Probenahmevorrichtungen
Probenahmevorrichtungen dienen der Abtrennung der Gesamtprobenluft von der zu untersuchenden Luft (Umgebungsluft) zum Zwecke von Analysen, wobei anzustreben ist, daß keine Verluste der Meßkomponente und keine zusätzlichen Störeinflüsse durch chemische und/oder physikalische Veränderungen der Probe auf dem Weg vom Probenahmeort bis zur Meßeinheit auftreten. Dabei unterscheidet man Vorrichtungen für die Messung gasförmiger Luftverunreinigungen sowie solche für die Schwebstaubmessung, die im allgemeinen für die Erfassung des lungengängigen Feinstaubes mit einer Korngröße <10 µm ausgelegt sind.
Meteorologische Meßwertgeber
Im Zusammenhang mit Fragen der Luftreinhaltung ist es erforderlich, auch den physikalischen Zustand der Atmosphäre genau zu erfassen um die jeweiligen Ausbreitungsverhältnisse bestimmen zu können. Dazu bedarf es der Messung einer Vielzahl von meteorologischen Parametern:
- Wind (Windrichtung und Windgeschwindigkeit)
Der Wind ist eine dreidimensionale vektorielle Größe, durch die die mittlere Strömung der Luft charakterisiert wird. Da der mittleren Strömung eine räumlich und zeitlich sehr variable Zufallsbewegung (atmosphärische Turbulenz) überlagert ist, wird der Wind (Windrichtung und -geschwindigkeit) als zeitliches Mittel der gemessenen Luftbewegung angegeben. Die über das Mittel hinausgehenden kurzzeitigen Spitzen werden als Böen bezeichnet. Im allgemeinen wird nur der horizontale Wind gemessen, da die vertikale Komponente des Bodenwindes bei ungestörter Strömung gering ist. Infolge der Bodenreibung nimmt die Windgeschwindigkeit vor allem in den untersten Luftschichten stark mit der Höhe zu. Bewuchs, Bebauung udgl. haben großen Einfluß auf die Windgeschwindigkeit und die Windrichtung. Der Standortwahl kommt daher bei der Windmessung besondere Bedeutung zu. Die Darstellung des Windes erfolgt in der Regel durch die Angabe der Windgeschwindigkeit (Windstärke) und Windrichtung.
Die am häufigsten eingesetzten Geräte zur Messung der Windgeschwindigkeit sind sogenannte Rotationsanemometer. Bei diesen dreht sich ein Schalenstern um eine lotrechte Achse, wobei die Drehzahl der Geberachse ein direktes Maß für die Windgeschwindigkeit ist. Die Windrichtung wird mit Windfahnen gemessen, welche aus einem um eine lotrechte Achse drehbaren Strömungshindernis bestehen, das sich aufgrund seiner Formgebung nach dem Wind ausrichtet.
- Lufttemperatur
Die Lufttemperatur ist als Meßwert eines hinlänglich strahlungsgeschützten Thermometers definiert, das mit der umgebenden Luft im thermischen Gleichgewicht steht. Sie wird hauptsächlich durch die meßtechnische Ausnutzung temperaturabhängiger Eigenschaften von Materialien bestimmt (z.B. temperaturabhängige Änderung des elektrischen Widerstandes).
- Luftfeuchtigkeit
Unter Luftfeuchtigkeit wird in der Meteorologie das in Dampfform in der Luft (Atmosphäre) enthaltene Wasser bei den herrschenden Bedingungen (Luftdruck und Lufttemperatur) verstanden. Die Angabe erfolgt als relative Luftfeuchtigkeit (Verhältnis von Dampfdruck zu Sättigungsdampfdruck bei der gegebenen Lufttemperatur) in Prozent.
Ein häufig zur Messung der relativen Luftfeuchtigkeit verwendetes Verfahren beruht auf der Tatsache, daß hygroskopische Stoffe ihre Abmessungen in Abhängigkeit von der Luftfeuchtigkeit verändern. Ausgesuchtes und präpariertes Menschenhaar sowie die nach einem besonderen Verfahren hergestellten Pernix-Elemente sind solche hygroskopischen Stoffe, die sich besonders für Meßzwecke eignen, da ihre Längenänderungen sehr groß, reproduzierbar und praktisch temperaturunabhängig sind.
- Luftdruck
Der Luftdruck ist der Druck, den die Luft der Atmosphäre aufgrund der Gravitation auf ihre Unterlage oder eine ihrer Luftschichten ausübt. Er nimmt wie die Dichte mit der Höhe ab und schwankt entsprechend den Bewegungsvorgängen in der Atmosphäre. Seine Erfassung erfolgt meist über Membrandosen, deren Ausdehnung entweder mechanisch oder elektronisch erfaßt wird.
- Niederschlag
Als Niederschlag werden flüssige oder feste Kondensationsprodukte aus der Atmosphäre, welche auf die Erdoberfläche gelangen, bezeichnet; das sind z.B. Regen, Schnee, Hagel, Graupel, Tau, Reif, Rauhreif und nässender Nebel. Man muß unterscheiden zwischen der reinen Messung der Niederschlagshöhe in Auffanggefäßen und dem Sammeln von Niederschlag zum Zwecke einer chemischen Analyse. Für letzteren Fall müssen sämtliche Teile, mit denen der Niederschlag in Berührung kommt, aus Materialien gefertigt sein, die die Niederschlagsprobe nicht verändern können (z.B. Polyethylen, Polytetrafluorethen, Borsilikatglas oder ähnliches).
- Globalstrahlung
Die Globalstrahlung ist die aus dem oberen Halbraum auf eine horizontale Fläche auffallende Strahlung im Wellenlängenbereich des Sonnenspektrums von 0,3 bis 3 µm (Summe der direkten Solar- und diffusen Himmelsstrahlung). Ihre Erfassung erfolgt mit sogenannten Sternpyranometern, welche zur Gruppe der "Schwarz-Weiß-Flächenpyranometer" zählen und die Strahlungsintensität nicht unmittelbar, sondern auf dem Umweg über eine durch sie erzeugte Temperaturdifferenz messen. Bei elektrischen Pyranometern wird diese Differenz mit Hilfe von Thermoelementen in eine proportionale elektrische Spannung umgewandelt, wodurch die komplizierte Messung eines Strahlungsstromes auf eine einfache Spannungsmessung zurückgeführt wird
Analysegeräte und Meßprinzipien
Analysegeräte dienen zur Bestimmung der Konzentration des jeweiligen Luftschadstoffes in der Atmosphäre. Dabei unterscheidet man diskontinuierliche, quasi kontinuierliche und kontinuierliche Meßverfahren, wobei letztere im automatisierten Luftgütemeßnetz Kärnten zum Einsatz kommen. Wesentlich ist dabei die regelmäßige Erfassung der Meßwerte über Zeitabschnitte, die viel kleiner sind (Sekundenbereich) als das Bezugsintervall der Grunddaten (Halbstundenmittelwerte). Je nachdem welche Schadstoffkonzentration bestimmt werden soll, kommen unterschiedliche Meßprinzipien zum Einsatz:
- Ozon (O3)
Ähnlich wie bei Kohlenstoffmonoxid im IR-Bereich wird hier die Eigenschaft der Absorption bestimmter Wellenlängen des ultravioletten Lichtes durch Ozon ausgenützt (UV-Absorption). Dazu wird das Meßgas in zwei Wege aufgeteilt:
Der eine Weg führt über einen katalytischen Deozonisator, der das Ozon aus dem Meßgas entfernt, in die Referenzküvette. Der zweite Weg führt direkt in die Meßküvette. Auf diese Weise werden das Meß- und das Referenzgas zur gleichen Zeit getrennt gemessen. Innerhalb es Detektors wird UV-Licht auf die Meßküvette gerichtet und durch das vorhandene Ozon absorbiert. Diese Absorption wird von einer Fotoröhre und einer damit verbundenen Elektronik gemessen. Das gleiche Verfahren wird auf der Referenzseite angewandt, wobei die Differenz der Ausgangssignale zwischen Meßdetektor und Referenzdetektor ein Maß für die Quantität des im Meßgas vorhandenen Ozons ist.
Prüfgasgenerator (PGG)
Um die ordnungsgemäße Funktion der eingesetzten Analysegeräte überprüfen zu können, werden diese in regelmäßigen Zeitabständen (im allgemeinen alle 23,5 Stunden) mit Prüfgasen bekannter Konzentration beaufschlagt. Ein Prüfgas, das keine für das jeweilige Analysegerät erfaßbaren Luftschadstoffe enthält, nennt man Nullgas. Je nach der Art und Weise wie diese Prüfgase hergestellt werden, unterscheidet man verschiedene Verfahren:
- Nullgasaufbereitung
Über einen Kompressor wird Umgebungsluft angesaugt, durch einen Öl-/Wasserabscheider gereinigt und über eine Silikagelfilterpatrone getrocknet. Anschließend werden mit einer zweiten Filterpatrone, die mit Aktivkohle, Molekularsieb und Natronkalk gefüllt ist, in der Luft enthaltene Schadstoffkomponenten, wie Schwefeldioxid, Stickstoffmonoxid, Stickstoffdioxid, Ozon und in begrenztem Maße auch Kohlenstoffmonoxid entfernt. Das so erhaltene Nullgas dient zur täglichen Funktionskontrolle der Analysegerätenullpunkte sowie zur Herstellung interner meßgerätespezifischer Prüf- und Referenzgase.
- Prüfgasherstellung mittels Permeationsprinzip
Die jeweilige Prüfgaskomponente (SO2, NO2, H2S) wird als Flüssiggas in sogenannten Permeationsröhrchen geliefert. Diese Edelstahlröhrchen besitzen an ihrer Stirnseite eine durchlässige Membrane und befinden sich in einem elektrisch beheizten Ofen konstanter Temperatur (z.B. 50°C), der ständig mit Nulluft gespült wird. Das bei dieser Temperatur durch die Membrane austretende hochkonzentrierte Prüfgas wird mit einer definierten Menge Nullgas verdünnt und dem jeweiligen Analysegerät zu Prüfzwecken zugeführt.
- Prüfgase aus Druckflaschen
Diese Prüfgase werden in speziellen Aluminium- oder Stahlflaschen unterschiedlicher Größe und Konzentration hergestellt (SO2, NO, CO, CnHm, H2S, synthetische Luft). Die niedrigkonzentrierten Prüfgase liegen im Bereich der Meßgaskonzentrationen und können über einen Druckminderer dem Analysegerät direkt zugeführt werden, weisen jedoch nicht für alle Schadstoffkomponenten die geforderte Langzeitstabilität auf. Die stabileren, hochkonzentrierten Prüfgase müssen zur Konzentrationssenkung in einer sogenannten Verdünnungseinheit mit einer definierten Menge Nullgas vermischt werden, bevor man sie dem Analysegerät zuführen kann.
- Erzeugung von Ozonprüfgas
Ozonprüfgas wird durch Bestrahlung von aufbereiteter Luft mit ultraviolettem Licht erzeugt, wobei dieses reine hochkonzentrierte Ozongas gemeinsam mit einer definierten Menge Verdünnungsluft (Nullgas) über eine Mischstrecke geleitet wird. Das so entstehende Prüfgas in Meßgaskonzentration kann dann direkt dem Analysegerät zugeführt werden.
Stationsrechner
Der Stationsrechner bildet die "Intelligenz" der Meßstation und stellt gleichzeit das Bindeglied zur EDV-Zentrale (Zentralrechner) dar. Er ermöglicht ein autarkes Funktionieren der Meßstation und hat folgende Aufgaben zu erfüllen:
Datenfernübertragung (DFÜ)
Zur Datenfernübertragung stehen verschiedene Kommunikationsmittel (Datex-P, Funktelefon, Telefonwählleitungen, Diskette, Telefax) zur Verfügung, wobei die Meßdaten halbstündlich oder mehrmals am Tag vom Zentralrechner angefordert werden:
- Datex-P
In dem Maße, wie sich der Trend zur dezentralen Datenverarbeitung verstärkt, wächst das Bedürfnis, über leistungsfähige Datentransportsysteme verfügen zu können. Eine der Möglichkeiten, eine wirtschaftliche Datenkommunikation abzuwickeln, bietet dabei das Prinzip der Datenpaketvermittlung, bei der eine Nachricht abschnittsweise von Vermittlungsstelle zu Vermittlungsstelle das Übertragungsnetz durchläuft und dabei in jeder Vermittlungsstelle kurzzeitig zwischengespeichert wird. Die zu sendenden Daten werden in Pakete definierter Länge zerlegt und mit zusätzlichen Verwaltungsinformationen (Adressen, Steuerinformationen, Datenrahmen) versehen, durch das Übertragungsnetz transportiert. Bei der Gegenstelle erfolgt das Zusammensetzen der Pakete zum ursprünglichen Datenstrom. Datenpakete bilden also einen seriellen Datenfluß, der über eine Leitung schrittweise mit einer definierten Geschwindigkeit übertragen wird. Die Übertragungswege werden "virtuelle Verbindungen" genannt, da sich das Übertragungsnetz aus der Sicht der beiden Datenendeinrichtungen so verhält, als wären diese direkt miteinander verbunden, obwohl in Wirklichkeit nur während der tatsächlichen Datentransportzeit eine Verbindung besteht. Auf einer physikalischen Leitung können dabei bis zu 255 virtuelle Verbindungen gleichzeitig aktiv sein. Sämtliche ortsfesten Luftgütemeßstationen und meteorologischen Meßstationen des automatisierten Luftgütemeßnetzes Kärnten sind mit diesem Übertragungsdienst ausgestattet.
- Funktelefon
Diese leitungsungebundene Übertragungsmöglichkeit wird vorwiegend bei mobilen bzw. speziellen Einzelmeßstationen eingesetzt, wobei der Nachteil der größeren Übertragungszeiten und -kosten durch den Vorteil, bei häufigem Standortwechsel bzw. bei Standorten in exponierten Lagen keinen Telefon-, sondern lediglich einen Stromanschluß zu benötigen, z.T. wieder aufgewogen wird.
- Telefonwählleitungen
Sämtliche Meßstationen des Submeßnetzes sind aufgrund der meist geringen zu übertragenden Datenmengen durch herkömmliche Telefonwählleitungen mit dem Submeßnetzrechner (PC) verbunden, wobei über eine serielle Schnittstelle ein Datentransfer zum Zentralrechner möglich ist.
- Datentransfer per Diskette (Offlinedaten)
Diese Form der Datenübertragung ist sowohl bei ortsfesten als auch bei mobilen Meßstationen möglich, wird jedoch meist nur in Sonderfällen (z.B. beim Immissionsmeßwagen oder bei länger andauernden Störungen der Datenübertragungswege) angewandt. Dabei werden die Daten mittels eines sogenannten Wartungsrechners über das lokale Netzwerk von der Diskette in den Zentralrechner eingelesen.
- Telefax
Daten von Fremdmeßstationen (Industrie und Magistrat) werden im Normalfall durch die zuständigen Betreiber täglich per Telefax an die Meßnetzzentrale zur Aufnahme in den "Täglichen Luftgütebericht" übermittelt.
Datenverarbeitung
Diese erfolgt im Normalfall sowohl am Zentral- als auch am Auswerterechner , wobei im wesentlichen folgende Aufgabenteilung vorliegt:
- Zentralrechner
- Datenabholung von den Stationsrechnern (stündlich)
- Zeitsynchronisierung aller angeschlossenen Stationsrechner
- Bildung von Rechenwerten (gleitende Mittelwerte, Formelwerte wie z.B. SO2 und Staub)
- Grenzwertüberwachung und Alarmierung des Bereitschaftsdienstes
- Lieferung der aktuellen Meßdaten an den Mailbox-PC
- Protokollausgabe (chronologisches Ereignisprotokoll, Anlagenzustandsprotokoll, frei wählbare Protokolle z.B. Kalibrierprotokolle)
- Weitgehend automatisiertes Erstellen von Berichten (Täglicher Luftgütebericht, Täglicher Ozonbericht, Tägliche Ozoninformation)
- Darstellungen und Auswertungen (Generieren von Tabellen und Grafiken)
- Übernahme von Offlinedaten (Diskette, Wartungsrechner)
- Datenarchivierung (relationales Datenbanksystem, Streamertape zur Langzeitdatenspeicherung)
- Bedienung und Datensicherung (Parameterdatenbank, Streamertape)
- Definiertes Verhalten bei Spannungsausfall (Initialisierung bei Neustart)
- Auswerterechner
- Bearbeitung der gespeicherten Daten des Zentralrechners (Zugriff über lokales Netzwerk durch Angabe von Datum und Zeitbereich)
- Tägliche Datenkontrolle (HMW-Bewertung)
- Weitgehend automatisiertes Erstellen von Berichten ( Monatsberichte, Jahresberichte, Sonderberichte)
- Generieren von Tabellen und Grafiken
- Definiertes Verhalten bei Spannungsausfall (automatischer ordnungsgemäßer Systemhochlauf)
- Für Sonderauswertungen werden auch Datenauslagerungen in PC-Systeme vorgenommen, um die dort vorhandenen Standardprogramme (z.B. Excel) zu nutzen.
Grenzwertüberwachung und Bereitschaftsdienst
Bei Erreichen bestimmter Immissionsgrenzwerte (Grenzwertdatei) wird der Luftgütebereitschaftsdienst über einen vom Zentralrechner aus angewählten alphanumerischen Personenrufempfänger verständigt, wobei als Erstinformation die Bezeichnung der auslösenden Meßstation und Schadstoffkomponente mitübertragen wird. Der Bereitschaftsdiensthabende hat nun die Möglichkeit, sich von jedem Telefonanschluß mittels Modem und Bereitschafts-PC in den Zentralrechner einzuloggen. Dabei liegen in einer eigenen Überschreitungsdatei Art und Ort der Überschreitung zum Abruf bereit.
Erfolgt nach dem wiederholten Anwählen des Personenrufempfängers keine Quittierung durch den Bereitschaftsdiensthabenden, wird über eine Standleitung automatisch eine Meldung an die Landesalarm- und Warnzentrale (LAWZ) abgesetzt.
Mailbox-PC und Luftgüteinformationstafeln (Kabel-TV-Netze) Der Mailbox-PC wird jede Stunde vom Zentralrechner über eine Schnittstelle mit den aktuellen Meßdaten versorgt. Die bevorzugt in Ballungszentren aufgestellten Luftgüteinformationstafeln holen sich ebenfalls stündlich vom Mailbox-PC die Daten und bringen diese zur Anzeige. Zusätzlich besteht über ein spezielles System die Möglichkeit, verschiedene hochauflösende Bilder für Kabel-TV-Netze zu generieren.
Dieses System weist einen sehr hohen Aktualitätsgrad auf, da die Meßwerte bereits innerhalb einer Stunde nach ihrer Erfassung angezeigt werden. In einer klaren und übersichtlichen Darstellungsform kann sich so jeder Interessierte über die aktuelle Luftgütesituation informieren.

Luftgüteinformationstafel
Österreichischer Ozondatenverbund
Der gemäß §5 des Ozongesetzes, BGBl. 210/92, errichtete Ozondatenverbund ermöglicht den österreichweiten Austausch von kontinuierlich registrierten Ozonmeßwerten zwischen den Meßnetzen der Länder und des Bundes und soll insbesondere in Situationen erhöhter Ozonbelastung einen raschen Gesamtüberblick vermitteln sowie im Alarmfall die Koordinierung von Maßnahmen erleichtern.
Datenzugriff der Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Die Zentralanstalt für Meteorologie und Geodyamik am Flughafen Klagenfurt ist ebenfalls durch eine Standleitung mit dem Zentralrechner verbunden. Über ein definiertes Zugriffsmenü können dabei sowohl Immissions- als auch meteorologische Daten in tabellarischer und grafischer Form zur Interpretation der Wettersituation sowie zu Prognosezwecken angefordert werden.
Submeßnetz
Das Submeßnetz auf PC-Basis mit Telefonwählleitungsverbindungen stellt die Vorstufe zum Großmeßnetz dar und ist für Kleincontainer sowie für Einzelmeßplätze eine kostengünstige Lösung. Der Submeßnetzrechner kombiniert dabei für die Meßstationen des Submeßnetzes in beschränktem Umfang die Aufgaben des Zentral- und Auswerterechners des Großmeßnetzes.
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