Optisk sensor til real-time måling af forurening i indeklima

Transkript

1 Optisk sensor til real-time måling af forurening i indeklima ATV Vintermøde. Onsdag den 11. marts 2015 Nancy Hamburger, Region Hovedstaden, Center for Regional Udvikling, Grundvand

2 Samarbejdspartnere Tak til: Mette Christophersen Lars Bennedsen Fotonik Peter Tidemand-Lichtenberg Jeppe Seidelin Dam Christian Pedersen

3 Motivation Kortlægningsindsats i omegnskommuner, bevæger sig ind mod København og Frederiksberg, hvor vi forventer flere indeklimasager Ny undersøgelsesmetode, der giver hurtigere svar på hvilke boliger, der skal udføres en indsats på, og bedre afklaring af, hvordan boligerne sikres ved at finde indtrængningsveje

4 Baggrund Påvirkning af indeklima måles i dag ved opsamling på passive samplere (ATD-rør eller Orsa-rør) giver gennemsnitlig koncentration Tidligere projekter viser store tidslige variationer Findes ikke målemetode, der simpelt og effektivt kan måle både korttidsvariationer og gennemsnitlige påvirkninger over længere tidsperioder Vanskeligt at finde lækager i bygninger

5 Forventninger til optisk sensor Real-time målinger af koncentrationer af PCE og TCE Udvikling i koncentrationen kan måles over tid (fx måling pr. minut) Den gennemsnitlige koncentration kan beregnes over en hvilken som helst tidsperiode Tage billede af fx et gulv og se koncentrationen overalt på gulvet => lokalisere indtrængningsveje

6 Perspektivering Helt ny teknologi til måling af miljøfremmede stoffer i luft der giver hurtige resultater til en rimelig pris I første omgang vil metoden rette sig mod målinger af TCE og PCE, men systemet vil efterfølgende kunne omkonfigureres til måling af en lang række andre gasser

7 Potentiale / Anvendelsesmuligheder Forbedrede målinger af forurening i indeklima, herunder bestemmelse af indtrængningsveje i bygninger Real-time måling af forurening ved afværgeanlæg, der omfatter indeklimasikring af boliger (ventilationsløsninger), herunder bestemmelse af sammenhængen mellem koncentrationer i afværgesystemet og indeklimaet Online målinger af poreluft og headspace i forbindelse med gennemførelse af dynamiske undersøgelser

8 Formål med dette projekt Etablere en kompakt forsøgsopstilling Feltmålinger på testgrunden

9 Feltmålinger At få testet måleinstrumentet i felten Kun udført få målinger i indeklimaet på Skovlunde Byvej - viste forholdsvise høje niveauer (mg/m 3 niveau i mødelokalet) Indledningsvist udføres kulrørsmålinger i forskellige rum i bygningerne på Skovlunde Byvej for at sikre at målingerne med optisk sensor udføres i området med relevante indhold af PCE/TCE (omkring mg/m 3 ) Korttidsmålinger i indeklimaet med den optiske sensor, hvor resultatet sammenlignes kvantitativt med luftmålinger på kulrør Kontinuert måling af TCE/PCE over tid med den optiske sensor, hvor resultatet sammenlignes kvantitativt med luftmålinger på kulrør og passive samplere (ATD- eller orsarør)

10 Midt infra rødt lys konverteres til synligt lys

11 Optisk sensor princip Indhold måles ved at adskille og forstærke gassens påvirkning af lysstrålen fra svingninger i f.eks. PCE-molekylernes bindinger via opkonversionsteknologi, så lysstrålen omdannes til et måleområde, hvor almindelige kameraer kan benyttes

12 Princip og forsøgsopstilling Light source Kan tunes hen over ønsket absorptionsspektre Multi-pass gas cell Samlet vekselvirkningslængde ml. lys og gas på 36 m Forureningskomponenter absorberes af lys Mixing laser Up-converter unit NIR camera

13 Up-converter unit NIR camera Multi-pass gas cell Mixing laser Light souce

14 Etablering af kompakt laboratorieopstilling Få valideret måleinstrumentet under kendte forhold i laboratoriet i forhold til PCE og TCE Virkemåde, stabilitet/repeterbarhed og følsomhed kvantificeres Interferens fra andre stoffer Computer-styring og synkronisering af lyskilden og detektorens bølgelængder Multi-pass gascellen indsættes i den optiske vej - øger den forventede følsomhed omkring 500 gange Skanne bølgelængden af lyskilden med detektorens sensitivitetsområde for opnåelse af fint opløst infrarødt spektrum Måleinstrumentetet produceres/samles så det kan tages med i felten

15 Absorption spektre ved 1 meter lang vekselvirkningslængde

16 TCE Høj koncentration 247 mg/m mg/m 3 78 mg/m 3 39 mg/m 3 Integrationstid 5 ms

17 Måleserier - bølgelængde tunet omkring PCE og TCE arsorptionstoppe

18 Poreluft og indeklimamålinger på testgrund OR 1 OR 3 OR 13 Nord Syd Vest Trichlorethylen μg/m3 GC/MS/SIM Tetrachlorethylen μg/m3 GC/MS/SIM Nord X Syd Vest X

19 Målinger af poreluft fra testgrunden

20 TCE Målinger cm -1 Bølgelængde af lyskilde justeres ind til top af absorbansen 5 ms/målepunkt Measured absorbance in 36 m cell: at cm -1 Equivalent to a TCE concentration of: 0.31 ppm 1,67 mg TCE/m µg TCE/m 3 Kulrør 990 µg TCE/m 3

21 PCE Målinger cm -1 Measured absorbance in 36 m cell: at cm -1 Equivalent to a PCE concentration of: 10.3 ppm 70 mg PCE/m µg PCE/m 3 Kulrør: µg PCE/m 3

22 Resultat Forsøgsopstillingen er etableret Absorptionsspektrene for TCE og PCE er klart adskilt spektralt meget lille fejlsignal fra en gas til den anden. Ved høje koncentrationer haves et tydeligt signal, som kan omsættes direkte til en koncentration.

23 Det videre forløb - Støjkilder Målingerne viser to forskellige støjkilder med forskellig responstid: Dels noget forholdsvist højfrekvent, men med en relativ lav amplitude. Dette støjbidrag kan let udjævnes ved at tage gennemsnittet af en række målinger. Dels ses en langsom oscillation (30 60 sekunder i tid) i det målte signal. Kilden til denne oscillation er endnu ikke kendt, men det er formentlig en termoregulering som ikke kører optimalt. Dette sætter pt. grænsen for hvor små koncentrationer / nøjagtigheden for målingerne.

24 Det videre forløb bedre nøjagtighed Når kilden til den langsomme oscillation er fundet og forhåbentlig afhjulpet, forventes det at vi kan måle med en opløsning / nøjagtighed bedre end 0.1 ppm (678 µg PCE/m 3 og 537 µg TCE/m 3 ) selv på korte måletider (minutter). Der arbejdes på at forbedre målingerne yderligere vha. et reference signal. Dette er forsøgt implementeret, men virker endnu ikke tilfredsstillende. Dette forventes at forbedre signal støj forholdet yderlige.

25 Videre forløb bedre nøjagtighed Endelig kan signal støj forholdet forventeligt forbedres yderligere ved brug af et bedre kamera Generel optimering af hele systemet, således at vi forventeligt kommer ned på en følsomhed på ~10 ere ppb (70 µg PCE/m 3 og 55 µg PCE/m 3 )

26 Det videre forløb forskel ml. kulrør og IR-måler Det skal undersøges hvorfor vi måler koncentrationer som er ca. 1.5 gange højere end de med kulrørsmetoden fundne for både TCE og PCE

27 Hør om de næste resultater på AquaConSoil i juni i København Er støjkilder mindsket, så der opnås bedre nøjagtighed? Virker metoden også ved lave koncentrationer? Er opstillingen blevet flytbar? Resultater fra målinger på testgrund Vil ændringer i forsøgsopstilling medføre samme indhold som hvis prøver er udtaget på kulrør?