Vergleichsmessungen zur Bestimmung der Feinstaub-
konzentration für PM
2.5
im städtischen Hintergrund Dresdens
Durchgeführt über 12 Monate von 10/2012 bis 09/2013
Durch den Messnetzbetrieb Luft der Betriebsgesellschaft für Umwelt und
Landwirtschaft Sachsens
Bericht vom 02.04.2014,
vorgelegt von Dr. Horst-G. Kath,
Messnetzbetrieb Luft der BfUL

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Inhaltsverzeichnis
1.
Einführung und Aufgabenstellung ................................................................................................... 4
2.
Standortbedingungen und Charakteristik ....................................................................................... 5
3.
Teilnehmende Systeme ................................................................................................................. 12
4.
Anordnung der Geräte .................................................................................................................. 13
5.
Meteorologische Bedingungen des Standorts .............................................................................. 14
6.
Bestimmung der Referenzwerte ................................................................................................... 16
7.
Wartung im Vergleichszeitraum .................................................................................................... 19
8.
Aufbereitung der
Daten ................................................................................................................ 20
8.1.
Paarweise Prüfung ................................................................................................................. 20
8.1.1.
Technische Plausibilität ................................................................................................. 21
8.1.2.
Qualitätsregelkarten ...................................................................................................... 21
8.2.
Einzelprüfung ......................................................................................................................... 22
8.3.
Bildung der Tagesmittelwerte TMW und TMW_95 .............................................................. 22
8.4.
Zusammenführung der Referenz‐ und Kandidatenwerte .................................................... 22
8.5.
Regressionsanalysen ............................................................................................................. 23
9.
Ergebnisse ..................................................................................................................................... 24
9.1.
Verfügbarkeit ..................................................................................................................... 24
9.2.
Äquivalenz ......................................................................................................................... 24
10.
Zusammenfassung ..................................................................................................................... 31
Verzeichnis der Tabellen
Tabelle 1: Jahresmittelwerte Luftqualität DD‐Winckelmann .................................................................. 6
Tabelle 2: Statistik der Windgeschwindigkeit ......................................................................................... 9
Tabelle 3: Teilnehmende Systeme und Einsatzzeiten ........................................................................... 12
Tabelle 4: Rohrleitungen und Vorabscheidung PM
2.5
........................................................................... 12
Tabelle 5: Anordnung der Geräte .......................................................................................................... 13
Tabelle 6: Datenreduktion infolge Aufbereitung .................................................................................. 20
Tabelle 7: Erreichte Verfügbarkeiten .................................................................................................... 24
Tabelle 8: Zusammenfassung der Äquivalenzergebnisse ...................................................................... 24
Tabelle 9: Zusammenfassung der QRK‐Ergebnisse ............................................................................... 28
Tabelle 10: Gegenüberstellung der Ergebnisse aus QRK und Regression ............................................ 29
Tabelle 11:
Daten des paarweisen Gerätevergleichs ............................................................................ 30
Tabelle 12: Äquivalenzprüfung von Einzelgeräten ................................................................................ 30

Seite 3 von 31
Verzeichnis der Abbildungen
Abbildung 1: Verlaufsdiagramm der TMW PM
10
..................................................................................... 6
Abbildung 2: Verlaufsdiagramm der TMW PM
2.5
.................................................................................... 7
Abbildung 3: Verlaufsdiagramm TMW SO
2
............................................................................................. 7
Abbildung 4: Verlaufsdiagramm TMW Ozon ........................................................................................... 7
Abbildung 5: Verlaufsdiagramm TMW NO .............................................................................................. 8
Abbildung 6: Verlaufsdiagramm TMW NO
2
............................................................................................ 8
Abbildung 7: Anteil des PM
2.5
am PM
10
.................................................................................................. 9
Abbildung 8: Histogramm Windrichtung DD‐Winckelmannstraße ........................................................ 9
Abbildung 9:Histogramm Windrichtung „Hintergrund“ ....................................................................... 10
Abbildungen 10: Messstellenumgebung .............................................................................................. 10
Abbildung 11: Messstellenumgebung ................................................................................................... 11
Abbildung 12: Sicht in Richtung Löfflerstraße ....................................................................................... 11
Abbildung 13: Anordnung der Geräte ................................................................................................... 13
Abbildung 14: Histogramme Meteorologie Teil 1 ................................................................................. 14
Abbildung
15: Histogramme Meteorologie Teil 2 ................................................................................. 15
Abbildung 16: QRK SEQ 8‐Sigma mit Ausreißern .................................................................................. 16
Abbildung 17: QRK SEQ 8‐Sigma bereinigte Daten ............................................................................... 17
Abbildung 18: QRK SEQ für TMW_95 .................................................................................................... 17
Abbildung 19. Ergebnisse der Regressionsanalyse SEQ 1/ SEQ2 .......................................................... 18
Abbildung 20: QRK für TEOM FDMS
8‐Sigma‐bereinigt (SMW) ............................................................ 21
Abbildung 21: QRK für TEOM 1405 8‐SIgma‐bereinigt (HMW) ............................................................. 21
Abbildung 22: QRK für APS‐2 8‐Sigma‐bereinigt (SMW) ....................................................................... 22
Abbildung 23: Histogramm der PM
2.5
‐Werte (SEQ) .............................................................................. 25
Abbildung 24: Logarithmische Normalverteilung der PM
2.5
‐ Werte ..................................................... 25
Abbildung 25: Regressionsfunktion SEQ / TEOM FDMS (TEOM FDMS = 0,86xSEQ +1,38) ................... 26
Abbildung 26: Regressionsfunktion SEQ / TEOM 1405 (TEOM 1405 = 0,93xSEQ + 2,22) ..................... 26
Abbildung 27: Regressionsfunktion SEQ / APS – 2 (APS2 = 0,93xSEQ + 1,24)....................................... 27
Abbildung 28: Qualitätsregelkarte TEOM
FDMS / SEQ ......................................................................... 27
Abbildung 29: Qualitätsregelkarte TEOM 1405 / SEQ ........................................................................... 28
Abbildung 30: Qualitätsregelkarte APS2 / SEQ ..................................................................................... 28

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1. Einführung und Aufgabenstellung
Im Sächsischen Luftmessnetz werden Feinstaubmessungen für PM
10
und PM
2.5
durchgeführt. Auf‐
grund der gesetzlichen Vorgaben überwiegt derzeit die Zahl der Messstellen für PM
10
. Grenzwert‐
überschreitungen werden in der Regel anhand der Messwerte festgestellt, die mit High‐Volume‐
Samplern vom Typ Digitel DHA‐80 (HVS) und nachfolgender Wägung ermittelt wurden. Durch zahlrei‐
che Qualitätssicherungsmaßnahmen ist es inzwischen gelungen, die im Messnetz ebenfalls einge‐
setzten automatischen Feinstaubmessgeräte vom Typ TEOM FDMS so zu betreiben, dass
sie für PM
10
zum Referenzverfahren äquivalente Ergebnisse liefern, die auch die Vorgaben hinsichtlich der erwei‐
terten Messunsicherheit einhalten. In den Stationen des Luftmessnetzes Sachsen sind derzeit 19 HVS,
17 TEOM FDMS und 3 TEOM 1400 / 50 ° sowie 8 HVS für PM
2.5
im Einsatz.
Die Einsatzcharakteristik der TEOM‐Geräte ist so, dass sie in Ballungsgebieten mit erhöhter Wahr‐
scheinlichkeit einer Grenzwertüberschreitung für PM
10
parallel zu einem HVS betrieben werden und
der zeitnahen Information der Öffentlichkeit über die Luftqualität dienen. Aufgrund der erreichten
Datenqualität für die automatischen TEOM‐Systeme werden sie darüber hinaus an anderen Standor‐
ten allein für die Überwachung der PM
10
‐Luftkonzentration eingesetzt.
Die Erfassung der PM
2.5
‐Feinstaubkonzentration erfolgt an allen 8 Messorten ausschließlich mit HVS
Geräten, da alle bisherigen Versuche, ein automatisch arbeitendes Gerät für die Messung zu validie‐
ren gescheitert sind. Es hatte dazu in der Vergangenheit Versuche sowohl mit einem Gerätepaar vom
Typ TEOM FDMS als auch mit einem Gerätepaar vom Typ SHARP gegeben,
die mit negativem Ergeb‐
nis verlaufen waren.
Zukünftige Immissionsgrenzwerte orientieren sich möglicherweise ausschließlich am PM
2.5
. Insofern
ist es wünschenswert, für den Zeitpunkt einer solchen Änderung neben dem HVS‐Gravimetrie‐
Verfahren auch ein geeignetes automatisches Gerät zu haben, das die Anforderungen an die Daten‐
qualität erfüllt und zum Referenzverfahren nach DIN EN 12341 äquivalent ist. Um dazu Kenntnisse zu
erlangen, die den aktuellen Stand der Qualitätssicherung
im Sächsischen Luftmessnetz und den Ent‐
wicklungsstand der am Markt verfügbaren Geräten in einem handhabbaren Umfang abbilden, wurde
eine Vergleichsmessung für PM
2.5
geplant und in der Stadt Dresden an einer Messstelle für den städ‐
tischen Hintergrund ausgeführt.
Ein wichtiges strategisches Ziel der Untersuchung bestand darin, die Eignung der im Messnetz zahl‐
reich vorhandenen TEOM‐FDMS nachzuweisen. Diese Zielstellung ist in der sinnvollen Nutzung getä‐
tigter Investitionen und in der über Jahre gewachsenen
Personal‐ und Infrastruktur für diese Staub‐
messtechnik begründet. Da die Systeme vom Typ TEOM 1400 / FDMS 8500 nicht mehr produziert
werden und an deren Stelle das ebenfalls eignungsgeprüfte System TEOM 1405 getreten ist, durch
das verschlissene Geräte des Vorläufers zu ersetzen wären, war es zur Erfüllung des strategischen
Ziels wichtig,
die Eignung dieses TEOM 1405 zu prüfen. Für den Fall, dass die TEOM‐Systeme keine
ausreichende Datenqualität liefern würden, erfolgte eine Ergänzung der Testkandidaten durch ein
Gerätepaar mit optischem Messverfahren.

Seite 5 von 31
2. Standortbedingungen und Charakteristik
Als Standort für die Untersuchung wurde die Station Dresden Winckelmannstraße ausgewählt. Sie
hat die sächsische Messstellennummer 118 und die vom UBA und in der EU benutzte Kennung DE SN
092. Sie repräsentiert den städtischen Hintergrund und weist folgende Standortcharakteristika auf:
geographische Lage:
Länge :
13°43´48,7 ö.L.; Breite: 51°02´10,0 n.B.
Gauß ‐ Krüger Koordinaten:
Rechtswert : 46 21 46 2; Hochwert: 56 57 08 6
Höhe über NN: 116 m
Stadt (a)und Stadtteil (b) mit Einwohnerzahlen: a) Stadt Dresden: 523.100 Einwohner (31.12.2010)
b) Südvorstadt: 18.300 Einwohner (31.12.2009)
Naturraum/Landschaft: Dresdner Elbtalweitung, südlicher Teil
Orographie: Der größte Teil des Stadtgebiets von Dresden befindet sich in der breiten, flachen Mul‐
de des Elbtals. Ca. 200 m südlich des Containerstandorts geht die Mulde in den Hangbereich über,
das Gelände steigt allmählich an.
Lage und Struktur der Siedlungen: Die Dresdner Südvorstadt ist ein flächenmäßig ausgedehnter
Stadtteil südlich des eigentlichen Stadtzentrums. Im Norden wird er von den Eisenbahnanlagen am
Dresdner Hauptbahnhof begrenzt. Der Stadtteil ist von Wohnbebauung geprägt, die von kleineren
Mehrfamilienhäusern bis zu großen Wohnblöcken und Hochhäusern reicht. Charakteristisch sind
weiterhin Gebäude und Einrichtungen der TU Dresden, der HTW Dresden und anderer Forschungs‐
einrichtungen. Nahe am
Hauptbahnhof sind nach 1990 mehrere große Gebäudekomplexe entstan‐
den, die vor allem von Büros und Geschäften genutzt werden.
Siedlungsdichte: sehr hoch
Einordnung: Großstadt, Innenstadt, Wohngebiet
Gebietscharakteristik im Umkreis von 500 m
Bebauung
: Der Standort ist vollständig von Wohngebäuden umgeben, die praktisch einen großen
Innenhof bilden. Unmittelbar östlich steht ein ca. 160 m langer fünfstöckiger Gebäuderiegel in L‐
Form. Daran schließt sich nach Norden ein achtstöckiger Wohnblock mit ca. 90 m Länge an. In west‐
licher und südlicher Richtung ist die Bebauung
lockerer. Dort wechseln sich Stadtvillen und Wohn‐
blöcken mit maximal 4 Geschossen ab. Weiter in nördlicher Richtung befinden sich die hohen Ge‐
bäudekomplexe des Enso‐Bürogebäudes und des Hauptbahnhofs.
unbebaute bzw. gering bebaute Flächen
: Der Container steht auf einer Grünfläche. Das gesamte Ge‐
biet ist von Grünanlagen und Gartengrundstücken durchzogen.
Straßen
: Bundesstraße 170 (Fritz‐Löffler‐Str.) ca. 100 m östlich, durch Wohnblöcke vom Messstand‐
ort abgeschirmt. Kreuzungsbereich Münchner / Nürnberger Straße ca. 400 m südlich Die Winckel‐
mannstraße ist an dieser Stelle eine wenig befahrene Nebenstraße.

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Straßentyp
: breite Straßen (Verhältnis Straßenbreite/Höhe der Gebäude: > 1,5)
Verkehrsdichte im Umkreis von 200 m: Belastungsgruppe hoch (10.000 bis 20.000 DTF)
Eisenbahnanlagen:
Gleisanlagen ca. 350 m nördlich, stark befahrene Hauptstrecken
und Rangierbetrieb, Betrieb überwiegend elektrisch (überregionale Perso‐
nen‐ und Güterzüge, S‐Bahn), Dieselbetrieb untergeordnet
Hauptemissionsquellen: Verkehr, Heizkraftwerk Nossener Brücke (Erdgas, HEL), FWL: 1014 MW ;
1,5 km westlich, Heizwerk Dresden‐Reick, EG, FWL: 294 MW; 3,9 km südöstlich, Feuerungsanlagen
von Industrie‐ und Wohngebäuden.
Die Luftqualitätsdaten der Station sind in Tabelle 1: Jahresmittelwerte Luftqualität DD‐Winckelmann
für die Jahre 2011, 2012 und 2013 in Form der Jahresmittelwerte aufgeführt:
Tabelle 1: Jahresmittelwerte Luftqualität DD‐Winckelmann
Messwert: PM10_HVS PM2_HVS SO2 O3 NO NO2
MW-Typ: JMW JMW JMW JMW JMW JMW
Einheit: μg/m³ μg/m³ μg/m³ μg/m³ μg/m³ μg/m³
2011
21,95 17,14 4,2 44 5 24
2012
19,86 15,34 4,1 45 5 20
2013
20,31 16,04 4,3 47 5 20
Die Abbildung 1: Verlaufsdiagramm der TMW PM
10
und Abbildung 2: Verlaufsdiagramm der TMW
PM
2.5
für den zeitlichen Verlauf der Feinstaubkonzentration PM
10
und PM
2.5
sowie die Schadstoffe
SO
2
, Ozon, NO und NO
2
in (Abbildung 3: Verlaufsdiagramm TMW SO
2
, Abbildung 4: Verlaufsdia‐
gramm TMW Ozon, Abbildung 5: Verlaufsdiagramm TMW NO, Abbildung 6: Verlaufsdiagramm TMW
NO
2
) zeigen in Form der benutzten Tagesmittelwerte (TMW) darüber hinaus, welchen jahreszeitli‐
chen Schwankungen die Luftqualität unterworfen ist.
Abbildung 1: Verlaufsdiagramm der TMW PM
10

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Abbildung 2: Verlaufsdiagramm der TMW PM
2.5
Abbildung 3: Verlaufsdiagramm TMW SO
2
Abbildung 4: Verlaufsdiagramm TMW Ozon

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Verlaufsdiagramm von NO
Abbildung 5: Verlaufsdiagramm TMW NO
Abbildung 6: Verlaufsdiagramm TMW NO
2
Die dargestellten TMW für PM
10
und PM
2.5
sind mittels HVS und Gravimetrie ermittelt worden. Zur
Charakterisierung der Station ist es darüber hinaus nützlich, das Verhältnis zwischen PM
10
und PM
2.5
zu beobachten. In der nachfolgenden Abbildung ist das Verhältnis von PM
2.5
am PM
10
dargestellt. Im
Durchschnitt des Untersuchungszeitraums beträgt der PM
2.5
‐Anteil 73,4 %. Die Grafik zeigt einen
sinusförmigen Verlauf des Anteils über die Jahreszeit, die in etwa 50 % im Minimum und 95 % im
Maximum aufweist.
0,0
20,0
40,0
60,0
80,0
100,0
120,0
140,0
160,0
Datum

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Abbildung 7: Anteil des PM
2.5
am PM
10
Meteorologische Bedingungen
Die meteorologischen Bedingungen an der Station sind durch die Bebauung und den Bewuchs beein‐
flusst. Obwohl die Bäume der näheren Umgebung vor Beginn der Messung verschnitten wurden,
beeinträchtigt der vorhandene Bestand an alten und großen Bäumen im Einflussbereich der Messung
die Variabilität auch auf kurze Distanzen. Um zu einer Einschätzung zu
kommen, mit welchen Varian‐
zen bei Windrichtung und Windgeschwindigkeit zu rechnen ist, wurden die Daten für Windrichtung
und Windgeschwindigkeit sowohl am stationären als auch am mobilen Messcontainer, in dem sich
die Testkandidaten befanden, mit voneinander unabhängigen Sensoren ermittelt.
Die Tabelle stellt deskriptive statistische Kenngrößen für die Windgeschwindigkeit an den beiden
meteorologischen Messpunkten der nebeneinander stehenden Container dar:
Tabelle 2: Statistik der Windgeschwindigkeit
Container Windgeschwindigkeit [m/s]
AM* Median SD* N (SMW)*
Winckelmannstraße 0,83 0,7 0,54 8768
„Hintergrund“ 0,70 0,6 0,52 8762
*AM=arithmetischer Mittelwert, SD = Standardabweichung, N(SMW) =Anzahl der Stundenmittewerte
Für die Windrichtung als vektorielle Größe zeigen die Histogramme in der Abbildung einen Vergleich
der im Abstand von etwa 5 m erhobenen Daten:
Abbildung 8: Histogramm Windrichtung DD‐Winckelmannstraße
-200 20406080 120 160 200 240 280 320 360
100.0 %
99.5 %
97.5 %
90.0 %
75.0 %
50.0 %
25.0 %
10.0 %
2.5 %
0.5 %
0.0 %
Maximum
Quartil
Median
Quartil
Minimum
360
359
353
327
280
208
144
58
7
2
0
Quantile
Mittelwert
Std.-Abw.
Std.-Fehler Mittelwert
95% KI oben Mittelwert
95% KI unten Mittelwert
N
201,33862
95,067223
1,0152676
203,32878
199,34845
8768
Statistische Kenngrößen
Windrichtung DD-W

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Abbildung 9:Histogramm Windrichtung „Hintergrund“
Die dargestellten Daten belegen, dass sich die Windverhältnisse an den beiden nebeneinander lie‐
genden Messcontainern (DD‐Winckelmannstraße und „Hintergrund“) nur geringfügig unterschei‐
den. Die Anströmungsrichtung stimmt im Durchschnitt überein. Die Anströmgeschwindigkeit ist nied‐
rig und liegt zwischen 0,6 und 0,7 m/s für den Median bzw. bei 0,7 bis 0,8 m/s im
arithmetischen
Mittel. Die Verteilung ist nahezu symmetrisch und weist Maxima bei 0°, 160 °, 230 ° und 320 ° auf.
Der Charakteristik und Umgebung entsprechend sind sowohl die Windrichtungsverteilung als auch
die Anströmgeschwindigkeiten so zu erwarten gewesen. Für den Vergleich zwischen den Referenz‐
messgeräten, die sich auf dem Container DD‐Winckelmannstraße
befanden und den Prüflingen, die
in der Mehrzahl auf dem Container „Hintergrund“ installiert waren, bestehen aus dieser Hinsicht also
keine Gründe, ein abweichendes Aerosolangebot anzunehmen.
Die gegebenen Verhältnisse werden in den nachfolgenden Abbildungen visuell verdeutlicht:
Abbildungen 10: Messstellenumgebung

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Abbildung 11: Messstellenumgebung
Abbildung 12: Sicht in Richtung Löfflerstraße
Abbildung 12 zeigt die Lage der Messstelle Dresden Winckelmannstraße zur nächsten, stark befahre‐
nen Straße, die sich in der Verlängerung des Fußweges zwischen Container und links davor parken‐
den Autos vor den sichtbaren Neubaublöcken in etwa 250 m in östlicher Richtung befindet.

Seite 12 von 31
3.
T
eilnehmende Systeme
Die Vergleichsmessung wurde mit 3 Testkandidaten und 1 Referenzmesssystem durchgeführt.
Für
jedes System kamen dabei zwei Geräte zum Einsatz, um die Messunsicherheit innerhalb der Sys‐
teme für die Auswertung berücksichtigen zu können. Ein System wurde erst im Frühjahr 2013 in
die Untersuchung aufgenommen, so dass dafür ein reduzierter Datensatz vorhanden ist, in dem
die Herbst‐ Winterperiode fehlt. In der tabellarischen Zusammenstellung finden sich die nähe‐
ren Angaben zu den eingesetzten Geräten und deren Einsatzzeit in der Vergleichsmessung:
Tabelle 3: Teilnehmende Systeme und Einsatzzeiten
Gerätetyp /Verwendung
Hersteller
Funktionsprinzip
Messungzeitraum
Beginn Ende
SEQ / Referenz
Fa. Leckel
Gravimetrie
01.10.12
01.10.13
TEOM FDMS / Kandidat Thermo Fisher Scientific oszillierende Mikrowaage 01.10.12 01.10.13
TEOM 1405 / Kandidat Thermo Fisher Scientific oszillierende Mikrowaage 01.10.12 01.10.13
APS-2 / Kandidat
Comde-Derenda GmbH
optisch
26.03.13
01.10.13
Für die genannten Referenz‐ und Kandidatensysteme wurden jeweils die vom Hersteller / Lieferanten
bereitgestellten Vorabscheider eingesetzt. Da sich diese unterscheiden und damit einen möglichen
Unterschied in der größenselektiven Sammeleffizienz verursachen können, sollen die technischen
Angaben nachfolgend konkret aufgeführt werden:
Tabelle 4: Rohrleitungen und Vorabscheidung PM
2.5
Gerätetyp /Verwendung Rohrleitung /Montage Eingesetzter Vorabscheider (VA)
SEQ / Referenz
Feldgerät auf Container
Impaktion, gefettete Prallplatte, Düsensatz PM
2.5
, 2,3 m
3
/h
TEOM FDMS / Kandidat
Gerät im Container,
Rohrleitung zum VA
Impaktion, LVS/PM
2.5
Inlet Digitel, gefettete Prallplatte,
1m
3
/h
TEOM 1405 / Kandidat
Gerät im Container,
Rohrleitung zum VA
Ruppert & Patashnik PM
10
Vorabscheider Impaktion, keine
separate Prallplatte, Boden ohne Fett, nachgeschaltet PM
2.5
Zyklon
APS-2 / Kandidat
Feldgerät auf Container
PM
10
Vorabscheidung Impaktion, gefettete Prallplatte, Dü-
sensatz PM
10
, 0,198 m
3
/h, virtueller Impaktor für PM
2.5

Seite 13 von 31
4. Anordnung der Geräte
Wegen der Anzahl der teilnehmenden Systeme und dem normalen Stationsbetrieb für den Messcon‐
tainer war eine Unterbringung an nur einem Standort nicht möglich. Stattdessen wurde in unmittel‐
barer Nachbarschaft zum Container Dresden Winckelmannstraße ein zusätzlicher Mobilcontainer,
der die Stationsbezeichnung Hintergrund hat, aufgestellt.
Mit Hilfe dieser zusätzlichen Installations‐
möglichkeit wurden die Geräte aufgebaut und in Betrieb genommen. Die Tabelle enthält zur Erläute‐
rung der Aufstellung nähere Angaben und Informationen, die auch für das Verständnis der Lageskizze
benötigt werden:
Tabelle 5: Anordnung der Geräte
Gerät Container Stellplatznummer
SEQ_1 Winckelmannstraße 1
SEQ_2 Winckelmannstraße 2
APS-2_ 1
Winckelmannstraße
3
APS-2 _2
Winckelmannstraße
4
Meteorologie Winckelmannstraße M1
TEOM FMDS_1
Hintergrund
5
TEOM FDMS_2
Hintergrund
6
TEOM 1405_1
Hintergrund
7
TEOM 1405_2
Hintergrund
8
Meteorologie Hintergrund M2
Container Hintergrund
Container Winckelmannstraße
Abbildung 13: Anordnung der Geräte
Wie aus Abbildung 11: Messstellenumgebung erkennbar ist, befinden sich auf dem Containerdach
der Station Winckelmannstraße darüber hinaus noch zwei Probenahmestellen für PM
2.5
und PM
10
mit
einem Digitel DHA‐80 Feldgehäuse und eine Probenahmestelle für PM
10
mit einem TEOM FDMS ge‐
nau gegenüber den Stellplätzen 1 und 2 der SEQ‐Referenzen. Damit sind die Containerdächer ziem‐
lich dicht mit Probeentnahmestellen belegt. Ein negativer Einfluss ist nicht völlig auszuschließen.
Geringe Anströmgeschwindigkeiten und der maximal mögliche Abstand zwischen den Entnahmen
sprechen aber dafür, dass sich dieser in Grenzen
hält.
M2
6
7
5
8
4
3
2
1
M1
ca. 2 m

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5. Meteorologische Bedingungen des Standorts
Wie im Abschnitt 2 bereits dargelegt, unterscheiden sich die Mikroklimata bezüglich Windrichtung
und Windgeschwindigkeit nur sehr gering an den beiden Messplätzen. Im nachfolgenden Abschnitt
sollen die klimatischen Bedingungen an den Stationen im Verlaufe des Messprogramms dargestellt
werden. Dies dient der Ableitung
der meteorologischen Randbedingungen in Bezug auf die Anforde‐
rungen der europäischen Richtlinie zur Ermittlung der Äquivalenz. Die Daten sind in Form der Histo‐
gramme aufbereitet.
Für die Temperaturen im Vergleichszeitraum ergeben sich aus den Daten Stundenmittelwerte zwi‐
schen ‐12,6 °C im Minimum und 38 °C im Maximum. Der arithmetische Mittelwert
liegt bei 10,59 °C
und unterscheidet sich vom Median (10,4 °C) nur geringfügig. Anhand des Histogramms für die Au‐
ßentemperatur ist ableitbar, dass es eine gleichmäßige Ausbildung der Temperaturverteilung sowohl
in Richtung auf das Maximum als auch das Minimum gibt. Die Windgeschwindigkeiten sind, wie be‐
reits dargestellt, im Durchschnitt (Median und
AM) unter einem Meter je Sekunde. Anströmge‐
schwindigkeiten bis 2 m /s kommen in der Verteilung noch gut repräsentiert vor. Die relative Feuchte
lag durchschnittlich (AM) bei 72 %, der Druck ist symmetrisch um den Mittelwert von 1016 hPa ver‐
teilt.
Abbildung 14: Histogramme Meteorologie Teil 1

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Abbildung 15: Histogramme Meteorologie Teil 2

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6. Bestimmung der Referenzwerte
Zum Nachweis der Äquivalenz der Testkandidaten wurden die Referenzwerte mit zwei Kleinfilterge‐
räten vom Typ SEQ 47 / 50 eingesetzt. Im Verlaufe der Vergleichsmessung wurden die beiden Geräte
aller 3 Monate mit einem Prüfmittel auf Einhaltung der vorgegebenen Volumenströme hin unter‐
sucht.
Der Filterwechsel erfolgte etwa aller 14 Tage. Die Geräte befanden sich auf dem Dach des Con‐
tainers Winckelmannstraße. Die Konfiguration des Vorabscheiders PM
2.5
und des Probenahmerohrs
entspricht der Herstellerauslieferung. Die Prallplatten wurden im Rahmen des Filterwechsels inspi‐
ziert und gedreht bzw. gewechselt. Aus den über 12 Monate erhobenen Daten wurden diejenigen
selektiert, für die beide Geräte einen gültigen Messwert lieferten. Das Gerät SEQ 1 steuerte dazu 357
Tageswerte, das SEQ 2 358 bei.
Damit lag die Verfügbarkeit zwischen 97,8 und 98,1 % (365 Tageswer‐
te = 100%). Die Daten werden anhand der paarweise vorhandenen Messwerte einer weiteren Plau‐
sibilitätsprüfung unterzogen. Dies erfolgt mit einer Qualitätsregelkarte (QRK), die die Abweichungen
zwischen den Geräten je Tag in den Grenzen des 8‐Sigma‐Korridors darstellt. Messwertpaare, die
außerhalb dieses Korridors liegen, werden als Ausreißer verworfen. Aufgrund dieser Vorgehensweise
werden vier Datensätze gestrichen. Die Abbildungen zeigen die Qualitätsregelkarten für die beiden
SEQ vor und nach der Entfernung der Ausreißer.
Der Wert für QRK SEQ auf der Ordinate ergibt sich aus
QRK SEQ =
100
.
Für den Wert 0 stimmen die Messwerte überein:
Abbildung 16: QRK SEQ 8‐Sigma mit Ausreißern
QRK SEQ
25.10.2012
19.11.2012
14.12.2012
08.01.2013
02.02.2013
27.02.2013
24.03.2013
18.04.2013
13.05.2013
07.06.2013
02.07.2013
27.07.2013
21.08.2013
15.09.2013

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Abbildung 17: QRK SEQ 8‐Sigma bereinigte Daten
Die eingesetzte Statistik blendet die Datenpaare aus, für die nur ein Messwert verfügbar ist. Deshalb
muss in einem nächsten Schritt der Tagesmittelwert berechnet werden, der nur dann gültig ist, wenn
beide Werte zur Verfügung stehen. Da für andere Anwendungsfälle der TMW_95 gebildet wird, der
aussagt, dass 95 % der theoretisch verfügbaren
Stundenmittelwerte valide vorhanden sind, soll für
den Sachverhalt des Tagesmittelwerts der beiden SEQ dieser Begriff übernommen werden, obwohl
es sich korrekter um den TMW_100 handelt. Unter dieser Maßgabe verbleiben 353 Datensätze aus
den Referenzmessungen übrig. Für die paarweise Verfügbarkeit der SEQ errechnet sich daraus ein
Wert von 96,7 %. Die
entsprechende Qualitätsregelkarte sieht dann wie folgt aus:
Abbildung 18: QRK SEQ für TMW_95
Ein wesentliches Kriterium für die Verwendung der Referenzwerte besteht neben den bereits ge‐
nannten Selektionsverfahren für nicht plausible oder fehlende Werte in der sehr guten Korrelation
der Messwerte der beiden SEQ, die über eine Regressionsanalyse zu untersuchen sind. Dabei bilden
sowohl die statistische Bestimmtheit des Zusammenhangs als auch die Werte für
Anstieg und Ordi‐
natenabschnitt wichtige Annahmekriterien für die Referenzwerte. Die Ergebnisse der linearen Re‐
gression sind in der folgenden Abbildung zusammengefasst dargestellt:
QRK SEQ
24.10.2012
17.11.2012
14.12.2012
07.01.2013
06.02.2013
02.03.2013
26.03.2013
20.04.2013
14.05.2013
08.06.2013
02.07.2013
27.07.2013
20.08.2013
13.09.2013

Seite 18 von 31
Lineare Anpassung
SEQ 2 = -0,064349 + 1,0072636*SEQ 1
Übersicht der Anpassung
r² 0,997567
r² korrigiert
0,99756
Wurzel der mittleren quadratischen
Abweichung
0,690198
Mittelwert der Zielgröße
17,77249
Beobachtungen (oder Summe Ge-
wichte)
353
Abbildung 19. Ergebnisse der Regressionsanalyse SEQ 1/ SEQ2
Sowohl die Grafik der Regressionsgeraden als auch die Ergebnisse der Analyse belegen, dass die er‐
reichte Qualität der Referenzmessung geeignet ist, um als Basis für die Beurteilung der Testkandida‐
ten zu dienen. Es ist darüber hinaus auch erkennbar, dass für einen ausreichenden Konzentrationsbe‐
reich des PM
2.5
gültige Daten vorliegen.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
SEQ 2
0
10
20
30
40
50
60
70
80
SEQ 1
Lineare Anpassung

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7. Wartung im Vergleichszeitraum
Alle Geräte wurden im Vergleichszeitraum gewartet. Für die optisch messenden Einrichtungen be‐
schränkte sich die von der BfUL durchgeführte Wartungstätigkeit auf den Vorabscheider. Die Geräte
mit oszillierender Mikrowaage wurden zusätzlich zur Wartung der Vorabscheider bei Bedarf mit
neuen Filtern für die Messzelle
und das FDMS‐Modul bestückt. Diese Maßnahmen wurden nicht syn‐
chronisiert, so dass im Anschluss an den Filterwechsel nicht synchrone Ausfallzeiten produziert wur‐
den, die auf die Verfügbarkeit des Einzelgerätes bezogen nicht problematisch sind, auf die paarweise
Verfügbarkeit aber Einfluss haben, da sich diese um die Summe der Ausfallzeiten der
Einzelgeräte
reduziert. Bei der Untersuchung der erzielten Verfügbarkeiten wird darauf nochmals eingegangen.
Für die TEOM‐Geräte besteht eine über Jahre gewachsene Kompetenz und Infrastruktur in der BfUL,
so dass sie im überwachten Betrieb durch den Betreiber besser gestellt waren. Die Hersteller der
anderen Systeme konnten dieses Defizit durch den Fernwartungszugriff bei
Bedarf und nach Ermes‐
sen kompensieren. Die TEOM FDMS und die APS‐2 lieferten über das Bayern‐Hessen‐Protokoll zu‐
sätzlich Status‐ und Fehlermeldungen. Zum Zeitpunkt der Vergleichsmessung hat das System TEOM
1405 das Protokoll nicht unterstützt. Die nötigen Informationen mussten stattdessen über ein
airQlog per UMTS abgerufen werden.

Seite 20 von 31
8. Aufbereitung der Daten
Grundsätzlich wurden alle gewonnenen Daten aufbereitet, um unplausible Werte zu eliminieren,
Ausreißer zu identifizieren und zu selektieren und so eine für alle Teilnehmer gleiche Datenqualität
im Sinne der Statistik zu gewährleisten. Unter Punkt 6 wurde für die Referenzsysteme bereits das
Vorgehen geschildert,
das in gleicher Weise auf die Kandidatenwerte angewandt wurde. Für die oszil‐
lierenden Mikrowaagen war darüber hinaus ein vorgeschalteter Arbeitsgang erforderlich, in dem
Werte mit einer Abweichung des QRK‐Wertes von 1000 und negative Messwerte entfernt wurden.
Dies ist für das TEOM erforderlich, da es nach einem Filterwechsel und ggf.
auch nach Arbeiten am
Vorabscheider, wenn diese mit stärkeren Erschütterungen verbunden sind, zu einem über ein bis drei
Stunden anhaltenden, nicht validen Messwertaufkommen führt. Das nachfolgend geschilderte Ab‐
laufschema wurde benutzt:
Entfernung negativer Messwerte
Entfernung von Messwerten mit QRK‐Wert > 1000 (QRK‐Wert =
100
)
Entfernung der Messwerte, die in der QRK außerhalb des 8‐Sigma‐Korridors liegen
Bildung der Tagesmittelwerte (TMW)
Bildung der Tagesmittelwerte mit einer Mindestverfügbarkeit von 95 % (TMW_95), (23 gülti‐
ge SMW)
Prüfung der Daten des Testkandidaten gegen den Mittelwert der Referenz nach dem 8‐
Sigma‐QRK‐Verfahren
(QRK‐Wert =
_
_
100
In der nachfolgenden Tabelle sind die aufgrund der Aufbereitungsprozedur eintretenden Reduktio‐
nen des Datenbestands zusammenfassen dargestellt:
Tabelle 6: Datenreduktion infolge Aufbereitung
Gerät
SEQ
TEOM FDMS
TEOM 1405
APS‐2
Datensätze
363 TMW
8784 SMW
16870 HMW
4572 SMW
Unplausibel
0 TMW
65 SMW
476 HMW
0 SMW
8‐ ‐Ausreißer
4 TMW
80 SMW
54 HMW
20 SMW
TMW
362
362
362
191
TMW_95
353
321
270
178
8.1. Paarweise Prüfung
Die paarweise Prüfung ist ein Erfordernis der Äquivalenzprüfung, die einen gültigen Messwert beider
teilnehmender Systeme und beider Referenzgeräte benötigt. Diese Anforderung geht über die aus
der 39. BImSchV ableitbaren Annahmekriterien hinaus, die für den normalen Messnetzbetrieb gel‐
ten. Bei einer Verfügbarkeit von 90 % errechnet sich die
paarweise Verfügbarkeit aus zwei Systemen,
die diesen Wert erfüllen, zu 81 %, da sich die Ausfallwahrscheinlichkeit aus dem Produkt der Einzel‐
wahrscheinlichkeiten ergibt. Im Sinne der durchgeführten Vergleichsmessung dient die paarweise
Prüfung der Generierung eines ausgewogenen, repräsentativen Datenkollektivs, das für die Ermitt‐
lung der Äquivalenz die besten Voraussetzungen liefert.

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8.1.1. Technische Plausibilität
Alle Daten werden auf ihre technische Plausibilität geprüft. Dies erfolgt für die im Messnetzbetrieb
befindlichen TEOM FDMS automatisch im Immissionsdatenerfassungsprogramm (ADVis) als erste
Stufe der Validierung. Diese Stufe ist für die anderen Systeme manuell vorzunehmen. In einer zwei‐
ten Stufe der Plausibilitätsprüfung werden
die Messwerte der beiden parallelen Systeme verglichen
und auf Auffälligkeiten hin untersucht. Während laufender Wartungen können die Geräte auf War‐
tung gesetzt werden, so dass unplausible Messwerte nicht mehr als unvermeidlich entstehen.
8.1.2. Qualitätsregelkarten
Die Qualitätsregelkarten sind ein guter Ausdruck für die zufällige Schwankung der Messwerte eines
Gerätesystems. Zum
Zeitpunkt der Prüfung erfolgt eine Beurteilung lediglich zwischen gleichen Kan‐
didaten. Die nachfolgenden Abbildungen zeigen die Ergebnisse für alle teilnehmenden Kandidaten:
Abbildung 20: QRK für TEOM FDMS 8‐Sigma‐bereinigt (SMW)
Abbildung 21: QRK für TEOM 1405 8‐SIgma‐bereinigt (HMW)
QRK
26.10.2012 02:00
19.11.2012 23:59
14.12.2012 02:00
07.01.2013 13:00
01.02.2013 10:00
26.02.2013 13:00
22.03.2013 13:00
15.04.2013 12:00
09.05.2013 23:00
04.06.2013 02:00
28.06.2013 21:00
22.07.2013 23:00
16.08.2013 03:00
09.09.2013 02:00
QRK
2012-10-25
2012-11-27
2012-12-28
2013-01-20
2013-02-13
2013-03-07
2013-03-29
2013-04-21
2013-05-14
2013-06-07
2013-06-30
2013-07-23
2013-08-18
2013-09-10

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Abbildung 22: QRK für APS‐2 8‐Sigma‐bereinigt (SMW)
8.2. Einzelprüfung
Die Daten, die in die Einzelprüfung eingehen, sind durch die im Punkt 8.1 genannten Stationen gelau‐
fen. Aus ihnen wird jedoch vor der eigentlichen Äquivalenzanalyse kein Systemmittelwert im Sinne
von TMW_95 = (TMW_95 Gerät 1 + TMW_95 Geräte 2) / 2 gemacht, sondern der Vergleich des
TMW_95 des
jeweiligen Gerätes mit dem TMW_95 des Referenzmittelwerts durchgeführt.
Für eine Einzelprüfung ist die Verwendung des Excel Sheets zur Bestimmung der Äquivalenz nach
dem EU Guide nicht korrekt möglich. Für die Prüfung wird daher die lineare Regression eingesetzt.
Je Kandidat liegen in der Einzelprüfung jeweils mehr Datensätze vor als für die
paarweise Prüfung, da
die gleichzeitige Gültigkeit von zwei Messwerten je Mittelungszeit entfällt.
8.3. Bildung der Tagesmittelwerte TMW und TMW_95
Die Daten aus der zuvor beschriebenen Aufbereitung werden zu Tagesmittelwerten aggregiert. Dazu
werden die jeweilig niedrigeren Aggregationsstufen der HMW und SMW je Gerät benutzt und aus
ihnen das arithmetische Mittel über
24 Stunden gebildet. Dabei wird die Anzahl der zur Berechnung
eingesetzten Halbstunden‐ bzw. Stundenmittelwerte aufgezeichnet und für die Ermittlung der
TMW_95 benutzt. Diese wird mit denjenigen Tagesmittelwerten ausgeführt, die mindestens 95 % der
für einen Tag möglichen HMW bzw. SMW beinhalten. Damit müssen für eine Berechnung aus HMW
mindestens 46
und aus SMW mindestens 23 Mittelwerte vorliegen.
8.4. Zusammenführung der Referenz‐ und Kandidatenwerte
Die Zusammenführung der Referenz‐ und Kandidatenwerte in Form der TMW_95 stellt eine Synchro‐
nisierung der Messreihen dar. Diese ist mit einem weiteren Verlust an Datensätzen verbunden, da
QRK
08.04.2013 03:00
20.04.2013 19:00
03.05.2013 11:00
16.05.2013 07:00
29.05.2013 13:00
11.06.2013 05:00
23.06.2013 22:00
06.07.2013 14:00
19.07.2013 06:00
31.07.2013 22:00
13.08.2013 15:00
26.08.2013 07:00
07.09.2013 23:00
20.09.2013 15:00

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nicht für jeden Kalendertag der Vergleichsmessung sowohl ein TMW_95 des Kandidaten als auch ein
TMW_95 des Referenzsystems vorliegt. Für eine paarweise Analyse sind jeweils sogar je zwei gültige
TMW_95 der Kandidaten und zwei TMW des Referenzsystems nötig.
8.5. Regressionsanalysen
Die Regressionsanalysen zur Ermittlung der Eigenschaften
eines einzelnen Kandidaten werden mit
Hilfe des Statistikprogramms Jump 11 durchgeführt. Die Analyse liefert die Regressionsfunktion mit
Anstieg und Ordinatenschnittpunkt, das Bestimmtheitsmaß und einen Term zur Beurteilung der
mittleren Abweichung eines berechneten Wertes in Form der Wurzel aus der mittleren quadrati‐
schen Abweichung. Die Regression wird ohne jede Form von Datentransformation
durchgeführt.
Für die paarweise Prüfung werden für die Referenz und den Kandidaten zwei TMW_95 Zeitreihen
eingesetzt, die von zwei parallel betriebenen Geräten erzeugt wurden. Die Werte werden in die
Excel‐Formblätter zur Ermittlung der Äquivalenz eingegeben. Die zur Berechnung nötigen Angaben
für Messunsicherheit, Grenzwert und Unsicherheit zwischen den Mess‐ bzw.
Probenahmegeräten
werden wie folgt benutzt:
Limit Value:
20 μg/m
3
(Verpflichtungswert 2015) ;
25 μg/m
3
(Grenzwert 01.01.2015)
Method:
SEQ / Kandidat
Expanded Uncertainty Criteria:
25 %
RM Between Sampler Uncertainty
:
0,69

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9. Ergebnisse
9.1. Verfügbarkeit
Die Verfügbarkeitsprüfung während der Vergleichsmessung hat folgende, in der Tabelle zusammen‐
fasste Ergebnisse geliefert. Die angegebenen Zahlen beziehen sich auf die ermittelten TMW_95 des
jeweiligen Testkandidaten.
Tabelle 7: Erreichte Verfügbarkeiten
Gerät
SEQ
TEOM FDMS
TEOM 1405
APS‐2
Gerät 1
97,8 %
92,3 %
94,5 %
97,4 %
Gerät 2
98,1 %
95,3 %
92,3 %
97,4 %
Die Anforderung an die Verfügbarkeit für Staubmessgeräte liegt bei 90 %.
9.2. Äquivalenz
Die zusammengefassten Ergebnisse der Äquivalenzprüfung sollen den konkreten Einzeldaten voran‐
gestellt werden, damit auf diese Weise der Focus bei der Sichtung der Informationen geschärft ist.
Die systemrelevanten Einzelinformationen enthalten dann nachfolgend die Ergebnisse bezüglich des
von uns
so genannten Gleichlaufs der Geräte, also der Abweichung der Testkandidaten untereinan‐
der und den Vergleich der Einzelgeräte gegen den Mittelwert der Referenzen, um auf diese Weise
auch noch ein unterschiedliches Verhalten der Kandidaten zu erkennen. Die Tabelle 8: Zusammen‐
fassung der Äquivalenzergebnisse stellt die Daten aus der Äquivalenzanalyse mit dem
Rechenblatt
zur Bestimmung der Äquivalenz der teilnehmenden Kandidaten dar. Als Randbedingungen bei der
Eingabe der Daten wurde der Grenzwert auf 20 μg/m
3
(Verpflichtungswert ab 2015) und die Wurzel
der mittleren quadratischen Abweichung zwischen den Sammlern auf 0,7 gesetzt ( aus den Daten der
Vergleichsmessung ermittelt ). Die Messunsicherheiten verringern sich etwas, wenn der gesetzliche
Grenzwert für PM
2,5
von 25 μg/m
3
verwendet wird. Die Angabe dafür ist in Klammern gesetzt.
Tabelle 8: Zusammenfassung der Äquivalenzergebnisse
Gerät
Anstieg
Ordinatenabschnitt
Bestimmtheit
Erweiterte Messunsicherheit
am Grenzwert
TEOM FDMS 1
0,841
1,999
0,972
TEOM FDMS 2
0,883
0,691
0,984
TEOM FDMS
0,86
1,38
0,981
20,34 % (20,24 %)
TEOM 1405 1
0,932
2,277
0,98
TEOM 1405 2
0,912
2,139
0,98
TEOM 1405
0,93
2,22
0,98
18,66 % (14,06)
APS‐2 1
0,903
1,372
0,95
APS‐2 2
0,922
1,515
0,95
APS
0,93
1,24
0,95
16,3 % (13,6 %)

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Mit Bezug auf die erweitere Messunsicherheit kann festgestellt werden, dass sowohl die TEOM
FDMS als auch die TEOM 1405 die Vorgabe von 25 % erfüllen. Für das System APS‐2 trifft diese eben‐
falls zu. Als Einschränkung ist für diese Geräte zu berücksichtigen, dass sie die
Herbst‐ und Winterpe‐
riode des Vergleichszyklus nicht mit bestritten und damit eine Voraussetzung für die Ermittlung vali‐
der Resultate nicht erfüllt haben. Systeme, die die erweiterte Messunsicherheit erfüllen, weisen
einen signifikanten Versatz gegenüber der Referenz auf. Er beträgt bezogen auf den arithmetischen
Mittelwert der PM
2.5
‐Konzentration (SEQ) von 17,7 μg/m
3
für die TEOM FDMS ‐ 6,2 % und für die
TEOM 1405 + 5,5 %. Die APS ‐ 2 zeigen keinen Versatz (0 %). Der Ordinatenschnittpunkt (FDMS =
1,38, TEOM 1405 = 2,22, APS‐2 = 1,24) ist als Kriterium bezüglich der Abweichung besonders kleiner
und besonders großer Messwerte gegen die Referenz
zu sehen.
Abbildung 23: Histogramm der PM
2.5
‐Werte (SEQ)
Aus dem Histogramm in Abbildung 23: Histogramm der PM
2.5
‐Werte (SEQ) ist zu entnehmen, dass es
im Vergleichszeitraum eine zum Nullpunkt schiefverteilte Anordnung der Messwerte gibt, die bei
Betrachtung als Normalverteilung einen arithmetischen Mittelwert von 17,7 μg/m
3
und einen Medi‐
an von 12,7 μg/m
3
aufweist. Bei gegen eine Verteilungsrichtung begrenzten Daten liefert eine loga‐
rithmierte Normalverteilungsfunktion häufig ein symmetrisches Ergebnis. Dieses ergibt einen Mittel‐
wert für den natürlichen Logarithmus der Partikelkonzentration von 2,59, was einem Konzentrati‐
onswert von 13,3 μg/m
3
entspricht. Die Abbildung 24: Logarithmische Normalverteilung der PM
2.5
Werte zeigt den Verlauf der logarithmischen Verteilungsfunktion:
Abbildung 24: Logarithmische Normalverteilung der PM
2.5
‐ Werte
Das Erscheinungsbild des nicht logarithmierten Histogramms [Abbildung 23: Histogramm der PM
2.5
Werte (SEQ)] verdeutlicht, dass Werte unterhalb des Mittelwerts von 17,7 μg/m
3
deutlich häufiger
vorkommen als darüber. Damit ist die Wahrscheinlichkeit, dass von Null signifikant differierende
Ordinatenschnittpunkte der Regressionsfunktion durch Abweichungen bei kleinen Konzentrationen

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hervorgerufen werden, höher als für den Fall, dass dies bei größeren Konzentrationen erfolgt. Wie
die Ergebnisse für die beiden Referenzgeräte zeigen (Abbildung 19. Ergebnisse der Regressionsanaly‐
se SEQ 1/ SEQ2) ist eine Ursache in verrauschten Werten der Referenz nicht gesetzt, da der Ordina‐
tenschnittpunkt dort bei ‐0,06
liegt und damit eine reduzierte Ansprechempfindlichkeit nicht be‐
steht. Ordnet man den Response der Geräte bei Messwerten unter 11 μg/m
3
nach dem Ordinaten‐
schnittpunkt, so ist die Ansprechempfindlichkeit in folgender Rangfolge festzustellen: SEQ > APS >
TEOM FDMS > TEOM 1405.
Das Bestimmtheitsmaß der ermittelten Regressionsfunktion ist für alle Systeme hoch signifikant. Die
Mikrowaagen schneiden dabei mit allen Vertretern und einem Durchschnitt von 0,98 klar besser ab
als das optische
System, das im Mittel 0,95 erreicht.
Die Visualisierung der berechneten Regressionsfunktionen zeigt auch grafisch deutlich die Eigen‐
schaften der Systeme wie sie zuvor beschrieben wurden. Daher sollen die entsprechenden Grafen
nachfolgend dargestellt werden:
Abbildung 25: Regressionsfunktion SEQ / TEOM FDMS
(TEOM FDMS = 0,86xSEQ +1,38)
Abbildung 26: Regressionsfunktion SEQ / TEOM 1405
(TEOM 1405 = 0,93xSEQ + 2,22)

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Abbildung 27: Regressionsfunktion SEQ / APS – 2
(APS2 = 0,93xSEQ + 1,24)
Die Analyse mittels Regressionsfunktion weist Vorteile auf, wenn es um die Beurteilung eines Daten‐
pakets geht. Sie hat aber den Nachteil, zeitliche Verläufe nur akkumulierend zu berücksichtigen und
z.B. Abhängigkeiten von der Jahreszeit nicht sichtbar zu machen. Aus diesem Grund sollen nachfol‐
gend für die Systeme Qualitätsregelkarten gezeigt werden, die das
sehr gut dokumentieren können.
Auf der Abszisse sind die Kalendertage der Vergleichsmessung, auf der Ordinate die Differenz zwi‐
schen dem Mittelwert der Kandidaten eines Gerätetyps und dem Mittelwert der eingesetzten SEQ,
angegeben in Prozent, aufgetragen. Die eingezeichneten Grenzen stellen den Korridor der sechsfa‐
chen Standardabweichung dar. Die Größe des Korridors
ist ein sehr gutes Maß für die zufällige
Schwankung der Daten, der eingetragene Mittelwert über den Beurteilungszeitraum ein Mittel zur
Bewertung des Versatzes gegen die Referenz.
Im Sinne des EU‐Guide zur Bestimmung der Äquivalenz sollte der vorgegebene Wert von 25 % er‐
weiterte Messunsicherheit dann erreicht werden, wenn der 6‐Sigma‐Korridor
kleiner oder gleich 25
% ist. Für die gezeigten Karten werden die TMW_95 benutzt, die alle Stufen der Datenbereinigung
absolviert haben.
Abbildung 28: Qualitätsregelkarte TEOM FDMS / SEQ
QRK FDMS_TMW_95 /
SEQ_TMW_95
30.10.2012
28.11.2012
20.12.2012
15.01.2013
16.02.2013
11.03.2013
02.04.2013
25.04.2013
23.05.2013
16.06.2013
11.07.2013
03.08.2013
26.08.2013
18.09.2013

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Abbildung 29: Qualitätsregelkarte TEOM 1405 / SEQ
Abbildung 30: Qualitätsregelkarte APS2 / SEQ
Der Vergleich der dargestellten Qualitätsregelkarten liefert eine Reihe zusätzlicher Informationen,
die nachfolgend zusammengefasst für die Kandidaten in Tabelle 9: Zusammenfassung der QRK‐
Ergebnisse gegenübergestellt werden sollen:
Tabelle 9: Zusammenfassung der QRK‐Ergebnisse
Gerätesystem
Versatz
Größe Korridor 6
Jahreszeiteinfluss
TEOM FDMS
0,34 %
98,9 %
vorhanden
TEOM 1405
10,42 %
109,4 %
vorhanden
APS ‐2
6,1 %
93,3 %
nicht bewertet
Es ist festzustellen, dass von allen getesteten Systemen das TEOM FDMS den geringsten Versatz und,
zumindest für die vollständige Vergleichsperiode, den kleinsten Korridor aufweist. Dies ist der Tatsa‐
che geschuldet, dass es im sächsischen Messnetz seit einigen Jahren eine dynamische Feuchtekorrek‐
QRK TMW_95_1405 /
TMW_95_SEQ
31.10.2012
02.12.2012
22.12.2012
26.01.2013
20.02.2013
11.03.2013
30.03.2013
20.04.2013
11.05.2013
13.06.2013
10.07.2013
10.08.2013
29.08.2013
26.09.2013
QRK TMW_95_APS /
TMW_95_SEQ
07.04.2013
20.04.2013
02.05.2013
16.05.2013
31.05.2013
12.06.2013
24.06.2013
06.07.2013
21.07.2013
03.08.2013
15.08.2013
27.08.2013
08.09.2013
21.09.2013

Seite 29 von 31
tur gibt, die auf die Rohdaten des TEOM FDMS angewandt wird und damit den jahreszeitlich schwan‐
kenden Respons der FDMS‐Messung zur gravimetrischen Messung anpasst. Diese Vorgehensweise ist
für das TEOM 1405 noch nicht untersucht. Es ist aber sehr wahrscheinlich, dass sie für das Gerät in
gleicher Weise und vermutlich gleicher Wirkung benutzt werden kann. Im Moment führt das Fehlen
der Korrektur zu einem Versatz von 10,4 %.
Die Daten für die Derenda‐Geräte sind der Vollständigkeit halber genannt. Ihnen fehlt zur Bewertung
die Zeit mit geringer Absolutfeuchte von Oktober 2012 bis März 2013.
Diese Form der
Auswertung zeigt deutlich, dass sich die über die Regression zeitlich gemittelten
Äquivalenzwerte über die Qualitätsregelkarten in anderer Form darstellen. Sie belegen, dass Syste‐
me, die den Äquivalenztest bestanden und eine erweiterte Messunsicherheit von 25 % einhalten, in
verschiedenen Zeitabschnitten des Jahres weitaus größere Abweichungen gegen die Referenz besit‐
zen. Es
stehen sich damit erweiterte Messunsicherheiten und Mehr‐ bzw. Minderbefunde in unter‐
schiedlicher Ausprägung gegenüber. Diese Gegenüberstellung kann anhand der nachfolgenden Ta‐
belle 10: Gegenüberstellung der Ergebnisse aus QRK und Regression vollzogen werden:
Tabelle 10: Gegenüberstellung der Ergebnisse aus QRK und Regression
Gerätesystem
Mehrbefund
Erweiterte Messunsicherheit
per Versatz QRK
per Regression
per 6
QRK
per Regression
TEOM FDMS
+ 0,34 %
‐7,1 % (bei 20 μg/m
3
)
98,9 %
20,34 %
TEOM 1405
+ 10,42 %
+ 4,1 % (bei 20 μg/m
3
)
109,4 %
18,66 %
APS ‐2
+ 6,1 %
‐0,8 % (bei 20 μg/m
3
)
93,3 %
16,3 %
Führt man unter Berücksichtigung sowohl der Äquivalenzprüfung als auch der Qualitätsregelkarten
eine Bewertung der Systeme durch, so findet man im TEOM FDMS den derzeit sichersten Kandidaten
zur Messung von PM
2.5
. Dem folgt das TEOM 1405, das derzeit ohne dynamische Feuchtekorrektur
über das Jahr größere Abweichungen sowohl durch den Versatz als auch die 6 ‐Unsicherheit verur‐
sacht.
Im Gegensatz zu den PM
10
–Messungen, die die Überwachung anhand eines Grenzwerts ermögli‐
chen, der sich auf den Tagesmittelwert bezieht, wird die Einhaltung der PM
2.5
‐Konzentration nach
derzeitigem Stand anhand des Jahresmittelwerts geprüft. Insofern fallen die dargestellten Eigen‐
schaften jahreszeitlicher Abhängigkeit von Versatz und Messunsicherheit zumindest mit Bezug zu
Überschreitungstagen und episodenhaften Ereignissen weniger ins Gewicht. Allerdings wird die
Bevölkerung sicher auch für PM
2.5
unterrichtet werden müssen, wie die Entwicklung innerhalb einer
Periode mit erhöhten Staubwerten ist.
9.2.1
Vergleich der Kandidaten untereinander
Es war eine Ausgangsvoraussetzung, dass die Kandidaten untereinander ein Mindestmaß an Gleich‐
lauf aufwiesen. Diese nicht spezifisch formulierte Anforderung wurde anhand von Qualitätsregelkar‐
ten geprüft. Alle Testkandidaten wiesen diesen Gleichlauf auf (Abweichung
weniger als 10 Prozent
untereinander) und konnten sich so für die eigentliche Vergleichsmessung qualifizieren.

Seite 30 von 31
Nachfolgend sollen die bereinigten Tagesmittelwerte (TMW_95) der Testkandidaten in Bezug auf den
Gleichlauf über den gesamten Vergleichszeitraum charakterisiert werden. Dazu werden die Ergeb‐
nisse der linearen Regression für die jeweiligen Gerätepaare in der nachfolgenden Tabelle 11: Daten
des paarweisen Gerätevergleichs zusammengefasst dargestellt. Der relative Fehler errechnet
sich aus
der Wurzel der mittleren quadratischen Abweichung und dem Mittelwert der Zielgröße.
Tabelle 11: Daten des paarweisen Gerätevergleichs
Gerätepaar
Anstieg
Ordinaten‐
abschnitt
Bestimmtheit
Wurzel mittlere quadrati‐
sche. Abweichung
rel. Fehler
TEOM FDMS
1,039
‐1,33
0,99
1,260
7,6 %
TEOM 1405
0,98
‐0,196
0,99
1,010
4,9 %
APS
1,022
0,111
0,99
0,284
2,2 %
SEQ
1,007 -0,006 0,99 0,690 3,9 %
Es ist zu erkennen, dass das Budget für die Messunsicherheit gegen die Referenz von den Kandida‐
ten durch Abweichungen innerhalb eines Gerätesystems bereits angegriffen wird. Dies trifft be‐
sonders für die TEOM FDMS zu. Unter den eingeschränkten Testbedingungen für die Derenda – Gerä‐
te liegt das APS sogar unter dem
relativen Fehler der SEQ‐Referenz.
Weiterhin ist auch interessant, wie sich die Äquivalenz eines Gerätes zum Mittelwert der Referenz
darstellt. Dies zeigt aufgrund der relativen Fehler untereinander das Potential der Geräte sowohl in
positiver wie negativer Richtung auf. Die entsprechenden Auswertungen wurden mit linearer Regres‐
sion durchgeführt und können wie folgt
in Tabelle 12: Äquivalenzprüfung von Einzelgeräten zusam‐
mengefasst werden. Datengrundlage sind die TMW_95 der Kandidaten, die TMW_95 Mittelwerte
der SEQ und die Mittelwerte der Zielgrößen (für den relativen Fehler)
Tabelle 12: Äquivalenzprüfung von Einzelgeräten
Gerätepaar
Anstieg
Ordinaten‐
abschnitt
Bestimmt‐
heit
Wurzel mittlere quadrati‐
sche. Abweichung
rel. Fehler
TEOM FDMS 1
0,841
1,999
0,972
1,963
11,6 %
TEOM FDMS 2
0,883
0,691
0,984
1,540
9,4 %
TEOM 1405 1
0,932
2,777
0,979
1,916
9,9 %
TEOM 1405 2
0,912
2,139
0,978
1,940
10,3 %
APS – 2 1
0,903
1,372
0,955
1,709
13,8 %
APS – 2 2
0,922
1,515
0,951
1,815
14,2 %
Der relative Fehler kann als Annäherungsverfahren durch Multiplikation mit 2 als Indikator für eine
zu erwartende erweiterte Messunsicherheit benutzt werden. Es handelt sich dabei um eine Appro‐
ximation, die fehlerbehaftet, aber zur Beurteilung eingeschränkt verwendbar ist. Danach würden die
Einzelgeräte der TEOM FDMS und TEOM 1405 unter 25 % erweiterter
Messunsicherheit liegen. Bei
den APS‐2 macht sich die geringe Datenmenge bemerkbar, die sich durch diese Betrachtungsweise
soweit reduziert, dass eine Statistik zu keinem sinnvollen Ergebnis führt.

Seite 31 von 31
10. Zusammenfassung
Die über 12 Monate durchgeführte Vergleichsmessung von automatischen Staubmessgeräten gegen
die Referenzgeräte vom Typ Kleinfilter SEQ hat gezeigt, dass es Systeme gibt, die die entsprechenden
Anforderungen zur Verfügbarkeit und zur Äquivalenz erfüllen. Dies trifft auf die Geräte vom Typ
TEOM FDMS und TEOM
1405 uneingeschränkt zu. Für das optische System vom Typ APS‐2 kann eine
verbindliche Aussage nicht getroffen werden. Die für den Zeitraum April bis Oktober vorliegenden
Werte zeigen einen guten Gleichlauf der Geräte und erfüllen die Äquivalenzanforderungen in dieser
Periode sicher.
Aus allen Auswertungen mit zeitlichem Bezug ist erkennbar, dass insbesondere
die vollständige Ab‐
bildung aller Jahreszeiten und die mit diesen einhergehenden Schwankungen der Absolutfeuchte
einen großen Einfluss auf Messunsicherheit, den Versatz und die Äquivalenz der Geräte haben. Dies
hat zur Konsequenz, dass bei Einhaltung der Äquivalenzvorgaben im Jahresmittel Zeitfenster auftre‐
ten, in denen das automatische System weiter als ± 12,5
% von der Referenz abweichen kann.
Alle Instrumente zur Qualitätssicherung bei der Erfassung und Quantifizierung von Feinstaub, die in
den letzten Jahren im Luftmessnetz erarbeitet wurden, haben sich als zielführend für einen positiven
Verlauf der Äquivalenzprüfung herausgestellt. Das betrifft sowohl die Datenqualität der Referenz‐
messungen mit den SEQ‐Kleinfiltergeräten als auch
die zur Datenvalidierung eingesetzten Prüfverfah‐
ren.
Eine möglicherweise eintretende Anforderung, im Messnetz eine automatische Überwachung der
PM
2.5
– Konzentrationen durchzuführen, ist durch die Vergleichsmessung als erfüllbar validiert. Die
Realisierung im Bedarfsfall ist möglich.