AQUA-Messtechnik

Emission von:

• Lärm
• Schadstoffen, die die Atmosphäre beeinflussen
• Strahlung

• ist zuständig für Methoden zur Messung der die Umwelt beeinflussenden Faktoren
• Quantifizierung der Emissionen

• Messprinzip <-> Physikalischer Effekt
• Messmethode <-> Handlungsvorschrift
• -> Messergebnis = (Messwert+-Fehler)*phys.Einheit

Strahlung, die entsteht, wenn sich ein Isotop spontan in ein andres umwandelt und dabei charakteristische Strahlung abgibt

• 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

• 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

• 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

• 1 Ionisationskammer
• 2 Geiger-Müller-Zähler
• 3 Szintillationszähler
• 4 Halbleiter Strahlungsdetektor

• 
• 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

• 
• 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

• 
• 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

• 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

• 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)

• 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

• 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

• 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 w_D=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

• 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

• 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 c_ppm= c*10^6ppm

• 
• 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

• 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->U_therm 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

• 
• 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)

• 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

• 
• 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

• 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

• 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

• 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

• 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