Sensoren zur Messung von Luftschadstoffen | Umweltbundesamt

Kostengünstige Luftqualitätssensoren (LQS, engl.: low cost sensors, LCS) sind Sensoren, die aufgrund der Fortschritte in der Mikrosensortechnologie einerseits kostengünstig hergestellt werden können und andererseits eine so große Empfindlichkeit aufweisen, dass sie auch für die Messung schädlicher Luftverunreinigungen in der Außenluft zum Einsatz kommen können. Im Gegensatz zu Referenzmessgeräten sind LQS einfach aufgebaut, was zu deutlich geringeren Kosten führt und daher die Massenproduktion solcher Geräte ermöglicht.

LQS bestehen in der Regel aus einer Messzelle, in der der eigentliche Messvorgang stattfindet, welcher bei der Stauberfassung zum Beispiel auf der Detektion des von Partikeln reflektierten Streulichts oder bei der Messung von Gaskonzentrationen auf elektrochemischen Prozessen zwischen zwei Elektroden oder Widerstandsänderungen beruhen kann. Weiterhin bestehen LQS aus einem Wandler, der die erfasste Messgröße in ein elektrisches Signal umwandelt, und einem Signalprozessor. Weitere Elemente wie Daten-Logger zur Speicherung der Messdaten, eine Kommunikationseinheit zur Übertragung an eine Auswerteeinheit bzw. einen Server oder die Speicherung und Sichtbarmachung der Daten auf einem Anzeigegerät, bereits eingebaute Kalibrierverfahren und eine Stromversorgung gehören zur sogenannten Technikperipherie. Ein LQS in Kombination mit der dazugehörigen Technikperipherie wird oft als Sensorsystem bezeichnet. Sensorsysteme können für weniger als 10 % der Kosten eines Referenzmessgerätes erworben werden.

Anwendungsbereiche für Sensoren zur Messung der Luftqualität

• Ergänzende Messungen zur Überwachung der Luftqualität
• Charakterisierung von Emissionsquellen und Überwachung der Auswirkungen auf quellnahe Gebiete
• Vernetzung im Rahmen von Citizen Science
• Identifizierung von lokalen Brennpunkten der Luftverschmutzung
• ⁠Monitoring⁠ der persönlichen Belastung von Einzelpersonen im Tagesverlauf
• Sensibilisierung für Fragen der Luftqualität
• Möglichkeit mobiler Messungen bei Beachtung von Vorgaben

Einsatzbedingungen und Grenzen der Nutzung von Sensoren für die Messung der Luftqualität 

1. Vor einer erfolgreichen Anwendung der Sensoren muss der Einsatzzweck gut definiert werden. Die erforderliche Qualität der Daten ist von Anwendung zu Anwendung unterschiedlich. Die meisten LQS eignen sich gut für Studien mit Bezug zur Sensibilisierung der Öffentlichkeit zu Fragen der Luftreinhaltung und zur relativen Betrachtung der Luftqualität mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung.
2. Sensoren, die für die Verwendung in Innenräumen konzipiert sind, liefern im Freien in der Regel keine verwendbaren Ergebnisse.
3. Die meisten LQS sind für den mobilen Einsatz, insbesondere für Personen ohne Fachkenntnisse und ohne spezielle Prozessierung der Daten, ungeeignet.
4. Es besteht oft ein erheblicher Aufwand für die Kalibrierungen von LQS. Die meisten Forschungsgruppen führen Kalibrierungen im Rahmen von Vergleichsmessungen mit Referenzmessgeräten bei kurzen Messkampagnen zu Beginn und bei langen Messkampagnen zusätzlich während und am Ende der Messungen durch.
5. Wegen der begrenzten Lebensdauer der Sensoren und wegen ihres Strombedarfs können sie nicht über einen längeren Zeitraum unbeaufsichtigt betrieben werden. Zudem weichen LQS oft im Laufe der Zeit von ihrer Grundlinie ab (Sensordrift), was ohne Korrektur zu einer systematischen Verfälschung der Messergebnisse führt.
6. Bei Messungen mit elektrochemischen Sensoren muss deren lange Aufwärmzeit einkalkuliert werden, die von Minuten bis zu Tagen dauern kann.
7. Bei LQS für Feinstaub wird die Massenkonzentration der Partikel anhand einer konstanten Dichte und eines konstanten Brechungsindexes berechnet. Die Annahme, dass alle Partikel die gleiche Dichte und den gleichen Brechungsindex aufweisen, ist eine Vereinfachung, die zu Messfehlern führen kann.

Vorteile von Sensoren gegenüber Referenzmessgeräten

• kostengünstige und relativ einfache Beschaffung
• geringe Größe und geringes Gewicht
• einfache Konfiguration und Installation
• geringer Stromverbrauch
• Einsatz als eigenständiges Gerät oder als Teil eines internetbasierten Netzwerks
• verfügbar für große Bandbreite an Anwendungsfällen

In der Broschüre des Umweltbundesamtes "Sensoren zur Messung von Luftschadstoffen - Möglichkeiten und Grenzen sowie Hinweise zu deren Einsatz" finden Sie weitergehende Informationen für die erfolgreiche Messung mit Sensorsystemen und Hinweise, wie Sie Ihre Messungen aussagekräftiger gestalten können.