und können somit einfacher wieder desorbiert werden.
Nach einer Probenahmezeit (i.d.R. ein Monat) wird das adsorbierte Material als Nitrit im Labor aus dem Röhrchen extrahiert und seine Masse photo-spektrometrisch über das Saltzman-Verfahren bestimmt. Unter Kenntnis der Probenahmezeit und der Aufnahmerate des Sammlers wird daraus die mittlere NO2-Konzentration über diese Probenahmezeit berechnet.
Die Aufnahmerate des Sammlers entspricht dabei der Rate, mit der der Sammler das NO2 aus der Atmosphäre aufnimmt. Sie wird in Hessen jedes Jahr neu kalibriert, indem die Passivsammlerwerte mit dem Referenzmessverfahren verglichen werden. Durch die Kalibrierung der Aufnahmerate, wird das Passivsammlerverfahren an das Referenzmessverfahren angepasst. Die Messwerte der Passivsammler und die Werte der Analysatoren in den Messstationen sind somit als gleichwertig zu betrachten.
Für die Kalibrierung der Aufnahmerate wird an einigen Messstationen in Hessen die NO2-Konzentration parallel mit einem Passivsammler und dem Referenzmessverfahren, also dem in der Station betriebenen Analysator, gemessen. Die aus diesem Vergleich bestimmte mittlere Aufnahmerate wird für alle in Hessen betriebenen Passivsammler verwendet.
Während des laufenden Kalenderjahres erfolgt monatsweise eine Anpassung an das Referenzverfahren aller bis dahin ermittelten Messergebnisse für das Jahr. Nach Abschluss des Kalenderjahres erfolgt eine abschließenden Kalibrierung und Endprüfung der Werte mit einer neu bestimmten Aufnahmerate. Mit der neu bestimmten Aufnahmerate erfolgt eine Neuberechnung der Analysenergebnisse des gesamten Jahres. Aus den ursprünglich bestimmten Nitritwerten wird dann die NO2-Konzentration auf Grundlage des Fick’schen Diffusionsgesetzes neu berechnet und der Jahresmittelwert gebildet.
Durch diesen Schritt ist eine viel präzisere Übereinstimmung mit den Messwerten der Analysatoren möglich. Die Abweichung zwischen Passivsammlern und Analysatoren beträgt ohne Angleichung im Mittel ca. 6 Prozent und mit der Angleichung im Mittel ca. 2 Prozent.
Die Bestimmung der Konzentration von Stickstoffdioxid mittels Passivsammler erfolgt im HLNUG entsprechend der DIN EN 16339. Die Analyse der Passivsammler ist dabei fremdvergeben.
Messprinzip: UV-Absorption
Gerätetyp: APOA 370
Hersteller: Horiba
Zur Messung der Ozon-Konzentration wird das Verfahren der UV-Absorption herangezogen, d.h., die Abschwächung von ultraviolettem Licht (UV-Strahlung) durch den Luftschadstoff O3. Es handelt sich um ein Absorptionsmessverfahren, das nach dem Lambert-Beer-Gesetz beschrieben wird. Das Messgas wird durch eine Küvette geleitet und mit einer UV-Strahlung im Bereich von 254 nm Wellenlänge durchstrahlt. Die Absorption der UV-Strahlung ist ein Maß für die Konzentration des Ozons in einem Gemisch von Gasen. Die UV-Strahlung wird von einer Photodiode erfasst und in ein elektrisches Signal umgewandelt.
Bei dem hier verwendeten Messgerät werden zweimal in der Sekunde abwechselnd Messgas und Referenzgas (O3-freie Probe) in die Messküvette eingeleitet. Das Referenzgas wird aus dem vorhandenen Messgas generiert, in dem das Messgas durch einen beheizten „Scrubber“ aus Silberwolle geleitet und das Ozon dabei selektiv entfernt wird. Die O3-Konzentration im Messgas ist proportional zum Verhältnis der absorbierten UV-Strahlung mit und ohne O3-Gas.
Das hier beschriebene und vom HLNUG verwendete Verfahren gilt als Referenzmethode zur Messung von Ozon. Sie ist in der DIN EN 14625:2012 „Außenluft – Messverfahren zur Bestimmung der Konzentration von Ozon mit Ultraviolett-Photometrie“ beschrieben.
Das HLNUG verwendet den Gerätetyp APOA-370 der Firma Horiba.
Messprinzip: Gravimetrie
Gerätetyp: DHA-80
Hersteller: Digitel
Gerätetyp: SEQ 47/50
Hersteller: Leckel
Messprinzip: Hybrid-Verfahren (Nephelometer und ß-Absorption)
Gerätetyp: SHARP 5030
Hersteller: Thermo
Messprinzip: Streulichtverfahren
Gerätetyp: APDA 372
Hersteller: Horiba
Zur Bestimmung der Feinstaubkonzentration bzw. PM (eng. particulate matter) in der Außenluft verwendet das HLNUG verschiedene Verfahren.
Beim gravimetrischen Verfahren wird die Außenluft mit einem bekannten, konstanten Volumenstrom durch einen größenselektiven Probeneinlass geführt. Die betreffende PM-Fraktion (PM10 oder PM2,5) wird für eine Dauer von 24 Stunden auf einem Filter gesammelt. Die Masse der abgeschiedenen Partikel wird durch Wägung des Filters vor und nach der Sammlung des Staubes bestimmt. Mittels Division dieser Masse durch das Probenahmevolumen wird die Massenkonzentration der PM-Fraktion in Mikrogramm pro Kubikmeter berechnet. Das hier beschriebene Verfahren gilt als Referenzmethode zur Messung von PM10 und PM2,5. Sie ist in der DIN EN 12341:2023 „Außenluft – Gravimetrisches Standardmessverfahren für die Bestimmung der PM10 oder PM2,5 Massenkonzentration des Schwebstaubes“ beschrieben.
Das gravimetrische Verfahren liefert als höchste zeitlich Auflösung Tagesmittelwerte der PM-Konzentration. Außerdem bedeutet die Wägung der Filter einen hohen personellen Aufwand. Zusätzlich zum Referenzmessverfahren betreibt das HLNUG deshalb auch Messgeräte, die die PM-Konzentration automatisiert und in einer höheren zeitlichen Auflösung messen. Diese Messgeräte sind eignungsgeprüft. Eine Gleichwertigkeit der Messdaten dieser Geräte zum Referenzverfahren wird regelmäßig durch Vergleichsmessungen überprüft.
Für die automatisiert durchgeführten PM-Messungen nutzt das HLNUG zwei verschiedene Messgerätetypen, denen unterschiedliche Messverfahren zugrunde liegen.
Das SHARP 5030 der Firma Thermo Scientific basiert auf der Kombination zweier Messprinzipien, der Lichtstreuung von Partikeln (Nephelometrie) und der Abschwächung von Beta-Strahlen beim Durchgang durch eine dünne Schicht an Material (Radiometrie). Bei diesem Gerät wird die Außenluft zunächst über einen größen-selektiven Probenahmekopf geführt, so dass entweder die PM10- oder PM2.5-Fraktion des Schwebstaubes in das Messgerät eingeleitet und somit die PM10- oder PM2.5-Massenkonzentration bestimmt wird.
Das APDA 372 der Firma Horiba ermittelt die Staubkonzentration mit einem Streulichtverfahren. Die Außenluft wird über einen Probenahmekopf angesaugt und zum Messsensor geleitet. Aus der Anzahl und der Höhe der Streulichtsignale, die die Partikel in einem bestimmten Luftvolumen erzeugen, wird zunächst die Anzahlgrößenverteilung der Partikel bestimmt. Über eine Annahme zu Form und Dichte der Partikel kann dann die Massenkonzentration in verschiedenen Größenfraktionen berechnet werden. Die PM10- oder PM2.5-Konzentration kann somit gleichzeitig gemessen werden. Dies stellt einen entscheidenden Vorteil gegenüber dem SHARP 5030 dar, mit dem man je nach verwendetem Probenahmekopf nur PM10 oder PM2.5 messen kann.
Aktuell stellt das HLNUG seine Feinstaubmessungen sukzessive von SHARP 5030 auf APDA 372 Geräte um.
Komponente: Staubniederschlag
Messprinzip: Gravimetrie
Gerätetyp: Bergerhoff (Glas)
Hersteller: Weck / Lock&Lock
Messprinzip: Gaschromatograph
Gerätetyp: GC 866
Hersteller: Chromatotec
Messprinzip: IR-Absorption
Gerätetyp: APMA 370
Hersteller: Horiba
Zur Messung der Kohlenmonoxid-Konzentration wird das Verfahren der nicht-dispersiven Infrarot-Spektrometrie (NDIR) herangezogen, d.h., die Abschwächung von infrarotem Licht (IR- Licht, Wärmestrahlung) durch den Luftschadstoff CO. Es handelt sich um ein Absorptionsmessverfahren, das nach dem Lambert-Beer-Gesetz beschrieben wird. Das Messgas wird durch eine Küvette geleitet und mit einer IR-Strahlung im Bereich von 4,6 μm Wellenlänge durchstrahlt. Die Absorption der IR-Strahlung ist ein Maß für die Konzentration des CO-Gases in einem Gemisch von Gasen. Die Infrarot-Strahlung wird von einem Membrankondensator erfasst und in ein elektrisches Signal umgewandelt.
Bei dem hier verwendeten Messgerät werden im 1-Sekunden-Takt abwechselnd Referenzgas (Nullgas, ohne CO) und Messgas in die Messküvette eingeleitet. Die CO-Konzentration im Messgas ist proportional zum Verhältnis der absorbierten Infrarot-Strahlung mit und ohne CO-Gas.
Das hier beschriebene und vom HLNUG verwendete Verfahren gilt als Referenzmethode zur Messung von Kohlenmonoxid. Sie ist in der DIN EN 14626:2012 „Außenluft – Messverfahren zur Bestimmung der Konzentration von Kohlenmonoxid mit nicht-dispersiver Infrarot-Photometrie“ beschrieben.
Das HLNUG verwendet den Gerätetyp APMA-370 der Firma Horiba.
Messprinzip: Gasfilterkorrelation
Gerätetyp: TE 41
Hersteller: Horiba
Messprinzip: GC-FID
Gerätetyp: APHA 370
Hersteller: Horiba
Messprinzip: Chemilumineszenz
Gerätetyp: APNA 370 in Verbindung mit einem NH3-Koverter
Hersteller: Horiba
Für die Messung von Ammoniak (NH3) wird wie bei den Stickoxiden das Chemilumineszenz-Verfahren herangezogen. Der Ammoniak-Analysator ist grundsätzlich identisch zum NOx-Analysator APNA370, nur dass hier ein Ammoniak-Konverter verbaut ist. Zusätzlich zur Bestimmung von NO und NO2 wird die NOy-Konzentration, die in erster Näherung aus NO, NO2 und NH3 besteht, bestimmt. Alle Komponenten werden dafür in einem Konverter zu NO reduziert bzw. oxidiert (NH3 -> NO), allerdings bei sehr viel höheren Temperaturen als beim Stickoxidgerät. Das dadurch entstandene NO reagiert mit Ozon in der Reaktionskammer, es entsteht elektromagnetische Strahlung, die detektiert und in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, das proportional zur NO-Konzentration ist. Die Anordnung und Steuerung der Magnetventile im Gerät gewährleistet die erforderliche parallele Messung der NOy-Konzentration (= NO + NO2 + NH3), der NOx-Konzentration (= NO + NO2) und der NO-Konzentration. Durch Subtraktion wird daraus die NH3-Konzentration ermittelt.
Das HLNUG verwendet den Gerätetyp APNA-370 in Verbindung mit einem NH3-Koverter der Firma Horiba.
Messprinzip: UV-Fluoreszenz
Gerätetyp: APSA 370
Hersteller: Horiba
Zur Messung von Schwefeldioxid (SO2) wird das UV-Fluoreszenz-Verfahren herangezogen. Die zu messenden Moleküle werden durch UV-Strahlung energetisch angeregt, wodurch die Moleküle Licht abgeben (fluoreszieren). Die Intensität der entstehenden Strahlung ist ein Maß für die Konzentration des zu messenden Gases in einem Gemisch von Gasen. Die entstehende Strahlung wird von einer Photodiode detektiert und in ein elektrisches Signal umgewandelt.
Zur Anregung der SO2-Moleküle wird eine UV-Strahlungsquelle im Bereich von 200 – 220 nm benötigt. Die Intensität der Fluoreszenzstrahlung ist proportional zur Anzahl der SO2-Moleküle im Gasgemisch.
Das hier beschriebene und vom HLNUG verwendete Verfahren gilt als Referenzmethode zur Messung von Schwefeldioxid. Sie ist in der DIN EN 14212:2012 „Außenluft – Messverfahren zur Bestimmung der Konzentration von Schwefeldioxid mit Ultraviolett-Fluoreszenz“ beschrieben.
Das HLNUG verwendet den Gerätetyp APSA-370 der Firma Horiba.
Messprinzip: Thermospannung
Gerätetyp: Pyranometer
Hersteller: Kipp & Zonen
Für die Messung der Globalstrahlung mittels eines Pyranometers wird das Prinzip der Thermospannung genutzt.
Die einfallende Strahlung bewirkt eine Erwärmung einer geschwärzten Empfangsfläche. Die hierdurch entstehende Übertemperatur gegenüber den geweißten Flächen wird mittels Thermosäulen in Thermospannungen umgesetzt. Die Thermosäulen bestehen aus einer Hintereinanderschaltung von Thermoelementen, deren „heiße“ Kontaktstellen mit den geschwärzten Empfängern thermisch verbunden sind, während die „kalten“ Kontaktstellen mit den geweißten Teilen der Empfangsfläche im thermischen Kontakt sind. Die Empfangsfläche muss gegen Witterungseinflüsse geschützt werden. Dafür wird Glas verwendet, das aufgrund seiner Eigenschaften die Strahlung im solaren Bereich passieren lässt.
Das hier beschriebene und vom HLNUG verwendete Verfahren ist in der VDI 3786 Blatt 5 (2022): „Umweltmeteorologie – Meteorologische Messungen – Strahlung“ beschrieben.
Symbolbild
Messprinzip: piezokeramischer Absolutdrucksensor
Gerätetyp: Barogeber
Hersteller: Thies
Das Messprinzip dieses Barogebers basiert auf dem piezoelektrischen Effekt, der die Änderung der elektrischen Polarisation und somit das Auftreten einer elektrischen Spannung an Festkörpern bei elastischen Verformungen beschreibt. Wenn sich der Luftdruck ändert, bewirkt dies eine minimale Ladungsverschiebung auf molekularer Ebene in der Gitterstruktur der piezoelektrischen Keramik. Diese elektrische Ladung wird an der Kristalloberfläche erfasst und mit einem sogenannten Ladungsverstärker in ein Spannungssignal umgewandelt.
Das hier beschriebene und vom HLNUG verwendete Verfahren ist in der VDI 3786 Blatt 16 (2022): „Umweltmeteorologie – Meteorologische Messungen – Luftdruck“ beschrieben.
Messprinzip: Kippwagenimpuls
Gerätetyp: Ombrometer
Hersteller: Thies
Das Ombrometer besteht aus einem Auffanggefäß und einer Wippe (Kippwaage). Das aus dem Auffanggefäß ablaufende Niederschlagswasser wird auf eine Wippe mit einem Gefäß auf jeder Seite geführt, bis ein vorbestimmtes Wasservolumen in der einen Wippenseite erreicht ist. Dann kippt die Wippe um und entleert sich, während die andere Seite neu gefüllt wird. Durch eine geeignete elektronische Vorrichtung wird hierdurch ein Impuls erzeugt, der entsprechend gespeichert wird. Die Anzahl der Zählimpulse ist ein Maß für die Niederschlagshöhe, die Zählrate ein Maß für die Niederschlagsintensität.
Das hier beschriebene und vom HLNUG verwendete Verfahren ist in der VDI 3786 Blatt 7 (2023): „Umweltmeteorologie – Meteorologische Messungen – Niederschlag“ beschrieben.
Messprinzip: Haarharfe / Pt 100-Widerstandsthermometer
Gerätetyp: Hygro-Thermogeber
Hersteller: Thies
Ein Hygro-Thermogeber dient zur Messung von Luftfeuchte und Temperatur. Dabei sind beide Messelemente, die auf unterschiedlichen Messprinzipien basieren, in einem Gehäuse verbaut.
Beim Haarhygrometer wird das Prinzip der Längenausdehnung von Haaren bei zunehmender Luftfeuchtigkeit ausgenutzt. Als Messelement dient eine Haarharfe, deren Ausdehnung über ein Hebelwerk umgesetzt und auf einer Skala angezeigt wird.
Beim Pt 100-Widerstandthermometer wird die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands (Platin) genutzt. Im meteorologischen Messbereich von –50 °C bis 50 °C ist eine weitgehend lineare Temperaturabhängigkeit gegeben. Typischerweise werden Platin-Widerstandsthermometer mit einem Nennwiderstand von R (0 °C) = 100 Ohm (Pt100) eingesetzt. Der Widerstand wird von einem konstanten Strom durchflossen. Die Spannung, die proportional zum Widerstand ist, kann leicht gemessen und in eine Temperatur umgerechnet werden.
Die hier beschriebenen und vom HLNUG verwendeten Verfahren sind in der VDI 3786 Blatt 4 (2013): „Umweltmeteorologie – Meteorologische Messungen – Luftfeuchte“ sowie in der VDI 3786 Blatt 3 (2012): „Umweltmeteorologie – Meteorologische Messungen – Lufttemperatur“ beschrieben.
Messprinzip: Ultraschallmessstrecken
Gerätetyp: Ultrasonic-Anemometer 2D
Hersteller: Thies
Das Ultrasonic-Anemometer erfasst Windgeschwindigkeit und Windrichtung in zwei räumlichen Dimensionen.
Ultraschallwellen werden von der Luft mitgeführt, sodass die Laufzeit von Signalen über eine Messstrecke mit fester Länge von der Luftzirkulation abhängt. Eine Messstrecke wird durch ein Paar von Ultraschallwandlern gebildet, die sowohl als Sender als auch als Empfänger dienen können. Aus der Differenz der Laufzeiten für verschiedene Richtungen kann sowohl die Windgeschwindigkeit als auch die Windrichtung bestimmt werden.
Das hier beschriebene und vom HLNUG verwendete Verfahren ist in der VDI 3786 Blatt 2 (2018): „Umweltmeteorologie – Meteorologische Messungen – Wind“ beschrieben.