Kalibrierlabor

Kalibrierlabor

8. Juni 2022

Zur Durchführung von kontinuierlichen Messungen an Stationen des MPI-BGC Messnetzes oder wenn experimentelle Untersuchungen solche Messungen beinhalten, werden Referenzgase benötigt, mit denen die jeweils eingesetzten Analysatoren kalibriert werden können.

Kompressoranlage

Zur Herstellung dieser Referenzgase betreibt das BGC-GasLab eine Anlage zur Befüllung von Druckgasflaschen mit Luft, die vom Institutsdach angesaugt wird. Die Anlage besteht aus einem ölfreien Kompressor (Rix Sweet Air 6A 5-L), einem Trocknungssystem mit dem ein Taupunkt von mindestens - 60 °C erreicht wird, einem Nullluftgenerator sowie einer Reihe von Kartuschen, die mit spezifischen Sorbentien oder Katalysatoren gefüllt sind.

Die einströmende Luft wird mit einer Dreifachkartusche, die mit wasserfreiem Magnesiumperchlorat gefüllt ist, getrocknet. Jede einzelne Kartusche des Multi-Trap-Systems kann optional in Reihe geschaltet werden, um eine oder mehrere Spezies aus der atmosphärischen Luft abzureichern und so Luftgemische mit geringeren Konzentrationen dieser Spurengase zu erzeugen. Eine Abreicherung ist möglich für CO2 und N2O durch Einsatz von Molekularsieb 5A, CH4 durch Ansaugung mit vorgeschaltetem Nullluftgenerator, CO und H2 durch Oxidation mit Sofnocat 423 und 514, und SF6 mit Molekularsieb 13X.

Anpassung der Gaszusammensetzung

Um die Bandbreite der möglichen Konzentrationen der zu messenden Gase an den Stationen oder im Experiment abzudecken, ist in der Regel der Einsatz von mehreren Referenzgasen erforderlich, die diesen erwarteten Bereich umfassen. Hierfür wird die Zusammensetzung der Luft in den mit dem Kompressor befüllten Druckgasflaschen zunächste analysiert und dann jeweils berechnete Mengen an reinen Gasen oder Vorverdünnungen (CO2, CH4, N2O, CO, H2, SF6, O2) zugesetzt, um eine Gasmischung mit den benötigten Konzentrationen der Spurengase von Interesse zu erhalten. Nach Kontrolle durch eine Messung erfolgt dies gegebenenfalls in mehreren Schritten.

Kalibrierung von Referenzgasen

Die Durchführung der Kalibrierung von CO2 und CH4 Konzentrationen in Referenzgasen erfolgt mit einem laser-spektroskopischen Analysator (Picarro G2301). CO wird mit einem Vakuum-UV-Fluoreszenz Detektor (Aerolaser 5001) gemessen, N2O und SF6 mit einem Gaschromatografen mit Elektroneinfangdetektor (Agilent 6890 ECD) sowie H2 mit einem Gaschromatografen mit einem Pulsed Discharge Detektor (Valco HP2).

Alle Detektionsprinzipien beruhen darin, dass ein physikalisches Signal sehr präzise gemessen wird. Ein wesentlicher Teil der Messung ist die genaue Ermittlung des Zusammenhangs zwischen Konzen­tration des Analyten und der Signalgröße. Hierfür werden Vergleichsmessungen von Referenzgasen bekannter Zusammensetzung und Proben durchgeführt. Die Genauigkeit der Kenntnis der Gaskonzentration in diesen Referenzgasen ist eine der wesentlichen Limitierungen der Messgenauigkeit. Eine perfekte Richtigkeit der absoluten Konzentrationswerte ist für die meisten wissenschaftlichen Fragen aber nicht ausschlaggebend - entscheidend ist vielmehr, dass alle Messdaten eines Messnetzes in sich, zwischen verschiedenen globalen Messnetzen und über viele Jahrzehnte hinweg in sehr hohem Maß konsistent sind. Dies wird erreicht, indem es weltweit ein von der WMO anerkanntes zentrales Kalibrierlabor gibt.

Dieses Labor hat für einen Satz an primären Referenzmaterialien die Konzentrationswerte sehr genau ermittelt und gewährleistet darüber die metrologische Rückführbarkeit auf die physikalischen Grundeinheiten des Internationalen Einheitensystems (SI). Diese primären Referenzstandards decken jeweils einen Konzentrationsbereich ab, der für das jeweilige Spurengas in der Atmosphäre vorkommt, und werden als Kalibrierskala bezeichnet. Alle Messungen, die im Rahmen des WMO Global Atmosphere Watch Programms gemacht werden, sind an diese Skalen angebunden. Das Vape Verde Observatorium, das vom MPI-BGC aufgebaut wurde und betrieben wird, ist eine der GAW Global Stationen.

Die Grundlage für das genaue Einmessen der vom BGC-GasLab hergestellten Standardgase bilden eine Reihe von Referenzgasen (s. Tabelle 5 im MPI-BGC Flask Report), die vom internationalen Zentrallabor kalibriert wurden. Durch wiederholte Vergleichsmessungen relativ zu diesen BGC-WMO-Referenzstandards werden die Konzentrationen von CO2 und CH4 bzw. CO in weiteren Referenzgasen sehr genau bestimmt, die als Laborstandards für die tägliche Kalibrierung der im BGC-Kalibrierlabor verwendeten spektroskopischen Messgeräte eingesetzt werden. Die Kennlinien der gaschromatografischen Detektoren, die nicht alle eine strenge Proportionalität zwischen Signal und Spurengasgehalt im Gas aufweisen, werden etwa alle zwei Monate mit dem gesamten Satz an WMO-Referenzgasen neu bestimmt.

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