DE19647185A1 - Vorrichtung zum Bestimmen der Ozonkonzentration in Luft - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen der Ozonkonzentration in Luft unter Nutzung der Oberflächen-Chemilumineszenz.

In der Klimaforschung oder in der routinemäßigen Wetterbeobachtung ist häufig eine Messung von Ozonvertikalprofilen in der Atmosphäre erforderlich. Über leicht zugänglichen Gebieten erfolgt die Messung üblicherweise mit Ballonsonden vom Boden aus. Über schwer zugänglichen Gebieten, wie Wüsten, Ozeanen und Polar­ gebieten, ist die Messung von Ozonvertikalprofilen mit Ballonsonden meist un­ praktikabel oder unmöglich. Hier erfolgt die Messung meist vom Flugzeug aus.

In diesen Fällen werden Lidarmethoden oder andere Ozonsensoren vom Flugzeug aus benutzt. Die Lidarmethoden sind aufwendig, nicht immer verfügbar und ihr Einsatz ist durch Wolken eingeschränkt. Bei anderen Ozonsensoren im Flugzeug müssen zum Messen von Ozonvertikalprofilen aufwendige Flugmanöver durchge­ führt werden.

Eine effiziente Alternative bieten vom Flugzeug abzuwerfende Dropsonden mit einem geeigneten Ozonsensor. Solche Dropsonden wurden von der Anmelderin (DLR) und dem National Center of Atmospheric Research (NCAR) in Boulder, USA entwickelt.

Die Dropsonden werden von hochfliegenden Forschungsflugzeugen abgeworfen. Einige Sekunden nach dem Abwurf öffnet sich ein Fallschirm der Sonde und sie schwebt an dem Fallschirm zu Boden. Die Dropsonde mißt während des Flugs kontinuierlich meteorologische Größen und überträgt die gemessenen Daten zum Flugzeug.

Ozonsensoren, die speziell als Dropsondensensoren vom Flugzeug eingesetzt werden, sind der Anmelderin nicht bekannt. Es gibt jedoch Ozonsensoren, die in Ballonsonden (Radiosonden) vom Boden hochsteigen. Außerdem gibt es Ozon­ sensoren, die vom Boden mit Raketen in die Atmosphäre befördert werden.

Nachteile dieser Ozonsensoren im Hinblick auf einen Dropsondeneinsatz vom Flugzeug aus, sind nachstehend angeführt. Eine elektrochemische Zelle ist das bisher meistens bei Radiosonden benutzte Element zur Ozonmessung. Hierbei wird die Meßluft mit Hilfe eines motorgetrie­ benen Kolbens an den Boden der elektrochemischen Zelle gebracht, wo sie in Form kleiner Bläschen in eine Kaliumjodid-Lösung eingebracht wird. Dort bewirkt in der Meßluft vorhandenes Ozon eine Oxidation der in der Lösung vorhandenen Jodid-Anionen. Ein damit verbundener Elektronenfluß zwischen den Elektroden der elektrochemischen Zelle ist dann ein Maß für die Ozonkonzentration.

Bei dem Einsatz dieser Technik in Dropsonden ergeben sich im wesentlichen die folgenden Probleme. Zum einen besteht die Gefahr, daß der flüssige Elektrolyt ausläuft, da die Dropsonde nach dem Abwurf bis zum vollständigen Öffnen des Fallschirms unkontrollierte Bewegungen ausführt. Um dies zu vermeiden, wäre eine Lagestabilisierung oder ein Auslaufschutz notwendig; dies ist jedoch schwie­ rig zu realisieren, da das System bezüglich Meßluft offen sein muß.

Zum anderen liegt ein entscheidender Nachteil hinsichtlich des Einsatzes elektro­ chemischer Zellen in einer Dropsonde in der langen Ansprechzeit bei Ozonkonzen­ trationsänderungen in der Größenordnung von 20 s bis 1 min. Bei einer mittleren Dropsonden-Fallgeschwindigkeit von 20 m/s entspricht dies einer Fallstrecke von 400 m bis 1,2 km und führt somit zu einer entsprechenden Glättung des Ozonpro­ fils.

Die Abhängigkeit der Absorption von ultraviolettem Licht von dem Ozonmi­ schungsverhältnis in der Meßluft wird bei der sogenannten Lichtabsorptionstech­ nik ausgenutzt. Bei bisher eingesetzten Systemen haben sich hinsichtlich des Ein­ satzes als Ozonsensor in Dropsonden folgende Nachteile herausgestellt. Für eine ausreichende Absorption bei niedrigen Drücken muß die Absorptionsstrecke eine gewisse Mindestlänge haben. Dies wiederum führt jedoch zu Abmessungen, die in einer kleinen Dropsonde nicht gegeben sind. Ferner ist das Gewicht von bekann­ ten UV-Absorptionssensoren für einen Einsatz bei Dropsonden zu hoch. Außer­ dem sind die UV-Absorptionssensoren zu teuer, um in einem Art "Einwegpro­ dukt", wie beispielsweise einer Dropsonde, sinnvoll eingesetzt zu werden.

Bei der Oberflächen-Chemilumineszens-Technik werden farbstoffbeschichtete Kieselgelplättchen verwendet, die mitunter auch als Target bezeichnet sind. Bei einer Reaktion zwischen den Plättchen und Ozonmolekülen der Meßluft wird Licht ausgesendet, dessen Intensität proportional zu der Ozonkonzentration ist. Hier­ bei wird die Lichtintensität mit einem Photomultiplier gemessen. Das Ansprechen der Chemilumineszenz-Reaktion ist sehr kurz und liegt beispielsweise bei 0,1 s.

Die Chemilumineszenz-Technik ist in verschiedenen Ozonsensoren angewendet. Am ähnlichsten zum Anmeldungsgegenstand ist die vom Kernforschungszen­ trum Karlsruhe, 1990 angemeldete Vorrichtung zur Messung der Konzentration von Ozon in Luft (Deutsches Gebrauchsmuster G 90 02 078.2). Die kleinste und leichteste Weiterentwicklung dieses Systems stammt von der Firma GfAS (Gesell­ schaft für angewandte Systemtechnik) und wird in Lizenz für Radiosonden ange­ boten.

In Fig. 3 ist eine Ausführung eines von GfAS hergestellten Ozonsensors wiederge­ geben. Allerdings ist auch dieser Sensor allein schon wegen seiner Abmessungen (Länge/Höhe/Tiefe) von 180/230/150 mm und wegen seines Gewichts in der Größenordnung von etwa 800 g ungeeignet.

Bei diesem Ozonsensor wird ozonhaltige zu messende Luft mit Hilfe eines Venti­ lators 34 in Richtung eines Pfeils III angesaugt und an einem Chemilumines­ zenz-Plättchen 33 vorbeigeleitet. Das Plättchen 33 reagiert mit dem Ozon in der Meß­ luft und gibt Licht 35 ab, dessen Intensität proportional zu Ozonkonzentration ist. Die abgegebene Lichtintensität wird mittels eines Photomultiplier 32 gemes­ sen. Durch im Strömungskanal eingebaute Lichtfallen 31 wird im wesentlichen Ta­ geslicht von der eigentlichen Meßkammer ferngehalten.

Hinsichtlich einer Strömungscharakteristik ist festgestellt worden, daß unterhalb einer kritischen Überströmgeschwindigkeit des Chemilumineszenz-Plättchens das Ausgangssignal der chemischen Reaktion proportional zu der Masse des Ozons in der vorbeiströmenden Meßluft ist. (Siehe hierzu Schurath, U. et al "Principle and Application of a fast sensor for atmospheric ozone", Fresenius, J. Anal, Chem., 340, 544-547 von 1991). Das Ausgangssignal ist dann jedoch geschwindigkeits­ abhängig.

Oberhalb dieser kritischen Geschwindigkeit (der Mindestgeschwindigkeit) ist das Ausgangssignal geschwindigkeitsunabhängig und nur von der Ozonkonzentration in der Meßluft abhängig. Um die jeweilige Mindestgeschwindigkeit sicher zu über­ schreiten, sind in den bisherigen Sensorsystemen deren Bauteile ausreichend groß dimensioniert.

Bei den bisher eingesetzten Sensorsystemen wird die Druck- und Feuchte-Abhän­ gigkeit der Chemilumineszenz-Reaktion durch Korrekturpolynome korrigiert. Die Temperaturabhängigkeit wird bei bestehenden Systemen dadurch umgangen, daß Chemilumineszenz-Reaktion durch eine geregelte elektrische Heizung auf kon­ stanter Temperatur gehalten wird. Diese Maßnahmen wirken sich jedoch nachtei­ lig hinsichtlich Gewicht, Größe sowie hinsichtlich des elektrischen Leistungsbe­ darfs des Sensors aus und sind daher in einer Dropsonde nicht praktikabel. Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Berücksichtigung und Vermeidung der vorstehend aufgeführten Nachteile und Probleme eine Vorrichtung zur Bestim­ mung von Ozonkonzentration in Luft zu schaffen, die nicht nur insbesondere in einer Dropsonde unterzubringen ist und auch den beim Abwurf einer Sonde und während deren Sinkflug auftretenden mechanischen Beanspruchung standhält, sondern auch in sehr kurzer Zeit räumlich und zeitlich hoch aufgelöste sowie ge­ naue Ozonvertikalprofile liefert.

Gemäß der Erfindung ist dies bei einer Vorrichtung zur Bestimmung der Ozonkon­ zentration in Luft durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 4.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen un­ ter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zei­ gen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 eine schematische Signalverarbeitungs- und Kontrollschaltung für die Vorrichtung gemäß der Erfindung, und

Fig. 3 eine schematische Schnittansicht einer herkömmlichen GfAS-Ozonson­ de.

In Fig. 1 sind in einer Schnittansicht schematisch die wesentlichen Elemente eines in einer Dropsonde unterbringbaren Ozonsensors wiedergegeben. In einem in Fig. 1 unteren Teil eines vorzugsweise aus schwarzem Polyvinylchlorid (PVC), Teflon (eingetragene Marke) u.ä. hergestellten Sensorgehäuses 1 ist ein Photo­ multiplier 6 der FA. Hamamatsu R 931A mit einem in Fig. 1 rechts angedeuteten Sockel E717.-35 untergebracht.

Am in Fig. 1 linken oberen Ende des Sensorgehäuses 1 ist ein Ansaugrohr 7 sche­ matisch dargestellt, das vorzugsweise ebenfalls aus schwarzem Teflon (eingetra­ gene Marke) oder auch aus schwarzem PVC oder ähnlichem Material besteht. Dem Ansaugrohr 7 sind im oberen Teil des Sensorgehäuses 1 schematisch ange­ deutete Lichtfallen nachgeordnet, wobei das Lichtfallensystem so aufgebaut und ausgeführt ist, daß die Luftwege entlang des Luftmeßweges, wobei die Strö­ mungsrichtung der Luft durch einen Pfeil 1 im Ansaugrohr angedeutet ist, gleich groß oder größer sind wie bzw. als der Querschnitt des Ansaugrohrs 7, das bei­ spielsweise einen Innendurchmesser in der Größenordnung von 12 mm aufweist.

In Strömungsrichtung gesehen, ist dem Lichtfallensystem 17 ein Metallblock 9 nachgeordnet, der, was in Fig. 1 gestrichelt angedeutet ist, von einer düsenartig wirkenden Kanalstruktur 2 umgeben ist. Die düsenartig wirkende Kanalstruktur 2 weist vorzugsweise eine solche Geometrie auf, daß der Eintrittsquerschnitt zum Austrittsquerschnitt etwa in der Größenordnung von 2 : 1 liegt hierdurch ist die für einen Ozonsensor gemäß der erfindungsgemäßen Ausführung erforderliche Mindestgeschwindigkeit von 80 cm/s über einem auf der Unterseite des Metall­ blocks 9 angebrachten Chemilumineszenz-Plättchen 8 erreicht.

Im dem Chemilumineszenz-Plättchen 8 abgewandten oberen Teil des Metallblocks 9 sind ein Temperatursensor 16 sowie eine als Referenzlichtquelle dienende licht­ emittierende Diode (LED) 15 untergebracht. Auf der in Fig. 1 rechten Seite der LED 15 ist in dem Metallblock 9 und in der anschließenden Wandung 14' zur Hal­ terung des Metallblock 9 eine im Querschnitt vorzugsweise kreisförmige Aus­ trittsöffnung 3 für Licht von der LED 15 ausgebildet. Die Oberseite des Sensor­ gehäuses 1 ist durch einen Deckel 14 abgeschlossen.

Nach dem in der düsenförmig ausgebildeten Kanalstruktur 2 untergebrachten Me­ tallblock 9 ist im oberen Abschnitt des Gehäuses 1 ein in Fig. 1 schematisch an­ gedeuteter Luftströmungskanal 18 vorgesehen, an dessen in Fig. 1 rechten Ende ein Ventilator 13 angeordnet ist. Als Ventilator 13 ist ein Ventilatortyp Sunol Mo­ dell 1212 PFB2 verwendet, der für 12 V ausgelegt, jedoch bei dem erfindungsge­ mäßen Ozonsensor mit 16 V betrieben wird.

Der Ventilator weist eine optimierte Düsengeometrie in der Weise auf, daß des­ sen Eintrittsquerschnitt zu dessen Austrittsquerschnitt in der Größenordnung von etwa 2 : 1 liegt in einer realisierten Ausführungsform beträgt der Eintritts­ querschnitt 110 mm² und der Austrittsquerschnitt des Ventilators 13 beträgt 62 mm. Auf diese Weise konnte die erforderliche Mindestgeschwindigkeit von 80 cm/s über dem Chemilumineszenz-Plättchen 8 erreicht werden.

Gleichzeitig ist mit der geschaffenen Düsengeometrie eine Optimierung erreicht, die zwischen einer maximal mit diesem Ventilatortyp erreichbaren Geschwindig­ keit und einem steigenden Strömungswiderstand bei kleinerem Düsenausgangs­ querschnitt liegt.

In Fig. 2 sind die wesentlichen elektronischen Bauelemente einer Schaltungsanord­ nung für eine Signalverarbeitung und -kontrolle der bevorzugten Ausführungs­ form der in einer Dropsonde unterbringbaren Vorrichtung gemäß der Erfindung beschrieben. Am Eingang 23 der Schaltungsanordnung liegen die Ausgangssigna­ le von dem Photomultiplier 6 an, die über entsprechend dimensionierte und be­ messene Operationsverstärker 21 und 22 übertragen und verstärkt werden und am Signalausgang 40 anliegen.

Für eine Temperaturkalibrierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind ferner eine lichtemittierende Diode (LED) 25 sowie ein Temperatursensor 26 (beispiels­ weise LM35CZ) vorgesehen. Der LED 25 sind eine Diode 27 und ein Widerstand 28 vorgeschaltet, wodurch Schwankungen der Versorgungsspannung keine Schwankungen an der Lichtintensität bewirken. Ferner ist ein elektrisches Steuer­ chip 24 vorgesehen. Die Spannungsversorgung der LED 25 und des Temperatur­ sensors 26 erfolgt über eine 12 V-Batterie, deren Energie am Eingang 29 zugeführt wird. Die einzelnen Bauelemente sind, wie in Fig. 2 dargestellt, mitein­ ander verbunden.

Der untere Teil des Sensorgehäuses 1, in welchem der Photomultiplier 6 unterge­ bracht ist, ist durch eine Zwischenwandung 3 von dem Gehäusebereich getrennt, in welchem beispielsweise der Metallblock 9 untergebracht ist. Unterhalb des auf der Unterseite des Metallblocks 9 angebrachten Chemilumineszenz-Plättchens 8 ist in der Zwischenwandung 3 eine Glasscheibe 4 vorgesehen, gegenüber der Glasscheibe 4 ist in der Oberseite des Photomultipliers 6 gegenüberliegend zu dem Chemilumineszenz-Plättchen 8 ein Fenster 60 vorgesehen.

Aufgrund des sehr kleinen Raumbedarfs und des niedrigen Gesamtgewichts der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bestimmen der Ozonkonzentration in Luft und im Hinblick auf den vergleichsweise sehr geringen Energiebedarf kann die Vorrichtung gemäß der Erfindung in einer Dropsonde untergebracht werden.

Auch bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die für einen Einbau und eine Ver­ wendung bei einer Dropsonde konzipiert ist, muß ebenso wie bei den bisher in der Chemilumineszenz-Technik verwendeten Ozonsensoren eine Meßempfindlichkeit ε₀ unter Normalbedingungen, d. h. bei einem Druck von 1013 hPA und einer Tem­ peratur von 20°C, bestimmt werden. Zur Bestimmung der Meßempfindlichkeit ε wird nacheinander Luft mit unterschiedlichen Ozonmischungsverhältnissen durch den Ozonsensor geleitet und es werden die zugehörigen Ausgangsspannungen des Photomultipliers 6 gemessen. Hierbei läßt sich die Meßempfindlichkeit ε un­ ter Normalbedingungen dann folgendermaßen bestimmen:

Hierbei sind die Lichtintensität der Chemilumineszenz-Reaktion am Chemilumi­ neszenz-Plättchen 8 und damit die Ausgangsspannung bzw. die Meßempfindlich­ keit des Photomultipliers 6 temperaturabhängig. Bei den bisher eingesetzten Ozonsensoren (siehe die Ausführungen von Schurath et al sowie das eingangs angeführte Gebrauchsmuster G 90 02 078.2 des Kernforschungszentrums Karls­ ruhe) wurde bisher die Trägerplatte auf 30°C thermostatisiert und der gesamte Aufbau durch Dämm-Materialien von der Umgebungsluft thermisch isoliert. Da bei einem Ozonsensor, der in Verbindung mit einer Dropsonde betrieben werden soll, insbesondere aus Gewichtsgründen und wegen des bei den bisher verwendeten Ozonsonden benötigten elektrischen Leistungsbedarf diese Lösung hinsichtlich der Temperaturabhängigkeit nicht übernommen werden konnte, ist bei der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung eine zusätzliche Temperaturkalibrierung geschaffen.

Für eine Temperaturkalibrierung wurde ein der anhand von Fig. 1 beschriebenen Ausführungsform entsprechender Ozonsensor in einer sogenannten Klimakammer untergebracht, wobei sowohl die Temperatur der Klimakammer als auch die Tem­ peratur der durch den Ozonsensor geleiteten Meßluft zwischen -70°C und 40°C variiert werden konnten. Wenn nun für ein vorgegebenes Ozonmischungsverhält­ nis die Abhängigkeit der nun gegebenen Meßempfindlichkeit ε von der Tempera­ tur bestimmt wird, so ergibt sich der Zusammenhang:

ε(T) = ε₀(AT + B) (2)

Hierbei sind die Koeffizienten A und B zu bestimmen. Bei Einsatz der vorstehend skizzierten Laborkalibrierung nach Gl. (2) kann in einem späteren Meßeinsatz der Ozonsonde bei einer gemessenen Temperatur des das Chemilumineszenz-Plätt­ chen 8 tragenden Metallblocks 9 die jeweilige Meßempfindlichkeit bestimmt wer­ den. Daraus kann dann mit Hilfe von Gl. (1) aus der gemessenen Ausgangsspan­ nung des Photomultipliers 6 das gesuchte Ozonmischungsverhältnis bestimmt werden.

Bei der bisher erläuterten Vorgehensweise ist jedoch nicht berücksichtigt, daß auch der speziell gewählte und ausgeführte Aufbau des Photomultipliers 6 und damit dessen Ausgangsspannung temperaturabhängig sind. Um dieser Tatsache Rechnung zu tragen, insbesondere um diesen Effekt minimal zu halten und zu korrigieren, ist zum einen der elektronische Aufbau so dimensioniert, daß eine Hochspannungsversorgung des Photomultipliers 6 mit 750 V anstelle der nominell erforderlichen 1200 V ausreicht, um ein ausreichendes Ausgangssignal zu erhal­ ten.

Hierbei ist vorteilhaft, daß der Photomultiplier 6 bei verhältnismäßig niedriger Versorgungsspannung von 750 V erheblich weniger temperatursensitiv ist. Eben­ so ist bei solchen verhältnismäßig niedrigen Temperaturwerten eine Störung von anderen Dropsonden-Sensoren sowie der Telemetrie aufgrund einer Interferenz mit der Hochspannung erheblich geringer. Außerdem wird aufgrund des bei dem Ozonsensor gemäß der Erfindung vorgesehenen Aufbaus eine verbleibende Tem­ peraturvariation am Photomultiplier 6 ohnehin korrigiert.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, ist die lichtemittierende Diode (LED) 15, die nur mit einer geringen Leistung versorgt werden muß, in dem Metallblock 9 integriert. Somit ist die LED 15 in thermischem Gleichgewicht mit dem Metallblock 9. Ferner ist die Temperaturabhängigkeit der Lichtintensität der LED 15 bekannt.

Ist somit die LED 15 in Betrieb, so kann deren Licht durch die seitliche, für den Lichtaustritt vorgesehene Öffnung 3 (siehe Fig. 1) aus dem Block austreten, wo­ bei der Durchmesser der Lichtöffnung vorzugsweise bei 1 mm liegt, und die Licht­ intensität von dem Photomultiplier aufgenommen werden.

Wird nunmehr während einer Ozonmessung mittels einer Dropsonde, welche mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgestattet ist, die LED 15 bei unterschied­ licher Meßlufttemperatur mit einer jeweils bekannten Lichtintensität betrieben, beispielsweise ein Schaltzyklus von einer Sekunde pro Minute durchgeführt, so läßt sich die Temperaturabhängigkeit des Photomultiplier-Systems nachträglich aus der per Radiotelemetrie gesendeten Meßdaten korrigieren.

Die Druck- und Feuchteabhängigkeit der chemischen Reaktion bzw. der abgege­ benen Lichtintensität wird in ähnlicher Weise, korrigiert, wie bei Schurath et al beschrieben.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Bestimmen der Ozonkonzentration in Luft unter Nutzung von Oberflächen-Chemilumineszens, mit einem Ventilator (13), einem Chemilumines­ zenz-Element (8), einem Photomultiplier (6), einer lichtemittierenden Diode (LED 15), einem Temperatursensor (16) und einer Steuerelektronik (12), bei welcher ein von dem Ventilator (13) erzeugter Luftstrom über ein Ansaugrohr (7) und ein diesem nachgeordnetes Lichtfallensystem (17) durch eine düsenförmig aus­ gebildete Kanalstruktur (2) an einem Metallblock (9) entlanggleitet, in welchem der Temperatursensor (16) und die LED (15) untergebracht und an dessen Unterseite als Chemilumineszenz-Element ein Chemilumineszenz-Plättchen (8) angebracht ist, zu welchem gegenüberliegend in dem Photomultiplier (6) ein Fen­ ster (16) vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher als Referenz für die Abhängigkeit der Ausgangsspannung des Photomultipliers (6) von Temperatur der Photomulti­ plier (6) von einer periodisch geschalteten LED (15) über eine im Metallblock (9) ausgebildete Öffnung (3) mit Licht beaufschlagt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welchem eine Eintritts-Querschnittsfläche bezüglich einer Austritts-Querschnittsfläche des Ventilators (13) so dimensio­ niert ist, daß die für ein die Oberflächen-Chemilumineszenz erforderliche Min­ destgeschwindigkeit (80 m/s) im Meßluftstrom erreicht ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei welcher Wandungsbe­ reiche eines Gehäuses (1), in welchem die Komponenten der Vorrichtung unter­ gebracht sind und welche dem ozonhaltigen Meßluftstrom ausgesetzt sind, aus einem ozonresistenten Material bestehen, wie Teflon (eingetragene Marke) und Polyvinylchlorid (PVC).

5. Verwendung der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4 durch Unterbringen in einer Dropsonde.