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Air Quality Monitor (AQM)

Entwicklung eines Air Quality Monitors zur kontinuierlichen Überwachung der Konzentrationen von Feinstaub und gasförmigen Schadstoffen

Ziel dieses Projektes war die Entwicklung eines kompakten Geräts zur simultanen, mobilen, nicht-industriellen Messung der Feinstaubfraktionen PM10 und PM2,5 sowie anorganischer Schadstoffe (NOx / CO / O3 / SO2).

Beschreibung

Im Rahmen des BIG FuE Projekts „Entwicklung eines Air Quality Monitors zur mobilen, nicht-industriellen Messung der PM10– und PM2,5-Fraktion und gasförmiger Schadstoffe“ wurde ein kompaktes, mobiles Gerät zur Überwachung bestimmter Luftschadstoffe entwickelt. Das Gerät misst die Konzentration der Feinstaubfraktionen PM10 und PM2,5 und simultan die Konzentrationen der gesundheitsbelastenden gasförmigen Schadstoffe Schwefeldioxid (SO2), Stickstoffdioxid (NO2), Ozon (O3) und Kohlenmonoxid (CO). Zusätzlich wurde die Messung von VOC (volatile organic compounds = flüchtige organische Verbindungen) integriert und getestet.

Der Air Quality Monitor (AQM) nutzt zur Ermittlung der Feinstaubkonzentration das Prinzip der Lichtstreuung an kleinen Partikeln (Nephelometrie). Ein Streulichtphotometer erfasst die Massenkonzentration der im Messvolumen befindlichen Aerosolpartikel. Das Empfindlichkeitsmaximum für die verwendete Lichtwellenlänge von 650 nm liegt im Partikelgrößenbereich von 0,5 bis 1 μm. Um die Empfindlichkeit bezüglich der Grobfraktion PM2,5 bis PM10 zu erhöhen, nutzt der AQM eine selektive Konzentrationsanreichung mittels eines vorgeschalteten Virtualimpaktors, welche die geringere Empfindlichkeit im Bereich der Grobfraktion ausgleicht. Die Messung gasförmiger Schadstoffe erfolgt zeitgleich durch unabhängige Sensormodule. Hochentwickelte Halbleitersensoren erfassen die Konzentrationen von O3, NO2 und CO, für die Bestimmung der SO2-Konzentration wird ein elektrochemischer Sensor genutzt.

Die ersten Funktionsmuster wurden im Jahr 2018 wurden an internationale Pilotkunden vergeben, sodass deren Testergebnisse bei Anpassungsentwicklungen Berücksichtigung fanden. Feldtests wurden an verschiedenen Standorten und in verschiedenen Belastungssituationen durchgeführt. Für Versuche mit dem Datentransferprogramm wurde eine Messstation auf der Motoryacht MY Victoria II auf der Havel installiert. So konnte nachgewiesen werden, dass auch die kontinuierliche Veränderung der Position des Messgerätestandorts keinen Einfluss auf die Qualität der Datenübertragung hat.

 

Messdaten des AQM bei kontinuierlicher Bewegung der Messstation
Abb. 1: Messdaten des AQM bei kontinuierlicher Bewegung der Messstation

 

Zur Bewertung der Messqualität wurden Vergleichsmessungen mit Geräten des Wettbewerbs durchgeführt, Messstandorte waren hierbei China und Italien.

 

Abb. 2: Vergleichsmessung NO2


Technische Zielkriterien

Die technischen Zielkriterien wurden wie folgt erreicht:

  • Nachweisgrenze NO2: 10 ppb
  • Nachweisgrenze O3: 10 ppb
  • Nachweisgrenze CO: 200 ppb
  • Nachweisgrenze SO2: 20 ppb
  • Simultane Messung von PM2,5 und PM10: im Prototyp erreicht, als Produkt noch nicht verfügbar
  • Berücksichtigung der Querempfindlichkeiten: Querempfindlichkeiten wurden untersucht und sind jetzt weitgehend bekannt, die Berücksichtigung der Interferenzen kann rechnerisch in der Cloud-Software erfolgen.
  • Bedienoberfläche mit farbigem Touchscreen
  • Fernüberwachung mittels Remote-Zugriff
  • Integration einer Cloudlösung
  • Datenübertragung mittels GPRS/3G/4G, LAN/WLAN, USB und RS-232

 

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