AT7776U1

AT7776U1 - Einrichtung zur messung von umwelt-qualitätsparametern

Info

Publication number: AT7776U1
Application number: AT0048804U
Authority: AT
Inventors: Traugott Ing Kilgus
Original assignee: Mlu Monitoring Fuer Leben Und
Priority date: 2004-07-12
Filing date: 2004-07-12
Publication date: 2005-08-25

Abstract

Die Erfindung stellt sich zur Aufgabe, ein hochkompaktes Meßsystem zur zeitaufgelösten Messung der Schadstoffkonzentrationen in flexibler, der Meßaufgabe (Anzahl der zu beurteilenden Schadstoffe) angepaßter Konfiguration inklusive der für eine Ursachenanalyse erforderlichen Bewertungsparameter darzustellen. Dies wurde gelöst, in dem eine kompakte, portable und modular aufgebaute Messeinrichtung für Umweltparameter mit einem geschlossenen Gehäuse (1), zentraler Stromversorgung (5) und wenigstens einer Probenahme (2) und zugehöriger Pumpe (3) und wenigstens einem Sensor (7) zur Ausgabe von kalibrierten Messwerten in physikalischen Einheiten aufgebaut wird, gekennzeichnet durch die kontinuierliche Erfassung und zeitaufgelöste Verarbeitung der Messignale mittels verteiltem Prozessorsystem (6) in zwei Verfahrensschritten, wovon der erste Schritt digitalisierte und allfällig durch statistische Rechenoperationen vorverarbeitete Spannungswerte zur Verfügung stellt und diese mit einem Prozessor (8) pro Sensor erzeugt werden und in einem zweiten Schritt mit einem Prozessorsystem (9) für alle Sensoren die Messwertberechnung, -speicherung und Ausgabe als Webserver erfolgt.

Description

AT 007 776 U1

Bereich der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung von Umwelt-Qualitätsparametern, wie beispielsweise Luft- oder Gewässergüte. 5 Hintergrund der Erfindung

Die Verunreinigung der Umwelt mit Schadstoffen hat Auswirkungen auf die Lebensqualität und gegebenenfalls auch die Gesundheit der sich in dieser Umwelt aufhaltenden Personen, aber auch Konsequenzen hinsichtlich der Erhaltbarkeit der entsprechenden Fauna und Flora. Diese Erkenntnis führt einerseits zur Notwendigkeit Verfahren zur Beurteilung der Umwelt-Qualitätsparameter für 10 die relevanten Schadstoffe zu entwickeln und diese je nach Einschätzung des Risikos regelmäßig bzw. laufend anzuwenden um einerseits die Einhaltung von Grenzwerten, die durch Gesetze oder Richtlinien vorgegeben sind, zu überwachen und andererseits Potentiale für Maßnahmen zu erkennen, welche das Erreichen eines Zielwertes ermöglichen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Schadstoffkonzentrationen räumlich und zeitlich variieren. 15 Vor diesem Hintergrund wurden in den letzten 30 Jahren weltweit Umweltqualitätsüberwachungsnetze aufgebaut, welche unter Nutzung der verfügbaren Technologie die erforderlichen Messungen durchführen. Die dabei einzusetzenden Verfahren und Beurteilungsmethoden sind in vielen Anwendungsbereichen detailliert genormt, was zwar einerseits der Vergleichbarkeit der Beurteilungsergebnisse nützt, aber andererseits die Durchsetzung neuer Verfahren und inno-20 vativer Technologie hemmt. Im Bereich der Luftgüte-Messung sind beispielsweise die in den Instrumenten eingesetzten Meßverfahren im wesentlichen seit den frühen 70er Jahren unverändert.

Die Erkenntnisse aus den in diesem Zeitraum gewonnenen Daten im Vergleich mit medizinischen Daten, also die epidemologische Forschung hinsichtlich der Auswirkung von Luftschadstoffen, führt zur Festlegung von Grenzwerten und Zielwerten für die einzelnen Schadstoffe. Dabei ist 25 zwischen den im Jahresmittel nicht zu überschreitenden Grenzwerten, und solchen die auch bei kurzfristiger Überschreitung zu Maßnahmen führen müssen, den Alarmschwellen, zu unterscheiden. Durch die technologische Weiterentwicklung auf der Seite der Emittenten (beispielsweise durch Einsatz von Kataiysatortechnologie oder niedriger verschwefelte Kraftstoffe), aber auch durch Verschiebung der Zusammensatzung der Grundgesamtheit aller Emittenten (beispielsweise 30 steigender Fahrzeuganteil mit Dieselantriebsaggregaten oder höherer Anteil von Biomasse-Festfeuerungen) können sich die Schwerpunkte der erforderlichen Beurteilungen über der Zeit verschieben, wie dies der Rückgang der Bedeutung von Schwefeldioxid-Monitoring einerseits, aber der signifikante Anstieg der Bedeutung der Beurteilung der Feinstaub (PM10) Konzentration andererseits gut darstellen. Die entsprechenden Überwachungssysteme müssen daher eine entspre-35 chende Flexibilität hinsichtlich der zu erfassenden Schadstoff-Vielfalt aufweisen.

In den letzten Jahren konzentriert sich die Aufmerksamkeit der für die Einhaltung der Luftqualität zuständigen Stellen immer mehr auf die sogenannten „Hot Spots“, also Gebiete, in denen auf Grund von besonderen Bedingungen, wie hohe Konzentration an Emittenten, besondere meteorologische Lagen, oder ähnliches, in erhöhtem Maß die Grenzwerte und auch fallweise die Alarm-40 schwellen überschritten werden. Solche Gebiete können entweder als permanente Hot Spots ausgeprägt sein, beispielsweise an besonders frequentierten Verkehrsknoten, oder aber auch zeitlich begrenzt, beispielsweise während der Durchführung von Großbauvorhaben, auftreten.

Stand der Technik 45 Der Stand der Technik ist durch eine dichotome Situation geprägt:

Einerseits kommen hoch zeitauflösend messende automatisierte Messtationen mit einer Vielzahl von erfassten Schadstoffen zum Einsatz. Diese bestehen üblicherweise aus containerartigen, klimatisierten Gebäuden oder Aufbauten, welche die in ihrem Inneren montierten Laborgeräte (typisch pro Schadstoff je ein Analyseinstrument mit Netzversorgung, Sensor, Signalaufbereitung, 50 interner Meßwertberechnung, Anzeige und Bedienteil sowie Schnittstellen zur Kommunikation mit einem Leitrechner) vor Wetter und Zugriff durch nicht qualifizierte Personen schützen. Entsprechende normgerechte Probenahmesysteme sowie Instrumente zur zeitsynchronisierten Erfassung von meteorologischen Daten (Regen, Temperatur, Windstärke und -richtung) ergänzen den Meßaufbau. Typisch enthält eine solche Station noch eine lokale Datenerfassungseinheit (Stations-55 rechner, Logger, oder Ähnliches) welche dann mittels Datenfernübertragung die Meßwerte an die 2 AT 007 776 U1

Meßnetz-Zentrale weiterleitet, wo die Analyse mittels spezialisierter Software durchgeführt wird. Wie aus der vorstehenden Beschreibung nachvollziehbar handelt es sich bei diesen Stationen um aufwendige Installationen, die auf Grund Ihrer Abmessungen und der für den Betrieb erforderlichen Versorgungssysteme sowie der damit verbundenen Investitionen typisch Gebiete von mehreren bis 5 mehreren hundert Quadratkilometern je Station abdecken, und sich damit nicht für den - allenfalls temporären - Einsatz an einer Vielzahl von Hot Spots eignen.

Andererseits gibt es die nach dem Diffussionsgesetz nach Fick funktionierenden Passiv- oder Diffusionssammler, welche hinsichtlich der erfaßten Anzahl an unterschiedlichen Schadstoffen gemäß der Anzahl und Type der pro Sammelstelle montierten Diffusionssammler begrenzt ist, 10 wobei ein einzelner Diffusionsammler typisch nur für einen Schadstoff geeignet ist, in besonderen Fällen aber auch bis zu drei Schadstoffe gleichzeitig erfasst werden können. Auf Grund der geringen Größe der einzelnen Sammler, es handelt sich dabei typisch um Röhrchen mit max. einigen 100mm Länge und einem Durchmesser von typisch 10-20mm, entspricht daher eine Meßanordnung mit 4 solchen Diffusionssammlern in seiner Größe den typischen Brutkästen für Singvögel, 15 und ist also hinsichtlich der Kompaktheit der Abmessungen für regional hoch aufgelöste Messungen geeignet. Die typische Mittelungszeit, also jene Zeitspanne, für die ein einzelner Meßwert ermittelt werden kann, beträgt jedoch bei allen Diffusionssammlern 7 bis 14 Tage. Da diese auch noch zur Analyse in ein Labor verbracht und dort mittels Desorption und weiteren Analyseverfahren ausgewertet werden müssen, können Beurteilungen über die Schadstoffkonzentration im Meßge-20 biet nicht in Echtzeit zur Verfügung zur Verfügung gestellt werden. Eine Erfassung der örtlichen meteorologischen Bedingungen während der Messung ist ebenfalls nicht gegeben.

Aufgabe der Erfindung

Die Aufgabe, ein hochkompaktes und allenfalls portables Meßsystem zur zeitaufgelösten Mes-25 sung der Schadstoffkonzentrationen in flexibler, der Meßaufgabe (Anzahl der zu beurteilenden Schadstoffe) angepaßter Konfiguration inklusive der für eine Ursachenanalyse erforderlichen Bewertungsparameter war daher erfindungsgemäß zu lösen.

Beschreibung 30 Die Erfindung, die in Fig. 1 beispielhaft beschrieben wird, ist eine kompakte Einrichtung zur Messung von Umweltparametem, und besteht aus mindestens den folgenden Elementen: kompaktes, wetterfestes und thermisch isolierendes Gehäuse aus Metall oder Kunststoff (1) mit einer oder mehreren Probenahmen (2.1, 2.2) und den zugehörigen Pumpen (3.1, 3.2), sowie einer integrierten Vorrichtung zur Klimatisierung des Gehäuseinnenraums (4) und der zentralen Stromversör-35 gung (5). Darin eingebaut ist als Kern-Funktionselement die Datenerfassungs- und -Verarbeitungseinheit (6) mit modularem Aufbau, wobei in der ersten Verarbeitungsebene eine Architektur mit verteilten Prozessoren eingesetzt wird, wobei die Messignale jedes im System eingesetzten Sensors (7.1...7.n) zu einem eigenen Signal-Prozessor (8.1 ...8.n) geführt wird. Dort erfolgt die Umsetzung in Digitalwerte sowie allfällige für die Applikation erforderliche oder sinnvolle statisti-40 sehe Bewertung, beispielsweise Mittelung. Am Ausgang des Signal Prozessors steht ein allfällig bewerteter, digitalisierter Spannungswert des Sensors an, welcher in der Central Processor Unit (9) in mit physikalischen Größen versehene Messwerte, beispielsweise Konzentrationen, umgerechnet wird und in der Folge auf einem lokalen Massenspeicher (10) gespeichert werden kann oder über die notwendigen Schnittstellen zu unterschiedlichen Ausführungsformen für Datenfern-45 Übertragung (11) Daten zur Verfügung stellt. Da die Central Processing Unit auch Webserver-Funktionalität besitzt, erfolgt die Datenbereitstellung für den Benutzer mittels Browser-Software, so daß ohne Spezialsoftware von jedem Computer mit Internet-Browser und -anschluß die Meßdaten abgefragt werden können.

Das System ist je nach Meßaufgabe unterschiedlich konfigurier- und erweiterbar. Die Konfigu-50 ration erfolgt durch Hinzufügen bzw. Ersatz von Sensoren und der zugeordneten ersten Signalverarbeitungsebene. Typische Konfigurationen für die beispielhafte Anwendungen sind:

Einrichtungen zur klassischen Immissions- oder Emissionsmessung -umfassen ein bis fünf Sensoren, wobei hier unterschiedliche Meßverfahren (Beispielsweise Non Dispersive Infrarot Sensoren für Kohlenmonoxid bzw. -dioxid, Chemiluminiszenz für Stickoxide, UV-Photometrie für 55 Ozon, UV-Flourseszenz für Schwefeldioxid, Schwefelwasserstoff und ähnliche Schwefelverbindun- 3

Claims

AT 007 776 U1 gen aber auch Non-Dispersive UV-Absorption für Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Stickoxide sowie PID Sensoren für flüchtige organische Substanzen oder FID Sensoren für die Bestimmung von Kohlenwasserstoffkonzentrationen) zum Einsatz kommen. Zusätzlich wird typisch ein Sensor für Feinstaub bzw. Partikelkonzentrationsmessung integriert, wobei für diesen eine weitere Probe-5 nähme erforderlich ist. Besondere Anwendungen sind Einrichtungen zum qualitativen Monitoring, welche beispielsweise Arrays von Halbleiter-Sensoren, z.B. aus Metalloxid, einsetzen. In einer weiteren Ausführung können die Sensoren zur Erfassung der relevanten meteorologischen Daten, wie beispielsweise Windgeschwindigkeit und -richtung, oder Luftdruck und -tempe-io ratur sowie Luftfeuchte durch An- bzw. Einbau von Sensoren in das System integriert werden. In einer weiteren Ausführung, beispielsweise für Anwendungen im Verkehrsbereich, kann ein Sensor zur Erfassung von Lärmparametern, wie Schalldruck, in das System integriert werden. In einer besonders vorteilhaften Ausführung für die Messung von Luftqualität wird die Erfindung in eine allenfalls hinterleuchtungsfähige Litfasssäule oder ein Großbilddisplay derart integriert, dass 15 sowohl Werbe- als auch Messfunktion gesichert sind. In einer weiteren vorteilhaften Ausführung für die Anwendung als Einrichtung zur Überwachung von Schadstoffkonzentrationen in Flüssigkeiten, insbesondere aber nicht ausschließlich Wasser, werden beispielsweise Sensoren zur Bestimmung des Gehaltes an Niraten, Phosphaten, Total Organic Content (TOC), pH-Wert oder des biologischen Sauerstoffbedarfes (BSB) und ählicher 20 Meßgrößen eingesetzt. Diese arbeiten vorwiegend nach elektrochemischen Verfahren, setzten ionenselektive Membranen ein oder nutzen Redox-Effekte. Gebräuchlich sind auch photometrische Sensoren oder solche welche die elektrische Leitfähigkeit der Flüssigkeit als Messverfahren einsetzen. Im Bereich TOC kommen vor allem Messverfahren mit Aufschliessung der organischen Substanzen durch Hochtemperaturoxidation oder Beigabe von Reagenzien, wie Borsäure, und 25 Messung der dabei entstehenden C02 Konzentration zum Einsatz. ANSPRÜCHE: 30 35 40 45 50 1. Kompakte, portable und modular aufgebaute Messeinrichtung für Umweltparameter mit einem geschlossenen Gehäuse (1), zentraler Stromversorgung (5) und wenigstens einer Probenahme (2) und zugehöriger Pumpe (3) und wenigstens einem Sensor (7) zur Ausgabe von kalibrierten Messwerten in physikalischen Einheiten, gekennzeichnet durch die kontinuierliche Erfassung und zeitaufgelöste Verarbeitung der Messignale mittels verteiltem Prozessorsystem (6) in zwei Verfahrensschritten, wovon der erste Schritt digitalisierte und allfällig durch statistische Rechenoperationen vorverarbeitete Spannungswerte zur Verfügung stellt und diese mit einem Prozessor (8) pro Sensor erzeugt werden und in einem zweiten Schritt mit einem Prozessorsystem (9) für alle Sensoren die Messwertberechnung, -Speicherung und Ausgabe als Webserver erfolgt.
2. Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch kennzeichnet, dass die Temperatur des Innenraums des Messeinrichtungs-Gehäuses geregelt wird.
3. Messeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Vorrichtung (4) zur Temperaturregelung mindestens ein an einer Aussenwand des Gehäuses montiertes geregeltes Peltier-Element eingesetzt wird.
4. Messeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Vorrichtung (4) zur Temperaturregelung eine Kleinstklimaanlage eingesetzt wird, welche in die Aussenwand des Gehäuses integriert ist.
5. Messeinrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensoren (7) für die Bestimmung von Gaskonzentrationen Sub-Einheiten eingesetzt werden, welche nach gebräuchlichen physikalischen Messverfahren (NDIR, NDUV, PID, FID, Chemilumi-niszenz, UV-Absorption, oder ähnliche) arbeiten.
6. Messeinrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensor (7) zur Messung von Sauerstoffkonzentrationen in Gasen, Sub-Einheiten eingesetzt werden, welche nach elektrochemischen Prinzip mit Zirkonoxid oder nach paramagnetischem Prinzip arbeiten. 4 55 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 AT 007 776 U1
7. Messeinrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensoren (7) für die Bestimmung von Gaskonzentrationen, Sub-Einheiten eingesetzt werden, welche aus wenigstens einem Halbleiter-Sensor aufgebaut sind.
8. Messeinrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensoren (7) für die Bestimmung von Gaskonzentrationen, Sub-Einheiten eingesetzt werden, welche nach dem elektrochemischen Prinzip aufgebaut sind.
9. Messeinrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensoren (7) zur Bestimmung der Gaskonzentrationen Sub-Einheiten eingesetzt werden, welche eine Kombination der Messverfahren der Ansprüche 5 bis 8 darstellen.
10. Messeinrichtung nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich durch eine Sub-Einheit (7) die Messung von Partikelkonzentration in Gasen mittels bekannter Verfahren (Microwaage, Lichtstreuung oder -extinktion) erfolgt.
11. Messeinrichtung nach Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Messung von Schadstoffkonzentrationen der Luft, Meteorologiedaten aus Sensoren für Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Lufttemperatur, Luftdruck und Luftfeuchte, welche in das System integriert sind, ausgewertet werden.
12. Messeinrichtung nach Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich durch eine Sub-Einheit (7) die Messung von Lärmparametern, wie beispielsweise Schalldruck, erfolgt.
13. Messeinrichtung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensoren (7) zur Bestimmung von Schadstoffgehalten in Flüssigkeiten, beispielsweise Wasser, Subeinheiten eingesetzt werden, welche nach coloumetrischen Verfahren arbeiten.
14. Messeinrichtung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensoren (7) zur Bestimmung von Schadstoffgehalten in Flüssigkeiten, beispielsweise Wasser, Subeinheiten eingesetzt werden, welche nach elektrochemischen Verfahren, insbesondere auch unter Einsatz von ionenselektiven Membranen arbeiten.
15. Messeinrichtung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensoren (7) zur Bestimmung von Schadstoffgehalten in Flüssigkeiten, beispielsweise Wasser, Subeinheiten eingesetzt werden, welche mittels der Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit arbeiten.
16. Messeinrichtung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensoren (7) zur Bestimmung von Schadstoffgehalten in Flüssigkeiten, beispielsweise Wasser, Subeinheiten eingesetzt werden, welche nach photometrischen Verfahren arbeiten.
17. Messeinrichtung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensoren (7) zur Bestimmung von Schadstoffgehalten in Flüssigkeiten, beispielsweise Wasser, Subeinheiten eingesetzt werden, welche den TOC (Total Organic Compounds) Gehalt über Verfahren der Aufschließung der organischen Substanzen über Umwandlung in Kohlendioxid, beispielsweise durch Hochtemperaturbehandlung oder Einsatz chemischer Reagenzien, wie beispielsweise Borsäure, bestimmen.
18. Messeinrichtung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Sensor (7) zur Bestimmung des pH-Wertes von Flüssigkeiten, beispielsweise Wasser, eingesetzt wird.
19. Messeinrichtung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Sensor (7) zur Bestimmung des BSB (Biologischen Sauerstoff Bedarfes) von Flüssigkeiten, beispielsweise Wasser, eingesetzt wird.
20. Messeinrichtung nach Ansprüchen 1 bis 4 und 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensoren (7) zur Bestimmung der Schadstoffkonzentrationen in Flüssigkeiten eingesetzt werden, welche eine Kombination der Messverfahren der Ansprüche 13 bis 19 darstellen.
21. Messeinrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet dass sie in ein Werbemedium, wie beispielsweise eine Litfasssäule oder ein Großdisplay integriert ist. HIEZU 1 BLATT ZEICHNUNGEN 5 55