Měřicí Technika Ovzduší: Typy a Metody

V poválečném období byla pozornost věnována přednostně obnově hospodářství poničeného válkou a péče o kvalitu ovzduší byla druhořadou záležitostí. Důsledky bezohledného rozvoje těžkého průmyslu se začaly projevovat již v druhé polovině padesátých let. Situaci dále zhoršila výstavba hnědouhelných elektráren v Podkrušnohoří.

Historie Monitoringu Kvality Ovzduší v České Republice

Hlavním garantem sledování imisní situace byla v tomto období hygienická služba. V roce 1967 bylo zřízeno Ministerstvo lesního a vodního hospodářství (MLVH), do jehož gesce přešlo i řízení kvality ovzduší. Hydrometeorologický ústav (HMÚ) se stal odbornou základnou rezortu MLVH v oboru čistoty ovzduší. Z Ústavu hygieny a hygienické služby přešlo v roce 1968 do HMÚ několik pracovníků pod vedením Dr. B. Böhma. HMÚ se stal koordinačním pracovištěm výzkumných úkolů v oboru ochrany čistoty ovzduší, na kterých se podíleli odborníci z desítek spolupracujících organizací.

Jedním z prvních výzkumných úkolů byl „Výzkum rozptylu škodlivin v atmosféře se zřetelem k zabezpečení čistoty ovzduší“ (1968-1970). V jeho rámci byla vybudována síť stanic pro měření koncentrací oxidu siřičitého a prachu v tehdejším Severočeském kraji. V průběhu dalších let se monitorovací síť rozšiřovala do dalších regionů a postupně se rozšiřoval i monitorovací program.

V souvislosti se společenskými změnami a převedením Českého hydrometeorologického ústavu (ČHMÚ) do působnosti Ministerstva životního prostředí byla složka ochrany čistoty ovzduší posílena. Po návratu k oborové struktuře ČHMÚ počátkem devadesátých let vznikl samostatný úsek ochrany čistoty ovzduší. V tomto období byla vybudována i celostátní automatizovaná síť sledování kvality ovzduší, zaměřená především na monitoring koncentrací oxidu siřičitého, prachu a oxidů dusíku. Koncem devadesátých let byly velké zdroje na území České republiky odsířeny a klesly též emise prachových částic. Pozornost se začala přesouvat na sledování jemných prachových částic PM10 a ozonu.

Velkou změnu v sledování kvality ovzduší znamenalo přijetí Směrnice EU 2009/50/ES, která přikazuje sledovat kvalitu ovzduší pouze v sítích akreditovaných podle EN ISO 17025:2005. Imisní monitoring a Kalibrační laboratoř imisí ČHMÚ splnily tento požadavek s několikaletým předstihem a v současné době dosahuje kvalita jejich práce (i přes nepříznivé podmínky) evropských standardů.

Čtěte také: Analýzy ovzduší Karlín

Vzhledem k tomu, že technika nasazená v monitorovací síti nemohla být kvůli dlouhodobému krácení rozpočtu ústavu v uplynulých letech obměňována, stojí ústav před nelehkým úkolem inovovat během následujících tří let prakticky celou monitorovací síť.

Státní Imisní Síť (SIS)

Český hydrometeorologický ústav byl Ministerstvem životního prostředí ČR pověřen, aby koordinoval sledování a hodnocení kvality ovzduší na území České republiky (viz Opatření MŽP ČR č. 3/04). Základem pro hodnocení kvality ovzduší na území České republiky jsou informace získávané v rámci Státní imisní sítě (SIS). Tato síť je v souladu s § 6 odst. 8 zákona č. 86/2002 Sb., o ochraně ovzduší (v platném znění) zaměřena na zajištění sledování kvality ovzduší na celém území ČR, a zejména v oblastech se zhoršenou kvalitou ovzduší. Monitorovány jsou především ty znečišťující látky, pro které jsou stanoveny imisní limity. Klasifikace měřicích stanic vychází z umístění a reprezentativnosti monitorovacích stanic. Naměřené koncentrace jsou archivovány v Informačním systému kvality ovzduší (ISKO) a dále zpracovávány analytickými a statistickými metodami.

Směrnice Evropské unie pro kvalitu ovzduší, ze kterých vychází i česká právní úprava, požadují po členských státech, aby svá území rozdělily do zón a aglomerací, přičemž zóny jsou chápány především jako základní jednotky pro řízení kvality ovzduší. Směrnice pak specifikují zejména požadavky na posuzování - klasifikaci - zón z hlediska kvality ovzduší.

Zákon o ochraně ovzduší 86/2002 Sb. v platném znění tuto problematiku řeší v § 7, týkajícím se zvláštní ochrany ovzduší. V odstavci 1 zavádí pojem „oblasti se zhoršenou kvalitou ovzduší“ (OZKO) jako území v rámci zóny nebo aglomerace, kde je překročena hodnota imisního limitu u jedné nebo více znečišťujících látek. Vymezení zón a aglomerací je jedním z úkolů, které na základě pověření Ministerstva životního prostředí ČHMÚ vykonává.

Páteří státní imisní sítě jsou automatizované stanice, které poskytují informace o kvalitě ovzduší v reálném čase. Na území republiky jsou rozmístěny tak, aby co nejlépe postihly variabilitu polí koncentrací na území celého státu. Automatizovaný měřicí program je zaměřen především na sledování koncentrací ozonu, oxidu dusičitého, prachových částic PM10 a jemných prachových částic PM2,5, dále koncentrací oxidu uhelnatého, oxidu siřičitého a benzenu.

Čtěte také: Měření emisí ovzduší: Jak to funguje?

Údaje z automatických stanic jsou doplňovány informacemi z manuálních stanic. V rámci manuálního programu jsou na měřicích lokalitách odebírány vzorky ovzduší, eventuálně srážek, které jsou pak analyzovány v laboratořích. Provoz SIS je zajišťován v souladu s národní legislativou a směrnicemi EU.

Měření Koncentrace Oxidu Uhličitého (CO2)

Příspěvek popisuje vlastnosti oxidu uhličitého a možnosti jeho měření. Měření koncentrace oxidu uhličitého v ovzduší se provádí zejména za účelem řízení kvality vnitřního vzduchu, za účelem zajištění podmínek hygieny a bezpečnosti práce a za účelem řízení technologických parametrů v průmyslových procesech. Kvalita ovzduší v místnostech má významný vliv na pracovní pohodu a udržení pozornosti osob. Jedním z možných důvodů měření koncentrace CO2 v místnostech je získání informace pro efektivní řízení větrání. Požadavky na přístroje pro měření koncentrace CO2 ve vnitřním prostředí nejsou vysoké.

Pro zajištění podmínek hygieny a bezpečnosti práce je z hlediska výskytu CO2 nutné dodržovat zákonné limitní koncentrace na pracovištích, a to zejména na místech, kde se při výrobě používají suroviny, provozní prostředky a postupy, které s sebou nesou riziko vzniku vyšších koncentrací CO2. Zvláštním oborem bezpečnostního měření se zvýšeným rizikem jsou stísněné prostory, kde může dojít vlivem CO2 ke vzniku nedýchatelné, životu nebezpečné atmosféry. Jelikož průmyslové aplikace bývají doprovázeny náročnými okolními podmínkami, jako jsou prašnost, vysoké i nízké teploty, vlhkost, působení chemických látek, vibrace, je účelem větrání často ochrana zdraví. Při volbě měřicích přístrojů je nutné posoudit rizika a zvolit odpovídající technickou úroveň měřicí techniky. Požadované měřicí rozsahy v průmyslových aplikacích bývají obvykle nejméně do 5 % obj.

Oxid uhličitý (CO2) je bezbarvý plyn, bez zápachu, 1,52× těžší než vzduch. Za mezní hodnoty z hlediska kvality vnitřního ovzduší se považují koncentrace CO2 do 1 500 ppm. Koncentrace nad 1000 ppm mohou být individuálně vnímány jako tzv. Limitní koncentrace CO2 na pracovišti z hlediska činnosti lidského organismu stanovuje nařízení vlády č. 361/2007 Sb. Vystavení organismu vyšším koncentracím CO2 se již považuje za zdraví, resp. životu nebezpečné a nelze podle nich navrhovat komfortní větrací zařízení. Vysoké koncentrace CO2 nad 6 % obj. vedou při delší expozici k silným bolestem hlavy, zvýšení krevního tlaku, hučení v uších a pocitům nevolnosti; při koncentracích nad 10 % obj. CO2 se mohou dostavit epileptické křeče, svalové poruchy, pokles krevního tlaku a bezvědomí s nebezpečím udušení; koncentrace nad 18 % obj. CO2 způsobují krátká ochrnutí a poruchy vědomí, které již mohou mít smrtelné následky; 40 % obj.

Člověk produkuje CO2 při dýchání v množství, které je závislé na charakteru fyzické činnosti. Vydechovaný vzduch obsahuje cca 4 % obj. CO2 patří mezi tzv. skleníkové plyny. Celosvětové emise v současné době překračují 30 miliard tun CO2.

Čtěte také: Vše o měřicích stanicích ovzduší

Měřicí Metody CO2

1. Detekční Trubičky

Měření se provádí tak, že se detekční trubičkou pomocí mechanické nebo elektrické pumpy prosaje definovaný objem vzduchu, přičemž dojde vlivem chemické reakce detekční vrstvy trubičky s CO2 k jejímu zabarvení. Délka zabarvení detekční vrstvy odpovídá koncentraci CO2. Zvláštním druhem detekčních trubiček jsou difuzní trubičky, které pracují bez prosávací pumpy a měří průměrnou koncentraci CO2 za časový úsek několika hodin.

Detekční trubičky byly v minulosti prakticky jediným upotřebitelným zařízením pro terénní měření koncentrace plynů. Postupem vývoje měřicích metod přenosných elektronických přístrojů význam trubiček částečně klesá, nicméně v řadě aplikací zůstávají technicky i ekonomicky nejvhodnější metodou měření. Jednou z výhod detekčních trubiček je, že se dodávají v provedeních pro široké spektrum měřicích rozsahů.

2. Přenosné Elektronické Přístroje

Tyto přístroje pracují obvykle kontinuálně a aktuální měřenou koncentraci obvykle zobrazují v číselné podobě na displeji. Měřený signál předávají ve standardních analogových veličinách nebo komunikačních protokolech do informačních či řídicích systémů klimatizace.

2.1 IR Senzory

Senzor pracuje na základě absorpce části IR spektra v molekulách CO2. Měřítkem koncentrace je zeslabení intenzity infračerveného záření určité vlnové délky, které převádí detekční prvek - pyrodetektor na elektrický signál. Tento princip představuje nejlepší výsledky měření, vyznačuje se selektivitou, dlouhodobou stabilitou a dlouhou životností. Postupem vývoje byly ze senzorů využívajících vlastností IR spektra eliminovány citlivé pohyblivé součásti, tlakové senzory byly nahrazeny pyrodetektory s přesnými filtry a současné kvalitní senzory zpravidla obsahují plnohodnotné kompenzační prvky.

Jistým limitujícím faktorem měřicích vlastností IR senzorů je skutečnost, že vyšší koncentrace CO2 vedou k tzv. „oslepnutí“ senzoru. Více molekul je schopno pohltit prakticky veškeré IR záření sledovaných vlnových délek, což se projeví na úbytku kvality měřicího signálu v oblasti vyšších měřicích rozsahů.

2.2 Elektrochemické Senzory

Senzor vytváří měřicí signál úměrný koncentraci sledovaného plynu, který vzniká reakcí molekul sledovaného plynu s elektrolytem, uzavřeným v těle senzoru. Materiál elektrod, elektrolyt i napětí mezi elektrodami jsou zvoleny tak, aby na měřicí elektrodě docházelo k elektrochemické reakci doprovázené vznikem volných elektronů. Dobré měřicí vlastnosti elektrochemického senzoru doprovází v případě CO2 nevýhoda poměrně krátké životnosti senzoru, která je cca 1 až 2 roky. Rychlejší stárnutí senzorů je způsobeno chemickými změnami vedoucími k postupnému vyčerpání elektrolytu. Pro zachování přesnosti měření je nutné změny citlivosti senzoru kompenzovat novou kalibrací. Zatímco se přesnost měření bezprostředně po kalibraci pohybuje v rozmezí ±5 %, mohou chyby měření již po 1 až 3 měsících přesahovat 20 %.

2.3 Polovodičové Senzory

Jedná se o nejlevnější řešení, avšak jeho měřicí vlastnosti nejsou použitelné pro určování exaktní koncentrace CO2. Měření koncentrace je založeno na změně vodivosti polovodiče za přítomnosti cílového plynu. Použitelnými materiály jsou zejména oxidy kovů (např. oxidy zinku, cínu, wolframu, india). Polovodičové senzory nejsou využitelné v bezpečnostních průmyslových aplikacích. Doménou polovodičových senzorů je, díky jejich výhodné ceně a dlouhodobé životnosti senzorů v čistém prostředí, komerční a domovní technika. V oboru senzorů pro klimatizaci a větrání jsou na trhu řešení, která potlačují některé omezující vlastnosti. Přístroje pracují například tak, že jejich elektronika po každém ukončeném cyklu větrání automaticky posune výchozí hodnotu kalibrace na aktuální měřicí signál, který se v daný okamžik považuje za hodnotu odpovídající čistému vzduchu.

Příklady Přístrojů pro Měření CO2

Příklady přenosných přístrojů pro měření koncentrace CO2 jsou uvedeny na obr. 7. Na obr. 8 jsou ilustrace příkladů přístrojů pro stacionární použití. Lze je provozovat jako samostatné přístroje se zobrazením měřených hodnot, případně s podobnými funkcemi, jako přenosné přístroje, nebo jako prvky rozsáhlých systémů, které spolupracují s řídicím systémem budovy.

Volba Měřicí Techniky

Měření koncentrace plynů neprobíhá přímým způsobem. K vygenerování upotřebitelného měřicího signálu musí senzory využívat a kombinovat více fyzikálních a chemických principů. Tato složitá cesta způsobuje technická omezení měřicích rozsahů, rychlostí odezvy, přesnosti a požadavků na provozní podmínky. Volba přístrojů pro měření koncentrace CO2 by měla vždy vycházet ze zhodnocení charakteru aplikace a účelu použití. Pokud je účelem občasné měření nebo měření pro kontrolní účely, mohou být vhodnou volbou detekční trubičky. Pro frekventovanější měření a osobní bezpečnostní aplikace lze doporučit přenosné přístroje s IR nebo elektrochemickými senzory. Upřednostňovanou volbou pro stacionární bezpečnostní komerční a průmyslové aplikace by měly být přístroje s IR senzory připojené na měřicí ústřednu. Pro aplikace řízení větrání a klimatizace v budovách je podle nároků na kvalitu měřené hodnoty vhodné volit přístroje s IR senzory nebo ekonomicky výhodnější přístroje s polovodičovými senzory.

Správný výběr a nasazení techniky pro měření plynů je vždy potřebné doplnit o procesy, které zajistí provozuschopnost a funkčnost přístrojů. Standardním postupem je pravidelná kontrola a kalibrace přístrojů odborným servisním personálem, která by se měla provádět minimálně jedenkrát za rok. Přístroje používané v bezpečnostních aplikacích se navíc obvykle testují v kratších intervalech. Funkční zkouška, tzv. bump-test, spočívá v aplikaci cílového plynu o známém složení na senzor a sledování správné odezvy přístroje, případně celého měřicího systému. Bezpečnostní manažeři v průmyslových podnicích stále častěji vyžadují provedení funkční zkoušky před každým nasazením přístroje.

Tabulka: Srovnání Měřicích Metod CO2

Literatura

• [1] JESSEL, W. Gase-Dämpfe-Gasmesstechnik. Lübeck: Dräger Safety AG & Co. KGaA, 2001.
• [2] DrägerSensor® & Portable Instruments Handbook.
• [3] Drägerwerk AG. Technické materiály [online]. 2014.
• [4] MSR Electronic. Technické materiály. Basics of gas measuring technique [online]. 2014.
• [5] Nařízení vlády č. 361/2007 Sb.
• [6] ČSN EN ISO 16000-26. Vnitřní ovzduší - Část 26: Postup odběru vzorků při stanovení oxidu uhličitého (CO2).
• [7] National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH).
• [8] World Meteorological Organization . A summary of current climate change findings and figures. Wmo.int [online]. November 2013.

tags: #měřicí #technika #ovzduší #typy

Oblíbené příspěvky:

• Emisní limity v ČR
• Možnosti recyklace
• Současné trendy v recyklaci
• Výstaviště Louny: Člověk v přírodě
• Možnosti recyklace ve Zlíně