Projekt 12626/01

Entwicklung und Erprobung eines Absorptionsphotometers zur Bestimmung der Lichtabsorption durch Partikel

Projektdurchführung

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V.
Münchener Str. 20
82234 Weßling

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Messung der partikelbedingten Lichtabsorption insbesondere im sichtbaren Spektralbereich stellt nach wie vor ein nicht zufriedenstellend gelöstes Problem in der Aerosolmesstechnik dar. Daher soll im Vorhaben ein Absorptionsphotometer entwickelt werden, das durch eine kombinierte Transmissions- und Reflektivitätsanalyse partikelbeladener Filter die zeitlich hoch aufgelöste Messung des partikelbedingten Absorptionkoeffizienten in der Atmosphäre ermöglicht. Neben der technischen Realisierung des Messgeräts soll untersucht werden, ob unter Anwendung der Theorie der Diffusen Reflexion auf die transmittierte und reflektierte Strahlung neben der Bestimmung des Absorptionskoeffizienten Rückschlüsse auf den Brechungsindex des abgeschiedenen Aerosols gezogen werden können.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Projekt gliedert sich in vier Arbeitspakete:
1) Entwicklung eines Laboraufbaus zu grundlegenden Untersuchungen hinsichtlich der vorgesehenen Messgeometrie; die Untersuchung des Verfahrens erfolgt an definierten Testaerosolen wie etwa NaCl, Ruß und gemischten Aerosolen, die im Labor hergestellt werden können.
2) Modifizierung der Theorie der Diffusen Reflexion für den vorgesehenen Anwendungsfall.
3) Umsetzung des optimierten Laboraufbaus in einen Geräteprototyp; wesentliche Arbeiten sind hier die Entwicklung eines Sensorkopfes, der die gesamte Strahlführung und Detektionseinheit enthält sowie die Entwicklung eines robusten Gesamtaufbaus.
4) Validierung des Geräteprototyps an Testaerosolen und bei realen Messungen; die abschließende Phase umfasst die Erprobung des Prototyps im Labor, die Überprüfung der Anwendbarkeit des Aus-wertealgorithmus sowie die Validierung des Messgeräts durch Vergleiche mit entsprechenden Referenzmethoden.


Ergebnisse und Diskussion

1/ Anhand der am polaren Photometer vermessenen Filterproben von künstlich generierten Aerosolen aus Kohlenstoffpartikeln und Kochsalz konnten die Winkelverteilungen der an der Filterprobe vorwärts und rückwärts gestreuten Strahlung in Abhängigkeit von der Aerosolzusammensetzung ermittelt werden. Diese Analyse führte zur Entwicklung eines optimierten Sensorkopfes, der einfach und robust aufgebaut ist und dennoch erlaubt, beide Strahlungsflüsse simultan an einer Filterprobe zu messen. Der Sensorkopf konnte in den Grundaufbau eines in der Praxis bewährten Instruments zur kontinuierlichen Staubmessung eingefügt werden, welches auf der Abscheidung des Aerosols auf einem Filterband basiert. Damit steht ein Geräteprototyp zur Verfügung, der den neuentwickelten Messaufbau mit einer robusten Mechanik zum Filterbandtransport verbindet und damit eine hohe mechanische Zuverlässigkeit im Dauerbetrieb besitzt.
2/ Für die optische Analyse der belegten Filterbänder wurde eine Methode adaptiert, die ursprünglich für die Analyse von Membranfiltern entwickelt worden war. Diese Methode ist eine Zweistromnäherung für den Strahlungstransport durch ein stark streuendes Medium, analog zur im Antrag ursprünglich vorgesehenen Methode der Diffusen Reflexion. Die adaptierte Methode wurde in einen Algorithmus umformuliert, der in den Geräteprototypen implementiert ist.
3/ Der implementierte Algorithmus wurde an den künstlich generierten Aerosolen getestet und validiert, die Validierung des Gesamtgeräts erfolgte während FELDEX 2000 für sauberen atmosphärischen Hintergrund und in Zusammenarbeit mit dem DWD an einer straßennahen Messstelle in Bad Krozingen. Erste Analysen der Messresultate zeigen klar, dass die Querempfindlichkeit des Messverfahrens zur Rußmessung auf lichtstreuende Aerosolanteile gegenüber herkömmlichen Methoden deutlich reduziert ist. Diskussion
Das wesentliche Ziel des Vorhabens, ein Verfahren zur optischen Rußmessung zu entwickeln, das keine wesentliche Querempfindlichkeit auf lichtstreuende Komponenten mehr aufweist, kann als vollständig erreicht betrachtet werden. Außerdem konnte ein voll funktionstüchtiger Geräteprototyp vorgestellt werden, der sich mit sehr einfachen Veränderungen in ein kommerzialisierbares Gerät weiterentwickeln lässt. Die Resonanz auf die Entwicklung des Messgeräts war nicht nur in den betroffenen Fachkreisen der Kommission zur Reinhaltung der Luft im VDI, sondern auch bei wissenschaftlichen Konferenzen sehr positiv.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

1/ Vorstellung des Projekts beim Treffen der VDI-Arbeitsgruppe Messen von Ruß am 07/08 Juni 2001 in München.
2/ A. Petzold and H. Kramer, An improved aerosol absorption photometer for the determination of black carbon in ambient aerosol, J. Aerosol Sci 32, S37-S38, 2001; Vortrag auf der European Aerosol Conference, Leipzig, September 2001.
3/ A. Petzold , H. Kramer, and Markus Schönlinner, Continuous measurement of atmospheric black carbon using a multi-angle absorption photometer , Environ. Science Poll. Res. accepted, 2002.
4/ A. Petzold, A multi-angle absorption photometer: a new method for the measurement of atmospheric black carbon, J. Aerosol Sci., in review, 2002.
5/ Ausarbeitung einer VDI-Richtlinie zum entwickelten Verfahren.


Fazit

Im Rahmen des Förderprojektes konnte ein Verfahren entwickelt und zur Serienreife gebracht werden, dass das Potential hat, im Rahmen von Luftmessnetzen als kontinuierlich messender Rußmonitor eingesetzt zuwerden. Die Vorhabensergebnisse zur Entwicklung und zur Validierung des Verfahrens bieten dafür eine ausgezeichnete Basis. Ohne die finanzielle Unterstützung und die Vermittlung zwischen Forschungseinrichtung und Unternehmen durch die DBU wäre dieses Projekt voraussichtlich nie zustande gekommen. Es darf erwartet werden, dass der Einsatz des Geräts in Umweltmessnetzen zu einer deutlichen Verbesserung der Rußmessung führen wird. Dieses Problem wird spätestens beim Inkrafttreten der EU-Richtlinien zur Reduktion der Gesamtstaubbelastung aktuell werden.