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Aufbau eines Sensornetzes für die Messung von Stickstoffdioxid

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Aufbau eines Sensornetzes für die Messung von Stickstoffdioxid
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254
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CC Attribution 4.0 International:
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Ausgehend von den behördlichen Messnetz für Stickoxide soll der Aufbau einer preisgünstigen Open Source Messstation für Stickstoffdioxid, inklusive Kalibrierung und der behandlung von Störenden einflüssen behandelt werden. Zusätzlich soll eine Webanwendung vorgestellt werden welche die Daten aus einem Messnetz der NO2-Messstationen sammelt, auf Karten visualisiert und somit dem Citizen Science Ansatz Rechnung trägt. Spätestens seit dem Abgasskandal (Dieselgate) und den daraus resultierenden Fahrverboten für Dieselfahrzeuge ist eine öffentliche Debatte um Stickoxide (insbesondere Stickstoffdioxid (NO2)) als Luftschadstoff entstanden. Die Stickstoffdioxidbelastung in Städten und Gemeinden verunsichert viele Bürgerinnen und Bürger, denn einerseits ist der Schadstoff nicht wahrnehmbar und andererseits kann Stickstoffdioxid eine erhebliche Gefahr für die Gesundheit darstellen. In Deutschland existieren derzeit nur ca. 350 offizielle Messstationen für Stickstoffdioxid, so dass ortsspezifische oder sogar flächendeckende Angaben zur Luftschadstoffbelastung nicht möglich sind. Ein flächendeckendes Messnetz ist laut Gesetz auch nicht vorgesehen. Folglich können politische oder gerichtlich durchgesetzte Maßnahmen zur Verbesserung der Luftqualität auch nur dort stattfinden, wo Messwerte existieren. Da es gegenwärtig keine Bestrebungen gibt das öffentliche Netz an Messstationen auszuweiten, möchten wir mit diesem Vortrag einen Vorstoß unternehmen, die technischen Grundlagen zur Errichtung eines bürgerschaftlichen Messnetzes zu eruieren und für diesen Zweck konkrete Bauanleitungen und Informationsdienste vorstellen. Im Gegensatz zu den mehrere tausend Euro teuren und eignungsgeprüften Messstationen zeigen wir eine hinreichend akkurate und preisgünstige (<50 Euro) Alternative auf. In dem Vortrag erklären wir euch zunächst wie Stickstoffdioxid durch offizielle Stellen gemessen wird und wie die Grenzwerte definiert sind. Anhand des Status Quo der Datenerhebung erläutern wir bestehende Defizite und Potentiale für eine genauere und flächendeckendere Messung von Luftschadstoffen wie Stickstoffdioxid. Im zweiten Teil des Vortrags beschreiben wir den Aufbau einer preisgünstigen Open Source Messstation für Stickstoffdioxid. Dabei werden Kriterien für die Auswahl von Komponenten und die Durchführung einer Vergleichsuntersuchung mit einem eignungsgeprüften Messgerät vorgestellt. Außerdem werden Kalibrierungsmethoden und die Behandlung von störenden Einflüssen durch Luftfeuchtigkeit und Temperaturschwankungen thematisiert. Im dritten Teil des Vortrags wird eine Web-Anwendung vorgestellt, die Daten aus einem Messnetz der NO2-Messstationen sammelt, auf Karten visualisiert und somit dem Citizen Science Ansatz Rechnung trägt. Dabei diskutieren wir auch Vor- und Nachteile unterschiedlicher kartenbasierten Darstellungsformen von Luftschadstoffmesswerten.
Keywords
Artificial neural networkSystems <München>Computer animation
Source codeWeb applicationWeb applicationLecture/ConferenceComputer animation
Death by burningEnergieSpring (hydrology)Hydraulic motorDeath by burningEnergieLecture/ConferenceComputer animation
Plane (geometry)Physical lawLimit of a functionAverageMetreLecture/ConferenceComputer animation
Limit of a functionEstimationMATHILDE <Programm>ArmMultitier architectureMathematical modelOrientierbare MannigfaltigkeitLecture/Conference
Set (mathematics)Computer animation
AverageLecture/Conference
AverageComputer animation
Division (mathematics)Run-time systemLecture/ConferenceComputer animation
Gebiet <Mathematik>Hausdorff spaceLecture/Conference
Workstation <Musikinstrument>High availabilityHöheHigh availabilityWorkstation <Musikinstrument>Wireless LANComponent-based software engineeringHausdorff spaceRoute of administrationInternetAnalog-to-digital converterComputer animation
FactorizationLecture/Conference
Hausdorff spaceLecture/Conference
Run-time systemDiagram
GasgemischLecture/Conference
Scaling (geometry)Lecture/ConferenceDiagram
BlogTemperature coefficientGRADEPhysical quantityMetreBlock (periodic table)Lecture/Conference
Temperature coefficientWorkstation <Musikinstrument>Zusammenhang <Mathematik>Lecture/ConferenceComputer animationDiagram
Measured quantityCalculationLecture/Conference
Measured quantityFunction (mathematics)Physical quantityComputer animationLecture/Conference
Computer animation
Temperature coefficientElectric generatorArmData conversionDirection (geometry)Zusammenhang <Mathematik>Advanced Boolean Expression LanguageLecture/ConferenceComputer animation
Data conversionLecture/Conference
High availabilityDeath by burningHigh availabilityZusammenhang <Mathematik>DepictionComputer animation
Beta functionObservational errorLecture/Conference
Web applicationSource codeAPIHexagonEckeWeb applicationHöheComputing platformInterface (chemistry)Run-time systemLevel (video gaming)Source codeWeb-AnwendungComputer animation
Workstation <Musikinstrument>USB <Schnittstelle>FunktionalitätProviderLink (knot theory)Lecture/Conference
Negative predictive valueSatelliteFunction (mathematics)Lecture/ConferenceComputer animation
Lecture/ConferenceComputer animation
GRADEInternetMittelungsverfahrenLecture/Conference
Direction (geometry)InternetLuftdatenLecture/Conference
Computing platformSequelLecture/Conference
Lecture/Conference
CurveMeasured quantityLecture/Conference
Lecture/ConferenceDiagram
ArmLecture/Conference
CryptographyGrand Unified TheoryLecture/Conference
Chain ruleTiefePointer (computer programming)Lecture/Conference
Negative predictive valueMoistureZusammenhang <Mathematik>Lecture/Conference
InternetComponent-based software engineeringHöheAVA <Programm>Workstation <Musikinstrument>Lecture/Conference
InformationMusical ensembleLecture/Conference
Project <Programm>SurfaceWhiteboardLuftdatenLecture/Conference
Lecture/Conference
Computer animationLecture/Conference
InternetLecture/Conference
openSUSELecture/ConferenceComputer animation
Transcript: German(auto-generated)
oder wirkt über den Aufbau eines Sensornetzwerkes für die Messung von Stickstoffdioxid reden. Der Talk ist entstanden in Zusammenarbeit mit Dr. Nils Seidl von der Fernuni Hagen, dort Fachbereich kooperative Systeme und Ziel des ganzen Projektes,
das ursprünglich auf einer Bachelorarbeit begründet ist, ist es ein flächendeckendes Messnetzwerk aufzubauen, dass das staatliche Messnetzwerk um einiges an Quantität und vielleicht auch Qualität übersteigt. Bitte, heißt ihn willkommen.
Guten Tag, Patrick Römer mein Name, das habt ihr ja schon gehört. Ich stelle euch heute den Aufbau eines Sensornetzes für die Messung von Stickstoffdioxid vor. Hierbei beginne ich erstmal mit einer Vorstellung allgemein, was ist der Luftstartstoff Stickstoffdioxid,
was ist die aktuelle Gesetzeslage, die Referenzmessverfahren. Dann werde ich über den Aufbau und eine Kalibrierung einer Messstation sprechen. Hierbei werde ich unter anderem die Sensorwahl vorstellen oder erklären, den Versuchsaufbau davon, die Ergebnisse und die Probleme, die sich dabei zeigten.
Und am Schluss wird es um die Darstellung von Messergebnissen und den Sammeln von Messergebnissen in der Wettbeanwendung davon gehen. So, erstmal Stickstoffdioxid, was ist Stickstoffdioxid? Stickstoffdioxid gehört zu den Stickoxiden, das sind Stoffverbindungen, die aus Stickstoff und Sauerstoff bestehen.
Und es gibt auch natürliche Quellen dafür, bakterielle Vorgänge im Boden oder Bodennähe und dergleichen. Aber in der Stadt kommt das meiste Stickstoffdioxid durch die Verbrennung in Motoren zustande, bzw. Stickstoffmonoxid entsteht, um genau zu sein. Und zwar entsteht das bei hohen Temperaturen, wo sich aus Stickstoff und Sauerstoff Stickstoffmonoxid bildet.
Dieses Stickstoffmonoxid ist metastabil, das heißt, trotz dessen, dass Energie am Anfang hinzugefügt wird, zerfällt es nicht von selbst wieder zu N2 und O2, was daran liegt, dass die Aktivierungsenergie für diesen Prozess zu hoch ist
und bleibt halt dann als Stickstoffmonoxid in der Atmosphäre vorhanden, bodennah. Setzt sich dann allerdings mit Bodennamen Ozon zu Stickstoffdioxid um, was dann der Luftstartstoff ist, den man so kennt und über den halt auch viel gesprochen wird.
Die Gesetzeslage ist hierbei auf EU-Ebene festgelegt. In der Luftqualitätsrichtlinie 2850 EG wurden Mindestanforderungen innerhalb der EU festgelegt. Diese Mindestanforderungen wurden ins deutsche Recht mit der 39. Bundesimmissionsschutzverordnung überführt.
Und in dieser 39. Bundesimmissionsschutzverordnung sind halt Grenzwerte auch angegeben. Diese Grenzwerte basieren auf WHO-Empfehlungen, liegen hier bei Jahresmittelwert für die menschliche Gesundheit, für 40 Mikrogramm pro Kubikmeter, Stundenmittelwert von 200 Mikrogramm pro Kubikmeter. Das heißt, wenn man Stundenmittelwert überschreitet, eine gewisse Anzahl, dann geht irgendwann Alarm los.
Und die Behörden müssen gucken, was da los ist. Es gibt eine Alarmschwelle, wenn die überschritten wird, muss sofort was gemacht werden. Und es gibt einen Jahreswert zum Schutz der Vegetation für Wald- und Grünflächen.
Bei diesen Grenzwerten ist vor allem der Jahresmittelwert für die menschliche Gesundheit derjenige, der die meisten Probleme macht. Man kann sich online die Messdaten anschauen von den offiziellen Messstationen und sieht da, dass diese Jahresmittelwerte für die menschliche Gesundheit halt das sind, was die Probleme macht und was auch zu Dieselfahrverboten und dergleichen führt.
Es werden für die Messmethoden Qualitäten festgelegt in der 39. Bundesimmissionsstaatsverordnung, unter anderem für ortsfeste Messungen, das sind diese Messstationen, die man so kennt, und die am Bahnhof oder so hier in Leipzig zum Beispiel stehen. Orientierende Messungen, dazu komme ich gleich noch, Modellrechnung und objektive Schätzungen.
Orientierende Messungen können 25% Fehler haben, Modellrechnung bis zu 50% Objektive Schätzungen 75%. Außerdem regelt die 39. BIMSCH-V noch andere Luftschadstoffe oder Grenzwerte zu anderen Luftschadstoffen,
zum Beispiel SO2, PM10, PM2,5 und dergleichen. Das sind der 39. Bundesbimmschau festgelegte Referenzmessverfahren für Stickstoffdioxid, ist das Schimulmissensverfahren. Hier zu sehen ist jetzt ein Analyzator, der eingesetzt wird, von der Firma Teledyne.
Es wird Analyzator NO zusammen mit Ozon in einer Reaktionskammer zu NO2 umgesetzt. Hierbei entsteht Licht und dieses Licht wird detektiert. Die Stärke dieses Lichtes ist proportional zu der Menge an NO in dem Gas.
Wenn man jetzt die NO2-Konzentration bestimmen möchte, setzt man vorher das Gas über einen Katalysator um zu NO und dann kann man auch NO2 mit diesem Analyzator messen, bzw. es wird mit diesem Analyzator NO2 gemessen. Dieses Verfahren ist sehr spezifisch und hat wenig Querempfindlichkeit, deswegen das Verfahren der Wahl.
Es ist allerdings auch teuer. So ein Messgerät kostet 10.000 Euro aufwärts, was zum Großteil mit dadurch zustande kommt, dass zusätzliche Aufarbeitungsschritte für das Messgas enthalten sind.
Das Messgas wird zuerst gekühlt, dadurch entfeuchtet, dann wird es auf eine Temperatur aufgeheizt, damit die Reaktion in der Analysenkammer entsprechend schnell stattfindet und es hat also mehrere Aufarbeitungsstufen noch vorher. Ein Alternativverfahren dazu, was als Orientieresmessverfahren eingesetzt wird, sind die Passivsammler.
Passivsammler werden für die Ermittlung von Langzeitmittelwerten eingesetzt. Das sind einfach nur kleine Röhrchen, welche mit einer Chemikalie gefüllt sind, welche über die Zeit NO2 aus der Luft anreichert und anschließend werden diese Röhrchen im Labor untersucht und man kann anhand der gemessenen Werte errechnen, wie ist denn der Mittelwert über die gegebene Zeit.
Das Messverfahren hat ungefähr 20% bis 25% Abweichung, deswegen als Orientierungsmessverfahren eingesetzt. Das behördliche Messnetz ist geregelt in der 39. Bundesimmissionsschutzverordnung.
Es gibt wenige, aber repräsentative Punkte, das ist so das prinzipielle Ziel. Die Messstationen sollen an den Orten mit der höchsten zu erwartenden Belastung stehen, also an Hauptverkehrsknotenpunkten. Diese Punkte sollen möglichst repräsentativ für ähnliche Orte in der Nähe sein. Wenn ich jetzt an einem Verkehrsknotenpunkt das aufstelle, gehe ich davon aus,
dass die Werte repräsentativ sind für Verkehrsknotenpunkte in der Umgebung. Allerdings wohnt nicht jeder an einem Verkehrsknotenpunkt, sondern auch Leute an der Bundesstraße oder dergleichen. Dann kommt man zu der Frage, wie ist denn die Luftqualität jetzt bei mir in der Umgebung, bei mir vor der Haustür?
Wenn man sich mal das Messnetz in Leipzig anschaut, gibt es hier insgesamt drei Messstationen und eine Hintergrundmessung, die jetzt hier in die Hintergrundmessung nicht eingezeichnet ist. Und die ganzen anderen umliegenden Gebiete haben halt keine eigene feste Messstation. Nun ist die Frage, wenn ich jetzt hier irgendwo in rechts wohne, wie ist denn die Konzentration von NO2 bei mir zu Hause?
Auf Basis dessen haben sich die Anforderungen an eine Citizen-Science-Messstation festgelegt. Sie sollte möglichst günstig sein, denn niemand möchte sich eine Satte für 10.000 Euro zu Hause hinstellen.
Auch wenn das schön wäre, wenn man so viel Geld hätte. Die Komponenten müssen verfügbar sein. Es gibt viele Komponenten in dem Sektor, die nur für gewerbliche Anwender und dergleichen verfügbar sind oder halt nur schwer erhältlich sind. Die Station sollte auch einfach nachzubauen sein und sie sollte möglichst präzise Messdaten liefern.
Und hierbei, wenn man eine Messstation aufstellt, man ja auch eventuell irgendwann damit zu einer Behörde gehen möchte und sagen möchte, ich messe bei mir zu Hause die ganze Zeit hohe Werte, sollten die halt auch gewisse Qualitätsmerkmale erfüllen und das sind halt diese, möglichst idealerweise diese orientierenden Messungen.
25% Abweichung wäre das Ziel, damit man da was Belegbares hat. Gewählt wurden die Teile, also als Teile ein ESP32 als Basis. Der hat halt den WLAN mit integriert und 4 MB Flash für eine Firmware, hat einen Analog-Digital-Wandler, also schon eine ganz gute Grundlage.
Es wurde ein MICS4514 Metalloxid-Sensor gewählt. Der ist für 16 Euro ungefähr im Internet verfügbar. Man kommt gut ran und der ist halt als Breakout-Board erhältlich, das heißt man muss auch nicht löten im Zweifelsfall, sondern kann ihn auf eine Steckplatine aufstecken.
Ein DHT11 und DHT22 Temperatur- und Luftfeuchtesensor, denn solche Sensoren ohne Voraufbereitung des Messgases haben die Eigenschaft, dass sie stark abweichen, also dass die Messwerte stark abweichen, denn sie sind abhängig von der Temperatur, der Luftfeuchtigkeit und weiteren Faktoren.
Das heißt, man muss eine Kalibrierfunktion finden, die diese Faktoren mit heraus rechnet. Und ansonsten noch drei 470 Kiloohm-Widerstände, um einen Spannungsteiler zu bauen und für den DHT11. Das hier wäre jetzt eine Messstation auf einer Steckplatine. Einfacher Aufbau mit Hilfe einer Steckplatine.
Man muss nichts löten. Nicht jeder hat einen Lötkohlem zu Hause, der eventuell mitmachen möchte, deswegen Steckplatine. Und nun ist die wichtige Frage, was misst der Sensor bzw. wie arbeitet der?
Und zwar ist es ein resistiver Sensor, das heißt, er ist ein Metalloxid-Sensor und er verändert seinen Widerstand mit Änderung der Konzentration an NO2 in der Luft. Das Datenblatt gibt einem hierzu diese schönen Grafik. Man sieht, dass auf einer doppelt logarithmischen Skala der Verlauf der NO2-Konzentration gut zu sehen ist.
Es gibt auch einen Einfluss von NO, der mir im späteren Verlauf noch Probleme verursacht hat. Und Wasserstoff. Wasserstoff hat man im Normalfall nicht in seiner Umgebung, sollte man nicht haben. Ansonsten sollte man da wegziehen, wo man wohnt. Das wäre sehr gefährlich und explosiv.
Und das erste, was ich dann gemacht habe, ist erstmal zu schauen, stimmt das, was das Datenblatt sagt, ungefähr mit der Realität überein, die diese Sensoren haben. Ich habe also über einen Zeitraum von einem Monat mehrere Sensoren bestellt und untersucht. Und das ist der einfache Aufbau davon.
Hier zu sehen in eins ist ein Exikator, das ist einfach nur so ein Glasgefäß, in dem man Sachen eigentlich trocknen kann. Und zwei ist ein Gasmischer. Ich habe also verschiedene Konzentrationen an NO2 -Gas hergestellt, indem ich es mit einem Nullgas ohne NO2 verdünnt habe. Und die Sensoren, die Messstationen in dem Gefäß, in dieser Atmosphäre ausgesetzt.
Also hierbei zeigte sich, dass die Sensoren alle ungefähr den gleichen Verlauf haben und die gleiche Reaktion zeigen. Auf der Y-Achse versetzt. Links sind jetzt die ADC-Ausgabe, nicht umgerechnet in Volt.
Aber mit einer Verschiebung auf der Y-Achse könnte man die ungefähr zur Deckung bringen. Das ist schon mal ganz gut, denn das erleichtert eine Kalibrierung. Wenn man das Ganze übersetzt in dieselbe Skalierung, wie in dem Datenblatt angegeben ist, sieht das auch ungefähr so aus, wie das, was man erwarten würde.
Wenn man das Datenblatt vor sich hat und dann die Ergebnisse hat. Der nächste Schritt war, die Einflüsse einzelner Größen rauszufiltern. Zum Beispiel der Temperatur.
Wenn man einen Temperatureinfluss untersuchen möchte, wie macht man das? Wenn man einen Thermometer testet, bei mir auf der Arbeit, dann steckt man das Thermoelement von dem Thermometer in einen Block. Der Thermometer heizt diesen Block auf und lässt ihn abkühlen und misst dann die Temperatur im Vergleich zu seinem Referenzthermometer. Da man im normalen Fall aber keine 250 Grad oder dergleichen hat, war die einfachste Lösung eine Styroporbox mit Kühlakkus.
Die Stationen wurden in dieser Kühlbox gelegt, Deckel drauf, luftdicht verschlossen. Die Konzentration der Gase innerhalb der Box sollte sich nicht verändern.
Dadurch, dass es verschlossen ist. Die einzige Größe, die sich verändert über die Zeit, ist die Temperatur. Ergebnis hiervon, ein schöner relativ linearer Zusammenhang. Das heißt, wenn man mal kein NO2 messen möchte, kann man mit den Dingern auch theoretisch die Temperatur messen.
Aber es hat ja einen schönen Zusammenhang und auch die geraden Funktionen, die hier eingezeichnet sind, haben ungefähr die gleiche Steigung. Anschließend habe ich eine Vergleichsmessung durchgeführt zu dem Analyzator, der am Anfang zu sehen war, dem Chemo-Lumineszenz-Messgerät.
Das sah dann ungefähr so aus. Es wurde Außenluft gezogen in den Exikator, durch den Exikator durch und anschließend in das Messgerät.
Das Messgerät ist mit 1 bezeichnet, der Exikator wieder mit 2 und 4 und 3 sind die beiden Rechner, die die Daten aufgezeichnet haben. Hierbei zeigte sich auch, über mehrere Tage hinweg, dass es diese Punktewolken sind, dass der NO2-Einfluss, den erwarteten, etwas auf den Messwert hat.
Es wurden jetzt Messgrößen ausgewählt oder Messwerte, bei denen die Temperatur innerhalb eines kleinen Bereiches lag. Also die Luftfeuchtigkeit innerhalb eines kleinen, schwankenden Bereiches und auch die NOx bzw. die NO-Werte, die am Analyzator gemessen wurden, innerhalb des selben Bereiches lag. So heißt, also auch über verschiedene Tage hinweg, kommt man ungefähr auf diese Kalibrierfunktion.
Wenn man die ganzen Werte noch korrigiert um die Temperatur, mit Hilfe der Funktion von vorhin, sieht das noch ein bisschen besser aus. Aber hier zeigte sich das erste Problem, das große Problem, Stickstoffmonoxid.
Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid sind nicht in einem festen Verhältnissen der Umgebungsluft vorhanden. Stickstoffmonoxid entsteht bei Verbrennungsprozessen zuerst, setzt sich dann in NO2 um, aber ein Teil des NO2 setzt sich auch wieder in Stickstoffmonoxid um. So, der Einfluss von dem Stickstoffmonoxid ist leider gegensätzlich zu dem Einfluss des Stickstoffdioxid, was sehr schlecht ist.
Denn jetzt muss man vorher, also bevor man die Messwerte zum Benutzen kann, noch sich überlegen, wie kann ich denn das Stickstoffmonoxid entfernen. So, Temperatureinfluss ist auch nochmal untersucht worden. Das zeigt sich auch hier ungefähr dasselbe, dass das hier so eine Wolke ergibt am Ende,
liegt hauptsächlich daran, dass der Temperaturbereich bzw. der Bereich, in dem das lag, ein paar ppb waren. Aber es zeigte sich auch hier, dass der Temperaturzusammenhang, der zuvor ermittelt wurde, nun die Probleme.
Nochmal der Einfluss von NO2 und NO auf den Sensorwiderstand ist gegenläufig. Schöner wäre, wenn es in die gleiche Richtung gehen würde oder der NO Einfluss geringer wäre. Und M2 und NO treten wie gesagt nicht im selben Verhältnis auf. Das heißt, ich kann keinen Rückschluss daraus ziehen, ich habe jetzt ein Messwert von X. Das heißt, ich muss NO2 in 100 ppb haben oder ppm und das andere muss in 80 ppb vorliegen, je nachdem was man halt hat.
Und das dreht man halt nicht im selben Verhältnis auf. Da man keine Möglichkeit hat, NO so separat zu messen, zumindest mit den Teilen, bleibt als Lösung hauptsächlich das Umsetzen von NO zu NO2.
Mit Hilfe eines Oxygengenerators, z.B. aus dem Aquarienbau oder eines Oxidationsmittels, wie Kaliumpermanganat, welche gibt es da, erhöht aber die Komplexität. Das heißt, das ist das Problem, an dem ich momentan noch arbeite.
Wenn die Messstation jetzt funktioniert, ist der nächste Schritt, ein Messnetz aufzubauen. Also sobald das mit dem Oxygengenerator getestet ist, dann hoffentlich auch funktioniert. Nächster Schritt, ein Messnetz aufzubauen. Was sind die Anforderungen an so ein Messnetz?
Es soll eine hohe Verfügbarkeit der Messstation vorliegen. Das heißt, die Sensoren sollen möglichst nicht nach einem halben Jahr oder dergleichen kaputt gehen. Es soll möglichst feinmaschig sein, damit darstellerischer Zusammenhang besser sichtbar ist. Das heißt, wenn ich mal eine Verbrennung habe irgendwo und da kommt eine riesige
NO2-Wolke mit raus, dann möchte ich den Verlauf auf der Karte sehen können. Und dafür müssen die Messstation halt möglichst nicht beieinander sein. Idealerweise kann man durch viele Sensoren, die dicht beieinander liegen, defekte oder fehlerhafte Sensoren erkennen. Und man kann halt auch Orte erfassen, die halt weit weg von den ortsfesten Messungen der Behörden sind.
Wichtig, wie am Anfang schon gesagt, ist die Angabe des Messfehlers der Messstation. Denn no data is better than pure data, hieß es im Qualitätsmanagement immer. Und wenn man wirklich was mit den Messdaten anfangen möchte, muss man halt wissen, wie ist der Fehler der Messwerte.
Ja, und das Ganze sollte auch noch eine Möglichkeit bieten. Es sollte eine Möglichkeit geboten werden, die gemessenen Daten zu sammeln und abzurufen. Das erste, was man dann macht, ist sich überlegen, wie stellt man das dann da, solche gesammelten Messdaten.
Grundsätzlich kommen da drei Sachen in Frage, drei Möglichkeiten erstmal, die viel umgesetzt sind. Das eine ist eine Heatmap. Eine Heatmap wird von einem Punkt aus in eine farbige Fläche erzeugt.
Und andere Punkte in der Umgebung färben diese Fläche entsprechend mit, je nachdem welchen Wert sie haben. Man hat eine gefärbte Karte. Es gibt Hexbinmaps, das ist unten links dargestellt. Da wird die Karte in gleich große Sechsecke eingeteilt. Und die Sechsecke werden eingefärbt, je nach Konzentration in ihrem Bereich.
Hierbei kann es Probleme geben, wenn jetzt eine Messstation an einem äußeren Rand von dem Sechseck liegt und sehr hohe Konzentration misst, aber der Rest des Sechsecks halt eigentlich niedrige Konzentration hat. Kann sein bisschen die Darstellung verfälschen. Und es gibt halt die einfachen eingefärbten Punkte oder Marker auf eine Karte, was halt nicht so wirklich übersichtlich ist.
Wenn man sich einen schnellen Eindruck von dem ganzen machen möchte. Hier habe ich eine Plattform programmiert, OpenNOX. Es bietet eine Web-Anwendung mit einer Bauanleitung für die Messstation, wie sie aktuell ist.
Halt noch immer mit dem Problem, dass sie halt NO querempfindlich ist, wo ich mir momentan Überlegungen zu mache. Man kann Messstationen registrieren und man kann historische und die aktuellen Messdaten abrufen. Der Quellcode liegt auf GitHub und die Messdaten aus den Versuchen, die Sensoren zu kalibrieren, stelle ich auch zur Verfügung.
Vielleicht hat ja irgendjemand noch eine Idee und kann mit den Messdaten irgendwas machen, was ich nicht wusste. Aktuell werden auch einige der offiziellen Messstationen in Nordrhein-Westfalen angezeigt.
Das Problem hier ist, dass jedes Bundesland da so ein bisschen seine eigene Suppe kocht, wie die Messdaten der offiziellen Messstationen bereitgestellt werden und wie die Lizenzen für diese Daten sind. Die Seite sieht dann ungefähr so aus. Momentan führt der Link von OpenNOX die auf das GitHub-Repository, weil ich heute früh noch etwas Probleme mit dem Provider hatte.
Man hat auf jeden Fall die Karte mit den Messwerten. Das ist in München-Gladbach und das Grüne wäre jetzt die offizielle Messstation, die da steht an der Straße. Und die beiden blauen Punkte wären eigene Messstationen, die halt momentan nur Rohwerte liefern.
Und es gibt eine Anleitung mit der Teilliste, um das Ganze nachzubauen. Weil ja, selber nachbauen und vielleicht auch selber erweitern. Es gibt von dem ESP32 auch noch verschiedene Versionen mit verschiedenen Zusatzfeatures.
So könnte man in Zukunft zum Beispiel auch eine mobile Messstation bauen, die entweder über oben TS die Daten übermittelt oder halt auf einer SD-Karte speichert und sie dann im Nachhinein übermittelt. Der Ausblick hier, was da zu tun ist, ist die Lösung des Problems der Querempfindlichkeit gegenüber Stickstoffmonoxid.
Da versuche ich jetzt etwas mit Ozone zu machen, um das NO vollkommen zu NO2 umzusetzen. Man würde dann zwar Stickoxide insgesamt messen, kann aber über die Differenzbildung bzw. über eine Kalibrierfunktion das wieder zurückrechnen.
Den Aufbau eines Messnetzes, wo ich hoffentlich Hilfe bekomme, wenn Leute sich dafür interessieren. Mit Hilfe des Netzmessnetzes kann man anschließend NO2-Verursacher, welche aktuell nicht bekannt sind, identifizieren.
Weil vielleicht gibt es irgendwo eine Fabrik oder sowas, die Unmengen an NO2 rauswirft, was jetzt noch keiner weiß, aber dann in Zukunft vielleicht. Und das erweitern um weitere Funktionen und Sensoren und Funktionen, wie zum Beispiel um TS um halt mobil auch messen zu können oder halt kurzzeitig an irgendwelchen Orten.
Ja, das war's. Vielen Dank fürs Zuhören. Das war schneller als erwartet. Ihr habt jetzt reichlich Zeit, Fragen zu stellen. Oh, da rennen die ersten schon.
Mikrofon 2 war schneller. Es sind sogar zwei Fragen. Wie viele Messstationen sind schon bei OpenNOX? Die eine und das andere. Wäre nicht ein etwas besserer Temperatursensor wie ein BME280 noch sinnvoller? Der ist ja nur unwesentlich teurer.
Also erst mal, wie viele sind da, da das gerade erst anfängt? Eine. Eine eigene. Und der Temperatursensor, der Einfluss der Temperatur ist halt relativ linear, sage ich mal. Also ein besserer Temperatursensor kann man machen, wäre auch in Zukunft sinnvoll, aber für das, was man jetzt hier gesehen hat, reicht der aus.
Also gehen wir davon aus, wir ermitteln einen Nullpunkt für die Messstation, dann reicht es, wenn wir wissen, es hat sich um einen Grad verändert. Und bei dem normalen Messbereich von 20 Grad oder 25 Grad sollte das reichen. Besserer natürlich kann man gucken in Zukunft. Warum nicht?
Jetzt das Internet bitte. Aus dem Internet kam die Frage, ob eine Integration oder Zusammenarbeit mit luftdaten.info geplant ist, da es ja irgendwie in dieselbe Richtung geht.
Und er lieber einen Sensor mit Stickstab, Feinstaub und allen Daten hätte anstatt 15 mit, die verschiedene Daten messen. Ich hatte luftdaten.info am Anfang meiner Bachelorarbeit angeschrieben, aber keine Antwort von Ihnen bekommen. Da hinten winkt jemand, vielleicht ist das die Antwort.
Hallo, David, Martin und ich, wir sind von luftdaten.info. Wir arbeiten auch schon an der Thematik, deswegen super interessanter Vortrag. Vielen, vielen Dank. Also wir würden sehr gerne zusammenarbeiten. Wir wollen vielleicht auch noch ankündigen, wir sind jetzt sensor.community, also eine Plattform.
Nicht nur Luftqualität mit Feinstaubmessensoren, sondern eben auch beide Ansätze, die du jetzt erwähnt hast. Nämlich auch eine große europäische Kampagne, wie das nämlich schon erfolgreich war, in Belgien mit diesen passiven Sensoren. Und wir koordinieren jetzt auch die Institutionen. Also wunderbarer Vortrag, wirklich. Vielen, vielen Dank und wir müssen noch ein bisschen reden.
Wir können ja gleich gerne noch reden. Genau, ihr könnt das gerne weiter draußen fortsetzen. Wir haben drei eine Frage. Weißt du, wie langzeitstabil die Sensoren sind, ob die in einem Jahr noch immer die gleichen Werte anzeigen, wenn die gleiche NO2-Konzentration in der Luft ist? Also das hängt von der Belastung vor Ort ab zum Teil, weil es gibt dieses Vergiften von den Sensoren.
Das heißt, gewisse Luftschadstoffe haben einen negativen Einfluss und beschädigen diese Sensoren auf Dauer, also verschlechtern diesen Messwert. Ich habe jetzt einen ungefähr fünf Wochen bei mir laufen gehabt, nicht fünf Wochen, fünf Monate, Verzeihung.
Der hat sich relativ wenig verändert. Ich wohne allerdings auch im zweiten Stock. Das heißt, der wird nicht so extrem Luftschadstoffen ausgesetzt sein wie halt eine Hauptverkehrskreuzung. Das heißt, das ist individuell abhängig und schwer zu sagen. Also fünf Monate schaffen sie schon mal, wie es aussieht.
Mikro 1 bitte. Danke für den interessanten Vortrag erstmal. Wir haben am Anfang gesehen, dass die Messkurven alle relativ gleich ausschauen, aber halt irgendwie versetzt sind. Hast du gute Ideen, wie man das sehr einfach, vielleicht die Eichung
davon machen kann, ohne dass man das 20.000 Euro Messgerät sozusagen gegengleicht? Ja, und zwar wenn man davon ausgeht, dass die Messwerte eine gewisse Abweichung haben dürfen, kann man davon ausgehen, zumindest meine Hoffnung,
dass nachts nicht unbedingt Null ist, aber so 10 bis 20, also 10 ppb, ungefähr 5 Mykogramm, die Konzentration an NO2 in der Luft ist, bzw. NO und man entsprechend dann eine Nullung durchführen könnte und dann halt diesen Nullpunkt verschieben kann.
Das wäre zumindest das, was man versuchen könnte, um halt einen täglichen Abgleich zu durchzuführen, um halt rauszufinden, ob der Sensor stark abweicht von dem, was man erwarten würde. Gäbe es vielleicht einen Ansatz um selbst? Bitte keine Dialoge. Nein, okay, Frage noch. Also du kannst antworten.
Also man könnte natürlich auch hingehen und einfach einen Prüfgas nehmen, um das Ganze zu begasen, dass es halt auch in der Atmosphäre ist, meinetwegen in einem Kochtopf oder dergleichen, aber man hat halt auch keinen Prüfgas zu Hause. Deswegen ist es nachts, versuchen das zu machen, wenn der Nullpunkt da ist, das einfachste. Deswegen auch, es ist ganz gut, dass die nur verschoben sind in einer Achse, weil dann kann man da ein bisschen was machen.
Jetzt der Signere Angel bitte. Warum möchte man einen Messwert nur für NO2 anstatt für Stickoxide insgesamt haben? Sind nicht alle Stickoxide gesundheitsgefährlich? Stickstoffdioxid im Speziellen ist lungengängig, weil es schwer wasserlöslich ist
und verursacht es deswegen als einer der Hauptprobleme für diese erhöhte Sterblichkeit identifiziert. Diese professionellen Messgeräte messen auch noch Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid, aber der Sensor kann halt auch nur, man braucht mehr Sensoren.
Ein Hinweis bitte, redet deutlich in die Mikros rein, also nehmt die Mikros nahe in den Mund, wenn ihr Fragen stellt, dann seid ihr besser zu hören. Mikro3 kann das jetzt mal ausprobieren. Hallo, Servus. Danke für deinen Vortrag.
Wären vielleicht, so Art bei der Kryptografie gibt es so Krypto-Partys, wären vielleicht Calibration-Partys hier interessant? Das wäre auch eine Möglichkeit, wenn man halt entsprechend dann die Konzentration einstellen könnte, quasi wäre auch eine Möglichkeit, ja, gute Idee. Das Mikro2 bitte.
Hallo, es gibt ja noch, also du verwendest ja resistive Sensoren und es gibt ja noch andere resistive Sensoren, die zum Beispiel für NOX und CO2 sensitiv sind und dann gibt es optische Sensoren, die nur für CO2 empfindlich sind. Könnte man über eine Kalibrationskette deinen Sensor kalibrieren?
Nein, also es ist so, es gibt optische Sensoren, auch mit Laserarbeiten, die kosten aber so 100 bis 200 Euro. Nee, 30. Dann zeigen wir den, ich will den sehen. Also nicht jetzt. Gleich. Und es gibt halt dafür elektrochemische Sensoren,
die allerdings halt auch Querempfindlichkeiten zeigen und halt auch teurer sind, so 130, 150 Euro kosten. Deswegen habe ich mich für den resistiven entschieden. Eine Kalibrationskette von CO2 auf NO2 ist halt nicht möglich in dem Sinne, weil das ist zwar in einer Meszelle drinne eventuell,
aber es sind wahrscheinlich verschiedene Messelemente, es müssen verschiedene Messelemente sein, wo man verschiedene Werte messen kann. Wir kommen gleich gerne mal wegen dem Sensor zu mir. Die nächste Frage von Mikro1, bitte. Ja, danke für deinen Vortrag. Laut genug, ja. Bei Luftarteninfo gibt es beispielsweise auch einige Schwächen
bei der Feinstaubmessung bezüglich Feuchtigkeit. Du hattest am Anfang genannt, entweder ich habe nicht aufgepasst oder hattest du das jetzt noch betrachtet, nicht nur die Temperatur, sondern auch die Empfindlichkeit zu feuchten? Das Problem ist, dass ich keine Klimakammer habe, um verschiedene Feuchtigkeiten zu erzeugen.
Das heißt, ich habe versucht, bei der Vergleichsmessung zu machen, genug Werte zu ermitteln mit verschiedenen Feuchtigkeiten. Leider war innerhalb der Woche die Luftfeuchtigkeit immer relativ gering, in einem sehr kleinen Bereich. Es zeigte sich einen Zusammenhang, aber die Darstellung hier war meines Erachtens noch nicht ausreichend. Ich muss dann noch weitere Versuche machen,
noch mal gucken, wie das verläuft, um herauszufinden, wie das Ganze tatsächlich im Zusammenhang steht. Okay, danke. Ich fürchte, da könnte es noch mehr Probleme geben. Ah, das kommt, ja. Und noch eine Frage aus dem Internet, bitte. Ja, die Frage kommt nicht aus dem Internet, sondern von mir selber.
Und zwar, der Preis der Station besteht ja jetzt aus den einzelnen Komponenten. Wäre es nicht billiger für den Massengebrauch in Deutschland, einen PCB-Zulieferer oder irgendwas zu benutzen, und könnte das dann nicht auch vom Staat irgendwie unterstützt werden,
dass das dann sogar kostenlos oder zu einem geringeren Preis an die Bundesbürger geschickt wird? Da ich mich leider mit dem Sammeln von Supportgeldern und dergleichen nicht gut auskenne, ist das etwas, wo ich noch nicht so drin stecke. Aber ein fertiger PCB mit allem drauf wäre natürlich eine Option, wenn genug Interesse besteht, gehen könnte.
Und wenn man überlegt, PCBs kann man ja relativ günstig herstellen, also das wäre durchaus was man machen könnte. Aber da habe ich noch keine Aktien drinne, sage ich mal. Eine Frage von Mikro3, bitte. Gibt es einen Einfluss von der Höhe, auf der die Messgeräte angebracht werden,
oder einen Einfluss auf den Stickstoffgehalt in der Höhe, oder auch irgendwo Abschirmung durch Straßenecken, und wie kann man das dann bei mehreren Sensoren vergleichbar machen, dass man da gemeinsam Ergebnisse bekommt? Ja, das gibt es und das ist sogar ein sehr wichtiger Punkt. Wenn ich an der Straße messe und eine Begrünung habe, und hinter der Begrünung messe oder vor der Begrünung,
ist das ein gravierender Unterschied. Es gab ja auch diese Diskussion, die Messstationen würden zu nah an der Straße stehen, stellt die weiter weg und dergleichen, weil genau dieser Distanzeinfluss halt vorhanden ist. Und das ist halt ein wichtiger Punkt. Man müsste es halt bei den Sensoren noch zusätzlich mit erfassen als zusätzliche Information.
Meinetwegen, ich wohne im zweiten Stock, weil die Konzentration da tendenziell geringer sein wird als in Bonennähe. Also ist eine weitere Information, die noch erfasst werden muss, die Aufstellungsworte des Sensors. Die nächste Frage, Mikro2, bitte. Ich wollte nur erwähnen, weil ein paar Sachen angesprochen worden sind.
Mein Name ist Chris und ich sind in einem Projekt, das Open Air Cologne heißt. Wir machen genau eine integrierte Sensorlösung mit dem Mix und dem ESP auf einem Board. Das ist auch noch mal erweiterbar, als durch andere Feinstaubsensoren. Und was jetzt auch von einem Helmholtz-Projekt verwendet wird,
um ein bisschen flächendeckender Luftdaten und auch mit Gesundheitsdaten zu korrigieren. Und da sollten wir uns wahrscheinlich auch mal zusammenstellen. Ich stehe gleich noch da, hoffe ich. Genau, die Bitte, wenn ihr weiter Diskussionen oder Informationsaustausch machen wollt,
dann könnt ihr das danach machen. Jetzt geht es um Fragen. Bitte Mikro1 noch mal. Wie siehst du das, wenn du jetzt da zusätzlich eine Oxidation einbauen willst, damit alles zu NO2 umgesetzt ist? Wäre es dann vielleicht möglich, aus einer Messung mit Oxidation und ohne Oxidation sozusagen das Verhältnis von NO und NO2 aufzulösen?
Korrekt, das ist der Plan. Die professionellen Messgeräte machen das ja vom Prinzip her auch. Die gehen hin und oxidieren bzw. messen erst NO alleine, denn sie messen selektiv nur NO. Und messen anschließend NOX, indem sie das NO2,
also Stickstoffmonoxid, umsetzen und dann die Differenz. Ähnlich könnte man das auch machen, wenn man halt den NOX-Wert hat. Man weiß, wie viel NO und NO2 insgesamt da sein müssen. Man kann dann aus dem zweiten Messwert das theoretisch zurückrechnen,
aber dafür müsste man halt auf jeden Fall erst mal alles NO2 umgesetzt bekommen, zuverlässig. Gut, ich sehe noch eine Frage an Mikrofon 2, bitte. Wie kann man nur NO messen? Die Messung von NO selbst in diesen professionellen Messgeräten?
Nö, billiger. Also gibt es resistive Sensoren nur für NO? Nein, leider nicht. Also zumindest nichts, was ich gefunden habe. Irrtum nicht ausgeschlossen. Aber ich habe halt nichts in dem Sinne gefunden, was jetzt preislich angemessen ist.
Gibt es jetzt aktuell noch Fragen, eventuell aus dem Internet? Signal Angel hat keine Frage mehr. Dann kann die weitere Diskussion an einer anderen Stelle stattfinden. Ich wünsche euch viel Erfolg. Vielen Dank für deinen Vortrag.
Noch einmal einen Applaus.