Ich habe mir mal folgenden Versuchsaufbau überlegt um den Feinstaub in
der Luft zu messen. Siehe Dateianhang.
Und zwar dachte ich daran mit einem Laser einen Laserstrahl zu einem
Spiegel zu schicken und dann das reflektierte Licht mit einem Sensor,
z.B. einer Photodiode zu messen.
Eventuell muss vor der Photodiode noch ein Filter um andere Wellenlängen
als die des Lasers auszufiltern.
Es soll damit kein präziser Feinstaubwert in mg/m³ gemessen werden,
sondern nur Aussagen wie bspw. jetzt ist mehr Feinstaub in der Luft als
vorher und umgekehrt.
Die Messung soll dann kontinuierlich oder in Zeitintervallen erfolgen
und von einem µC mit RTC aufgezeichnet werden.
Aus den Daten wird dann am Ende ein Diagramm erstellt, so dass man den
Verlauf genau ablesen kann.
Ebenso dachte ich noch an einen Temperatur und Luftfeuchtigkeitssensor,
um Messabweichungen durch eine zu hohe Luftfeuchtigkeit zu
berücksichtigen.
Deren Verlauf wird dann ebenfalls im Diagramm eingezeichnet.
Diese beiden Sensoren sind nicht in der Abbildung dargestellt.
Meine Fragen wären nun:
1. Kann das so mit dieser Anordnung funktionieren?
2. Sind gängige günstige Sensoren empfindlich genug um mit einem Laser
der Klasse 1 auch auf größerer Entfernung (z.B. 70 m) noch
unterschiedliche Feinstaubbelastungen in der Luft feststellen zu können?
3. Könnte man den Spiegel weglassen? Jede Oberfläche, außer völlig
schwarze Körper, reflektiert ja Licht. Könnte man daher mit gängigen und
günstigen Sensoren auch eine diffuse Oberfläche wie bspw. eine Hauswand
als Reflektor verwenden und damit noch brauchbare Ergebnisse erzielen?
4. Ist bei einer großen Entfernung von 70 m vor dem Sensor ein Fernrohr
zur Lichtverstärkung notwendig bzw. sinnvoll welches dann auf den
Spiegel gerichtet wird?
5. Welche Wellenlänge wäre für den Laser optimal?
Nano schrieb:> Im Prinzip erhoffe ich mir durch den Laser und der Photodiode, dass die> Photodiode weniger Licht misst, wenn mehr Feinstaub in der Luft ist
Damit kannst Staub messen, aber keinen Feinstaub.
Nano schrieb:> auch auf größerer Entfernung (z.B. 70 m)
...und Vögel, Mücken, Fußbälle...
>2. Sind gängige günstige Sensoren empfindlich genug um mit einem Laser>der Klasse 1 auch auf größerer Entfernung (z.B. 70 m)
Es gibt welche zur Ortsmessung:
Beitrag "Re: Feinstaubsensor an Microcontroller"
Nano schrieb:> Im Prinzip erhoffe ich mir durch den Laser und der Photodiode, dass die> Photodiode weniger Licht misst, wenn mehr Feinstaub in der Luft ist als> bei Luftbedingungen mit weniger Feinstaub.
Die Feinstaubkonzentration ist viel zu gering, um da mit handlichen
Entfernungen die Verluste auf dem Strahlweg zu messen, solange du nicht
in den Kilometerbereich gehst. Messung des an den Teilchen gestreuten
Lichtes ist wesentlich einfacher, weil du dann nicht gegen die volle
Strahlintensität (und deren Schwankungen), sondern gegen 0 misst.
Wenn du eine günstige, stabile und fertige Lösung akzeptierst, gibt es
genau das hier: https://luftdaten.info/
Man kann mehrere API Server konfigurieren und muss sie auch nicht
zwingend dem Projekt zur Verfügung stellen. Eine Visualisierung aller
Sensoren gibt es hier: https://deutschland.maps.luftdaten.info
EinStudent schrieb:> Eine Visualisierung aller> Sensoren gibt es hier: https://deutschland.maps.luftdaten.info
Kann mir mal jemand erklären, warum Sensoren die aktuell deutlich unter
25ug/m³ melden in sattem orange (> 50ug/m³) dargestellt werden?
Wolfgang schrieb:> Kann mir mal jemand erklären, warum Sensoren die aktuell deutlich unter> 25ug/m³ melden in sattem orange (> 50ug/m³) dargestellt werden?
Hat sich geklärt:
Mit Firefox 63.0.3 funktioniert die Selektion der Messstation nicht
richtig.
Mit Edge geht's.
Angemerkt sei, dass so ein Versuchsaufbau bereits über dem Rheingraben
als längere Strecke bereits realisiert wurde. Jedoch eignet sich hier
die Schwächung des einwelligen Laserlichtes durch Staubteilchen nicht
für eine Messung.
Bei diesem Aufbau wurde ein breites Sprektrum von IR bis ins nahe UV
verwendet. Es wurde dann die Abweichungen über das gesamte Spektrum
gemessen und ausgewertet. Wichtig sind dabei die charakteristichen
Absorbtions- und Transmissionswellenlängen der Staubteilchen, Gase der
Luft und Aerosole.
Hallo Nano,
wenn du deine Messergebnisse zu Feinstaub öfentlich zugänglich machen
möchtest, kann ich dich nur warnen dies zu tun!
1.) hat eine Firma das mal gemacht und ärger bekommen weil solche
Messungen offiziell nur vom Umweltbundesamt gemacht werden dürfen.
das ist aber nicht das Problem sondern:
2.) Messungen von dir welche höhere Werte anzeigen als die geeichten von
den Behörden rufen die Verschwöhrungstheoretiker auf den Plan!
Wenn man selbst für Behörden solche Sensoren gebaut hat, bekommt man
unliebsamen Besuch von solchen Leuten.
Diese behaupten dann das man an einer Verschwöhrung teil nimmt und echte
Werte viel niedriger angibt als diese in Wirklichkeit sind. Als Referenz
nimmt man dann deine unkalibrierten Messwerte die den Beweis schlechthin
darstellen.
Alex W. schrieb:> 1.) hat eine Firma das mal gemacht und ärger bekommen weil solche> Messungen offiziell nur vom Umweltbundesamt gemacht werden dürfen.
Unsinn 1. Jeder kann Messungen durchführen und veröffentlichen.
Gegebenenfalls Methoden und Equipment erklären.
> 2.) Messungen von dir welche höhere Werte anzeigen als die geeichten von> den Behörden rufen die Verschwöhrungstheoretiker auf den Plan!
Unsinn 2. Das ist kein Grund eigene Messungen vorzunehmen.
Du wirst von einer (German)Angst getrieben, die mir unbegreiflich ist.
Wolfgang schrieb:> Nano schrieb:>> Im Prinzip erhoffe ich mir durch den Laser und der Photodiode, dass die>> Photodiode weniger Licht misst, wenn mehr Feinstaub in der Luft ist als>> bei Luftbedingungen mit weniger Feinstaub.>> Die Feinstaubkonzentration ist viel zu gering, um da mit handlichen> Entfernungen die Verluste auf dem Strahlweg zu messen, solange du nicht> in den Kilometerbereich gehst. Messung des an den Teilchen gestreuten> Lichtes ist wesentlich einfacher, weil du dann nicht gegen die volle> Strahlintensität (und deren Schwankungen), sondern gegen 0 misst.
Aber die Schwankungen würden doch genügen, sofern es kein Rauschen
bedingt durch die Halbleiter ist.
Mir reicht ja eine Aussage in der Art wie, jetzt ist die Luft sauberer
als vorher. Und ein paar Stunden später "jetzt ist sie verschmutzter als
vorher"
Noch eine kleine Anmerkung zum Thema, da ich das für Vergleichbar halte.
Wie macht man es denn bei der Planetenentedeckung.
Da misst man auch das Licht eines Sternes, der von der Erde aus nur
Punktförmig ist, das sind keine Scheiben.
Und wenn die Lichtintensität nachlässt, dann ist das Indiz dafür, dass
da ein Planet vor dem Stern vorübergezogen ist.
Beobachtet man das Länger, dann erhält man irgendwann die
Umlaufgeschwindigkeit und die Bahn des Planeten usw..
Die Messinstrumente scheinen dafür jedenfalls empfindlich genug zu sein.
Das Verfahren das mir bezüglich der Feinstaubmessung vorschwebt ist da
nicht viel anders.
Dieter schrieb:> Angemerkt sei, dass so ein Versuchsaufbau bereits über dem Rheingraben> als längere Strecke bereits realisiert wurde. Jedoch eignet sich hier> die Schwächung des einwelligen Laserlichtes durch Staubteilchen nicht> für eine Messung.>> Bei diesem Aufbau wurde ein breites Sprektrum von IR bis ins nahe UV> verwendet. Es wurde dann die Abweichungen über das gesamte Spektrum> gemessen und ausgewertet. Wichtig sind dabei die charakteristichen> Absorbtions- und Transmissionswellenlängen der Staubteilchen, Gase der> Luft und Aerosole.
Das ist interessant. Danke für die Info.
Also müsste ich mehrere verschiedene Laser nehmen mit unterschiedlicher
Wellenlänge und dafür jeweils passende Sensoren.
Alex W. schrieb:> Hallo Nano,>> wenn du deine Messergebnisse zu Feinstaub öfentlich zugänglich machen> möchtest, kann ich dich nur warnen dies zu tun!>> ... (gekürzt, da das Posten sonst nicht geht)
Danke für den Hinweis, aber das ist nur für mich.
Ich möchte keine Messstation oder ähnliches aufbauen und die Ergebnisse
irgendwo auf einen Server im Internet laden.
Nano schrieb:> Aber die Schwankungen würden doch genügen, sofern es kein Rauschen> bedingt durch die Halbleiter ist.
Die Schwankungen entstehen eher durch instabilen Lichtweg
(Luftschlieren/-schichtungen).
Wolfgang schrieb:> Nano schrieb:>> Aber die Schwankungen würden doch genügen, sofern es kein Rauschen>> bedingt durch die Halbleiter ist.>> Die Schwankungen entstehen eher durch instabilen Lichtweg> (Luftschlieren/-schichtungen).
Okay, aber könnte man hier nicht noch die Zeit benutzen um die
Schwankungen etwas herauszurechnen.
Die Schwankungen sind ja eher zeitlich schnell Veränderliche.
Wenn aber bspw. an Sylvester die Böller explodieren, dann ist die Luft
für 3-4 h verunreinigt.
Das müsste man doch gegenüber den schnellen Schwankungen durch
Luftschlieren unterscheiden können.
Nano schrieb:> Okay, aber könnte man hier nicht noch die Zeit benutzen um die> Schwankungen etwas herauszurechnen.
Du kannst nichtmal Alterung/Verschmutzung deiner Messstrecke, also
langsame Drift von Änderungen der Feinstaubkonzentration unterscheiden.
Messungen kleiner Abweichungen von einem hohen Wert sind grundsätzlich
problematisch, weil du den 0-Punkt, d.h. die ungeschwächte
Strahlintensität nicht bestimmt kriegst. Oder willst du mal eben ein 1km
Vakuumrohr in die Messstrecke hängen?
Wolfgang schrieb:> Nano schrieb:>> Okay, aber könnte man hier nicht noch die Zeit benutzen um die>> Schwankungen etwas herauszurechnen.>> Du kannst nichtmal Alterung/Verschmutzung deiner Messstrecke, also> langsame Drift von Änderungen der Feinstaubkonzentration unterscheiden.> Messungen kleiner Abweichungen von einem hohen Wert sind grundsätzlich> problematisch, weil du den 0-Punkt, d.h. die ungeschwächte> Strahlintensität nicht bestimmt kriegst. Oder willst du mal eben ein 1km> Vakuumrohr in die Messstrecke hängen?
Mal angenommen mein Sensor zeigt eine Spannung von 1 V an (der Wert ist
jetzt mal aus der Luft gegriffen) und schwankt schnell im Bereich von
+/- 0,05 V herum, dann könnte man annehmen, das liegt an den
Luftschlieren/-schichtungen.
Zwei Stunden später zeigt der Sensor plötzlich eine Spannung von 1,2 V
an und schwankt um diesen Bereich ebenfalls wieder um +/- 0,05 V herum.
Dann könnte man doch annehmen, die kleinen Schwankungen kommen von den
Luftschlieren/-schichtungen und der Drift, der über einen größeren
Zeitraum geschehen ist, von der Luftverunreinigung.
Wofür brauche ich da den 0 Punkt?
Außerdem würde ich nicht vertikal messen, sondern nur horizontal.
Der Luftdruck wäre also im großen und ganzen der selbe.
Nano schrieb:> Mal angenommen mein Sensor zeigt eine Spannung von 1 V an (der Wert ist> jetzt mal aus der Luft gegriffen) und schwankt schnell im Bereich von> +/- 0,05 V herum, dann könnte man annehmen, das liegt an den> Luftschlieren/-schichtungen.
Luftschichtungen sind langsam, nachts kühlt der Boden aus und es bildet
sich eine Inversionsschicht, die den Messstrahl verbiegt -> Signal
ändert sich. Wie willst du dass von einer tageszeitlich schwankenden
Feinstaubkonzentration unterscheiden.
...mit einem Spiegel geht das sowieso nicht.
Der reflektierte Strahl wandert sonstwo hin, nur nicht auf den Sensor.
Man braucht ein Tripelprisma.
Vor den Laser muß ein Strahlaufweiter, sonst ist der Strahl zu
divergent.
Gruß - Werner
Nano schrieb:> Und wenn die Lichtintensität nachlässt, dann ist das Indiz dafür, dass> da ein Planet vor dem Stern vorübergezogen ist
Und selbstverständlich schüttelst du dir als Anfänger eine
Messeinrichtung aus dem Ärmel, die den millionenteuren Geräten zur
Planetensuche mindestens ebenbüritg ist in Auflösung und Genauigkeit.
Für eine Feinstaubmessung zuhause ist so ein Talent einfach
verschleudert.
Georg
Nano schrieb:> Zwei Stunden später zeigt der Sensor plötzlich eine Spannung von 1,2 V> an und schwankt um diesen Bereich ebenfalls wieder um +/- 0,05 V herum.> Dann könnte man doch annehmen, die kleinen Schwankungen kommen von den> Luftschlieren/-schichtungen und der Drift, der über einen größeren> Zeitraum geschehen ist, von der Luftverunreinigung.
Die Abweichung könnte auch von einer Drift durch Temperaturschwankungen
kommen.
Wolfgang schrieb:> Nano schrieb:>> Mal angenommen mein Sensor zeigt eine Spannung von 1 V an (der Wert ist>> jetzt mal aus der Luft gegriffen) und schwankt schnell im Bereich von>> +/- 0,05 V herum, dann könnte man annehmen, das liegt an den>> Luftschlieren/-schichtungen.>> Luftschichtungen sind langsam, nachts kühlt der Boden aus und es bildet> sich eine Inversionsschicht, die den Messstrahl verbiegt -> Signal> ändert sich. Wie willst du dass von einer tageszeitlich schwankenden> Feinstaubkonzentration unterscheiden.
Wenn er sich nur verbiegt, dann kann kann man das korrigieren in dem man
den Sensor umplatziert oder das sonst irgendwie berücksichtigt.
Eine Abschwächung der gemessenen Intensität wäre schlimmer.
Werner H. schrieb:> ...mit einem Spiegel geht das sowieso nicht.> Der reflektierte Strahl wandert sonstwo hin, nur nicht auf den Sensor.> Man braucht ein Tripelprisma.> Vor den Laser muß ein Strahlaufweiter, sonst ist der Strahl zu> divergent.>> Gruß - Werner
Super Tipps, danke!
georg schrieb:> Nano schrieb:>> Und wenn die Lichtintensität nachlässt, dann ist das Indiz dafür, dass>> da ein Planet vor dem Stern vorübergezogen ist>> Und selbstverständlich schüttelst du dir als Anfänger eine> Messeinrichtung aus dem Ärmel, die den millionenteuren Geräten zur> Planetensuche mindestens ebenbüritg ist in Auflösung und Genauigkeit.
Nun, ich will ja nur auf 70 m Entfernung messen.
Bei den Profis sind es teils viele hunderte Lichtjahre.
Harald W. schrieb:> Nano schrieb:>>> Zwei Stunden später zeigt der Sensor plötzlich eine Spannung von 1,2 V>> an und schwankt um diesen Bereich ebenfalls wieder um +/- 0,05 V herum.>> Dann könnte man doch annehmen, die kleinen Schwankungen kommen von den>> Luftschlieren/-schichtungen und der Drift, der über einen größeren>> Zeitraum geschehen ist, von der Luftverunreinigung.>> Die Abweichung könnte auch von einer Drift durch Temperaturschwankungen> kommen.
Ja, dafür wäre dann der Temperatursensor als Korrekturfaktor da.
Gleiches gilt für den Feuchtigkeitsensor für Feuchtigkeitsschwankungen
in der Luft.
Hallo,
dein Beitrag scheint sehr naiv.
> Nano schrieb:> Ich habe mir mal folgenden Versuchsaufbau überlegt um den Feinstaub in> der Luft zu messen. Siehe Dateianhang.
Da muß ich zuerst mal fragen, ob du dir überhaupt die Mühe gemacht hast,
zu recherchieren, was Feinstaub nach gängiger Definition ist.
Wenn du Aerosole in der Luft mit einem einfachen optischen Messgerät
erfassen willst, so wird das Meßgerät dir alles Mögliche anzeigen, was
irgend einen Meßeffekt verursacht.
Das sind neben Feststoffpartikel unterschiedlichster Größe vom
nm-Bereich bis ein Stück über 10um, aber auch diverse Flüssig-Aerosole,
evtl. Gase (je nach Lichtwellenlänge) aber auch Luftschichtungen,
Insekten, Flusen, Regentropfen, Nebel und alle möglichen
Verschmutzungen auf deiner Messoptik.
Dazu kommen Temperaturdrift, Verschwenkempfindlichkeit, Einfluss von
Sonnenlicht, Vibrationen und mechanischer Verzug (z.B. durch Verkehr,
Wind usw.).
> Und zwar dachte ich daran mit einem Laser einen Laserstrahl zu einem> Spiegel zu schicken und dann das reflektierte Licht mit einem Sensor,> z.B. einer Photodiode zu messen.> Eventuell muss vor der Photodiode noch ein Filter um andere Wellenlängen> als die des Lasers auszufiltern.
Es gibt grundsätzlich 2 rel einfache optische Verfahren, wie man
Partikel einfach mal so im Feld detektieren kann.
1) Durchlichtmessung -> Transmissiometer
https://de.wikipedia.org/wiki/Transmissometer
2) Streulichtmessung -> Streulichtphotometer, Tyndallometer
https://de.wikipedia.org/wiki/Tyndalloskop
Solche Geräte gibt es im Bereich der Emissionsmessung von vielen Firmen
(Durag, SICK AG, Dr. Födisch, Helmut Hund GmbH, Pallas usw.)
Alle diese Messgeräte (unter Pkt.1 und 2) habe ein Problem. Sie können
Aerosole nicht selektiv messen, sondern nur ein Summensignal, das auch
noch stark von den Parametern des Aerosols abhängig ist (Partikelgröße,
Partikelform, Stoffart). Dazu kommen diverse Einflüsse durch Temp.,
Witterung, Verschmutzung, optische Ausrichtung usw. die das ganze
erschweren.
> Es soll damit kein präziser Feinstaubwert in mg/m³ gemessen werden,> sondern nur Aussagen wie bspw. jetzt ist mehr Feinstaub in der Luft als> vorher und umgekehrt.
Bei beiden oben genannten Verfahren ist die Anhängigkeit des Messsignals
von den Partikelparametern so groß, dass der Fehlerbereich zwischen gut
zwischen 10%....1000% vom Sollwert schanken kann (ohne Einfluß von
Nebel, Temp, Verschmutzung, Insekten usw.). Du kannst es aber nicht
bewerten.
Im Bereich der Emissionsmessungen müssen die Geräte bei stabilen
Betriebsbedingungen extra kalibiert werden, damit ein halbwegs
verläßlicher Messwert rauskommt.
> Die Messung soll dann kontinuierlich oder in Zeitintervallen erfolgen> und von einem µC mit RTC aufgezeichnet werden.> Aus den Daten wird dann am Ende ein Diagramm erstellt, so dass man den> Verlauf genau ablesen kann.
Damit kannst du irgend was messen, aber nicht wirklich Feinstaub.
> Meine Fragen wären nun:> 1. Kann das so mit dieser Anordnung funktionieren?
Das Durchlichtverfahren ist schon gar nicht mehr für kleinste Konz. im
Bereich von paar 10ug geeignet. Alle möglichen Meßfehler werden bei
deiner Anordnung sehr schnell ein vielfaches des Messeffektes ausmachen.
Mit Streulichtmessung kommt man locker auf Auflösungen in den
einstelligen ug-Bereich, aber leider ist da die Parameterempfindlichkeit
umso größer.
Partikel im Größenbereich 1um haben einen vielfachen Messeffekt
gegenüber 10um-Partikeln. Ruß mit seinem sehr hohen Absorbtionskoeff.
ist sehr viel schlechter zu detektieren, als weißer Mineralstaub oder
Asche.
Primärpartikel im Bereich von ca. 5...10um sind trotz der sehr hohen
Anzahlkonz. fast unsichtbar (siehe Releigh-Streuung).
https://de.wikipedia.org/wiki/Rayleigh-Streuung> 2. Sind gängige günstige Sensoren empfindlich genug um mit einem Laser> der Klasse 1 auch auf größerer Entfernung (z.B. 70 m) noch> unterschiedliche Feinstaubbelastungen in der Luft feststellen zu können?
Die anwendung eines Lasers ist in dem Zusammenhang eh Murks.
Der müßte erstmal in 70m Entfernung den Reflektor treffen und bei einem
einfachen Spiegel auch noch rückwärts den Empfänger.
Wehe da verzieht sich etwas auch nur um wenige 1/1000 Grad, dann ändert
sich das Empfangslicht rapide.
Lichtweg von 140m entspricht einem Kreis mit 880m Radius. 1Grad ist da
eine Abweichung von ca. 2,40m. 1/100 Grad sind immer noch 2,4cm.
Außerdem mußt du erstmal einen Laser finden, der auf 140m einen
Lichtfleck macht, der für deine Optik überhaupt klein genug ist.
> 3. Könnte man den Spiegel weglassen?
Ja, kannst du. Aber dann sind Sender und Empfänger zig Meter weit
auseinander. Alleine die Temp.-Unterschiede werden Drifteffekte
verursachen, die größer sind als der Messeffekt.
> Jede Oberfläche, außer völlig> schwarze Körper, reflektiert ja Licht.
Ja, solche körper nennt man "Schwarzes Loch". Zum Glück gibt es diese
Dinger auf der Erde nicht.
> Könnte man daher mit gängigen und> günstigen Sensoren auch eine diffuse Oberfläche wie bspw. eine Hauswand> als Reflektor verwenden und damit noch brauchbare Ergebnisse erzielen?
Kannst du ja mal versuchen. Aber der Empfänger muß eben mal Faktor 1
Mio. oder so empfindlicher werden. Abgesehen davon ändert sich auch das
das Licht mit dem Wetter und bei jeder noch so winzigen Verschwenkung.
> 4. Ist bei einer großen Entfernung von 70 m vor dem Sensor ein Fernrohr> zur Lichtverstärkung notwendig bzw. sinnvoll welches dann auf den> Spiegel gerichtet wird?
Ohne Optik geht bei so großen Entfernungen eh nix. Fernrohr ist aber
bisschen übertrieben.
> 5. Welche Wellenlänge wäre für den Laser optimal?
Laser ist Murks.
Um halbwegs korrekt Feinstaub messen zu können, braucht es Geräte, die
auch irgendwie die Größeninformation der Partikel mit aufnehmen können.
Das ist normal der klassische Partikelzähler, wie von einigen Firmen
angeboten (z.B. Firmen: TSI, Grimm, Pallas).
Für korrekte Feinstaubmessungen sind diese aber eigentlich auch nicht
wirklich tauglich, weil die Detektionsgrenze für Partikel bei ca.
150....300nm liegt. Die ganzen Nanopartikel (auch Dieselruß mit typ. ca.
80nm) fällen unten durch.
Deshalb braucht es noch deutlich aufwendigere Technik, die z.B. auch in
den Immissionsmeßstationen eingesetzt wird, wir SMPS-Meßsysteme mit CPC
als Sensor.
http://www.tsi.com/smps-spektrometer-scanning-mobility-particle-sizer-3936/https://de.wikipedia.org/wiki/Kondensationspartikelz%C3%A4hler
Gruß Öletronika
feinstaub.png
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