DE19852859A1

DE19852859A1 - Vorrichtung zur Spurengasprobennahme

Info

Publication number: DE19852859A1
Application number: DE1998152859
Authority: DE
Inventors: Rolf Russow; Guenter Schmidt; Hans-Josef Segschneider; Michael Sander; Eckhardt Seifert
Original assignee: Helmholtz Zentrum fuer Umweltforschung GmbH UFZ
Current assignee: Helmholtz Zentrum fuer Umweltforschung GmbH UFZ
Priority date: 1998-11-11
Filing date: 1998-11-11
Publication date: 2000-06-15
Anticipated expiration: 2018-11-12
Also published as: DE19852859C2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Spurengasprobennahme. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Spurengase enthaltende Luftproben von emittierenden Freilandflächen mit einer geschlossenen Kammer über einen längeren Zeitraum repräsentativ und automatisch unter Ausschluß von Vegetation und mit hoher Empfindlichkeit zu entnehmen und zu sammeln. DOLLAR A Die Lösung der Aufgabe erfolgt dadurch, daß die Vorrichtung zur Spurengasprobennahme dadurch gekennzeichnet ist, daß die Probenahmekammer (14) aus einem, einen Basisrahmen (28) sowie Horizontal- und Vertikalelemente aufweisendes Gestell (2) besteht, DOLLAR A an dem Führungsbahnen (9) fixiert sind, DOLLAR A auf denen eine, auf den Führungsbahnen (9) bewegbar geführte und damit auf und/oder in die Bodenfläche absenkbare und wieder hochfahrbare Abdeckhaube (8) angeordnet ist, und daß ein von der Abdeckhaube (8) umschlossener Probenentnahmeraum (35) über ein im Kreislauf geführtes Gasleitungssystem (23) mit einem Gasprobensammler (22) verbunden ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Spurengasprobennahme gemäß dem Oberbegriff des Anspru ches 1.

Aufgrund mikrobiologischer Prozesse sind Böden, die sehr heterogen zusammengesetzt sein können, eine we sentliche Quelle für umwelt- und klimarelevante Spuren gase in der Atmosphäre. Insbesondere landwirtschaftlich und im Freiland gärtnerisch genutzte und intensiv ge düngte Böden sind an Spurengasemissionen in die Atmo sphäre beteiligt.

Die für die Spurengasemission verantwortlichen, boden mikrobiologischen Aktivitäten weisen zusätzlich eine hohe Varianz auf, so daß die Emission der Spurengase eine extrem hohe zeitliche und laterale Variation auf weisen.

Eine anerkannte und häufig genutzte Methode und Vor richtung zur Bestimmung der Emission von Spurengasen durch Böden ist die Anreicherung der Spurengase in ei nem abgeschlossenen Luftvolumen durch Abdeckung einer Bodenfläche mit einer geschlossenen Kammer und die Be stimmung der Konzentrationszunahme der Spurengase in dem eingeschlossenen Luftvolumen über der Bodenfläche in Abhängigkeit von der Zeit der Abdeckung. Nach manu eller Entnahme der Luftproben aus den Kammern vor Ort und anschließenden Transport der Proben in Probegläs chen ins Labor erfolgt die Bestimmung der Konzentration der Spurengase über der zu untersuchenden Bodenfläche durch Analyse der Luftproben im Labor beispielsweise mittels Gaschromatographie.

Diese manuelle Bestimmung der Konzentration von Spuren gasen erfordert einen sehr hohen personellen Aufwand. Die zeitliche Auflösung ist sehr gering, in der Regel eine Messung pro Woche und Parzelle. Aus diesem Grund ist diese Vorrichtung und Verfahrensweise nicht sehr geeignet für die Untersuchung von Spurengasemissionen, die in der Regel eine hohe zeitliche Varianz besitzen.

Auch die direkte Kopplung von fest installierten auto matischen Kammern auf der zu untersuchenden Bodenfläche mit einer Gaschromatographieeinrichtung zur Online- Analyse der gesammelten Luftproben in situ auf dem Feld hat verschiedene Nachteile.

Die automatische In situ-Feldanalytik ist sehr teuer und aufgrund der festen Installation der automatischen Kammern immer nur an einen bestimmten Ort gebunden.

Ein weiteres Problem bei der Messung von Spurengasemis sionen mittels geschlossener Kammern ergibt sich aus der Vegetation auf den zu untersuchenden Flächen. Be zieht man die Vegetation in die Messung mit ein, so muß die Geometrie der Kammern, insbesondere die Höhe, die ser Vegetation angepaßt werden, so daß die damit über wiegend sehr groß bzw. hoch dimensionierten Einrichtun gen hohe Aufwendungen zur exakten Kontrolle der Tempe ratur und der CO₂-Konzentration in der Kammer erforder lich machen. Dies hat neben dem erhöhten technischen Aufwand den Nachteil, daß hohe Kammern eine Einbuße an Meßempfindlichkeit bedingen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Spurengase enthaltende Luftproben von emittierenden Freilandflä chen mit einer geschlossenen Kammer über einen längeren Zeitraum repräsentativ und automatisch unter Ausschluß von Vegetation und mit hoher Empfindlichkeit zu entneh men und zu sammeln.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.

Aufgrund der flachen und langen aber schmalen Kammer geometrie läßt sich die erfindungsgemäße Probennahme kammer schonend in landwirtschaftliche bzw. gärtneri sche Kulturen integrieren, ohne hierbei die Vegetation mit einzubeziehen. Die Kombination mit an sich bekann ten Gasprobensammlern in Verbindung mit einer elektro nischen Steuerung ermöglicht einen vollautomatischen Betrieb der Vorrichtung bei einer repräsentativen Gasprobenentnahme über einen längeren Zeitraum.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet mit hoher Empfindlichkeit bei einem gleichzeitig hohen Signal- Untergrund-Verhältnis.

Mittels des Einsatzes einer programmierbaren, elektro nischen Steuereinheit, die die Funktion und das Zusam menwirken der erfindungsgemäßen Probennahmekammer mit einem an sich bekannten Gasprobensammler steuert, ist vorteilhafterweise die Zeitsteuerung der Probennahme sowie die Steuerung des gesamten Ablaufes mit Abdeckung des Bodens, Probengewinnung und Aufbewahrung möglich.

Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung beispielhaft näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung zur Spurengasprobennahme,

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht der Probennah mekammer,

Fig. 3 eine schematische Draufsicht der Probennahme kammer,

Fig. 4 eine Doppelnadel im Probengefäß in Detaildar stellung und

Fig. 5 eine Gasdrosselanordnung mit Sammelleitung in Detaildarstellung.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Vorrichtung zur Spurengasprobennahme besteht im wesentlichen aus einer Probenahmekammer 14, aus einem an sich bekannten Gasprobensammler 22 und aus einer programmierbaren Steuereinheit 15.

Gemäß Fig. 1 bis Fig. 3 besitzt die Probenahmekammer 14 eine lange und flache Geometrie. Sie ist damit beson ders günstig zwischen den Pflanzreihen plazierbar, so daß die Einbeziehung von Vegetation bei der Probenahme weitestgehend vermieden wird. Die Probenahmekammer 14 besteht im wesentlichen aus einem Gestell 2, einer Transporteinrichtung 25, einer Abdeckhaube 8 und einem Gasleitungssystem 23. Ein Basisrahmen 28 des Gestells 2 ist in die Bodenfläche einlaßbar. Der Basisrahmen 28 besitzt eine rechteckige, längliche Form. Auf dem Ba sisrahmen 28 sind paarweise Vertikalelemente 29, 30 und 31 senkrecht angeordnet, die mittels Horizontalelemente 32, 33 und 34 verbunden sind. Von Vertikalelement 29 ausgehend bis zum Vertikalelement 30 und wiederum vom Vertikalelement 30 ausgehend bis zum Vertikalelement 31 sind an beiden Seiten des Basisrahmens 28 jeweils paar weise vier Führungsbahnen 9 befestigt. Der Verlauf der Führungsbahnen 9 ist vom Vertikalelement 29 und 30 aus gehend im oberen Bereich horizontal geführt und bildet dann in Richtung der Vertikalelemente 30 und 31 in Richtung Bodenfläche eine schiefe Ebene. Die Abdeckhau be 8, an der Laufrollen 11 befestigt sind, wird in den Führungsbahnen 9 geführt. Der Transport der Abdeckhaube 8 erfolgt über eine Transporteinrichtung 25 die aus ei nem Anschaltkasten mit Getriebemotor 1, einer Antriebs rolle 10 und einer Laufrolle 11 besteht, zwischen denen ein Seil 5 umlaufend angeordnet ist. Über den Getriebe motor 1 und der Antriebsrolle 10 wird das umlaufende Seil 5 bewegt. Die Abdeckhaube 8 ist über ein Schar nierelement 7 mit dem Seil 5 verbunden. Mittels eines Endlagenschalters 3, eines Schalttellers 4 und einem Verbindungselement mit Seilspanner 6 wird ein ordnungs gemäßer Transport der Abdeckhaube 8 über die Führungs bahnen 9 von der Bodenfläche weg bzw. zur Bodenfläche hin ermöglicht. Das Schanierelement 7 ermöglicht den Höhenausgleich beim Transport der Abdeckhaube 8. Beim Absenken der Abdeckhaube 8 in die Dichtrinne 13 des Rahmens 27, die in der Regel ein fluides Medium wie Wasser als Dichtmittel enthält, ist die Probenahmekam mer 14 für die Probenahme bereit. Es ist nach dem Ab setzen der Abdeckhaube 8 ein Probenentnahmeraum 35 ent standen, der von der Bodenfläche, der Dichtrinne 13 und der Abdeckhaube 8 begrenzt ist. Gase können jetzt nur noch über die Bodenfläche in den Gasentnahmeraum 35 eintreten.

Ein in der Abdeckhaube 8 angeordnetes Haubenseptum 20 dient ggf. einer manuellen Probeentnahme. Ein weiterer Gasaustausch mit der umliegenden Atmosphäre ist damit ausgeschlossen.

Im Gasentnahmeraum 35 der Abdeckhaube 8 sind mehrere Gasförderpunkte 21 angeordnet, die über ein Gaslei tungssystem 23 mit einem Gasprobensammler 22 verbunden sind. Die Rückführung des Gasstromes in den Probeent nahmeraum 35 erfolgt über einen Gaseinlaß 36 (Fig. 1). Die Beförderung des Gases erfolgt mit einer Pumpe 16. Die über die Gasförderpunkte 21 entnommenen Gasproben werden über Gasdrosseln 38, die einen Gaseingang 39 und einen Gasausgang 40 aufweisen, einer Sammelleitung 37 und weiter dem Gasleitungssystem 23 zugeführt (Fig. 5). Dadurch wird die Entnahme von repräsentativen Proben aus den Probeentnahmeraum 38 gewährleistet.

Der Gasprobensammler 22 enthält mehrere Probengefäße 18. Die Probengefäße 18 sind mit einem Gefäßseptum 19 verschlossen. Eine Doppelnadel 17 für das Zuführen und Abführen von Gasproben, die durch das Gefäßseptum 19 eingeführt wird, ist mittels einer Hubvorrichtung 24 aus dem Gefäßseptum 19 herausziehbar und in das nächste Probengefäß 18 einführbar.

Die Doppelnadel 17 besteht aus einer Innenkanüle 17a und aus einer diese umhüllende Außenkanüle 17b (Fig. 4). Das aus dem Probeentnahmeraum 35 geförderte Gas tritt in einen Eingang 41a der Innenkanüle 17a ein und aus ihrer unteren Öffnung 41b wieder aus und füllt bzw. durchspült damit das Probengefäß 18 mit dem Gas. Der Gasstrom verläßt das Probengefäß über eine obere Öff nung 42b und einem Ausgang 42a der Außenkanüle 17b. Auf diese Weise wird ein definierter und repräsentativer Anteil des Gasstroms im Probengefäß 18 gesammelt.

Das programmierbare Steuerteil 15 ist verantwortlich für das Zusammenwirken des Aufsetzens und Abnehmens der Abdeckhaube 13 mittels einer Transporteinrichtung 25, der Entnahme von Gasproben mittels der Pumpe 16 und das Überführen der Gasprobe mit der Pumpe 16 in die Proben gefäße 18, wobei nacheinander das Füllen der Probenge fäße 18 erfolgt.

Die Transporteinrichtung 25 bewegt nach entsprechenden Programm die Abdeckhaube 8 über die zu untersuchende Bodenfläche und setzt sie in der Dichtrinne 13 des Rah mens 27 ab. Da die entnommene Gasprobe den Durch schnittswert des in den Probeentnahmeraum 38 emittier ten Gases repräsentieren soll, wird die Gasentnahme an mehreren Punkten unter der Abdeckhaube 8 so vorgenom men, daß an jedem Gasförderpunkt 21 die gleiche Gasmen ge angesaugt wird. Im Zusammenwirken mit den Gasdros seln 38 und der Sammelleitung 37 wird die Entnahme ei ner repräsentativen Probe ermöglicht.

Der Ablauf einer Probenahme ist damit wie folgt:
Im Ruhezustand ist die Probenahmekammer 14 geöffnet, daß heißt die Abdeckhaube 8 ist zurückgefahren. Wird am Steuerteil 15 die eingestellte Zeit für die Probenahme erreicht, fährt die Abdeckhaube 8 auf die Abdichtrinne 13. Unmittelbar nach dem Abdecken der Beprobungsfläche wird die erste Probe, die Nullprobe, aus dem Probeent nahmeraum 35 entnommen, indem die Pumpe 16 für fünf Mi nuten einschaltet. Nach der Entnahme der Nullprobe wird die Doppelnadel 17 aus dem Gefäßseptum 19 des ersten Probengefäßes 18 gezogen, ein Sammlerkarussell 26 transportiert zum nächsten Probegefäß 18 und die Dop pelnadel 17 sticht durch dessen Gefäßseptum 19, während die Abdeckhaube 8 für eine bestimmte Zeit (z. B. eine Stunde) die Beprobungsfläche abdeckt. Gegen Ende dieser Zeit wird die Pumpe 16 wiederum für fünf Minuten in Be trieb genommen, um die Probe nach einer Stunde Abdeck zeit zu erhalten. Nach Ablauf der Abdeckzeit wird die Abdeckhaube 8 wieder von der Beprobungsfläche herunter gefahren, so daß auf der Beprobungsfläche vergleichbare Umweltbedingungen wie auf der umgebenen Feldfläche herrschen.

Bezugszeichenliste

1

Motor

2

Gestell

3

Endlagenschalter

4

Schaltteller

5

Seil

6

Seilspanner

7

Scharnierelement für Höhenausgleich

8

Abdeckhaube

9

Führungsbahn

10

Antriebsrolle

11

Laufrolle

12

Umlenkrolle

13

Dichtrinne

14

Probenahmekammer

15

Steuerteil

16

Pumpe

17

Doppelnadel

17

a Innenkanüle

17

b Außenkanüle

18

Probengefäß

19

Gefäßseptum

20

Haubenseptum

21

Gasförderpunkt

22

Gasprobensammler

23

Gasleitungssystem

24

Hubvorrichtung

25

Transporteinrichtung

26

Sammlerkarussel

27

Rahmen

28

Basisrahmen

29

Vertikalelemente

30

Vertikalelemente

31

Vertikalelemente

32

Horizontalelemente

33

Horizontalelemente

34

Horizontalelemente

35

Probenentnahmeraum

36

Gaseinlaß

37

Sammelleitung

38

Gasdrossel

39

Gaseingang

40

Gasausgang

41

a Eingang

41

b untere Öffnung

42

a Ausgang

42

b obere Öffnung

Claims

1. Vorrichtung zur Spurengasprobennahme im Feldein satz, bestehend aus einer Probennahmekammer (14), einem Probensammelsystem (22) und einer elektroni schen Steuereinheit (15),
dadurch gekennzeichnet,
daß die Probenahmekammer (14) aus einem, einen Ba sisrahmen (28) sowie Horizontal- und Vertikalele mente aufweisendes Gestell (2) besteht,
an dem Führungsbahnen (9) fixiert sind,
auf denen eine, auf den Führungsbahnen (9) bewegbar geführte und damit auf und/oder in die Bodenfläche absenkbare und wieder hochfahrbare Abdeckhaube (8) angeordnet ist,
und
daß ein von der Abdeckhaube (8) umschlossener Pro benentnahmeraum (35) über ein im Kreislauf geführ tes Gasleitungssystem (23) mit einem Gasprobensamm ler (22) verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Probenentnahmeraum (35) der Abdeckhaube (8) Gasförderpunkte (21) und ein Gaseinlaß (36) ange ordnet sind, die über das Gasleitungssystem (23) mit einem an sich bekannten Gasprobensammler (12) verbunden sind, wobei im Gasleitungssystem (23) ei ne Pumpe (16) integriert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Gasförderpunkten (21) abgehenden Gasleitungen in einer Sammelleitung (37) mit inte grierten Gasdrosseln (38) zusammengefaßt sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hubvorrichtung (24) des Gasprobensammlers (22) mit einer in Probengefäße (18) einführbaren Doppelnadel (17), die aus einer Außenkanüle (17b) und einer in ihr axial angeordneten Innenkanüle (17a) besteht, verbunden ist.

5. Vorrichtung einem der Ansprüche 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Basisrahmens (28) des Gestelles (2) eine auf die Bodenfläche aufsetzbare und/oder in ihr einlaßbare, mit einem fluiden Medium füllba re Dichtrinne (13) angeordnet ist, in die die Ab deckhaube (8) gasdicht einlaßbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtrinne (13) einen Rahmen (27) aufweist, der am Basisrahmen (28) des Gestelles (2) gehaltert ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckhaube (8) mit einer am Gestell (2) befestigten Transporteinrichtung (25) auf den Füh rungsbahnen (9) horizontal und vertikal bewegbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsbahnen (9) mindestens teilweise als schiefe Ebenen ausgebildet sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckhaube (8) Laufrollen (11) aufweist, wobei jeder Führungsbahn (9) eine Laufrolle (11) zugeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Transporteinrichtung (25) für die Abdeck haube (8) aus einem umlaufenden Seil (5) besteht, das über eine mit einem Motor (1) verbundenen An triebsrolle (10) sowie einer Umlenkrolle (12) ge führt und an dem die Abdeckhaube (8) befestigt ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Scharnierelement (7) für einen Höhenaus gleich vorgesehen ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Transporteinrichtung (25) Endlagenschalter (3) in funktionellem Zusammenwirken mit Schalttel lern (4) aufweist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe und die Breite der Abdeckhaube (8) ge genüber ihrer Länge klein ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenahmekammer (14) eine längliche und flache Geometrie aufweist.