Messwerte unsicher genau richtig!

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Kathrin Kuntz
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1 Für Mensch & Umwelt Luftschadstoffe: 1 Jahr Messungen in Flörsheim Messwerte unsicher genau richtig! Dr. Klaus Wirtz Fachgebiet II 4.4/ Experimentelle Untersuchungen zur Luftgüte Umweltbundesamt Paul-Ehrlich Straße Langen (Hessen) Nationales Referenzlabor

2 Gliederung 1 VORSTELLUNG 2 MESSWERTE 2.1 Wie entstehen Messwerte? 2.2 Aufgabe: Bestimmung des Volumens einer Kartoffel 2.3 Messverfahren : Unterschiede, legitim, richtig? 2.4 Eignungsprüfungen 2.5 Anforderung Rückführung 2.6 CEN / ISO Harmonisierung und Referenzverfahren 3 PARTIKELMESSTECHNIK 3.1 Standardreferenzverfahren 3.2 Äquivalenztest für nicht standardisierte Messverfahren 4 AUSBLICK Luftschadstoffe: 1 Jahr Messungen in Flörsheim / Informationszentrum Umwelt und Nachbarschaftshaus 2

Vorstellung Ausbildung: 1974 Chemielaborant (Bayer AG Wuppertal) Studium: 1978/79 Chemie an der Bergischen Universität Wuppertal Diplomarbeit: 1985 Kinetische Untersuchungen an SO 2 und SO 3 mit

3 Vorstellung Ausbildung: 1974 Chemielaborant (Bayer AG Wuppertal) Studium: 1978/79 Chemie an der Bergischen Universität Wuppertal Diplomarbeit: 1985 Kinetische Untersuchungen an SO 2 und SO 3 mit atmosphärischer Relevanz Promotion: 1992 Bildung von Alkylnitraten bei der Oxidation von Kohlenwasserstoffen in der Atmosphäre Wiss. Mitarb Leiter EUPHORE Atmosphärische Transformationsreaktion beim Abbau von Kohlenwasserstoffen Luftschadstoffe: 1 Jahr Messungen in Flörsheim / Informationszentrum Umwelt und Nachbarschaftshaus 3

4 Vorstellung Mitarb. UBA Abteilung Luft seit 2006 Leiter Nationales Referenzlabor Langen CO, NO, SO 2, Benzol Transferstandard Kalibration O 3 Messnetze der Bundesländer und des UBA Luftschadstoffe: 1 Jahr Messungen in Flörsheim / Informationszentrum Umwelt und Nachbarschaftshaus 4

5 Was ist ein Messwert? DEFINITIONEN. NUMMERISCHE AUSSAGE ÜBER EINE ZUSTANDSGRÖßE / EIGENSCHAFT EINES OBJEKTES DAS VON EINEM MESSGERÄT ODER EINER MESSEINRICHTUNG DURCH VERGLEICH MIT EINER EINHEIT GELIEFERT WIRD DAS MESSERGEBNIS IST EINE VERLÄSSLICHE AUSSAGE ÜBER EINE UNBEKANNTE GRÖßE / EIGENSCHAFT EINES OBJEKTES VOLLSTÄNDIGES MESSERGEBNIS IST EIN AUS MESSUNGEN GEWONNENER SCHÄTZWERT DER WAHREN GRÖßE MIT QUANTITATIVER AUSSAGE ÜBER DIE GENAUIGKEIT Luftschadstoffe: 1 Jahr Messungen in Flörsheim / Informationszentrum Umwelt und Nachbarschaftshaus 5

6 Verfahren 1 BESTIMMUNG DES VOLUMENS ÜBER DIE DICHTE 1 BENÖTIGTE MESSUNGEN: Gewichtsbestimmung mit Hilfe einer Waage (bester Schätzwert: arithmetischer Mittelwert von Wiederholmessungen) 2 ANNAHMEN: Die Dichte der Kartoffel ist konstant (1,049 1,131 je nach Stärkegehalt) Der Luftdruck und die Temperatur haben keine Auswirkung auf das Ergebnis 3 BERECHNUNGEN MESSWERT: V = Masse/Dichte Dichte: Referenzwert Literatur (mit Unsicherheit) Masse: Wägung (mit Unsicherheit Wägung) Luftschadstoffe: 1 Jahr Messungen in Flörsheim / Informationszentrum Umwelt und Nachbarschaftshaus 6

Beispielhafte Verfahren zur Volumenbestimmung einer Kartoffel Bestimmung über die Dichte durch Wägung Bestimmung durch direkte Volumenmessung V = Masse/Dichte

7 Beispielhafte Verfahren zur Volumenbestimmung einer Kartoffel Bestimmung über die Dichte durch Wägung Bestimmung durch direkte Volumenmessung V = Masse/Dichte Bestimmung durch geometrische Vermessung Ann.: zylinderförmig Luftschadstoffe: 1 Jahr Messungen in Flörsheim / Informationszentrum Umwelt und Nachbarschaftshaus 7

Direkte Volumenbestimmung 530 ml 360 ml Ablesegenauigkeit +/- 10 ml 17.07.

8 Direkte Volumenbestimmung 530 ml 360 ml Ablesegenauigkeit +/- 10 ml Luftschadstoffe: 1 Jahr Messungen in Flörsheim / Informationszentrum Umwelt und Nachbarschaftshaus 8

9 Verfahren Volumenbestimmung aus der Wägung BESTIMMUNG DES VOLUMENS ÜBER DIE DICHTE 3 BERECHNUNGEN UNSICHERHEIT: Die Berechnung der Unsicherheit der Dichte geht über die Berechnung der Standardabweichung unter Annahme einer Rechteckverteilung µ = 1/ 2*( OG UG) Dichte + Erwartungswert des Mittelwertes σ Dichte = 1/ 2*( OG UG) / 3 Definition der Standardabweichung der Rechteckverteilung σ Masse = Standardabweichung der Wiederholmessungen (Wägungen) UVolumen = Luftschadstoffe: 1 Jahr Messungen in Flörsheim / Informationszentrum Umwelt und Nachbarschaftshaus 9

10 Verfahren Volumenbestimmung aus der Wägung BESTIMMUNG DES VOLUMENS ÜBER DIE DICHTE 3 BERECHNUNGEN UNSICHERHEIT: Modellfunktion V = Masse/Dichte u u Dichte = σ Standardabweichung der Rechteckverteilung Dichte Masse σ Masse / n = Standardabweichung der Wägungen n= Anzahl der Wägungen Kombinierte Standardunsicherheit: wird durch Fehlerfortpflanzung bestimmt 1 Dichte Masse Dichte 2 u 2 c ( V ) = ( u Masse) + ( 2 u Dichte ) 2 u Volumen = u c 2 ( V ) Luftschadstoffe: 1 Jahr Messungen in Flörsheim / Informationszentrum Umwelt und Nachbarschaftshaus 10

11 Verfahren Volumenbestimmung aus der Wägung BESTIMMUNG DES VOLUMENS ÜBER DIE DICHTE DARSTELLUNG DES MESSERGEBNISSES Grad des Vertrauens wird durch den Erweiterungsfaktor angegeben: Normalverteilung: 68% k=1 95,5% k=2 99,7% k=3 V ±U Volumen Angabe Ergebnis: [Einheit] mit UVolumen = k u c 2 ( V ) Luftschadstoffe: 1 Jahr Messungen in Flörsheim / Informationszentrum Umwelt und Nachbarschaftshaus 11

12 Vergleich der verschiedenen Messverfahren Gesamtunsicherheit Direkte Volumenbestimmung Geometrisches Verfahren wahrer Wert Luftschadstoffe: 1 Jahr Messungen in Flörsheim / Informationszentrum Umwelt und Nachbarschaftshaus 12

13 Vergleich der verschiedenen Messverfahren Gesamtunsicherheit Wägung der Kartoffel Hohe Genauigkeit der Messung, da die Einzelbestimmung nur durch die Wägung bestimmt wird wahrer Wert Luftschadstoffe: 1 Jahr Messungen in Flörsheim / Informationszentrum Umwelt und Nachbarschaftshaus 13

14 Messverfahren : Unterschiede, legitim, richtig? Welches Verfahren führt zum richtigen Ergebnis? Alle, bis auf die geometrische Vermessung! Bei Betrachtung der Gesamtunsicherheit wird bei jeder Bestimmung der wahre Wert getroffen! Offen bleibt aber, wie die Messungen durchgeführt werden. Zahl der Messswerte, Temperatur, Wartezeiten, usw. Das bleibt solange dem Anwender überlassen, bis gesetzliche Regelungen die Messung des Parameters vorschreiben Luftschadstoffe: 1 Jahr Messungen in Flörsheim / Informationszentrum Umwelt und Nachbarschaftshaus 14

15 Messverfahren : Unterschiede, legitim, richtig? Messung wird gesetzlich vorgeschrieben (Luftqualitätsrichtline 2008/50/EG 39. BImSchV) Rückführung ISO / CEN Normen (Verfahrensrichtlinien) Festlegung von Referenzverfahren Regelungen von Ausnahmen Äquivalenztest Harmonisierung Leistungskriterien Datenqualitätsziele Eignungsprüfung Inbetriebnahme Laufende Qualitätskontrolle Luftschadstoffe: 1 Jahr Messungen in Flörsheim / Informationszentrum Umwelt und Nachbarschaftshaus 15

16 Messverfahren : Rückführung Eigenschaft eines Messergebnisses, durch eine ununterbrochene Kette von Vergleichsmessungen mit gegebenen Messunsicherheiten auf geeignete Normale, bezogen zu sein. Nationales Normal 1. Vergleichsmessung 2. Vergleichsmessung Basis des Dreiecks kennzeichnet die zugeordnete Messunsicherheit Luftschadstoffe: 1 Jahr Messungen in Flörsheim / Informationszentrum Umwelt und Nachbarschaftshaus 16

17 Messverfahren: Eignungsprüfungen Überprüfung der Leistungskriterien von Messverfahren durch ein unabhängiges und nach EN ISO/IEC akkreditiertes Prüfinstitut Verfahren der Eignungsprüfungen muss die Zertifizierungsanforderungen nach nach EN & -2 erfüllen (Produktzertifizierung) Luftschadstoffe: 1 Jahr Messungen in Flörsheim / Informationszentrum Umwelt und Nachbarschaftshaus 17

18 Messverfahren: Referenzverfahren Partikel PM10, PM2,5 Gravimetrisches Verfahren über eine 24h Sammelperiode zur Überwachung der PM10/PM2,5 Grenzwerte PM10 Tagesmittelwert (50 µg/m 3 ) +/- U (25%) PM2,5 Jahresmittelwert (25 µg/m 3 ) +/- U (25%) 10% - 15% sind bei guter Wartung erreichbar Luftschadstoffe: 1 Jahr Messungen in Flörsheim / Informationszentrum Umwelt und Nachbarschaftshaus 18

19 Messverfahren: alternative Verfahren Partikel PM10, PM2,5 Die Standardreferenzverfahren sind für zeitlich hochaufgelöste Daten der PM10 / PM2,5 Belastung nicht verwendbar! Alternative Verfahren: ß-Streuung TEOM FDMS Streulichtmessung.. Diese benutzen alle ein anderes physikalisches Prinzip. Die gewünschte Messgröße (Partikelkonzentation) wird errechnet und interne Kalibrierfunktionen verwendet. Werden diese Messverfahren für die Berichterstattung eingesetzt (gesetzlich vorgeschriebene Überwachung der Luftqualität), müssen die Leistungsparameter der Verfahren in einem Äquivalenztest überprüft werden Luftschadstoffe: 1 Jahr Messungen in Flörsheim / Informationszentrum Umwelt und Nachbarschaftshaus 19

20 Messverfahren: Messungen an einem Standort Partikel PM10, PM2,5 PM2,5 PM10 Wenn PM10 zum großen Teil aus PM2,5 besteht, ist es aufgrund der Überlappung der Verteilungsfunktion immer möglich, dass einzelne Werte des PM2,5 größer werden als einzelne Werte des PM10!!! Partikelkonzentration [µg/m 3 ] Luftschadstoffe: 1 Jahr Messungen in Flörsheim / Informationszentrum Umwelt und Nachbarschaftshaus 20

21 Ausblick Messungen sind immer mit einer Unsicherheit behaftet. Bei PM10 und PM2,5 sind 25% Unsicherheit auf den Tagesmittelwert erlaubt. Alle anderen Messverfahren müssen ihre Äquivalenz bezüglich des Standardmessverfahrens nachweisen. Die Luft gehört uns allen! Jeder kann dazu beitragen, die Belastung zu verringern! Luftschadstoffe: 1 Jahr Messungen in Flörsheim / Informationszentrum Umwelt und Nachbarschaftshaus 21

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Klaus Wirtz Umweltbundesamt II 4.

22 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Klaus Wirtz Umweltbundesamt II / Hier steht der Veranstaltungstitel in 12 Punkt 22

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