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Ultrafeine Partikel im Prüflabor
5. August 2009
Leibniz-Institut für Troposphärenforschung e.V. in Leipzig im Auftrag des
Sächsischen Landesamtes für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie

Vorwort
Dr. - Ing. Gunter Löschau
Sächsisches Landesamt für Umwelt und Geologie, Referat 51 „Luftqualität“
Die Überwachung der Außenluftqualität wird durch europäische Richtlinien und nationale Gesetze
und Verordnungen geregelt. Neben den eigentlichen Immissionsmessungen ist ein hoher Aufwand
an Qualitätskontrolle notwendig, um zeitlich und örtlich vergleichbare Daten über Jahre hinweg zu
erzeugen. Als Methode der Qualitätssicherung und Qualitätskontrolle der STIMES
1
hat sich die
regelmäßige Teilnahme an Ringversuchen in Referenzlaboratorien und Vergleichsmessungen im
Feld bewährt.
Die Bestimmung der Anzahl ultrafeiner Partikel in Ergänzung zur Messung von PM
10
oder PM
2.5
eröffnet neue Möglichkeiten, die Luftqualität zukünftig besser beurteilen zu können. Die
Anzahlkonzentration von ultrafeinen Partikeln wird als zweckmäßiger Indikator z. B. für die positive
Wirkung einer Umweltzone in Luftreinhalteplänen oder die allmähliche Verbesserung der
straßennahen Luftqualität durch die Modernisierung der Fahrzeugflotte und Verschärfung der
Abgasnormen angesehen. Eine gesetzliche Reglung zur Überwachung ultrafeinen Partikeln gibt es
noch nicht. Ultrafeine Partikel werden beispielhaft in zwei Luftgütemessstationen in Sachsen nach
dem Vorsorgeprinzip gemessen. Es ist jedoch noch eine zu etablierende Messaufgabe, deren
Erfolg u. a. davon abhängig sein wird, wie die Qualitätskontrolle und Qualitätssicherung der Daten
zukünftig gestaltet werden kann.
Das Sächsische Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie hatte deshalb ein Pilotprojekt
mit dem Ziel vergeben, eine erste Vergleichsmessung für ultrafeine Partikel für die Messsysteme im
sächsischen Luftgütemessnetz durchzuführen, um die messtechnischen Rückführung der
Partikelanzahlkonzentration und Partikelgrößenverteilung auf ein externes Referenzlabor
2
zu
erproben und zukünftig durch Wiederholungen zu sichern. Die Methodik der Vergleichsmessungen
der STIMES soll dabei auf die Messung ultrafeiner Partikel angewendet werden.
1
STIMES = Staatliche Immissionsmessnetze in Deutschland
2
„World Calibration Centre for Aerosol Physics (WCCAP)“ des „Global Atmosphere Watch
Programms der UNO/WMO“ am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung in Leipzig.
Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
1

Zusammenfassung
Anzahl ultrafeiner Partikel in der städtischen Außenluft;
Vergleichsmessungen im Prüflabor zur messtechnischen Rückführung
Dr. Wolfram Birmili, Kay Weinhold, André Sonntag, Dr. Birgit Wehner, Dr. Andreas Nowak,
Florian Ditas, Prof. Alfred Wiedensohler, Andreas Zschoppe
Zwei Exemplare kostengünstiger Mobilitätsspektrometer (UFP 330 und TSI 3031), drei konvention-
elle Mobilitätsspektrometer (TDMPS, SMPS) und ein Gesamtpartikelzähler (CPC 3010) wurden
unter kontrollierten Laborbedingungen für drei verschiedene Arten an Testaerosolen verglichen.
Relativ hohe quantitative und zeitliche Übereinstimmungen wurden zwischen den drei konvention-
ellen Mobilitätsspektrometern untereinander und gegenüber dem Gesamtpartikelzähler festgestellt
(Absolutverhältnis zwischen 0.8 und 1.1; relative Schwankungen < 10 %). Aufgrund der hinreichend
guten Übereinstimmungen wurden die Konzentrationen des TDMPS-IfT im Folgenden als
Bezugsgröße gewählt.
Der Geräteprototyp UFP 330 stimmte mit dem TDMPS-IfT gut bezüglich der zeitlichen
Schwankungen und der absoluten Größenordnung der Partikelkonzentration überein. Schwächen
waren jedoch beobachtbar bezüglich a) der unmittelbaren Einsatzfähigkeit (zwei besondere
Wartungen durch Topas waren nötig), b) der exakten Form der aus den Modalparametern
abgeleiteten Partikelgrößenverteilung > 100 nm, bzw. c) der Langzeitstabilität der Konzentration.
Leider wurden beim UFP 330 für Außenluftaerosol Drifts in der Anzahlkonzentration beobachtet,
die bereits innerhalb einer Woche die relativen Zählraten des Instruments wesentlich veränderten.
Der kommerzialisierte Typ TSI 3031 stimmte exzellent mit den Referenzgeräten bezüglich der
zeitlichen Schwankungen und auch der mittelfristigen Stabilität über den 6wöchigen Messzeitraum.
Schwächen waren beobachtbar bezüglich der Größenordnung der Partikelkonzentration (leider
absolut zu niedrig), sowie der Partikelkonzentration > 200 nm (konsistent zu hoch). Letzterer Fehler
stellte sich als Gerätedefekt heraus und konnte mittlerweile behoben werden. Generell zeigten
UFP 330 und TSI 3031 ein unterschiedliches Verhalten bezüglich mehrerer der genannten
Parameter. Wenn man vom unerwünschten und offenbar unkontrollierbaren Drift des UFP 330
absieht, erfüllten die Instrumente UFP 330 und TSI 3031 für Außenluftaerosol die an sie gestellten
Erwartungen weitgehend.
Zusätzliche, mit standardisierten Latexpartikeln und Ammoniumsulfatpartikeln (mobiler Aerosol-
standard) durchgeführte Vergleichsexperimente führten jedoch zu stärkeren Abweichungen in den
Zählraten nach unten. Hieraus ergeben sich Fragezeichen über einen Einsatz dieser Testpartikel in
Verbindung mit den TSI 3031 und UFP 330 bei der Qualitätssicherung im Messnetz.
Beim TDMPS DD-Nord wurde der separate Ausgleichsbehälter charakterisiert. Er sorgt für
geringfügige und quantifizierbare Anzahlverluste bei der Probenahme, die sich auf den
Partikelgrößenbereich < 20 nm beschränken. TSI 3031 und UFP 330 sollten nur mit Probe-
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2

nahmesystem betrieben werden. Die beiden zugehörigen Probenahmesysteme stimmten exzellent
bezüglich ihrer Partikelanzahlverluste (10-15 %) überein.
Für die Zukunft werden der BfUL intervallmäßige Vergleichsmessungen zwischen dem TDMPS
sowie den TSI 3031 und UFP 330 unter Feldbedingungen in Dresden empfohlen. Die Experimente
werden im Sommer 2009 fortgesetzt werden, um die angedeuteten offenen Fragen, vor allem
bezüglich der Reproduzierbarkeit und Stabilität der TSI 3031 und UFP 330, zu klären.
Abstract
Intercomparison measurements for electromobility spectrometers (TDMPS, UFP 330,
TSI 3031) under controlled conditions using ambient air
Dr. Wolfram Birmili, Kay Weinhold, André Sonntag, Dr. Birgit Wehner, Dr. Andreas Nowak,
Florian Ditas, Prof. Alfred Wiedensohler, Andreas Zschoppe
With an increasing number of instruments deployed in urban and rural observation sites, the
corresponding quality assurance of atmospheric particle number and size distribution
measurements has received increased attention. An intercomparison workshop was conducted in
2008 in Leipzig for the electromobility spectrometers that are operated in the air quality
measurement network of Saxony (Germany). The following instruments were deployed: two
custom-built TDMPS (twin differential mobility particle sizer), one custom-built SMPS (scanning
mobility particle sizer), one UFP 330 simplified mobility spectrometer (EU project UFIPOLNET
prototype), and one TSI 3031 simplified mobility spectrometer (commercial variant of the UFP 330),
and – as a reference, a condensation particle counter CPC 3010 (TSI Inc.). All comparisons were
performed under controlled laboratory conditions. However, all instruments were equipped with
their field-station sampling systems. Ambient air served as a sample aerosol throughout most of the
one-month period. A first result was that the conventional mobility spectrometers (TDMPS & SMPS)
agreed with the best reference instrument (CPC 3010) within 10 % for total particle number. Also,
the conventional instruments agreed very closely in the shape of their size distribution confirming
them to be a reliable instrument for laboratory and field deployment. The comparison with the
simplified mobility spectrometers (UFP 330 and TSI 3031) revealed, however, limitations in the
accuracy of the latter instruments. While the number concentrations measured by the TSI 3031
were rather stable with time, those of the UFP 330 showed a gradual drift with time. The results of
the workshop urge to repeat more controlled intercomparison measurements involving the UFP 330
and TSI 3031 instruments, preferably with more individual instruments per model, and over a longer
time period. This will be necessary to define the accuracy of both instrument types in the context of
long-term particle number concentration monitoring.
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3

Anzahl ultrafeiner Partikel in der städtischen Außenluft; Vergleichsmessungen im Prüflabor zur
messtechnischen Rückführung
Dr. Wolfram Birmili, Kay Weinhold, André Sonntag, Dr. Birgit Wehner, Dr. Andreas Nowak, Florian
Ditas, Prof. Alfred Wiedensohler, Leibniz-Institut für Troposphärenforschung e.V., Permoserstr. 15,
04318 Leipzig
Andreas Zschoppe, Topas GmbH, Oskar-Röder-Str. 12, 01237 Dresden
1
Einleitung...................................................................................................................5
2
Messaufbau...............................................................................................................5
2.1
Messinstrumente .......................................................................................................5
2.2
Ablauf der Vergleichsmessung..................................................................................5
2.3
Versuchsaufbau.........................................................................................................6
3
Überblick über die Experimente.................................................................................8
4
Quantitativer Vergleich ............................................................................................12
4.1
Vergleich der Referenzgeräte..................................................................................12
4.2
Vergleichsmessung der BfUL-Messtechnik ohne Probenahmesystem ................... 14
4.3
Vergleichsmessungen mit Probenahmesystem für Außenluft ................................. 23
4.4
Vergleichsmessungen für Außenluft: Zeitliche Trends ............................................33
4.5
Vergleichsmessungen mit Probenahmesystem für Ammoniumsulfat ...................... 41
4.6
Vergleichsmessungen mit Probenahmesystem für Latexpartikel ............................ 44
5
Charakterisierung der Probenahmesysteme ...........................................................45
6
Zusammenfassung ..................................................................................................47
7
Literaturverzeichnis .................................................................................................48
Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
4

 
1
Einleitung
Zur besseren Charakterisierung von Partikeln in der Außenluft sind in den vergangenen Jahren
Messmethoden bezüglich der Partikelanzahl, Größenverteilung detaillierten chemischen Zusam-
mensetzung in den Brennpunkt gerückt. Eine inzwischen routinemäßig eingesetzte Methode ist die
Bestimmung der Partikelgrößenverteilung durch Elektromobilitätsspektrometer (B
IRMILI ET AL., 2006;
BIRMILI ET AL., 2007, EUSAAR, 2008). Im Rahmen des EU-Projekts UFIPOLNET wurden in Zusam-
menarbeit mit den Industriefirmen Topas GmbH und TSI GmbH ein neues Elektromobilitätsspektro-
meter,- das sogenannte UFP 330, entwickelt, welches sich vor allem durch niedrige Baukosten
auszeichnet (UFIPOLNET,
2008). Dieses Gerät wurde inzwischen als TSI 3031 kommerzialisiert
(TSI, 2008a). Die Hauptaufgabe dieses Projektes war es, die Vergleichbarkeit der Messungen
der
UFP 330 und TSI 3031 mit klassischen Mobilitätsspektrometern unter kontrollierten Labor-
bedingungen zu überprüfen. Durch die Vergleichsmessungen sollten die beteiligten UFP 330 und
TSI 3031 auf den kommenden Routineeinsatz im Messnetz des LFULG vorbereitet werden. Die
durchgeführten Testmessungen stehen in einer Reihe mit früher durchgeführten Vergleichs-
messungen verschiedener Elektromobilitätsspektrometer (D
AHMANN ET AL., 2001; BIRMILI ET AL.,
2007; EUSAAR, 2008; HELSPER ET AL., 2008). Für das sächsische Luftmessnetz stellt dieses Projekt
eine Pilotarbeit dar.
2
Messaufbau
2.1
Messinstrumente
Folgende
Messeinrichtungen der BfUL (Betriebsgesellschaft für Umwelt und Landwirtschaft
Sachsen) würden überprüft:
TDMPS (DD-Nord); Elektromobilitätsspektrometer - Messbereich 3-800 nm
UFP 330; vereinfachtes Elektromobilitätsspektrometer - Messbereich 20-600 nm
TSI 3031; kommerzialisierte Variante des UFP 330
Folgende Referenzgeräte wurden zur Vergleichsmessung eingesetzt:
TDMPS (IfT); Elektromobilitätsspektrometer mit Messbereich 3-800 nm; optimiert für
maximale Sammeleffizienzen im Bereich kleinster Partikel (< 20 nm).
SMPS (IfT) Elektromobilitätsspektrometer mit Messbereich 10-800 nm; entspricht den in
EUSAAR (2008) empfohlenen Spezifikationen für Partikelgrößenspektrometer.
Ein Gesamtpartikelzähler (CPC 3010), zählt Partikel mit Durchmesser > 10 nm.
2.2
Ablauf der Vergleichsmessung
Bei der Vergleichsmessung
wurde folgende Chronologie beachtet:
1.
Komplettierung und Inbetriebnahme der BfUL-Messeinrichtungen
2. Eingangsprüfung
a. Vergleich der reduzierten BfUL-Messeinrichtungen (d.h. ohne ihr jeweiliges
Probenahmesystem) gegenüber den Referenzgeräten.
b. Vergleich der kompletten BfUL-Messeinrichtungen (d.h. mit ihrem jeweiligen
Probenahmesystem) gegenüber den Referenzgeräten.
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5

 
3. Zwischenauswertung der Messdaten; ggf. Veränderungen an den Messsystemen
(TSI 3031 und UFP 330)
4. Abschlussprüfung. Vergleich der kompletten BfUL-Messeinrichtungen (d.h. mit ihrem
jeweiligen Probenahmesystem) gegenüber den Referenzgeräten.
2.3
Versuchsaufbau
Der Versuchsaufbau
ist in Abb. 2.3.1 dargestellt. Die BfUL-Messeinrichtungen wurden unter
Verwendung dreier alternativer Prüfaerosole (Außenluft, 200 nm-Latexpartikel, Ammoniumsulfat)
gegenüber den Referenzgeräten verglichen. Zur Dämpfung von Schwankungen im Prüfaerosol
wurden eine Mischkammer mit einem Volumen von 1 m
3
als Puffer angeschlossen. In einem ersten
Schritt wurden die BfUL-Messeinrichtungen ohne ihr jeweiliges Probenahmesystem gegenüber den
Referenzgeräten vergleichen. Im Falle des TDMPS Dresden-Nord handelte es sich beim
Probenahmesystem lediglich um einen an der Station verwendeten Ausgleichsbehälter, im Falle
der UFP 330 und TSI 3031 jedoch um das komplette Probenahmesystem PNS 3031200 (TSI,
2008b), welches einen PM
1
-Zyklon und eine Trocknungseinheit umfasst. Der zusätzlich
vorhandene Ausgleichsbehälter wurde beim UFP 330 stets mit angeschlossen – beim TSI 3031 ist
er gar fest eingebaut.
UFP 330
(5,0 l/min) 20<Dp<600 nm
TSI 3031
(5,0 l/min) 20<Dp<600 nm
TDMPS-IfT
(2,5 l/min) 3<Dp<800 nm
CPC 3010
(1,0 l/min) N(>10 nm)
SMPS
(1,0 l/min) 10-800 nm
PNS 3031200
(Einlasssystem)
PNS 3031200
(Einlasssystem)
PNS
(Puffervolumen)
TDMPS Dresden-Nord
(2,5 l/min) 3<Dp<800
nm
Außenluft /
200 nm-Latex
/
Ammoniumsulfat
Abb. 2.3.1: Vergleich der BfUL-Messeinrichtungen (oben rechts) gegenüber den drei Refer-
enzgeräten (unten rechts) unter Verwendung verschiedener Prüfaerosole.
Der Kreis stellt die Mischkammer mit einem Volumen von 1 m
3
dar. Durch-
flussraten (in l/min) und Partikelmessbereiche (in nm) sind angegeben.
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6

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Abb. 2.3.2: Messaufbau im IfT-Labor: TDMPS-IfT und TDMPS-DD-Nord (oben links), TSI 3031
und UFP 330 (oben rechts), SMPS-IfT (unten links), Aerosolerzeugungs-
einheit (unten rechts).
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7

 
3
Überblick über die Experimente
Die untenstehende Tabelle 3.1. vermittelt einen Überblick über die im Oktober und November 2008
durchgeführten Teilexperimente, bei denen Außenluft-, Ammoniumsulfat bzw. Latexpartikel ver-
wendet wurden. Die anschließenden Abbildungen 3.1-3.6 geben Aufschluss über die zeitlichen
Schwankungen der Partikelanzahlkonzentration und auch einen ersten Eindruck von der
Vergleichbarkeit der Partikelmobilitätsspektrometer.
Teilexperiment
Aerosoltyp
Beginn_Datum
Ende_Datum
TDMPS & SMPS IfT TDMPS DD-Nord UFP330 & TSI 3031 CPC 3010
E1
Außenluft
23.10.08 15:30
27.10.08 14:00
ohne PNS
ohne PNS
ohne PNS
-
E2
Außenluft
27.10.08 16:00
29.10.08 13:00
ohne PNS
ohne PNS
mit PNS
-
E3
Außenluft
30.10.08 18:00
3.11.08 9:00
ohne PNS
mit PNS
mit PNS
-
E4
200 nm-Latex
5.11.08 10:30
5.11.08 13:30
ohne PNS
mit PNS
mit PNS
-
E5
Außenluft
5.11.08 18:00
12.11.08 9:00
ohne PNS
mit PNS
mit PNS
ohne PNS
E6
A
(NH4)2SO4
12.11.08 10:30
12.11.08 12:30
ohne PNS
mit PNS
mit PNS
ohne PNS
E6
B
(NH4)2SO4
12.11.08 13:00
12.11.08 15:00
ohne PNS
mit PNS
mit PNS
ohne PNS
E6
C
(NH4)2SO4
12.11.08 16:30
12.11.08 18:30
ohne PNS
mit PNS
mit PNS
ohne PNS
E7
Außenluft
12.11.08 19:30
13.11.08 14:30
ohne PNS
mit PNS
mit PNS
ohne PNS
E8
200 nm-Latex
13.11.08 15:45
13.11.08 17:15
ohne PNS
mit PNS
mit PNS
ohne PNS
E9
A
Außenluft
13.11.08 18:00
16.11.08 0:44
ohne PNS
mit PNS
mit PNS
ohne PNS
E9
B
Außenluft
17.11.08 15:44
24.11.08 7:45
ohne PNS
mit PNS
mit PNS
ohne PNS
E9
I
Außenluft-hoch
17.11.08 16:00
17.11.08 20:00
ohne PNS
mit PNS
mit PNS
ohne PNS
E9
II Außenluft-niedrig
22.11.08 0:00
22.11.08 3:00
ohne PNS
mit PNS
mit PNS
ohne PNS
Tabelle 3.1: Übersicht über die durchgeführten Teilexperimente. PNS = Probenahmesystem.
081017 15:00
081019 15:00
081021 15:00
081023 15:00
081025 15:00
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
20000
Außenluft
17.10.08 15:00 - 27.10.08 14:00
Anzahlkonzentration (10-800 nm)
TDMPS IfT, N[10;800]
TDMPS DD-Nord, N[10;800]
SMPS IfT, N[10;700]
Abb. 3.1: Zeitreihe der Partikelanzahlkonzentration (Größenbereich 10-800 nm, Zeitauflösung
30 min) unter Verwendung von Außenluftaerosol. Der dargestellte Zeitraum
umfasst das Teilexperiment E1 plus sechs Messtage davor.
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8

081111 18:00
081111 21:00
081112 00:00
081112 03:00
081112 06:00
0
2000
4000
6000
8000
10000
Außenluft
11.11.08 18:00 - 12.11.08 08:00
(Ende von E5)
Anzahlkonzentration (10-800 nm)
TDMPS IfT, N[10;800]
TDMPS DD-Nord, N[10;800]
SMPS IfT, N[10;700]
CPC 3010
Abb. 3.2: Zeitreihe der Partikelanzahlkonzentration (Größenbereich 10-800 nm) für das Ende
des Teilexperiments E5 unter Verwendung von Außenluftaerosol.
081112 10:00
081112 12:00
081112 14:00
081112 16:00
081112 18:00
0
5000
10000
(NH
4
)
2
SO
4
12.11.08 10:00 - 12.11.08 18:45
Anzahlkonzentration (10-800 nm)
TDMPS IfT, N[10;800]
TDMPS DD-Nord, N[10;800]
SMPS IfT, N[10;700]
CPC 3010
Abb. 3.3: Zeitreihe der Partikelanzahlkonzentration (Größenbereich 10-800 nm) für das Teil-
experiment E6 unter Verwendung von Ammoniumsulfatpartikeln.
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9

081112 19:00
081112 23:00
081113 03:00
081113 07:00
081113 11:00
0
5000
10000
15000
20000
Außenluft
12.11.08 19:15 - 13.11.08 14:30
Anzahlkonzentration (10-800 nm)
TDMPS IfT, N[10;800]
TDMPS DD-Nord, N[10;800]
SMPS IfT, N[10;700]
CPC 3010
Abb. 3.4: Zeitreihe der Partikelanzahlkonzentration (Größenbereich 10-800 nm) für das Teil-
experiment E7 unter Verwendung von Außenluftaerosol.
081113 14:30
081113 15:30
081113 16:30
081113 17:30
0
2000
4000
6000
8000
10000
Umschalten von Latexpartikeln
zu Außenluft
Umschalten von Außenluft
zu Latexpartikeln
200 nm Latex-Partikel
13.11.08, 15:00-17:15
cm
-3
TDMPS IfT N[10;800]
TDMPS DD-Nord N[10;800]
SMPS IfT N[10;700]
CPC 3010
Abb. 3.5: Zeitreihe der Partikelanzahlkonzentration (Größenbereich 10-800 nm) für das Teil-
experiment E8 (Latexpartikel). Die Werte sind hier ausnahmsweise für jedes
Gerät mit maximaler Zeitauflösung dargestellt (TDMPS 10 min, SMPS 5 min,
CPC 20 sec).
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10

13.11.2008
15.11.2008
17.11.2008
19.11.2008
21.11.2008
23.11.2008
25.11.2008
0
5000
10000
15000
20000
Außenluft
13.11.08 (17:45) - 24.11.08 (9:15)
Anzahlkonzentration (10-800 nm)
TDMPS IfT, N[10;800]
TDMPS DD-Nord, N[10;800]
SMPS IfT, N[10;700]
CPC 3010
Abb. 3.5: Zeitreihe der Partikelanzahlkonzentration (Größenbereich 10-800 nm;
Halbstundenmittel) für das Teilexperiment E9 unter Verwendung von
Außenluftaerosol.
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11

 
4
Quantitativer Vergleich
Dieser Abschnitt stellt die quantitativen Ergebnisse der Vergleichsmessung für Partikelgrößen-
spektrometer vor.
4.1
Vergleich der Referenzgeräte
Zunächst
wird der Vergleich der Referenzgeräte untereinander vorgestellt und somit die Qualität
dieser Referenzgeräte definiert.
Abb. 4.1.1 zeigt Partikelgrößenverteilungen für drei prinzipiell baugleiche Partikelmobilitätsspektro-
meter. Zwischen den beiden Referenzgeräten (TDMPS-IfT, SMPS-IfT) ist eine ausgezeichnete
Übereinstimmung der Größenverteilungen erkennbar. Oberhalb 20 nm stimmt auch das TDMPS-
Dresden-Nord hervorragend mit beiden anderen Geräten überein.
Die Abb. 4.1.2 und 4.1.3 zeigen die Korrelation der Referenzgeräte TDMPS-IfT und SMPS-IfT
gegenüber dem Sekundärstandard für die Partikelanzahlkonzentration, dem CPC 3010. Auch hier
sieht man eine quantitativ hochwertige Übereinstimmung. Wegen der Koinzidenz im CPC ist es
angebracht, den Vergleich auf Konzentrationen unterhalb 8000 cm
-3
zu begrenzen (Abb. 4.1.3).
10
100
1000
10
100
1000
10000
dN/dlog Dp [cm
-3
]
Dp [nm]
TDMPS IFT
TDMPS DD
SMPS WH
gleich der Größenverteilungen von drei Partikelmobilitätsspektrometern
(durchgezogen: Median, gestrichelt: Quartilbereich) für Außenluft
(Teilexperiment E7): TDMPS-IfT (Referenzgerät I), SMPS-IfT (Refere
Abb. 4.1.1: Ver
nzgerät
II), TDMPS-Dresden-Nord (Prüfling, mit Ausgleichsbehälter).
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12

Zählraten des TDMPS-IFT und SMPS-IfT
(Größenbereich 10-800 nm)
für Außenluft (Teilexperimente E5, E7, E9)
SMPS-IfT
y = 1.0083x
R
2
= 0.9603
TDMPS-IfT
y = 1.0599x
R
2
= 0.9737
0
5000
10000
15000
20000
25000
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
20000
Anzahlkonzentration CPC 3010 in cm
-3
Anzahlkonzentration in cm
-3
Koinzidenzeffekte im
CPC 3010 führen zu
relativ höheren Werten
in den Größenspektrometern
Abb. 4.1.2: Vergleich der Zählraten des TDMPS-IFT und SMPS-IFT gegenüber dem CPC 3010
(bestes Referenzgerät für die Absolutkonzentration) für Außenluft. Die
Darstellung bezieht sich auf den Partikelgrößenbereich 10-800 nm.
Zählraten des TDMPS-IFT und SMPS-IfT
(Größenbereich 10-800 nm)
für Außenluft (Teilexperimente E5, E7, E9)
Nur Konzentrationen < 8000 cm
-3
TDMPS-IfT
y = 1.0325x
R
2
= 0.9721
SMPS-IfT
y = 0.9563x
R
2
= 0.9609
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
Anzahlkonzentration CPC 3010 in cm
-3
Anzahlkonzentration in cm
-3
Abb. 4.1.3: Vergleich der Zählraten des TDMPS-IFT und SMPS-IFT gegenüber dem CPC 3010
(bestes Referenzgerät für die Absolutkonzentration) für Außenluft. Die
Darstellung bezieht sich auf den Partikelgrößenbereich 10-800 nm und ist
auf Konzentrationen unterhalb 8000 cm
-3
beschränkt.
Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
13

 
4.2
Vergleichsmessung der BfUL-Messtechnik
ohne Probenahmesystem
Dieser Abschnitt stellt die Vergleichsmessung zwischen der BfUL-Messtechnik ohne jeweiliges
Probenahmesystem und den Referenzgeräten dar.
Abb. 4.2.1 stellt den Vergleich der Größenverteilungen während des Teilexperiments E1 (Außen-
luft) dar. Während beide TDMPS-Geräte hervorragend übereinstimmen, sieht man bedeutende
Abweichungen bei den Geräten UFP 330 und TSI 3031. Die geringen Abweichungen zwischen den
TDMPS-Geräten reproduzieren sich in Abb. 4.2.2 bis 4.2.11, wo die lineare Korrelation zwischen
den Messwerten beider Geräte für festgelegte Partikelgrößenintervalle dargestellt ist. Hingegen
sieht man in Abb. 4.2.12 bis 4.2.17 die deutlichen Abweichungen der UFP 330 und TSI 3031. Eine
erste Schlussfolgerung an dieser Stelle ist, dass die beiden Mobilitätsspektrometer UFP 330 und
TSI 3031 ohne ihr dezidiertes Probennahmesystem Messwerte verminderter Qualität liefern.
10
100
1000
10
100
1000
10000
E1: 23.10. 15:30 - 27.10. 14:00, ambient
dN/dlog Dp [cm
-3
]
Dp [nm]
UFP
3031
TDMPS IfT
TDMPS DD
leich der Größenverteilungen (durchgezogen: Median, gestrichelt: Quartile)
während des Teilexperiments E1. UFP 330 und TSI 3031 wurden hierbei mit
Ausgleichsbehälter, aber
Abb. 4.2.1: Verg
ohne Probenahmesystem (PM
1
-Zyklon und
Trocknereinheit) betrieben.
Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
14

Zählrate des TDMPS_DD-Nord (ohne Ausgleichsbehälter)
gegenüber dem Referenzgerät (TDMPS-IfT)
Größenbereich 10-800 nm
Teilexperimente E1 und E2 (Außenluft)
y = 1.0485x
R
2
= 0.9611
0.0
2000.0
4000.0
6000.0
8000.0
10000.0
12000.0
14000.0
16000.0
18000.0
20000.0
0.0
2000.0
4000.0
6000.0
8000.0
10000.0
12000.0
14000.0
16000.0
18000.0
20000.0
Partikelanzahl in cm
-3
Partikelanzahl in cm
-3
Abb. 4.2.2: Vergleich der Zählraten des TDMPS-DD-Nord (y-Achse) gegenüber dem TDMPS-
IFT (x-Achse) für Außenluft: Partikelgrößenbereich 10-800 nm.
Partikelvolumen des TDMPS_DD-Nord (ohne Ausgleichsbehälter)
gegenüber dem Referenzgerät (TDMPS-IfT)
Größenbereich < 800 nm
Teilexperimente E1 und E2 (Außenluft)
y = 0.9838x
R
2
= 0.9753
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
30.00
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
30.00
Partikelvolumen in μm
3
cm
-3
Partikelanzahl in μm
3
cm
-3
Abb. 4.2.3: Vergleich der Zählraten des TDMPS-DD-Nord (y-Achse) gegenüber dem TDMPS-
IFT
(x-Achse) für Außenluft: Partikelgrößenbereich < 800 nm.
Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
15

Zählrate des TDMPS_DD-Nord (ohne Ausgleichsbehälter)
gegenüber dem Referenzgerät (TDMPS-IfT)
Größenbereich 3-10 nm
Teilexperimente E1 und E2 (Außenluft)
y = 0.7479x
R
2
= 0.5749
0.0
200.0
400.0
600.0
800.0
1000.0
1200.0
1400.0
0.0
200.0
400.0
600.0
800.0
1000.0
1200.0
1400.0
1600.0
1800.0
Partikelanzahl in cm
-3
Partikelanzahl in cm
-3
Abb. 4.2.4: Vergleich der Zählraten des TDMPS-DD-Nord (y-Achse) gegenüber dem TDMPS-
IFT (x-Achse) für Außenluft: Partikelgrößenbereich 3-10 nm.
Zählrate des TDMPS_DD-Nord (ohne Ausgleichsbehälter)
gegenüber dem Referenzgerät (TDMPS-IfT)
Größenbereich 10-20 nm
Teilexperimente E1 und E2 (Außenluft)
y = 0.9501x
R
2
= 0.9132
0.0
500.0
1000.0
1500.0
2000.0
2500.0
3000.0
3500.0
0.0
500.0
1000.0
1500.0
2000.0
2500.0
3000.0
3500.0
Partikelanzahl in cm
-3
Partikelanzahl in cm
-3
Abb. 4.2.5: Vergleich der Zählraten des TDMPS-DD-Nord (y-Achse) gegenüber dem TDMPS-
IFT (x-Achse) für Außenluft: Partikelgrößenbereich 10-20 nm.
Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
16

Zählrate des TDMPS_DD-Nord (ohne Ausgleichsbehälter)
gegenüber dem Referenzgerät (TDMPS-IfT)
Größenbereich 20-30 nm
Teilexperimente E1 und E2 (Außenluft)
y = 1.0414x
R
2
= 0.9353
0.0
500.0
1000.0
1500.0
2000.0
2500.0
3000.0
3500.0
0.0
500.0
1000.0
1500.0
2000.0
2500.0
3000.0
3500.0
Partikelanzahl in cm
-3
Partikelanzahl in cm
-3
Abb. 4.2.6: Vergleich der Zählraten des TDMPS-DD-Nord (y-Achse) gegenüber dem TDMPS-
IFT (x-Achse) für Außenluft: Partikelgrößenbereich 20-30 nm.
Zählrate des TDMPS_DD-Nord (ohne Ausgleichsbehälter)
gegenüber dem Referenzgerät (TDMPS-IfT)
Größenbereich 30-50 nm
Teilexperimente E1 und E2 (Außenluft)
y = 1.0663x
R
2
= 0.9392
0.0
500.0
1000.0
1500.0
2000.0
2500.0
3000.0
3500.0
4000.0
4500.0
5000.0
0.0
500.0
1000.0
1500.0
2000.0
2500.0
3000.0
3500.0
4000.0
4500.0
5000.0
Partikelanzahl in cm
-3
Partikelanzahl in cm
-3
Abb. 4.2.7: Vergleich der Zählraten des TDMPS-DD-Nord (y-Achse) gegenüber dem TDMPS-
IFT (x-Achse) für Außenluft: Partikelgrößenbereich 30-50 nm.
Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
17

Zählrate des TDMPS_DD-Nord (ohne Ausgleichsbehälter)
gegenüber dem Referenzgerät (TDMPS-IfT)
Größenbereich 50-70 nm
Teilexperimente E1 und E2 (Außenluft)
y = 1.067x
R
2
= 0.9471
0.0
1000.0
2000.0
3000.0
4000.0
5000.0
6000.0
7000.0
0.0
1000.0
2000.0
3000.0
4000.0
5000.0
6000.0
Partikelanzahl in cm
-3
Partikelanzahl in cm
-3
Abb. 4.2.8: Vergleich der Zählraten des TDMPS-DD-Nord (y-Achse) gegenüber dem TDMPS-
IFT (x-Achse) für Außenluft: Partikelgrößenbereich 50-70 nm.
Zählrate des TDMPS_DD-Nord (ohne Ausgleichsbehälter)
gegenüber dem Referenzgerät (TDMPS-IfT)
Größenbereich 70-100 nm
Teilexperimente E1 und E2 (Außenluft)
y = 1.0574x
R
2
= 0.9757
0.0
500.0
1000.0
1500.0
2000.0
2500.0
3000.0
3500.0
4000.0
4500.0
0.0
500.0
1000.0
1500.0
2000.0
2500.0
3000.0
3500.0
4000.0
Partikelanzahl in cm
-3
Partikelanzahl in cm
-3
Abb. 4.2.9: Vergleich der Zählraten des TDMPS-DD-Nord (y-Achse) gegenüber dem TDMPS-
IFT (x-Achse) für Außenluft: Partikelgrößenbereich 70-100 nm.
Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
18

Zählrate des TDMPS_DD-Nord (ohne Ausgleichsbehälter)
gegenüber dem Referenzgerät (TDMPS-IfT)
Größenbereich 100-200 nm
Teilexperimente E1 und E2 (Außenluft)
y = 1.0622x
R
2
= 0.9844
0.0
500.0
1000.0
1500.0
2000.0
2500.0
3000.0
3500.0
4000.0
4500.0
5000.0
0.0
500.0
1000.0
1500.0
2000.0
2500.0
3000.0
3500.0
4000.0
4500.0
5000.0
Partikelanzahl in cm
-3
Partikelanzahl in cm
-3
Abb. 4.2.10: Vergleich der Zählraten des TDMPS-DD-Nord (y-Achse) gegenüber dem TDMPS-
IFT (x-Achse) für Außenluft: Partikelgrößenbereich 100-200 nm.
Zählrate des TDMPS_DD-Nord (ohne Ausgleichsbehälter)
gegenüber dem Referenzgerät (TDMPS-IfT)
Größenbereich 200-800 nm
Teilexperimente E1 und E2 (Außenluft)
y = 1.0457x
R
2
= 0.9599
0.0
200.0
400.0
600.0
800.0
1000.0
1200.0
1400.0
1600.0
1800.0
0.0
200.0
400.0
600.0
800.0
1000.0
1200.0
1400.0
Partikelanzahl in cm
-3
Partikelanzahl in cm
-3
Abb. 4.2.11: Vergleich der Zählraten des TDMPS-DD-Nord (y-Achse) gegenüber dem TDMPS-
IFT (x-Achse) für Außenluft: Partikelgrößenbereich 200-800 nm.
Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
19

Zählraten des TSI3031 und UFP330
Größenbereich 20-30 nm
Teilexperiment E1 (Außenluft)
y = 0.994x
R
2
= 0.8502
y = 0.4763x
R
2
= 0.847
0
500
1000
1500
2000
2500
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Partikelanzahl Referenzgerät (TDMPS-IFT) in cm
-3
Partikelanzahl in cm
-3
UFP330
TSI 3031
Abb. 4.2.12: Vergleich der Zählraten des TSI 3031 und UFP330 ohne Probenahmesystem
gegenüber dem Referenzgerät für Außenluft (Partikelgrößenbereich 20-
30 nm)
Zählraten des TSI3031 und UFP330
Größenbereich 30-50 nm
Teilexperiment E1 (Außenluft)
y = 1.4221x
R
2
= 0.9121
y = 0.6937x
R
2
= 0.9451
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
Partikelanzahl Referenzgerät (TDMPS-IFT) in cm
-3
Partikelanzahl in cm
-3
UFP330
TSI 3031
Abb. 4.2.13: Vergleich der Zählraten des TSI 3031 und UFP330 ohne Probenahmesystem
gegenüber dem Referenzgerät für Außenluft (Partikelgrößenbereich 30-
50 nm)
Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
20

Zählraten des TSI3031 und UFP330
Größenbereich 50-70 nm
Teilexperiment E1 (Außenluft)
y = 0.7733x
R
2
= 0.9748
y = 1.5051x
R
2
= 0.9617
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
Partikelanzahl Referenzgerät (TDMPS-IFT) in cm
-3
Partikelanzahl in cm
-3
UFP330
TSI3031
Abb. 4.2.14: Vergleich der Zählraten des TSI 3031 und UFP330 ohne Probenahmesystem
gegenüber dem Referenzgerät für Außenluft (Partikelgrößenbereich 50-
70 nm)
Zählraten des TSI3031 und UFP330
Größenbereich 70-100 nm
Teilexperiment E1 (Außenluft)
y = 1.4194x
R
2
= 0.9769
y = 0.8249x
R
2
= 0.9757
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
Partikelanzahl Referenzgerät (TDMPS-IFT) in cm
-3
Partikelanzahl in cm
-3
UFP330
TSI3031
Abb. 4.2.15: Vergleich der Zählraten des TSI 3031 und UFP330 ohne Probenahmesystem
gegenüber dem Referenzgerät für Außenluft (Partikelgrößenbereich 70-
100 nm)
Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
21

Zählraten des TSI3031 und UFP330
Größenbereich 100-200 nm
Teilexperiment E1 (Außenluft)
y = 0.9668x
R
2
= 0.9684
y = 0.7786x
R
2
= 0.9802
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
Partikelanzahl Referenzgerät (TDMPS-IFT) in cm
-3
Partikelanzahl in cm
-3
UFP330
TSI3031
Abb. 4.2.16: Vergleich der Zählraten des TSI 3031 und UFP330 ohne Probenahmesystem
gegenüber dem Referenzgerät für Außenluft (Partikelgrößenbereich 100-
200 nm)
Zählraten des TSI3031 und UFP330
Größenbereich >200 nm
Teilexperiment E1 (Außenluft)
y = 0.7384x
R
2
= 0.9299
y = 0.3375x
R
2
= 0.8626
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
Partikelanzahl Referenzgerät (TDMPS-IFT) in cm
-3
Partikelanzahl in cm
-3
UFP330
TSI3031
Abb. 4.2.17: Vergleich der Zählraten des TSI 3031 und UFP330 ohne Probenahmesystem
gegenüber dem Referenzgerät für Außenluft (Partikelgrößenbereich
> 200 nm)
Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
22

 
4.3
Vergleichsmessungen mit Probenahmesystem für Außenluft
Dieser Abschnitt stellt die Vergleichsmessung zwischen der BfUL-Messtechnik mit ihrem jeweiligen
Probenahmesystem und den Referenzgeräten dar. Das Probenahmesystem ist der wesentliche
Unterschied zum vorangegangenen Abschnitt. Im Gegensatz zu den in Abschnitt 4.2. vorgestellten
Daten stimmt die Größenverteilung aller Instrumente, inklusive UFP 330 und TSI 3031 im Größen-
bereich 30-200 nm nun wesentlich besser überein. Dies bestätigt, dass die Geräte UFP 330 und
TSI 3031 stets mit ihrem Probenahmesystem - insbesondere inklusive des korrekten PM
1
-Zyklons,
betrieben werden sollten. Unterhalb 30 nm sieht man größere Minderbefunde zum Referenz-
system. Beim TDMPS DD-Nord sind diese Partikelverluste dem nun installierten Ausgleichs-
behälter zuzuordnen, bei den UFP 330 und TSI 3031 möglicherweise auch der geringeren Auflade-
wahrscheinlichkeit. Die Abbildungen 4.3.2 bis 4.3.11 quantifizieren den Trend für das TDMPS DD-
Nord und Abb. 4.3.12 stellt die für das TDMPS-DD-Nord abgeleitete Kurve zur größenabhängigen
Korrektur der Partikelverluste des Instruments mit Ausgleichsbehälter dar. Diese Korrektur wird
künftig auf alle Außenluftmessungen dieses Geräts angewendet. Des Weiteren sind beim TSI 3031
gravierendere Abweichungen erkennbar am oberen Ende der Größenverteilung. Unseren
Schlussfolgerungen nach besaß dieses Gerät zum Zeitpunkt der Vergleichsmessungen einen
Defekt, der nach Abschluss der Messungen bei der Herstellerfirma Topas behoben wurde. Die
Abbildungen 4.3.13 bis 4.3.18 quantifizieren den Trend für die Geräte UFP 330 und TSI 3031.
10
100
1000
10
100
1000
10000
E9: 13.11.18:00 - 24.11.7:45, ambient
dN/dlog Dp [cm
-3
]
Dp [nm]
UFP
3031
TDMPS IfT
TDMPS DD
Abb. 4.3.1: Vergleich der Größenverteilungen (durchgezogen: Median, gestrichelt: Quartile)
während des Teilexperiments E9, dabei wurden UFP 330 und TSI 3031 mit
ihrem kompletten Probenahmesystem betrieben. Die sichtliche Abweichung
des TSI 3031 > 200 nm rührte von einem Defekt an der Hochspannungs-
versorgung her, der mittlerweile behoben werden konnte.
Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
23

Zählrate des TDMPS_DD-Nord mit Ausgleichsbehälter)
gegenüber dem Referenzgerät (TDMPS-IfT)
Größenbereich 10-800 nm
Teilexperiment E9 (Außenluft)
y = 0.9136x
R
2
= 0.9582
0.0
2000.0
4000.0
6000.0
8000.0
10000.0
12000.0
14000.0
16000.0
18000.0
20000.0
0.0
5000.0
10000.0
15000.0
20000.0
25000.0
Partikelanzahl in cm
-3
Partikelanzahl in cm
-3
Abb. 4.3.2: Vergleich der Zählraten des TDMPS-DD-Nord mit Ausgleichsbehälter gegenüber
dem TDMPS-IFT (Bezugspunkt) für Außenluft. Die Darstellung bezieht sich
auf den Partikelgrößenbereich 10-800 nm.
Partikelvolumen des TDMPS_DD-Nord (mit Ausgleichsbehälter)
gegenüber dem Referenzgerät (TDMPS-IfT)
Größenbereich < 800 nm
Teilexperiment E9 (Außenluft)
y = 0.9441x
R
2
= 0.9861
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
Partikelvolumen in μm
3
cm
-3
Partikelanzahl in μm
3
cm
-3
Abb. 4.3.3: Vergleich des Partikelvolumens des TDMPS-DD-Nord mit Ausgleichsbehälter
gegenüber dem TDMPS-IFT (Bezugspunkt) für Außenluft.
Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
24

Zählrate des TDMPS_DD-Nord (mit Ausgleichsbehälter)
gegenüber dem Referenzgerät (TDMPS-IfT)
Größenbereich 3-10 nm
Teilexperiment E9 (Außenluft)
y = 0.44x
R
2
= 0.6252
0.0
200.0
400.0
600.0
800.0
1000.0
1200.0
1400.0
1600.0
0.0
500.0
1000.0
1500.0
2000.0
2500.0
3000.0
Partikelanzahl in cm
-3
Partikelanzahl in cm
-3
Abb. 4.3.4: Vergleich der Zählraten des TDMPS-DD-Nord mit Ausgleichsbehälter gegenüber
dem TDMPS-IFT (Bezugspunkt) für Außenluft. Die Darstellung bezieht sich
auf den Partikelgrößenbereich 3-10 nm.
Zählrate des TDMPS_DD-Nord (mit Ausgleichsbehälter)
gegenüber dem Referenzgerät (TDMPS-IfT)
Größenbereich 10-20 nm
Teilexperiment E9 (Außenluft)
y = 0.7323x
R
2
= 0.8506
0.0
500.0
1000.0
1500.0
2000.0
2500.0
0.0
500.0
1000.0
1500.0
2000.0
2500.0
3000.0
3500.0
Partikelanzahl in cm
-3
Partikelanzahl in cm
-3
Abb. 4.3.5: Vergleich der Zählraten des TDMPS-DD-Nord mit Ausgleichsbehälter gegenüber
dem TDMPS-IFT (Bezugspunkt) für Außenluft. Die Darstellung bezieht sich
auf den Partikelgrößenbereich 10-20 nm.
Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
25

Zählrate des TDMPS_DD-Nord (mit Ausgleichsbehälter)
gegenüber dem Referenzgerät (TDMPS-IfT)
Größenbereich 20-30 nm
Teilexperiment E9 (Außenluft)
y = 0.8922x
R
2
= 0.9436
0.0
500.0
1000.0
1500.0
2000.0
2500.0
3000.0
3500.0
0.0
500.0
1000.0
1500.0
2000.0
2500.0
3000.0
3500.0
4000.0
Partikelanzahl in cm
-3
Partikelanzahl in cm
-3
Abb. 4.3.6: Vergleich der Zählraten des TDMPS-DD-Nord mit Ausgleichsbehälter gegenüber
dem TDMPS-IFT (Bezugspunkt) für Außenluft. Die Darstellung bezieht sich
auf den Partikelgrößenbereich 20-30 nm.
Zählrate des TDMPS_DD-Nord (mit Ausgleichsbehälter)
gegenüber dem Referenzgerät (TDMPS-IfT)
Größenbereich 30-50 nm
Teilexperiment E9 (Außenluft)
y = 0.9564x
R
2
= 0.9516
0.0
1000.0
2000.0
3000.0
4000.0
5000.0
6000.0
0.0
1000.0
2000.0
3000.0
4000.0
5000.0
6000.0
Partikelanzahl in cm
-3
Partikelanzahl in cm
-3
Abb. 4.3.7: Vergleich der Zählraten des TDMPS-DD-Nord mit Ausgleichsbehälter gegenüber
dem TDMPS-IFT (Bezugspunkt) für Außenluft. Die Darstellung bezieht sich
auf den Partikelgrößenbereich 30-50 nm.
Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
26

Zählrate des TDMPS_DD-Nord (mit Ausgleichsbehälter)
gegenüber dem Referenzgerät (TDMPS-IfT)
Größenbereich 50-70 nm
Teilexperiment E9 (Außenluft)
y = 0.9769x
R
2
= 0.9574
0.0
500.0
1000.0
1500.0
2000.0
2500.0
3000.0
3500.0
0.0
500.0
1000.0
1500.0
2000.0
2500.0
3000.0
3500.0
Partikelanzahl in cm
-3
Partikelanzahl in cm
-3
Abb. 4.3.8: Vergleich der Zählraten des TDMPS-DD-Nord mit Ausgleichsbehälter gegenüber
dem TDMPS-IFT (Bezugspunkt) für Außenluft. Die Darstellung bezieht sich
auf den Partikelgrößenbereich 50-70 nm.
Zählrate des TDMPS_DD-Nord (mit Ausgleichsbehälter)
gegenüber dem Referenzgerät (TDMPS-IfT)
Größenbereich 70-100 nm
Teilexperiment E9 (Außenluft)
y = 0.9772x
R
2
= 0.9731
0.0
500.0
1000.0
1500.0
2000.0
2500.0
3000.0
0.0
500.0
1000.0
1500.0
2000.0
2500.0
3000.0
Partikelanzahl in cm
-3
Partikelanzahl in cm
-3
Abb. 4.3.9: Vergleich der Zählraten des TDMPS-DD-Nord mit Ausgleichsbehälter gegenüber
dem TDMPS-IFT (Bezugspunkt) für Außenluft. Die Darstellung bezieht sich
auf den Partikelgrößenbereich 70-100 nm.
Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
27

Zählrate des TDMPS_DD-Nord (mit Ausgleichsbehälter)
gegenüber dem Referenzgerät (TDMPS-IfT)
Größenbereich 100-200 nm
Teilexperiment E9 (Außenluft)
y = 1.009x
R
2
= 0.9832
0.0
500.0
1000.0
1500.0
2000.0
2500.0
3000.0
3500.0
0.0
500.0
1000.0
1500.0
2000.0
2500.0
3000.0
3500.0
Partikelanzahl in cm
-3
Partikelanzahl in cm
-3
Abb. 4.3.10: Vergleich der Zählraten des TDMPS-DD-Nord mit Ausgleichsbehälter gegenüber
dem TDMPS-IFT (Bezugspunkt) für Außenluft. Die Darstellung bezieht sich
auf den Partikelgrößenbereich 100-200 nm.
Zählrate des TDMPS_DD-Nord (mit Ausgleichsbehälter)
gegenüber dem Referenzgerät (TDMPS-IfT)
Größenbereich 200-800 nm
Teilexperiment E9 (Außenluft)
y = 0.9986x
R
2
= 0.9848
0.0
100.0
200.0
300.0
400.0
500.0
600.0
700.0
800.0
900.0
1000.0
0.0
100.0
200.0
300.0
400.0
500.0
600.0
700.0
800.0
900.0
Partikelanzahl in cm
-3
Partikelanzahl in cm
-3
Abb. 4.3.11: Vergleich der Zählraten des TDMPS-DD-Nord mit Ausgleichsbehälter gegenüber
dem TDMPS-IFT (Bezugspunkt) für Außenluft. Die Darstellung bezieht sich
auf den Partikelgrößenbereich 200-800 nm.
Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
28

Teilexperiment
Typ
Größenbereich
Steigung
R
2
E1 & E2
Außenluft
10-800 nm
1.05
0.96
ohne Ausgleichsbehälter
V(< 800 nm)
0.98
0.97
3-10 nm
0.75
0.57
10-20 nm
0.95
0.91
20-30 nm
1.04
0.93
30-50 nm
1.06
0.94
50-70 nm
1.07
0.95
70-100 nm
1.06
0.98
100-200 nm
1.06
0.98
200-800 nm
1.05
0.97
E1 & E2
Außenluft
10-800 nm
0.91
0.96
mit Ausgleichsbehälter
V(< 800 nm)
0.94
0.98
3-10 nm
0.44
0.63
10-20 nm
0.73
0.85
20-30 nm
0.89
0.94
30-50 nm
0.96
0.97
50-70 nm
0.98
0.96
70-100 nm
0.98
0.97
100-200 nm
1.01
0.98
200-800 nm
1.00
0.98
Tabelle 4.3.1: Lineare Anpassungskoeffizienten der Vergleichsmessung TDMPS-DD-Nord
gegenüber dem Referenzgerät (TDMPS-IfT) für Außenluft (Teilexperimente
E1, E2 und E9).
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1
10
100
1000
Dp in nm
Relative Zählrate TDMPS-DD-Nord
Partikelverluste durch Diffusion
im Ausgleichsbehälter
Geringe statistische
Genauigkeit
Überschwinger
durch leicht abweichende
Größenklassifizierung
Interpolationskurve:
y = 1 - 1.06988/(1+(Dp/7.7793)
1.8619
)
Idealwert
Abb. 4.3.12: Für das TDMPS-DD-Nord abgeleitete Kurve zur größenabhängigen Korrektur der
Partikelverluste im Ausgleichsbehälter.
Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
29

Zählraten des TSI3031 und UFP330
Größenbereich 20-30 nm
Teilexperiment E9 (Außenluft)
UFP330:
y = 0.6659x
R
2
= 0.8553
TSI 3031:
y = 0.423x
R
2
= 0.8999
0
500
1000
1500
2000
2500
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Partikelanzahl Referenzgerät (TDMPS-IFT) in cm
-3
Partikelanzahl in cm
-3
Abb. 4.3.13: Vergleich der Zählraten des TSI 3031 und UFP330 gegenüber dem Referenzgerät
für Außenluft (Partikelgrößenbereich 20-30 nm)
Zählraten des TSI3031 und UFP330
Größenbereich 30-50 nm
Teilexperiment E9 (Außenluft)
UFP330:
y = 0.9042x
R
2
= 0.9074
TSI 3031:
y = 0.6332x
R
2
= 0.9617
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Partikelanzahl Referenzgerät (TDMPS-IFT) in cm
-3
Partikelanzahl in cm
-3
Abb. 4.3.14: Vergleich der Zählraten des TSI 3031 und UFP330 gegenüber dem Referenzgerät
für Außenluft (Partikelgrößenbereich 30-50 nm)
Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
30

Zählraten des TSI3031 und UFP330
Größenbereich 50-70 nm
Teilexperiment E9 (Außenluft)
y = 0.9823x
R
2
= 0.901
y = 0.7596x
R
2
= 0.983
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
Partikelanzahl Referenzgerät (TDMPS-IFT) in cm
-3
Partikelanzahl in cm
-3
UFP330
TSI3031
Abb. 4.3.15: Vergleich der Zählraten des TSI 3031 und UFP330 gegenüber dem Referenzgerät
für Außenluft (Partikelgrößenbereich 50-70 nm)
Zählraten des TSI3031 und UFP330
Größenbereich 70-100 nm
Teilexperiment E9 (Außenluft)
y = 0.865x
R
2
= 0.9863
y = 1.0891x
R
2
= 0.9114
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Partikelanzahl Referenzgerät (TDMPS-IFT) in cm
-3
Partikelanzahl in cm
-3
UFP330
TSI3031
Abb. 4.3.16: Vergleich der Zählraten des TSI 3031 und UFP330 gegenüber dem Referenzgerät
für Außenluft (Partikelgrößenbereich 70-100 nm)
Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
31

Zählraten des TSI3031 und UFP330
Größenbereich 100-200 nm
Teilexperiment E9 (Außenluft)
y = 1.0084x
R
2
= 0.9175
y = 0.82x
R
2
= 0.9897
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
Partikelanzahl Referenzgerät (TDMPS-IFT) in cm
-3
Partikelanzahl in cm
-3
UFP330
TSI3031
Abb. 4.3.17: Vergleich der Zählraten des TSI 3031 und UFP330 gegenüber dem Referenzgerät
für Außenluft (Partikelgrößenbereich 100-200 nm)
Zählraten des TSI3031 und UFP330
Größenbereich >200 nm
Teilexperiment E9 (Außenluft)
y = 1.0238x
R
2
= 0.836
y = 1.543x
R
2
= 0.8652
0
500
1000
1500
2000
2500
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Partikelanzahl Referenzgerät (TDMPS-IFT) in cm
-3
Partikelanzahl in cm
-3
UFP330
TSI3031
Abb. 4.3.18: Vergleich der Zählraten des TSI 3031 und UFP330 gegenüber dem Referenzgerät
für Außenluft (Partikelgrößenbereich > 200 nm)
Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
32

 
Teilexperiment
Typ
Größenbereich
Steigung
R
2
Steigung
R
2
E1 Außenluft 20-30 nm 0.99 0.85 0.48 0.85
ohne Probenahmesystem
30-50 nm
1.42
0.91
0.69
0.95
aber mit kleinem
50-70 nm
1.50
0.96
0.77
0.97
PM1-Zyklon
70-100 nm
1.42
0.98
0.82
0.98
100-200 nm
0.97
0.97
0.78
0.98
> 200 nm
0.34
0.86
0.74
0.93
E9
Außenluft
20-30 nm
0.67
0.85
0.42
0.90
mit Probenahmesystem
30-50 nm
0.90
0.90
0.63
0.96
50-70 nm
0.98
0.90
0.76
0.98
70-100 nm
1.09
0.91
0.87
0.99
100-200 nm
1.01
0.91
0.82
0.99
> 200 nm
1.02
0.84
1.54
0.87
UFP 330
TSI 3031
Tabelle 4.3.2: Lineare Anpassungskoeffizienten (Steigung und R
2
) der mit UFP 330 und TSI
3031 gemessenen Partikelanzahlkonzentrationen gegenüber dem
Referenzgerät (TDMPS-IfT). Gezeigt sind die Werte für Außenluft
(Teilexperimente E1 und E9). Deutlich sieht man den Effekt eines
vorhandenen bzw. nichtvorhandenen Probenahmesystems.
4.4
Vergleichsmessungen für Außenluft: Zeitliche Trends
Nun
wird der zeitliche Ablauf der Vergleichsmessungen genauer in Augenschein genommen. Abb.
4.4.1 bis 4.4.5 stellen Verhältnisse der Zählrate zwischen jeweils zwei Instrumenten auf Basis von
Halbstundenmitteln dar, Abb. 4.4.6 bis 4.4.10 dasselbe auf Grundlage gleitender Tagesmittelwerte.
Die gezeigten Werte wurden stets mit Außenluft als Probenaerosol bestimmt, weil dies das letztlich
relevanteste Prüfaerosol darstellt. Durch die 6wöchige Zeitreihe können mögliche Trends abgeleitet
werden.
In Abb. 4.4.1 ist der Vergleich zwischen UFP 330 und TDMPS-IfT, dem „Referenzsystem“
dargestellt. Zu Beginn des Workshops wurden von Topas mehrere technische Probleme beseitigt.
Konkret wurde am 20.10. das TSI 3031 kontrolliert, der Auflader justiert und die Durchflüsse
kontrolliert (auch Aufladervolumenstrom). Am 23.10. erfolgte ein Filterwechsel am UFP 330. Daher
können die Messwerte des TSI 3031 ab 20.10., diejenigen des UFP 330 ab 23.10. als
vertrauenswürdig angesehen werden.
Einen deutlichen Effekt hatte die Montage des Probenahmesystems (PM
1
-Zyklon und extern
montierter Ausgleichsbehälter) am 27.10. – hiernach hatten sich die relativen Zählraten der meisten
Kanäle erhöht und lagen in der Regel zwischen 0,5 und 2. Je nach Partikelgrößenintervall fallen die
Vergleichswerte unterschiedlich aus. Neben statistischem Rauschen in den Zeitreihen fallen beim
UFP 330 auch systematische Trends in den Zählraten auf. Diese sind am besten in Abb. 4.4.6
ersichtlich, wo die kurzzeitigen Schwankungen herausgeglättet wurden. Im Größenkanal N[70-100]
beispielsweise sank die relative Zählrate des UFP 330 über die 19 Tage zwischen 5.11. und 24.11.
Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
33

von 1,6 auf unter 1. Obwohl die in diesem Bericht besprochene Vergleichsmessung nicht die
langfristige Analyse solcher langfristigen Schwankungen (Drifts) zum Ziel hatte, so ähneln die
beobachteten Drifts in ihrer Größenordnung und im zeitlichen Verhalten den bereits in L
ÖSCHAU
(2009a, b) für Außenluft beschriebenen Effekten.
In Abb. 4.4.2 ist hingegen der Vergleich zwischen dem TSI 3031 und dem TDMPS-IfT dargestellt.
Dieses Instrument zeigt ein wesentlich anderes Verhalten als das UFP 330. Bis auf den
Größenkanal > 200 nm lagen die relativen Zählraten weitgehend unterhalb von 1,0. Nur in der
Situation der Benutzung des Probenahmesystems (nach 27.10.) zeigte jener Größenkanal einen
Mehrbefund, im Mittel um 1,5. Diese Abweichungen sind Abweichungen am oberen Ende der
Größenverteilung zuzuschreiben – siehe Abb. 4.3.1.
Eine äußerst positive Feststellung ist jedoch, dass das TSI 3031 zeitlich deutlich stabilere Zählraten
gegenüber dem Referenzinstrument aufwies als das UFP 330. Dies wird vor allem in der
geglätteten Version der Zeitreihe (Abb. 4.4.2) deutlich.
Die Abb. 4.4.3-4.4.5 nehmen nun die Qualität der Referenzinstrumente selbst in Augenschein. Das
Verhältnis der Zählraten der drei Partikelgrößenspektrometer gegenüber dem Gesamtpartikelzähler
(CPC 3010) ist in Abb. 4.4.3 dargestellt. Da der untere Cut-Off-Durchmesser des CPCs bei ca.
10 nm liegt, beziehen sich alle Konzentrationswerte notwendigerweise auf das Größenintervall 10-
800 nm. In Abb. 4.4.3 sieht man, das die relativen Zählraten der Partikelgrößenspektrometer um
1,0 liegen. Abweichungen zwischen den Partikelgrößenspektrometern liegen im Bereich 10-20 %,
wobei die zeitlichen Trends leichte Schwankungen auf Basis von mehreren Tagen aufzeigen (Abb.
4.4.8).
Interessant an Abb. 4.4.8 ist, dass die relativen Schwankungen der Partikelgrößenspektrometer
gegenüber dem CPC 3010 häufig synchron ausfallen (z.B. nach dem 10.11.). Hier muss auch die
Frage gestellt werden, on nicht eventuell der CPC 3010 driftet. Die Durchsatzrate des CPC 3010
wurde im Experiment durch ein passives Nadelventil eingestellt.
Abb. 4.4.4, 4.4.5 und die zugehörigen Abb. 4.4.9 und 4.4.10 vermitteln einen weiteren Eindruck von
der Datenqualität der Partikelgrößenspektrometer. Um die Stabilität der Instrumente zu
verdeutlichen, wurden die relativen Zählraten der verschiedenen Instrumente für den Zeitraum nach
dem 5.11. gemittelt, die zugehörigen Standardabweichungen berechnet und die Werte in einer
Tabelle (Tabelle 4.4.1) zusammengefasst.
Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
34

10.10.2008
17.10.2008
24.10.2008
31.10.2008
07.11.2008
14.11.2008
21.11.2008
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
Wartung 2
Wartung 1
(E1)
ohne PNS
mit PNS
N(UFP) / N(TDMPS-IfT)
N[20-30]
N[30-50]
N[50-70]
N[70-100]
N[100-200]
N[>200]
Abb. 4.4.1: Verhältnis der Zählraten zwischen UFP330 und TDMPS-IfT für Außenluft
(Zeitauflösung 30 min). Wartungen und das Vorhandensein des Probe-
nahmesystems (PNS) beeinflussen die Werte.
10.10.2008
17.10.2008
24.10.2008
31.10.2008
07.11.2008
14.11.2008
21.11.2008
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
(E1)
ohne PNS
mit PNS
N(TSI 3031) / N(TDMPS-IfT)
N[20-30]
N[30-50]
N[50-70]
N[70-100]
N[100-200]
N[>200]
Abb. 4.4.2: Verhältnis der Zählraten zwischen TSI3031 und TDMPS-IfT für Außenluft
(Zeitauflösung 30 min). Wartungen und das Vorhandensein des
Probe¬nahme¬systems (PNS) beeinflussen die Werte.
Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
35

04.11.2008
11.11.2008
18.11.2008
25.11.2008
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
TDMPS-IfT
TDMPS-DD Nord
SMPS
N(Größenspektrometer) / N(CPC 3010)
Abb. 4.4.3: Verhältnis der Zählraten zwischen Größenspektrometern und Gesamtpartikel-
zähler CPC 3010 für das Größenintervall 10-800 nm und Außenluft
(Zeitauflösung 30 min).
10.10.2008
17.10.2008
24.10.2008
31.10.2008
07.11.2008
14.11.2008
21.11.2008
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
ohne PNS
mit PNS
N(TDMPS DD-Nord) / N(TDMPS-IfT)
N[20-30]
N[30-50]
N[50-70]
N[70-100]
N[100-200]
N[>200]
Abb. 4.4.4: Verhältnis der Zählraten zwischen TDMPS DD-Nord und TDMPS-IfT (Referenz) für
Außenluft (Zeitauflösung 30 min).
Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
36

10.10.2008
17.10.2008
24.10.2008
31.10.2008
07.11.2008
14.11.2008
21.11.2008
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
Allererste Messungen
des neu aufgebauten
SMPS
Montage Probenahmesystem
bei allen anderen Instrumenten
(offenbar gibt es Querempfindlichkeit)
(Thermodenuder-
Betrieb)
N(SMPS) / N(TDMPS-IfT)
N[20-30]
N[30-50]
N[50-70]
N[70-100]
N[100-200]
N[>200]
Abb. 4.4.5: Verhältnis der Zählraten zwischen SMPS und TDMPS-IfT (Referenz) für Außenluft
(Zeitauflösung 30 min).
10.10.2008
17.10.2008
24.10.2008
31.10.2008
07.11.2008
14.11.2008
21.11.2008
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
Wartung 2
Wartung 1
ohne PNS mit PNS
N(UFP) / N(TDMPS-IfT)
N[20-30]
N[30-50]
N[50-70]
N[70-100]
N[100-200]
N[>200]
Abb. 4.4.6: Verhältnis der Zählraten zwischen UFP330 und TDMPS-IfT für Außenluft
(Gleitende Tagesmittelwerte).
Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
37

10.10.2008
17.10.2008
24.10.2008
31.10.2008
07.11.2008
14.11.2008
21.11.2008
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
ohne PNS
mit PNS
N(TSI 3031) / N(TDMPS-IfT)
N[20-30]
N[30-50]
N[50-70]
N[70-100]
N[100-200]
N[>200]
Abb. 4.4.7: Verhältnis der Zählraten zwischen TSI3031 und TDMPS-IfT für Außenluft
(Gleitende Tagesmittelwerte).
04.11.2008
11.11.2008
18.11.2008
25.11.2008
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
Da Größenspektrometer korrelieren:
Zeitlicher Effekt im CPC ?
TDMPS-IfT
TDMPS-DD Nord
SMPS
N(Größenspektrometer) / N(CPC 3010)
Abb. 4.4.8: Verhältnis der Zählraten zwischen Größenspektrometern und Gesamtpartikel-
zähler CPC 3010 (Größenintervall 10-800 nm; Außenluft; Gleitende Tages-
mittelwerte).
Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
38

10.10.2008
17.10.2008
24.10.2008
31.10.2008
07.11.2008
14.11.2008
21.11.2008
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
ohne PNS mit PNS
N(TDMPS DD-Nord) / N(TDMPS-IfT)
N[20-30]
N[30-50]
N[50-70]
N[70-100]
N[100-200]
N[>200]
Abb. 4.4.9: Verhältnis der Zählraten zwischen TDMPS DD-Nord und TDMPS-IfT (Referenz) für
Außenluft (Gleitende Tagesmittelwerte).
10.10.2008
17.10.2008
24.10.2008
31.10.2008
07.11.2008
14.11.2008
21.11.2008
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
?
Montage Probenahmesystem
bei allen anderen Instrumenten
(offenbar gibt es Querempfindlichkeit)
(Thermodenuder-
Betrieb)
N(SMPS) / N(TDMPS-IfT)
N[20-30]
N[30-50]
N[50-70]
N[70-100]
N[100-200]
N[>200]
Abb. 4.4.10: Verhältnis der Zählraten zwischen SMPS und TDMPS-IfT (Referenz) für
Außenluft (Gleitende Tagesmittelwerte).
Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
39

N[10-20]
N[20-30]
N[30-50]
N[50-70]
N[70-100] N[100-200]
N[>200]
TSI 3031 / TDMPS-IfT
Mittelwert
0.47
0.66
0.73
0.85
0.77
1.52
Median
0.44
0.65
0.72
0.84
0.78
1.48
Stabw
0.12
0.10
0.10
0.11
0.07
0.36
Stabw(relativ)
26%
15%
14%
13%
9%
24%
UFP330 / TDMPS-IfT
Mittelwert
0.68
0.92
1.00
1.17
1.04
0.95
Median
0.65
0.88
0.99
1.17
1.02
0.91
Stabw
0.23
0.26
0.23
0.23
0.20
0.28
Stabw(relativ)
33%
28%
23%
19%
20%
30%
TDMPS DD-Nord/TDMPS-IfT
Mittelwert
0.76
0.89
0.97
1.00
1.00
1.01
0.97
Median
0.75
0.88
0.96
0.99
0.99
1.00
0.97
Stabw
0.17
0.17
0.15
0.13
0.09
0.07
0.07
Stabw(relativ)
22%
19%
16%
13%
9%
7%
7%
SMPS/TDMPS-IfT
Mittelwert
0.83
0.96
0.94
1.04
1.00
0.90
0.90
Median
0.83
0.97
0.95
1.05
1.01
0.90
0.89
Stabw
0.13
0.10
0.07
0.08
0.06
0.04
0.06
Stabw(relativ)
15%
11%
8%
8%
6%
5%
7%
Größenspektrometer / CPC
IFT/CPC DD-Nord/CPC SMPS/CPC
Mittelwert
1.01
0.92
0.93
Median
1.00
0.91
0.94
Stabw 0.08 0.12 0.11
Stabw(relativ)
8%
13%
11%
Tabelle 4.4.1: Verhältnisse der experimentellen Zählraten zwischen UFP 330, TSI 3031, drei
Partikelgrößenspektrometern (TDMPS-IfT, TDMPS-DD-Nord, SMPS) und
Gesamtpartikelzähler (CPC Typ 3010) für Außenluftaerosol und den Zeit-
raum des Teilexperiments E9 (5.11.-24.11.2008).
Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
40

 
4.5
Vergleichsmessungen mit Probenahmesystem für Ammoniumsulfat
Dieser Abschnitt stellt die Vergleichsmessungen für Ammoniumsulfat als Testaerosol dar.
Ammoniumsulfatlösung wurde zerstäubt, abgetrocknet und elektrisch mit einem Neutralisator der
Stärke 370 Bq m
-3
neutralisiert (TSI, Typ 3077
A). Alle Prüflinge wurden hierbei mit ihrem
dezidierten Probenahmesystem betrieben. Die Abb. 4.5.1. und Abb. 4.5.2. zeigen die Partikel-
größenverteilungen von 5 Instrumenten für die Teilexperiment E6B und E6C. Die beobachtete
Größenverteilung ist polydispers mit einem Anzahlmaximum um 40 nm. Gegen 10 nm bzw. 800 nm
fällt die Größenverteilung stark ab.
Mehrere Aspekte fallen beim Vergleich auf: Zum einen stimmen die TDMPS- und SMPS-Systeme
sehr gut überein, analog zu den Experimenten für Außenluft (vgl. Abschnitte 4.2 und 4.3). Sowohl
für das UFP 330 als auch das TSI 3031 kann man niedrigere Partikelgesamtkonzentrationen
ablesen. Dies stellt eine starke Abweichung von der Vergleichsmessung für Außenluft dar (siehe
Abb. 4.3.1), wo das UFP 330 über die ganze Größenverteilung, das TSI 3031 wenigstens für
Partikelgrößen < 200 nm gut mit den Werten der TDMPS- und SMPS-Systeme übereinstimmten.
Die Größenverteilungen beider Geräte weichen signifikant voneinander ab, was allerdings auch
schon für Außenluft festgestellt wurde.
Am 4.12. wurde das Experiment mit Ammoniumsulfat wiederholt (Experiment 10A und 10B), um
den Sachverhalt nochmals zu überprüfen (Abb. 4.5.3.-4.5.5). Diese Ergebnisse bestätigen die
bereits bestimmten Befunde.
10
100
1000
0.1
1
10
100
1000
10000
dN/dlog Dp [cm
-3
]
Dp [nm]
UFP
3031
TDMPS IFT
TDMPS DD
SMPS WH
Abb. 4.5.1: Vergleich der Größenverteilungen (durchgezogen: Median, gestrichelt: Quartile)
während des Teilexperiments E6B (Ammoniumsulfat).
Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
41

10
100
1000
0.1
1
10
100
1000
10000
dN/dlog Dp [cm
-3
]
Dp [nm]
UFP
3031
TDMPS IFT
TDMPS DD
SMPS WH
Abb. 4.5.2: Vergleich der Größenverteilungen (durchgezogen: Median, gestrichelt: Quartile)
während des Teilexperiments E6C (Ammoniumsulfat).
10
100
1000
10
100
1000
10000
4.12. Ammoniumsulfat, Messung 1
dN/dlog Dp [cm
-3
]
Dp [nm]
3031
UFP
SMPS
Abb. 4.5.3: Vergleich der Größenverteilungen (durchgezogen: Median, gestrichelt: Quartile)
während des Teilexperiments E10A (Ammoniumsulfat).
Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
42

10
100
1000
10
100
1000
10000
4.12. Ammoniumsulfat, Messung 2
dN/dlog Dp [cm
-3
]
3031
UFP
Dp [nm]
SMPS
Abb. 4.5.4: Vergleich der Größenverteilungen (durchgezogen: Median, gestrichelt: Quartile)
während des Teilexperiments E10B (Ammoniumsulfat).
09:30
10:00
10:30
11:00
11:30
12:00
12:30
0
1000
2000
3000
4000
5000
mit 2 Neutralisatoren
370 Bg m
-3
mit 1 Neutralisator
370 Bg m
-3
Partikelanzahlkonzentration 10-800 nm
CPC 3772
Uhrzeit am 4.12.2008
SMPS-IfT
Abb. 4.5.5: Zeitreihe der Partikelanzahlkonzentration (10-800 nm) während der
Teilexperimente E10A und E10B (Ammoniumsulfat).
Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
43

 
4.6
Vergleichsmessungen mit Probenahmesystem für Latexpartikel
Als drittes Testaerosol wurden 200 nm-Latexpartikel verwendet (monodisperse Polystyrenpartikel;
3000 Series - Nanosphere Size Standards, Typ 3200A; Thermo Fisher Scientific Inc., Waltham,
USA). Diese Partikel zeichnen sich durch eine gut definierte Größe und geringe Abhängigkeit der
Größe von der relativen Luftfeuchte aus. Polystyrenpartikel sind für viele Partikelgrößen im sub-μm-
Größenbereich erhältlich. Vom Hersteller ist ihre Größe zu 200 ± 6 nm zertifiziert; die experimentell
vom Hersteller bestimmte Standardabweichung der Partikeldurchmesser beträgt 3.4 nm (1.7%
relativer Durchmesser). Für die Messgerätepraxis sind diese Latexpartikel vor allem als Partikel-
größenstandard bedeutsam. Analog zu den Ammoniumsulfatpartikeln wurden die Latexpartikeln im
Zerstäuber des mobilen Aerosolstandard des LFULG (B
IRMILI ET AL., 2009) erzeugt.
Abb. 4.6.1. zeigt die Größenverteilungen vierer Geräte für ein Vergleichsexperiment mit Latexpar-
tikeln. Deutlich sieht man den Konzentrationspeak bei 200 nm, der die einfach geladenen Testpar-
tikel darstellt. Ein weiterer hoher Partikelmode ist sichtbar im Größenbereich 10-40 nm; diese Parti-
kel stellen Residualpartikel aus Salzresten dar, die trotz der Verwendung von destilliertem Wasser
noch im Erzeugungssystem vorhanden sind. Während bei den Partikelgrößenspektrometern eine
markante Spitze in der Größenverteilung wahrgenommen wird, fällt diese beim TSI 3031 und beim
UFP 3031 wesentlich flacher aus. Auch kann der mittlere Durchmesser der Testpartikel nicht
gleichermaßen genau nachvollzogen werden. Diese Beobachtungen legen nahe, dass die
TSI 3031 und UFP 3031 nicht zur genauen Abbildung monodisperser Verteilungen geeignet sind –
hierzu wurden diese Instrumente aber auch ausdrücklich nicht entworfen.
10
100
1000
10
100
1000
10000
E8: Latex 200 nm
dN/dlog Dp [cm
-3
]
Dp [nm]
median UFP
median 3031
mean TDMPS IfT
mean TDMPS DD
Abb. 4.6.1: Vergleich der Größenverteilungen (durchgezogen: Median, gestrichelt: Quartile)
während des Teilexperiments E8 (200 nm-Latexpartikel).
Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
44

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5
Charakterisierung der Probenahmesysteme
Zu den BfUL-Messeinrichtungen UFP 330 und TSI 3031 gehört das Probenahmesystem
PNS 3031200 (TSI, 2008b). Es umfasst einen PM
1
-Zyklon, eine Trocknungseinheit und einen Aus-
gleichsbehälter. Beim UFP 330 gibt es einen externen Ausgleichsbehälter, beim TSI 3031 ist dieser
fest eingebaut. Generell wird für einen Feldeinsatz stets ein Betrieb mit Probenahmesystem
empfohlen. Gleichzeitig sollten die Probenahmesystem isoliert charakterisiert werden, um die dazu-
gehörigen Messunsicherheiten kennenzulernen.
Abb. 5.1. zeigt den komplexen Aufbau der Probennahmesysteme, die ja Außenluftaerosol aus der
großen Mischkammer unter ähnlichen Bedingungen wie an der Messstation entnehmen müssen.
UFP 330 und TSI 3031 wurden beim Experiment nicht verwendet, weil das Fehlen der Probe-
nahmesysteme als ungünstig für die Messwerterfassung dieser Geräte überhaupt eingeschätzt
wurde (vgl. Abschnitt 4). Daher wurde das Partikelgrößenspektrometer in Verbindung mit
Ammoniumsulfatpartikeln als Messgerät eingesetzt.
Die mittleren Messungen mit und ohne Probenahmesystem sind in Abb. 5.2 dargestellt. Man sieht,
dass die Verwendung des Probenahmesystems einen Verlust an Partikelanzahl (ca. 10-15 %) ver-
ursacht. Gleichzeitig sind die Verluste der beiden individuellen Probenahmesysteme nahezu gleich.
Abb. 5.1: Zwei Probenahmesysteme vom Typ 3031200 während Messungen mit dem
UFP 330 und TSI 3031 an der großen Mischkammer.
Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
45

10
100
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
ohne Einlasssystem
Einlasssystem Topas
Einlasssystem TSI
dN/dlogDp
Dp [nm]
Abb. 5.2: Partikelgrößenverteilungen mit und ohne Probenahmesysteme vom Typ 3031200
(lineare Ordinatendarstellung). Zwei Exemplare wurden getestet, zum einen
das Probenahmesysteme des UFP 330 („TOPAS“), zum anderen dasjenige
des TSI 3031, beide Instrumente von der BfUL.
Für die 6 verwendeten Größenklassen ergibt sich folgendes Bild an Partikeltransmission: N[20-30]:
0.89 (PNS TSI3031), 0.86 (PNS UFP 3031); N[30-50]: 0.87 (PNS TSI3031), 0.85 (PNS UFP 3031);
N[50-70]: 0.86 (PNS TSI3031), 0.85 (PNS UFP 3031); N[70-100]: 0.87 (PNS TSI3031), 0.86 (PNS
UFP 3031); N[100-200]: 0.92 (PNS TSI3031), 0.91 (PNS UFP 3031). Für einzelne Durchmesser
ergeben sich folgende Transmissionen: 0.89 bzw. 0.86 (25 nm), 0.87 bzw. 0.85 (40 nm), 0.86 bzw.
0.85 (60 nm), 0.91 bzw. 0.90 (150 nm), 1.09 bzw. 1.08 (300 nm). Die Ursache für den leichten
Mehrbefund bei den größten Partikeln ist nicht klar.
Diese Zahlen stimmen tendenziell gut mit den Herstellerangaben (TSI, 2008b) überein.
Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
46

 
6
Zusammenfassung
Zwei Exemplare kostengünstiger Mobilitätsspektrometer (UFP 330 und TSI 3031), drei konvention-
elle Mobilitätsspektrometer (TDMPS, SMPS) und ein Gesamtpartikelzähler (CPC 3010) wurden
unter kontrollierten Laborbedingungen für drei verschiedene Arten an Testaerosolen verglichen.
Relativ hohe quantitative und zeitliche Übereinstimmungen wurden zwischen den drei konvention-
ellen Mobilitätsspektrometern untereinander und gegenüber dem Gesamtpartikelzähler festgestellt
(Absolutverhältnis zwischen 0.8 und 1.1; relative Schwankungen < 10 %). Aufgrund der hinreichend
guten Übereinstimmungen wurden die Konzentrationen des TDMPS-IfT im Folgenden als
Bezugsgröße gewählt.
Der Geräteprototyp UFP 330 stimmte mit dem TDMPS-IfT gut bezüglich der zeitlichen
Schwankungen und der absoluten Größenordnung der Partikelkonzentration überein. Schwächen
waren jedoch beobachtbar bezüglich a) der unmittelbaren Einsatzfähigkeit (zwei besondere
Wartungen durch Topas waren nötig), b) der exakten Form der aus den Modalparametern
abgeleiteten Partikelgrößenverteilung > 100 nm, bzw. c) der Langzeitstabilität der Konzentration.
Leider wurden beim UFP 330 für Außenluftaerosol Drifts in der Anzahlkonzentration beobachtet,
die bereits innerhalb einer Woche die relativen Zählraten des Instruments wesentlich veränderten.
Der kommerzialisierte Typ TSI 3031 stimmte exzellent mit den Referenzgeräten bezüglich der
zeitlichen Schwankungen und auch der mittelfristigen Stabilität über den 6wöchigen Messzeitraum.
Schwächen waren beobachtbar bezüglich der Größenordnung der Partikelkonzentration (leider
absolut zu niedrig), sowie der Partikelkonzentration > 200 nm (konsistent zu hoch). Letzterer Fehler
stellte sich als Gerätedefekt heraus und konnte mittlerweile behoben werden. Generell zeigten
UFP 330 und TSI 3031 ein unterschiedliches Verhalten bezüglich mehrerer der genannten
Parameter. Wenn man vom unerwünschten und offenbar unkontrollierbaren Drift des UFP 330
absieht, erfüllten die Instrumente UFP 330 und TSI 3031 für Außenluftaerosol die an sie gestellten
Erwartungen weitgehend.
Zusätzliche, mit standardisierten Latexpartikeln und Ammoniumsulfatpartikeln (mobiler Aerosol-
standard) durchgeführte Vergleichsexperimente führten jedoch zu stärkeren Abweichungen in den
Zählraten nach unten. Hieraus ergeben sich Fragezeichen über einen Einsatz dieser Testpartikel in
Verbindung mit den TSI 3031 und UFP 330 bei der Qualitätssicherung im Messnetz.
Beim TDMPS DD-Nord wurde der separate Ausgleichsbehälter charakterisiert. Er sorgt für
geringfügige und quantifizierbare Anzahlverluste bei der Probenahme, die sich auf den
Partikelgrößenbereich < 20 nm beschränken. TSI 3031 und UFP 330 sollten nur mit Probe-
nahmesystem betrieben werden. Die beiden zugehörigen Probenahmesysteme stimmten exzellent
bezüglich ihrer Partikelanzahlverluste (10-15 %) überein.
Für die Zukunft werden der BfUL intervallmäßige Vergleichsmessungen zwischen dem TDMPS
sowie den TSI 3031 und UFP 330 unter Feldbedingungen in Dresden empfohlen. Die Experimente
werden im Sommer 2009 fortgesetzt werden, um die angedeuteten offenen Fragen, vor allem
bezüglich der Reproduzierbarkeit und Stabilität der TSI 3031 und UFP 330, zu klären.
Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
47

 
Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
48
7
Literaturverzeichnis
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http://www.ufipolnet.eu.

Impressum
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Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
Pillnitzer Platz 3, 01326 Dresden
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