„Feinstaubbelastung“ ist ein immer wiederkehrender Begriff in der Presse, wenn es um die Überschreitung der seit 2005 geltenden Grenzwerte oder die dadurch möglichen gesundheitlichen Folgen geht. Zur behördlichen Überwachung dieser Grenzwerte dürfen nur zertifizierte Messgeräte eingesetzt werden.

Das Fidas® 200 und das Fidas® 200 S sind derzeit die weltweit einzigen zertifizierten optischen Feinstaubmessgeräte mit Einzelpartikelanalyse zur gleichzeitigen Messung der PM_2,5 - und PM₁₀ -Werte. Beide Messgeräte sind vom TÜV-Rheinland nach DIN EN 15267-1:2009 und DIN EN 15267-2:2009 für die Feinstaubmessung zertifiziert. Das Fidas® 200 wurde für den Einbau in einen Messcontainer konzipiert. Das Fidas® 200 S ist zusätzlich mit einem IP65 Wetterschutzgehäuse (-20 °C/+50 °C) ausgestattet und wird alleinstehend und unabhängig von einem Messcontainer im Freien, wie z. B. am Straßenrand, im Hochgebirge oder an der Küste, betrieben.

Ein weiteres Interesse außer an den Grenzwerten des Feinstaubes besteht an Informationen über die Herkunft, z. B. Natur, Landwirtschaft, Verkehr, Industrie- und Heizungsanlagen, sowie an der Partikelgrößenverteilung des Feinstaubes.

Das Fidas®-System wurde auf Basis einer über 30-jährigen Erfahrung und eigener patentierter Technologien entwickelt.

Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln.

1. Einleitung

„Feinstaubbelastung“ ist ein immer wiederkehrender Begriff in der Presse, wenn es um die Überschreitung der seit 2005 geltenden Grenzwerte oder die dadurch möglichen gesundheitlichen Folgen geht. Zur behördlichen Überwachung dieser Grenzwerte dürfen nur zertifizierte Messgeräte eingesetzt werden.

Das Fidas® 200 und das Fidas® 200 S sind derzeit die weltweit einzigen zertifizierten optischen Feinstaubmessgeräte mit Einzelpartikelanalyse zur gleichzeitigen Messung der PM_2,5 - und PM₁₀ -Werte. Beide Messgeräte sind vom TÜV-Rheinland nach DIN EN 15267-1:2009 und DIN EN 15267-2:2009 für die Feinstaubmessung zertifiziert. Das Fidas® 200 wurde für den Einbau in einen Messcontainer konzipiert. Das Fidas® 200 S ist zusätzlich mit einem IP65 Wetterschutzgehäuse (-20 °C/+50 °C) ausgestattet und wird alleinstehend und unabhängig von einem Messcontainer im Freien, wie z. B. am Straßenrand, im Hochgebirge oder an der Küste, betrieben.

Ein weiteres Interesse außer an den Grenzwerten des Feinstaubes besteht an Informationen über die Herkunft, z. B. Natur, Landwirtschaft, Verkehr, Industrie- und Heizungsanlagen, sowie an der Partikelgrößenverteilung des Feinstaubes.

Das Fidas®-System wurde auf Basis einer über 30-jährigen Erfahrung und eigener patentierter Technologien entwickelt. Im Eignungstest überzeugte das Fidas®-System durch:

- großen Messbereich (180 nm – 18 µm)

- hohe Datenverfügbarkeit (> 99 % im Test bei 322 Messtagen)

- geringe Messunsicherheit zwischen den beiden Testgeräten: 0,44 µg/m³ für PM_2,5 und 0,64 µg/m³ für PM₁₀ (erlaubt sind 2,5 µg/m³)

- geringe erweiterte Messunsicherheit (Vergleich aller Messwerte): 10,17 % für PM_2,5 und 7,22 % für PM₁₀ (erlaubt sind 25 %)

- Online-Statusüberwachung (inkl. Kalibrierstatus)

- geringste Wartungsaktivitäten

- einfache Bedienung

Der Messwert des Feinstaubgehaltes an einem Ort ergibt sich aus der Summe verschiedenster Umwelt-Einflüsse zu einer bestimmten Zeit. Die Fidas®-Systeme bestimmen die Messwerte mit einer hohen zeitlichen Auflösung. In Kombination mit den Palas®-Nanomessgeräten kann die Partikelgrößenverteilung von 8 nm – 40 µm bestimmt werden. Optional kann der mit dem Fidas® gemessene Feinstaub auf einen Absolutfilter abgeschieden und z. B. einer chemischen Analyse zur Verfügung gestellt werden.

2. Umweltaerosole

Aerosole sind Gemische aus einem Gas und Partikeln, deren Aggregatzustand fest oder flüssig ist und deren Durchmesser kleiner 100 µm sind. Nanopartikel sind Partikel, deren Länge, Breite und Höhe zwischen 1 – 100 nm liegen. In Bild 1 sind die Größenbereiche luftgetragener Partikel und in Bild 2 die Partikelkonzentrationen in unserem Umfeld dargestellt. 

3. Partikelmessung von Umweltaerosolen

Seit vielen Jahren werden zur Partikelgrößen- und Partikelmengenbestimmung optische Aerosolspektrometer (OAS) (siehe VDI 3867 und ISO 21501-1) sehr erfolgreich eingesetzt. Auch werden zur Partikelkonzentrationsbestimmung Streulichtphotometer (SPM) eingesetzt, weshalb hier eine grundsätzliche Gegenüberstellung von OAS und SPM erfolgt.

Bild 1: Größenbereiche luftgetragener Partikel

Bild 2: Partikelkonzentration

Streulichtphotometer detektieren das von einem Partikelkollektiv erzeugte Streulichtsignal.

Das Streulichtsignal ist abhängig von:
- Partikelgrößenverteilung, Partikelkonzentration, Brechungsindex und der Partikelform.

Die Änderung des Streulichtsignals kann sowohl durch die Änderung der Partikelgrößenverteilung als durch eine Änderung der Partikelkonzentration verursacht werden. Daher muss für die Konzentrationsbestimmung mit einem Photometer, die Partikelgrößenverteilung bekannt und konstant sein.

Optische Aerosolspektrometer detektieren das von einem Einzelpartikel erzeugte Streulichtsignal. Das Streulicht wird durch Brechung, Beugung und Reflexion erzeugt.

Das Streulichtsignal ist abhängig von:
- Partikeldurchmesser, Brechungsindex und der Partikelform.

Beide Messverfahren müssen kalibriert werden.

Die Streulichtsignalauswertung (von OAS) erfolgt nach der Lorenz-Mie-Theorie. Das Bild 3 /2/ zeigt, dass das Streulichtsignal mit Laserlicht im Lichtwellenbereich nicht eindeutig ist. Mit Weißlicht und 90° Streulichtdetektion erhält man eine eindeutige Kalibrierkurve, siehe Bild 4 /2/. Weiterhin ist in den Bildern 3 und 4 gezeigt, dass das Streulichtsignal von Partikeln, die kleiner als die Lichtwellenlänge mit der sechsten Potenz zum Partikeldurchmesser sind, abnimmt und oberhalb des Mie-Bereichs, ca. sechsmal der Lichtwellenlänge, quadratisch mit dem Partikeldurchmesser zunimmt.

Eine zuverlässige Partikelgrößen- und Partikelmengenbestimmung mit Aerosolspektrometern kann in hohen Konzentrationen nur mit einem kleinen optischen Messvolumen durchgeführt werden (Koinzidenzfehler!).

Ist der Querschnitt eines optischen Messvolumens groß, z. B. 1 mm x 1 mm, so kann eine quasi koinzidenzfreie Partikelmessung nur in Konzentrationen bis 1.000 Partikel/cm^-3 durchgeführt werden (siehe Tabelle 1: Theoretische Betrachtung der Abstände zwischen den Partikeln in Abhängigkeit der Anzahlkonzentration).

Bild 3: Relative Streulichtintensität für monochromatisches Licht, z. B. Laserlicht /2/

Bild 4: Relative Streulichtintensität für Weißlicht und 90°-Streuung /2/

Sind die Kantenlängen des Messvolumens quer zur Strömungsrichtung 1 mm und die Konzentration 2000 Partikel/cm³, so wird der Durchmesser zu groß und die Konzentration zu klein gemessen. Grund: Koinzidenzfehler!

Typische Konzentrationen in der Umwelt liegen aber zwischen ca. 1.000 und 20.000 Partikel/cm^-3.

Mit der Einführung einer neuen digitalen Signalverarbeitungselektronik im Januar 2009 wurde das Streulichtmessprinzip entscheidend verbessert: 

1.  Ein Verstärker und ein logarithmischer A/D-Wandler.
A) Eine Kalibrierung mit nur einer Partikelgröße ist nur dann möglich, wenn die Kalibrierkurve eindeutig ist und nur ein Verstärker verwendet wird.
B)  Bessere Zähleffizienz für kleine Partikel.

2. Geschwindigkeitsmessung am Einzelpartikel im Messvolumen zur eindeutigen Bestimmung des Messvolumenstromes.

3. Einzelsignalanalyse -> koinzidenzfreie Messung bis 106 Partikel/cm^-³.

4. Hohe zeitliche Auflösung mit Speicherung jedes einzelnen Signals -> Untersuchung instationärer Vorgänge bis 10 ms.

Diese Weiterentwicklungen des welas® digital führten zu neuen Streulichtaerosolspektrometersystemen, dem Promo® -System, dem Fidas® -System und dem Inas®-System, durch die das Anwenderspektrum erheblich erweitert werden konnte.

Tabelle 1: Theoretische Betrachtung der Abstände der Partikel in Abhängigkeit der Anzahlkonzentration /1/

Die Funktionsweise des Fidas®-Systems wird im Folgenden beschrieben.
Bilder in der PDF.

4. Analyse und Ferndiagnose

Durch eine spezielle Analyse der Streulichtsignale erfolgt eine Fernüberwachung der Kalibrierkurve, die z. B. durch eine mögliche Verschmutzung der Optik oder Alterung von Bauelementen verursacht werden könnte. Die Fernüberwachung von Lecks, etwa im Ansaugvolumenstrom, wird durch die Geschwindigkeitsüberwachung des Volumenstromes, mit MFC und durch die Geschwindigkeitsmessung eines jeden Partikels im Messvolumen ermöglicht. Eine Erhöhung der Empfindlichkeit des Fidas®-Systems zum welas® digital wurde durch eine spezielle Lichtquelle, einen verbesserten optischen Aufbau und eine verbesserte elektronische Signalauswertung erreicht. Die untere Messgrenze konnte auf 180 nm verschoben werden (siehe Bild 5).

Höhere Genauigkeit in der Bestimmung der PM₁ - und PM_2,5 -Messwerte durch die untere Nachweisgrenze von 180 nm.

Bei den Fidas®-Systemen können die Partikelgrößenverteilungen und die Anzahlkonzentrationen zu bestimmten PM-Messwerten abgerufen werden. Neben den PM_2,5 - und PM₁₀ -Werten können auch die PM₁ - und PM₄ –Werte angezeigt werden.

Das Fidas® Feinstaubmesssystem kann die Daten kontinuierlich und mit einer zeitlichen Auflösung ab 1 min auf folgende Arten zur Verfügung stellen:

Bild 5: Darstellung verschiedener Messbereiche

LAN, WLAN, RS-232/485, Bluetooth, USB und optional: GPRS/UMTS-Modem. Kommunikationsprotokolle: Bayern/Hessen, Modbus, ASCII.

Die Qualität der Fidas®-Systeme, Fidas® 200 und Fidas® 200 S wurde durch den TÜV-Rheinland mit der Zertifizierung für PM₁₀ und PM_2,5 Messungen bestätigt.

Die Äquivalenz- und Eignungsprüfung für das Feinstaubmesssystem Fidas® 200 S für PM₁₀ und PM_2,5 wurde nach folgenden Normen durchgeführt:

Geprüft nach:

-      VDI 4202-1, VDI 4203-3

-      DIN EN 12341 (PM10), DIN EN 14907 (PM2,5)

und dem Äquivalenzleitfaden

Zertifiziert nach:

-      DIN EN 15267-1 und -2 (Bundesanzeiger 1. April 2014) insbesondere für behördlich angeordnete Messungen.

Für historisch Interessierte ist in der Tabelle 2 der Entwicklungsprozess des Fidas®-Systems dargestellt.

Tabelle 2: Entwicklungsprozess des Fidas®-Systems

5. Zusammenfassung und Fazit

Bild 6: Neues Messsystem U-RANGE 2000

Mit der Gerätekombination U-Range-2000, bestehend aus dem Fidas®-System und dem U-SMPS-System, können die einatembaren Partikel im Größenbereich von 8 nm – 40 µm zuverlässig bestimmt werden. Kleinere Partikel im Nanometerbereich, die nicht als PM-Fraktion erfasst werden, dringen tief in die Lunge (Alveolen) der Menschen ein und können mit einer zeitlichen Auflösung von 5 Minuten bei den täglichen Schwankungen, wie z. B. bei morgendlichem und abendlichem Berufsverkehr, oder an Baustellen zuverlässig erfasst werden. Dies sind wichtige Informationen für die Risikobewertung und für die Modellbildung.

6. Literaturverzeichnis

/1/ 2004   Grundlagen der Partikelgrößen- und Partikelanzahlbestimmung in der Außenluft mit zählenden Messverfahren.
Gefahrstoffe-Reinhaltung der Luft Nr. 7/8, 2004, L. Mölter, P. Keßler

/2/ 2004   Partikelgrößen- und Partikelanzahlbestimmung in der Außenluft mit einem neuen optischen Aerosolspektrometer.
Gefahrstoffe-Reinhaltung der Luft Nr. 10, 2004, L. Mölter, P. Keßler

/3/ 2006   Neues Messsystem zur Feinstaubbestimmung. Zeitaufgelöste Partikelanzahlbestimmung ab 10 nm und hochaufgelöste Partikelgrößenbestimmung ab 0,3 µm mit nur einem Gerät. In: Umwelteinflüsse erfassen, simulieren, bewerten.
35. Jahrestagung der GUS 2006, hg. v. Karl-Friedrich Ziegahn, Gesellschaft für Umweltsimulation. L. Mölter, P. Keßler

/4/ 2007   Advantages and limits of aerosol spectrometers for the particle size and particle quantity determination stables and air exhaust ducts. Landbauforschung Völkenrode Special Issue 308 (2007), L. Mölter, M. Schmidt

/5/ 2007 Effects of different sampling heads such as PM1, PM2.5, PM10 and Sigma 2 on the particle size determination with aerosol spectrometers. Landbauforschung Völkenrode Special Issue 308 (2007), L. Mölter, G. Lindenthal, T. Hinz

/6/ 2008 100 Jahre Mie – Wie werden Streulichtmessgeräte kalibriert und wichtige Gerätekenngrößen bestimmt?
Gefahrstoffe-Reinhaltung der Luft, Heft 68 (2008) Nr. 11/12, L. Mölter, M. Schmidt, G. Lindenthal

/7/ 2013 The Fidas®-A New Continuous Ambient Air Quality Monitoring System that Additionally Reports Particle Size and Number Concentration Urban Environment.
Proceedings of the 11th Urban Environment Symposium (UES), held in Karlsruhe, Germany, 16-19 September 2012, Dordrecht 2013, S. 243-251, J. Spielvogel, M. Weiss