Aufbau
Der APM-2 besteht aus folgenden Hauptkomponenten:
- Edelstahl-Gehäuse
- Bedieneinheit mit SD-Kartenleser
- Vakuumpumpe
- Ansaugrohr
- Impaktorkopf
- Virtualimpaktor
- Streulicht-Photometer
- Temperatur- und Luftfeuchte-Sensor
- GPRS-Modem
Um die Temperaturabhängigkeit des Photometersignals auszuschließen, ist das Photometer in einem thermisch isolierten, temperaturgeregelten Gehäuse eingebaut.
Funktionsweise
Vor einer Messung werden über die Bedieneinheit die gewünschten Parameter für die Messung (z.B. die zu messende Feinstaub-Fraktion) eingegeben. Im Betrieb saugt das Gerät über einen PM10-Impaktorkopf Außenluft mit einem Volumenstrom von 3,3 l/min ein. Der Impaktorkopf entspricht in seinem Aufbau dem zertifizierten Comde-Derenda PM10-Kopf nach EN 12341:2014 und wurde vom Institut für Energie- u. Umwelttechnik e.V. (IUTA) bezüglich seiner Abscheidecharakteristik überprüft. Im nachgeschalteten Virtualimpaktor wird die angesaugte Luft anschließend in einen Nebenstrom (Anreicherungsmodus) und den Hauptstrom (Normalmodus) aufgeteilt. Über eine Umschaltvorrichtung (Schlauch-Quetsch-Ventil) gelangt nun wahlweise einer dieser Teilströme in das Streulicht-Photometer. Im Photometer wird das Aerosol von einem Laser beleuchtet. Das von den Staubpartikeln gestreute Licht wird dann von einem Photodetektor erfasst und als verstärktes Signal ausgegeben. Dieses Ausgangsignal ist ein direktes Maß für die Schwebstaubkonzentration. Im Anreicherungsmodus erfasst das Photometer die PM10-Konzentration, im Normalmodus die PM2.5-Konzentration. Zum Nullpunktabgleich wird dem Photometer über die Umschaltvorrichtung in periodischen Abständen gefilterte Luft zugeführt.
Die ermittelten Daten werden im internen Speicher und auf einer SD-Karte gespeichert. Zudem besteht die Möglichkeit, die Daten über das integrierte GPRS-Modem periodisch an einen Netzwerkrechner zu übertragen.
TÜV-Eignungsprüfung
Unser photometrisches Streulicht-Messverfahren wurde vom TÜV Rheinland einer Eignungsprüfung entsprechend der neuen Richtlinie für die Fraktionen PM10 und PM2,5 gemäß EN 12341:2014 unterzogen. Hierbei wurde es als Äquivalenzverfahren im Vergleich zur bisher eingesetzten Gravimetrie unter Anwendung der Anforderungen des Leitfadens „Demonstration of Equivalence of Ambient Air Monitoring Methods“ bestätigt. Bei der Prüfung wurden zuvor ermittelte Korrekturfaktoren /-termen angewendet.
Details zum Messverfahren
Das Herzstück des eingesetzten Messverfahrens bildet eine hochempfindliche Streulichtsensorik. Das Licht einer intensitätsstabilisierten Laserdiode beleuchtet ein durch den optischen Strahlengang definiertes Messvolumen. Das Streulicht aller Aerosolpartikel, die sich in diesem Messvolumen befinden, wird unter einem Winkel von 90° von einem Halbleiterphotodetektor erfasst. Die Ergebnisse dieser Erfassung stehen nach Verstärkung als Spannungssignal (0–5 V) zur Verfügung. Das Signal ist direkt proportional zur Massenkonzentration des Aerosols im Messvolumen (Messbereich 0–1000 μg/m³).
Die Physik der Lichtstreuung an Partikeln bedingt, dass Aerosolteilchen mit einem Durchmesser in der Größenordnung der verwendeten Lichtwellenlänge das Licht massebezogen am effizientesten streuen. Sie liefern also den höchsten Beitrag zum Photometer-Ausgangssignal. Für die im Gerät verwendete Wellenlänge von 650 nm liegt das Empfindlichkeitsmaximum im Partikelgrößenbereich zwischen 0,5 und 1 μm. Daher wird das Messsignal eines in der Außenluft eingesetzten Streulicht-Photodetektors vornehmlich von der PM2,5-Fraktion dominiert. Der einfachen Streulichtphotometrie sind also bei der Messung der PM10-Konzentration Grenzen gesetzt, da die komplementäre Grobfraktion PM2,5 bis PM10 massebezogen erheblich weniger zum Ausgangssignal beiträgt und sie daher bei der Messung unterrepräsentiert ist.
Dieses Empfindlichkeitsdefizit bezüglich der Grobfraktion PM2.5 bis PM10 muss im Messgerät kompensiert werden. Diese Kompensation wird im APM-2 durch die selektive Konzentrationsanreicherung der Grobfraktion mittels des Virtualimpaktors erreicht, der dem Photometer vorgeschaltet ist. Die Konzentrationsanreicherung ist gleichbedeutend mit einer Empfindlichkeitserhöhung der Photometrie für den Partikelgrößenbereich PM2,5 bis PM10.
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