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3 Umwelteinflüsse
Emission von:
- Lärm
- Schadstoffen, die die Atmosphäre beeinflussen
- Strahlung
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Aufgabe Messtechnik
- ist zuständig für Methoden zur Messung der die Umwelt beeinflussenden Faktoren
- Quantifizierung der Emissionen
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notwendig für Messung
- Messprinzip <-> Physikalischer Effekt
- Messmethode <-> Handlungsvorschrift
- -> Messergebnis = (Messwert+-Fehler)*phys.Einheit
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Definition radioaktive Strahlung
Strahlung, die entsteht, wenn sich ein Isotop spontan in ein andres umwandelt und dabei charakteristische Strahlung abgibt
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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
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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
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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
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4 Messverfahren für ionisierende Strahlung
- 1 Ionisationskammer
- 2 Geiger-Müller-Zähler
- 3 Szintillationszähler
- 4 Halbleiter Strahlungsdetektor
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Funktion Ionisationskammer
- 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
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Funktion G-M-Zählrohr
 - 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
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Funktion Szintillationszähler
 - 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
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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
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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)
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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
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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)
- Messung des Streulichtes unter 90°
- Pulshöhenanalyse liefert Größe der Partikel
- schnelle Detektoren (> 1000Teilchen/s)
- typischerweise kommerzielle Geräte Partikelgröße 0,25-32ym in 30 Größenklassen
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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
 - 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
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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
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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
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Dräger-Röhrchen (chemisches Gaskonzentrationsmessverfahren)
- 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
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Wärmetönungssensor (chemisches Gaskonzentrationsmessverfahren)
- relevant: Wärmemenge die bei chem Reaktion aufgenommen bzw abgegeben wird
 - 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
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Flammenionisationsmessung (chemisches Gaskonzentrationsmessverfahren)
 - 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)
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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
 - 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
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Ringkammersauerstoffsensor (physikalisches Gaskonzentrationsmessverfahren)
 - 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
 - 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
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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
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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
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Emission
- nach geeigneter Bestrahlung->Emission charakt Strahlung
- nicht dispersiver Infrarot-Gasanalysator (ndir)
- 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
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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
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