Messen, kalibrieren, vertrauen
Können günstige Sensoren mit amtlicher Messtechnik mithalten? Dieses Kapitel zeigt, was die Module messen, wie sie danebenliegen können und wie der Abgleich mit Referenzstationen funktioniert – inklusive der Fallstricke.
Low-Cost-Sensoren ermöglichen dezentrale Messungen zu einem Bruchteil der Kosten offizieller Messstationen. Doch ihre Messwerte sind nicht ohne Weiteres vergleichbar – weder untereinander noch mit Referenzmessungen. Vertrauen in die Daten entsteht erst durch Evaluation und Kalibrierung.
Was gemessen wird – Messgrößen & Verlässlichkeit #
Die Sensor-Module erfassen mehrere Umweltparameter gleichzeitig, im Messintervall von fünf Minuten. Nicht jede Messgröße ist gleich verlässlich:
Warum kalibrieren #
Low-Cost-Sensoren weisen gegenüber professionellen Messgeräten mehrere Einschränkungen auf:
- Serienstreuung: Sensoren desselben Typs liefern unterschiedliche Werte
- Drift: Messwerte verändern sich über die Zeit
- Umwelteinflüsse: Temperatur und Luftfeuchtigkeit beeinflussen die Messung
- Rauschen: Zufällige Schwankungen überlagern das Signal
Ohne Kalibrierung kann ein Sensor systematisch zu hoch messen, ein anderer zu niedrig – obwohl beide am selben Ort stehen. Die Kalibrierung ermittelt für jeden einzelnen Sensor individuelle Korrekturparameter.
Das Co-Location-Verfahren #
Beim Co-Location-Verfahren werden die zu kalibrierenden Sensoren am selben Ort wie eine offizielle Referenzmessstation platziert. Über einen längeren Zeitraum messen beide Systeme parallel dieselbe Luft. Aus dem Vergleich der Messwerte lassen sich Korrekturparameter ableiten.
Vorteile des Verfahrens:
- Messung unter realen Bedingungen mit Wetterschwankungen
- Direkter Vergleich mit validierten Referenzdaten
- Erfassung verschiedener Schadstoffkonzentrationen über den Messzeitraum
Für die Kalibrierung kooperierte SensEm mit dem HLNUG (Hessisches Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie) in Wiesbaden und dem BLUME (Berliner Luftgütemessnetz) in Berlin.
Die Kalibrierstation #
Für die Kalibrierung wurde eine eigene Station entwickelt:
- Platz für 16 Sensor-Module gleichzeitig
- Eigene LoRaWAN-Konnektivität
- Wetterfestes Gehäuse
- Zur Platzierung auf dem Gelände offizieller Referenzmessstationen
Die Station wurde über den gesamten Projektzeitraum für die initiale Kalibrierung aller Sensoren eingesetzt. Jedes Modul durchlief vor dem ersten Feldeinsatz eine mehrwöchige Kalibrierphase.
Der Kalibrierungsprozess #
Der Ablauf folgt einem standardisierten Prozess:
- Die Sensor-Module werden in der Kalibrierstation installiert
- Parallele Messung über mehrere Tage bis Wochen
- Zusammenführung von Sensor- und Referenzdaten
- Berechnung individueller Korrekturparameter mittels multivariater Regression
- Anwendung der Korrektur im Backend
Die multivariate Regression berücksichtigt nicht nur den Zusammenhang zwischen Sensorwert und Referenzwert, sondern auch den Einfluss von Temperatur und Luftfeuchtigkeit.
Die Scheinkorrelations-Falle #
Drift & Nachkalibrierung #
Sensoren verändern sich über die Zeit durch Alterung, Verschmutzung und wechselnde Umweltbedingungen. Die initiale Kalibrierung verliert dadurch an Gültigkeit.
Um häufige Zwischenkalibrierungen zu ermöglichen, wurde ein vereinfachtes Kalibriergestell entwickelt, das 14 Sensormodule aufnimmt und von den Teilnehmenden selbst gehandhabt werden kann.
In der dritten Fallstudie wurden gemeinschaftliche Kalibriersessions an der BLUME-Referenzmessstation etabliert. Diese dienten mehreren Zwecken:
- Technische Zwischenkalibrierung der Sensoren
- Sensibilisierung der Teilnehmenden für messtechnische Aspekte
- Verständnis für Grenzen und Einflussfaktoren
- Gemeinschaftsbildung während der langen Messphase
Sensor-Evaluation #
Vor dem Einsatz in den Fallstudien wurden verschiedene Sensortypen systematisch getestet, um die geeignetsten auszuwählen.
Evaluierungsstation #
S&V entwickelte eine dedizierte Messstation für die Evaluierung:
- Wetterfestes Gehäuse für Außeneinsatz
- Eigene Stromversorgung und Funkdatenanbindung
- Integrierter Mikrocomputer für autonomen Betrieb über mehrere Wochen
- Hardwareschnittstellen für verschiedene Sensortypen
Die Station wurde mehrfach für jeweils drei bis sechs Wochen auf der Referenzmessstation Wiesbaden-Ringkirche installiert. Eine eigens entwickelte Analysesoftware verglich die Messwerte mit den offiziellen Daten und quantifizierte Korrelation, systematische Abweichungen und statistische Fehler.
Ergebnisse #
Zu Beginn lag der Fokus auf NO₂-Sensoren, da Stickstoffdioxid ein wichtiger verkehrsbedingter Schadstoff ist. Die initialen Ergebnisse zeigten jedoch erhebliche Diskrepanzen zur Referenz. Trotz intensiver Optimierungsversuche in Zusammenarbeit mit einem deutschen Sensorhersteller erreichte keiner der getesteten NO₂-Sensoren bis Februar 2024 eine ausreichende Präzision für umweltwissenschaftliche Messungen.
Da die NO₂-Sensoren die Anforderungen nicht erfüllten, wurden zusätzlich sieben gängige Feinstaubsensoren evaluiert. Diese zeigten deutlich bessere Ergebnisse. Nach Bewertung von Genauigkeit, Preis und Verfügbarkeit wurde der Sensirion SPS30 ausgewählt. Welche Bauteile daraus im Modul verbaut wurden, steht unter Das Sensor-Modul .
Was die Behörden fordern #
Gespräche mit dem Berliner Luftgütemessnetz (BLUME) und dem HLNUG ergaben klare Kriterien für die Nutzbarkeit von Citizen-Sensing-Daten:
- Bekannte und dokumentierte Limitationen der Messgeräte
- Saubere Dokumentation der Standorte und Rahmenbedingungen
- Nachvollziehbare Kalibrierung
Unter diesen Voraussetzungen können die Daten als Orientierungsmessungen dienen – nicht als Ersatz für offizielle Messungen, aber als wertvolle Ergänzung mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung.