AQUA-Messtechnik

  1. 3 Umwelteinflüsse
    Emission von:

    • Lärm
    • Schadstoffen, die die Atmosphäre beeinflussen
    • Strahlung
  2. Aufgabe Messtechnik
    • ist zuständig für Methoden zur Messung der die Umwelt beeinflussenden Faktoren
    • Quantifizierung der Emissionen
  3. notwendig für Messung
    • Messprinzip <-> Physikalischer Effekt
    • Messmethode <-> Handlungsvorschrift
    • -> Messergebnis = (Messwert+-Fehler)*phys.Einheit
  4. Definition radioaktive Strahlung
    Strahlung, die entsteht, wenn sich ein Isotop spontan in ein andres umwandelt und dabei charakteristische Strahlung abgibt
  5. Aktivität eines radioaktiven Stoffes
    • BECQUEREL (A.H.Becquerel 1852-1908)
    • 1Bq = 1 Zerfall/s
    • historisch: CURIE
    • 1Ci = Aktivität von 1g Radium
    • 1Ci = 3,7*10^10 Bq
    • 1Bq = 2,7*10^-11 Ci
  6. Wirkung einer ionisierenden Strahlung (Strahlendosis)
    • ENERGIEDOSIS (pro Masseneinheit absorbierende Strahlungsenergie)
    • GRAY (L.H.Gray 1905-1945)
    • 1Gy = 1J/Kg (früher rad, 1Gy=100rad, radiation absorption dosis)

    • ÄQUIVALENTDOSIS (Bewertung bez biologischer Wirksamkeit)
    • SIEVERT
    • 1Sv = 1Gy*RBW-Faktor (relative biologische Wirksamkeit, tabelliert, y-Strahlung-RBW=1)
    • früher rem (radiation equivalent in m)
    • 1Sv = 100rem
  7. Dosisleistung und Grenzwerte
    • Dosisleistung = Dosis/Zeit
    • Zivil - 1mSv/a
    • berufl exponiert - 20mSv/a
    • natürliche Strahlenbelastung - 2,4mSv/a
    • zivilisatorische Strahlenbelastung - 1,5mSv/a
    • Organdosis: Augen-150mSv/a; Haut-500mSv/a; Schilddrüse-300mSv/a; Gebärmutter-50mSv/a
  8. 4 Messverfahren für ionisierende Strahlung
    • 1 Ionisationskammer
    • 2 Geiger-Müller-Zähler
    • 3 Szintillationszähler
    • 4 Halbleiter Strahlungsdetektor
  9. Funktion Ionisationskammer
    • Image Upload 1
    • gasgefüllte (Luft, Argon) Kammer mit 2 Elektroden
    • Gas durch Strahlung ionisiert
    • elektrisches Feld zwischen Elektroden lässt Ladungen an Elektroden abfließen
    • resultierender Strom im Außenkreis messbar
    • Stromstärke direktes Maß für Dosisleistung
    • ABER: Strom sehr klein -> Verstärkung notwendig (Leckströme, elektr Rauschen)
    • => ungeeignet für Umweltmesstechnik
  10. Funktion G-M-Zählrohr
    • Image Upload 2
    • Strahlung ionisiert Gas
    • Spannung zwischen Innen/Außenelektrode ~100V
    • => starker Feldgradient
    • Ladungen werden zur Innenelektrode beschleunigt
    • Stoßionisation bei weiteren Gasatomen
    • Lawine von Ladungsträgern -> Ladungsträger fließen ab
    • energieunabhängiges Signal => Bq
    • Signalstärke ~1V, Totzeit ca 100ys
    • Haupteinschränkung: maximal 10^4 Teilchen/s
  11. Funktion Szintillationszähler
    • Image Upload 3
    • auftrefende Strahlung setzen Photonen in Kristall frei
    • Photonen lösen e- aus, welche zwischen Dynoden beschleunigt werden und weitere e- auslösen
    • am Ende Verstärkung um 10^2-10^3 bei 12-24 Dynoden
    • U zwischen Dynoden 100-200V, gesamter Stapel 1,5-2kV
    • Dicke des Kristalls nach oben beschränkt, damit Photonen nicht im Kristall absorbiert werden
    • nach unten damit gesamte auftreffende Energie Photonen generieren kann
    • Kalibrierung mittels Eichproben
  12. Funktion Halbleiter Strahlungsdetektoren
    • Halbleiterdiode in Sperrrichtung mit 5KV
    • Strahlung erzeugt freie Ladungsträger, die im Feld beschl werden
    • Signal in Form eines Stromimpuls ~10^-7 s
    • Problem: hohe Betriebsspannung->Durchschlageffekte, Kühlung mit fl Stickstoff->Bildung freier Ladungen durch thermisches Rauschen vermeiden
    • ABER: höchst empfindliche Messungen damit möglich
  13. Messung von Umweltaktivität
    • Bundesamt für Strahlenschutz
    • 20.000 Stationen mit 15km Abstand
    • 2 Zählrohre - Messbereiche 50pSv/h - 5Sv/h
    • Station Schauinsland(Schwarzwald): Ge-Detektoren für Überwachung des Atomwaffenabkommens
    • Versuchsstation auf Brocken mit neuartigen CZT-Sonden für oberirdischen Betrieb bei Umgebungstemp (Cadmium-Zink-Tellurid)
  14. Definition Feinstaub, Grenzwerte
    • Schwebstaubpartikel, die einen Durchmesser bis 10ym haben (lungengängiger Anteil am Gesamtstaub)
    • genannt PM10 (particle matter)
    • Grenzwert ab 4/1983: 80yg/m^3 für Median der gesamten Tagesmittelwerte übers Jahr; 130yg/m^3 im Winter
    • ab 1/2005: 50yg/m^3 für 24h Mittelwert PM10; 35 Überschreitungen; 40yg/m^3 für Jahresmittelwert
    • ab 1/2010: max 7Überschreitungen des 24h Mittelwerts; 20yg/m^3 für Jahresmittelwert
    • online Messung der Feinstaubkonzentration
    • Dresden Bergstraße, Dresden Postplatz, Dresden Schlesischer Platz
  15. optische Messverfahren Feinstaub
    • Messprinzipien: Extinktion, Trübung, Streulichtmessungen
    • Streulichtspektrometer (genutzt wird die Eigenschaft, dass die von einem Teilchen unter einem best Winkel ausgehende Streulichtintensität zur Partikelgröße proportional ist - Mie-Streuung 1968)
    • Image Upload 4
    • Messung des Streulichtes unter 90°
    • Pulshöhenanalyse liefert Größe der Partikel
    • schnelle Detektoren (> 1000Teilchen/s)
    • typischerweise kommerzielle Geräte Partikelgröße 0,25-32ym in 30 Größenklassen
  16. mechanische Messverfahren Feinstaub
    • Standardverfahren in Umweltstationen
    • in DD: Mikrowaagen vom Typ TEOM (tapered element oscillating microbalance)
    • notwendig: Probeneinlass mit Größenselektion ->vorgeschaltete Filter
    • => nur Partikel mit zul Durchmesser PM10
    • Image Upload 5
    • Prinzip: Änderung der Schwingungsfrequenz eines schwingfähigen Systemes
    • kontrollierter Volumenstrom durch des Element
    • Abnahme der Eigenfrequenz wD=c/m mit steigender Masse des Filters
    • ermöglicht kontinuirliche Messung - Mittelwertbildung möglich
    • gravimetrische Verfahren: ebenfalls Luft durch Filter, Filter zu best Zeit gewogen ->typischerwiese für Tagesmittelwert
  17. 4 Typen Vereisungsensoren
    • Eislastmessung: rotierender Stab dessen Drehmoment sich durch Eisbildung ändert
    • Detektion mit Dehnmessstreifen
    • Drehbar gelagert, um Eis und Schnee unterscheiden zu können
    • Schwingungsbasierte Messung(Cronin): Stab aus Ni-Legierung wird über magnetorestriktiven Effekt zum schwingen gebracht
    • Eis ändert Eigenfrequenz
    • beheizbar für Wiederholung der Messung
    • Ultraschall-basierte Messung: Draht durch Piezoaktuator in Schwingung versetzt
    • am anderen Ende Ultraschallsensor
    • transmittierte Ultraschall-Amplitude sinkt durch Eisansatz ab
    • Infrarot-basierte Messung: Lichtleiter in Flügelspitze
    • IR-Licht tritt durch Sichtfenster aus
    • vereiste Fenster reflektiert IR Detektion an die Nabe
  18. Messung von Gaskonzentration
    • bodennahe Messung: TÜV, Umweltmessstationen- lokale Information
    • in Atmosphäre: Satelliten- globale Info
    • wissenschaftliche Messung zu Verbrennungsprozessen
    • Verfahren: chemisch(Dräger-Röhrchen;Wärmetönungssensor;Flammenionisationsmessung), optisch(Transmission;Absorption;EmissionSpektrometer), physikalisch(Festkörper-Ionenleiter;Ringkammersauerstoffsensor)
    • Maßeinheit: Volumenkonzentration c= Vi/Vges
    • für Spurengase cppm= c*10^6ppm
  19. Dräger-Röhrchen (chemisches Gaskonzentrationsmessverfahren)
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    • Röhrchen mit Material, das mit gesuchtem Gas reagiert->Farbreaktion
    • Handpumpe mit Hubanzeige und -zähler
    • Länge des Reaktionsbereiches ist Maß für Konzentration je Volumen
    • sehr einfach, robust
  20. Wärmetönungssensor (chemisches Gaskonzentrationsmessverfahren)
    • relevant: Wärmemenge die bei chem Reaktion aufgenommen bzw abgegeben wird
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    • Einleitung des vorgewärmten Gases in die Brennkammer
    • Verbrennung am Katalysator erzeugt Wärme -Tempanstieg im KAT
    • Messung über Thermoelemente->Utherm proportional zur Gaskonzentration
    • alle brennbaren Gase (CO, CO2, Methanol, Aceton,...) detektieren aber nicht spezifizieren (vorher Trennen)
    • empfindlich im ppm-Bereich
    • Einsatz zur CO-Detektion in Parkhäusern, Tunneln
  21. Flammenionisationsmessung (chemisches Gaskonzentrationsmessverfahren)
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    • das zu analysierende Gas wird mit H2 verbrannt
    • bei Verbrennung org Verbindungen->Anstieg der Ionenkonzentration im Verbrennungsraum um mehrere Größenordnungen
    • Leitfähigkeitserhöhung
    • Ionenstrom prop zur Konzentration der Gaskomponenten (spez Kohlenwasserstoffe)
  22. Festkörper-Ionenleiter (physikalisches Gaskonzentrationsmessverfahren)
    • Mischkeramik aus Zirkonoxid (ZrO2) und Yttriumtrioxid (Y2O3) wird für T>350°C Ionenleiter (Festkörperelktrolyt)
    • Stromfluss durch Umwandlung von O2- Ionen ist Maß für relative O2-Konzentration
    • Image Upload 9
    • K: O2+4e- -> 2O2-
    • A: 2O2- -> O2+4e-
    • U in offenem Kreis: U=(kT/4e)*ln(p2/p1)
    • Messung von O2 Konzentration in Rauchgasen
    • Lambda Sonde in Autos
  23. Ringkammersauerstoffsensor (physikalisches Gaskonzentrationsmessverfahren)
    • Image Upload 10
    • O2 ist paramagnetisch, kann aus Gasgemisch mittels Magnetfeldgradienten abgetrennt werden
    • paramagnetische Eigenschaften werden mit steigendedem T schwächer
    • Heizung sorgt für Tempunterschiede->Strömung in Querrohr hinein
    • Luftstrom bewirkt Kühlung der Heizwendeln
    • Widerstandsänderung in Heitzwendeln-> in Wheatstone-Brücke genutzt
    • Image Upload 11
    • R1=R+deltaR1; R4=R+deltaR4; R2=R3=R
    • Ud=U0/4 *(deltaR1-deltaR4/R)
    • Diagonalspannung hängt ab von Kühlung durch Gas, dh von Strömung, dh vom Gehalt von O2 im Gasgemisch
  24. Transmission (optisches Gaskonzentrationsmessverfahren)
    • Intensitätsanteil, der von der Probe durchgelassen wird T = I/I0 (es werden nur Intensitäten betrachtet)
    • Zusammenhang zu weiteren Größen: Extinktion E=-lg*T= lg I0/I
    • E=epsilon(lambda,T,ph-Wert,...)*c*l
    • epsilon=Emissionskoef, c=Konzentration, l=durchstrahlte Länge
  25. Absorption (optisches Gaskonzentrationsmessverfahren)
    • Schwächung der eingestrahlten Intensität->Wellenlängen/Frequenz abhängig
    • geschwächt werden diejenigen Frequenzen, die zu den Eigenfrequenzen der Atome/Moleküle passen
    • Energieaufnahme durch die Probe
    • charakteristisches (Absorptions)Spektrum erlaubt Rückschlüsse auf absorbierendes Gas
  26. Emission
    • nach geeigneter Bestrahlung->Emission charakt Strahlung
    • nicht dispersiver Infrarot-Gasanalysator (ndir)
    • Image Upload 12
    • Messzelle mit zu analysierendem Gas gefüllt
    • beide Zellen auf gleiche Art mit IR bestrahlt
    • IR wird absorbiert
    • Seite Messzelle transmittierte IR Licht von Gaskonzentration abh
    • Seite Referenzzelle höherer Anteil von IR Licht tritt durch
    • Analysator: gefüllt mit gesuchtem Gas
    • Teil unter Referenzzelle- höhere Absorption->Tempanstieg, Druckerhöhung, Reformation der Membran, Veränderung der Kapazität zw Membran/Gitter=> Messsignal
    • eingesetzt zum Nachweis von CO, CO2, NH3, NO3, SO3
  27. Spektrometer (optisches Gaskonzentrationsmessverfahren)
    • Spektrum ist charakterisiert wellenlängenabh Schwächung der eingestrahlten Intensität, die Schwächung ist abh von Konzentration an Gasspezies
    • aufspalten des transmittierenden Spektrums durch Prisma, Gitter, Spektralfilter
    • ortsabh Intensitätsverteilung für Detektor->Spektrum des Gasgemisches
    • Vergleich mit Referenzspektrum einzelner Gasspezies-> Ermittlung der Zusammenhänge für das Gemisch über Fit
Author
yari
ID
347916
Card Set
AQUA-Messtechnik
Description
Teil der Aqua-Prüfung Umweltaspekte in Energienanlagen
Updated