Dezember 2016 DEUTSCHE NORM Preisgruppe 14 DIN Deutsches Institut für Normung e. V. · Jede Art der Vervielfältigung, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des DIN Deutsches Institut für Normung e. V., Berlin, gestattet. ICS 13.030.10 !%]wO" 2588444 www.din.de DIN 19698-2 Untersuchung von Feststoffen – Probenahme von festen und stichfesten Materialien – Teil 2: Anleitung für die Entnahme von Proben zur integralen Charakterisierung von Haufwerken Characterization of solids – Sampling of solid and semi-solid materials – Part 2: Guidance for taking samples of stockpiles for integral characterisation Caractérisation des matiéres solides – Èchantillonnage de matériaux solides et semi-solides – Partie 2: Guide pour l’échantillonnage © Alleinverkauf der Normen durch Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin www.beuth.de Gesamtumfang 32 Seiten D DIN-Normenausschuss Wasserwesen (NAW) Normen-Download-Beuth-LGA Institut für Umweltgeologie und Altlasten GmbH-KdNr.7493104-LfNr.8221365001-2017-12-21 15:40 DIN 19698-2:2016-12 2 Inhalt Seite Vorwort ...................................................................................................................................................................................... 3 Einleitung .................................................................................................................................................................................. 4 1 Anwendungsbereich ............................................................................................................................................... 5 2 Normative Verweisungen ..................................................................................................................................... 5 3 Begriffe ........................................................................................................................................................................ 5 4 Symbole und Abkürzungen .................................................................................................................................. 6 5 Grundlagen................................................................................................................................................................. 8 6 Probenahmestrategie ............................................................................................................................................ 9 6.1 Allgemeines ............................................................................................................................................................... 9 6.2 Probenahmeplan ................................................................................................................................................... 10 6.3 Mindestanzahl an Einzel- und Laborproben................................................................................................ 11 6.3.1 Mindestzahl der Einzel- und Laborproben für den Fall bekannter Streuungen ............................ 11 6.3.2 Mindestzahl der Einzel- und Laborproben für den Fall unbekannter Streuungen ....................... 14 6.4 Mindestgröße der Einzel- und Laborproben ............................................................................................... 15 6.5 Probenahme bei einer Korngröße > 120 mm ............................................................................................. 16 7 Durchführung der Probenahme ....................................................................................................................... 17 7.1 Allgemeines ............................................................................................................................................................. 17 7.2 Volumen-/Massenbestimmung ........................................................................................................................ 17 7.3 Ermittlung des Größtkorns ................................................................................................................................ 17 7.4 Vorgehensweise bei der Probenahme ........................................................................................................... 17 7.4.1 Allgemeines ............................................................................................................................................................. 17 7.4.2 Probenahme aus Haufwerken .......................................................................................................................... 18 Anhang A (informativ) Theoretischer Hintergrund für das Verfahren mit bekannten Streuungen ............................................................................................................................................................... 19 Anhang B (informativ) Theoretischer Hintergrund für das Verfahren bei unbekannten Streuungen ............................................................................................................................................................... 21 Anhang C (informativ) Erläuterungen zu den Repräsentativitätskriterien .................................................. 24 Anhang D (informativ) Praktischer Nachweis der repräsentativen Probenahme ...................................... 28 D.1 Allgemeines ............................................................................................................................................................. 28 D.2 Beispiel der Berechnung auf Repräsentativität der Probenahme ...................................................... 30 Literaturhinweise ................................................................................................................................................................. 32 Normen-Download-Beuth-LGA Institut für Umweltgeologie und Altlasten GmbH-KdNr.7493104-LfNr.8221365001-2017-12-21 15:40 DIN 19698-2:2016-12 3 Vorwort Dieses Dokument wurde vom Unterausschuss NA 119-01-02-01 UA „Probennahme“ des Normenausschusses Wasserwesen (NAW) im DIN Deutsches Institut für Normung e. V. erarbeitet. Es wird auf die Möglichkeit hingewiesen, dass einige Elemente dieses Dokuments Patenrechte berühren können. DIN ist nicht dafür verantwortlich, einige oder alle diesbezüglichen Patentrechte zu identifizieren. Feststoffe können in der Regel nicht in ihrer gesamten Grundmenge auf physikalische, chemische und biologische Parameter untersucht werden. Daher geht notwendigerweise jeweils eine Probenahme voraus, die zu einer Massenreduktion führt. Die Proben sollen die originale Zusammensetzung der Grundmenge so exakt wie möglich abbilden. Die Teile 1 und 2 behandeln die Probenahme aus Haufwerken. Die darin dargestellten statistischen Modelle können auch auf die anderen Teile der Normenreihe angewandt werden. Weitere Teile für die Probenahme, z. B. die Hot-Spot-Beprobung, Beprobung von Stoffströmen (z. B. Probenahme aus bewegten Materialien), aus Behältern oder Big Bags, aus Transportfahrzeugen, In-situ- Beprobung (z. B. Linienbauwerke), sind in Vorbereitung. Normen-Download-Beuth-LGA Institut für Umweltgeologie und Altlasten GmbH-KdNr.7493104-LfNr.8221365001-2017-12-21 15:40 DIN 19698-2:2016-12 4 Einleitung Dieser Teil der Normenreihe DIN 19698 beschreibt eine Strategie zur Probenahme aus Haufwerken, bei der die Kenntnis einer durchschnittlichen stofflichen Zusammensetzung für eine Beurteilung ausreichend ist. Wesentliches Merkmal der hier beschriebenen Strategie ist die Bildung von unabhängigen und homogenisierten „Mischproben", die das gesamte Haufwerk repräsentieren. Aus diesen werden anschließend die Laborproben (eine je Mischprobe) entnommen. Diese Vorgehensweise wird als „integrale Charakterisierung“ bezeichnet. Hierzu werden statistische Verfahren aus der Probenahmetheorie [5 bis 8] angewendet, die auch zur praktischen Überprüfung der Repräsentativität der Probenahme geeignet sind. Resultate sind die Vorgabe der Zahl der zu entnehmenden Einzelproben und der Zahl der zu untersuchenden Laborproben. Je nach vorliegenden Informationen werden zwei verschiedene Vorgehensweisen beschrieben. a) Sind die Streuungen der Probenahme und der Analyse bekannt und wird eine angemessene, tolerierbare Unsicherheit gewählt, dann kann die Anzahl sowohl der zu entnehmenden Einzelproben als auch der zu untersuchenden Laborproben berechnet und damit ein statistisch eingegrenzter Gesamtmittelwert des interessierenden Merkmals ermittelt werden. b) Sind diese Streuungen nicht bekannt, wird anhand eines konventionell vorgegebenen (Heterogenitäts-) Verhältnisses von Probenahmestreuung zur Analysenstreuung die Anzahl der Einzelproben als auch der zu untersuchenden Laborproben berechnet. Bei diesem Ansatz kann eine tolerierbare Unsicherheit nicht vorgegeben werden. Für die Festlegung der erforderlichen Zahl an Einzel-, Misch- und Laborproben in Abhängigkeit vom Volumen der jeweiligen Grundmenge, sind im Zuge der Planung und Durchführung einer Haufwerksbeprobung im Sinne dieser Norm, in erster Linie die Formeln (3) und (6) sowie die Tabellen 1 und 2 maßgeblich. Normen-Download-Beuth-LGA Institut für Umweltgeologie und Altlasten GmbH-KdNr.7493104-LfNr.8221365001-2017-12-21 15:40 DIN 19698-2:2016-12 5 1 Anwendungsbereich Dieser Teil der Norm gibt eine Anleitung zur Gewinnung von Proben, die die Durchschnittseigenschaften der Grundmenge repräsentativ charakterisieren (integrale Charakterisierung) und behandelt die auf statistischen Grundlagen gegründete Herangehensweise. Dieses Dokument wird zur Entnahme von Feststoffproben (Proben von festen und stichfesten Materialien) aus Haufwerken zur Bestimmung des repräsentativen Mittelwertes angewendet, wenn: — die Durchschnittseigenschaft der Grundmenge, nicht aber die räumliche Verteilung eines Merkmals in der Grundmenge interessiert, und — aus Voruntersuchungen (z. B. bei vorseparierten Haufwerken oder bei Materialien aus Produktionsprozessen) bereits Informationen vorliegen, die eine weitestgehend gleichbleibende Zusammensetzung (wie z. B. durch gleiche Herkunft, gleiche Körnungsverteilung,) belegen. Beispielhaft zu nennen sind voruntersuchter Erdaushub, aufbereitete Bodenmaterialien, RC-Baustoffe und Gesteinskörnungen sowie mineralische Ersatzbaustoffe (MEB) aus industriellen Herstellungsprozessen. Die Regelungen der DIN 19747 sind zu beachten. Für die Untersuchung von Feststoffproben auf leichtflüchtige Substanzen gelten die Vorgaben in Abschnitt 6.3.2 der DIN 19747. 2 Normative Verweisungen Die folgenden Dokumente, die in diesem Dokument teilweise oder als Ganzes zitiert werden, sind für die Anwendung dieses Dokuments erforderlich. Bei datierten Verweisungen gilt nur die in Bezug genommene Ausgabe. Bei undatierten Verweisungen gilt die letzte Ausgabe des in Bezug genommenen Dokuments (einschließlich aller Änderungen). DIN 4124, Baugruben und Gräben — Böschungen, Verbau, Arbeitsraumbreiten DIN 19698-1:2014-05, Untersuchung von Feststoffen — Probenahme von festen und stichfesten Materialien — Teil 1: Anleitung für die segmentorientierte Entnahme von Proben aus Haufwerken DIN 19747, Untersuchung von Feststoffen — Probenvorbehandlung, -vorbereitung und -aufarbeitung für chemische, biologische und physikalische Untersuchungen DIN EN 932-2, Prüfverfahren für allgemeine Eigenschaften von Gesteinskörnungen — Teil 2: Verfahren zum Einengen von Laboratoriumsproben 3 Begriffe Für die Anwendung dieses Dokuments gelten die Begriffe nach DIN 19698-1 und die folgenden Begriffe. 3.1 Analysenprobe aus der Prüfprobe gewonnene Teilprobe, für die chemische oder physikalische Untersuchung [QUELLE: DIN 19747:2009-07, 3.1] 3.2 Bias systematische Messabweichung Schätzwert eines systematischen Messfehlers [QUELLE: ISO/IEC Guide 99:2007, 2.18] Normen-Download-Beuth-LGA Institut für Umweltgeologie und Altlasten GmbH-KdNr.7493104-LfNr.8221365001-2017-12-21 15:40 DIN 19698-2:2016-12 6 3.3 Mischprobe Probe, die durch Vereinigung und Vermischung der aus der Grundmenge entnommenen Einzelproben oder Teilmischproben entsteht und sich auf die gesamte Grundmenge bezieht 3.4 Probenahmestreuung Streuung die durch materialbedingte Variabilität der Merkmale und den Probenahmefehler verursacht wird Anmerkung 1 zum Begriff: Der Einfluss der materialbedingten Variabilität kann z. B. durch Erhöhung der Anzahl der Einzelproben minimiert werden. Anmerkung 2 zum Begriff: Fehler durch falsche Probenahme z. B. durch falsche Geometrie der Probenahmegeräte, Nicht-Einhaltung der Mindestvolumina der Einzel- oder Laborproben. Der Probenahmefehler wird im Folgenden nicht weiter betrachtet. 3.5 Prüfprobe aus der Laborprobe hergestellte Probe, von der für die Prüfung oder Analyse Prüfmengen entnommen werden [QUELLE: DIN 19747:2009-07, 3.14] 3.6 repräsentative Probe Probe, deren Eigenschaften weitestgehend den interessierenden Durchschnittseigenschaften der Gesamtmenge des Prüfgutes entsprechen [QUELLE: LAGA PN 98, S. 42] [2] 3.7 repräsentative Probenahme Probenahme, bei der in der Probe die interessierenden Merkmale mit einer Unsicherheit vorliegen, die für die Zielstellung noch tolerierbar ist oder bei der die Probenahmestreuung keinen signifikanten Einfluss auf die Gesamtstreuung besitzt 3.8 Repräsentativität Grad der Übereinstimmung von aus einer Probe mit tolerierbarer Unsicherheit 𝑈 tol ermittelten Eigenschaften mit denen der Grundmenge 3.9 Heterogenitätsverhältnis H Verhältnis von Probenahmestreuung (räumliche Variabilität) zur Analysen- und Probenvorbereitungs- streuung Anmerkung 1 zum Begriff: Kenngröße für die Heterogenität der Grundmenge. 4 Symbole und Abkürzungen Für die Anwendung dieses Dokuments gelten folgende Symbole und Abkürzungen: 𝑎 � Mittelwert der Abweichungen (= Verzerrung) A i relative Differenz zwischen dem wahren Wert 𝑐 𝑤𝑤 einer Probe i und dem wahren Wert des Gehaltes μ in der Grundmenge 𝑐 𝑤𝑤 wahrer Wert einer Probe i Normen-Download-Beuth-LGA Institut für Umweltgeologie und Altlasten GmbH-KdNr.7493104-LfNr.8221365001-2017-12-21 15:40 DIN 19698-2:2016-12 7 d j Differenz der Analysenergebnisse an der j-ten Laborprobe D 95 Durchmesser des 95-Perzentils der Korngrößenverteilung, wird als Maß für das Größtkorn benutzt E Erwartungswert H Heterogenitätsverhältnis für die gesamte Grundmenge H 0 Heterogenitätsverhältnis der Basisgröße von 30 m 3 K Erweiterungsfaktor zur Berechnung der erweiterten Unsicherheit aus der Standardunsicherheit u (in dieser Norm wird stets k = 2 gewählt, was einer ca. 95 % Wahrscheinlichkeit entspricht) MSE mittlere quadratische Abweichung (en: mean square error), Maß für die Güte der Schätzfunktion m Zahl der zu untersuchenden Misch- und Laborproben n Zahl der insgesamt zu entnehmenden Einzelproben ( n i m ) n A Mehrfachbestimmungen n i Zahl der je Mischprobe/Laborprobe zu entnehmenden Einzelproben P statistische Sicherheit r 2 mittleres Quadrat der Abweichung 𝑟 tol 2 tolerierbares mittleres Quadrat der Abweichung s A Analysenstreuung (inkl. der Probevorbereitungsstreuung) 𝑠 𝐴̅ Analysenstreuung des Mittelwertes 𝑠 A 2 Analysenvarianz (als Varianz wird das Quadrat der Streuung bezeichnet) 𝑠 𝑔𝑔𝑔 Gesamtstreuung von Probenahme und Analytik 𝑠 𝑔𝑔𝑔 2 Gesamtvarianz einer Mischprobe s i die Streuung innerhalb der Proben, identisch mit der Analysenstreuung s A s P Probenahmestreuung 𝑠 𝑃 � Probenahmestreuung des Mittelwertes; 𝑠 P 2 Probenahmevarianz 𝑠 𝑥̅ Gesamtstreuung des Mittelwertes 𝑠 𝑥̅ 2 Gesamtvarianz des Mittelwertes aller m Mischproben/Laborproben 𝑠 𝑥̅ j Streuung der Gruppenmittelwerte U erweiterte Unsicherheit ( U = k × u ) u Standardunsicherheit Normen-Download-Beuth-LGA Institut für Umweltgeologie und Altlasten GmbH-KdNr.7493104-LfNr.8221365001-2017-12-21 15:40 DIN 19698-2:2016-12 8 𝑈 MW Mittelwert der erweiterten Unsicherheit 𝑈 tol vorgegebene, maximal tolerierbare Unsicherheit 𝑈 toll-fikt fiktive maximal tolerierbare Unsicherheit V Volumen der Grundmenge V H Volumenvergrößerungsfaktor V 0 Basisgröße mit einem Volumen von 30 m³ (entspricht in etwa dem Transportvolumen eines LKW für Schüttgüter) 𝑥̅ j Mittelwert der j -ten Laborprobe 𝑥̅̅ Gesamtmittelwert μ wahrer, unbekannter Wert des Gehaltes in der Grundmenge σ Streuung der Grundgesamtheit 5 Grundlagen Auf der Grundlage von statistischen Methoden der Probenahmetheorie (s. [3] bis [6]) werden für repräsentative Proben im Sinne dieser Norm, die die Durchschnittseigenschaften widerspiegeln sollen, die Zahl der Einzelproben n (die auch aus Segmenten stammen können) und die Zahl m der unabhängigen Mischproben (mindestens zwei), für die Analytik festgelegt. Die Zahl der Mischproben entspricht dabei auch der Zahl der (zu untersuchenden) Laborproben. Die Laborproben können mehrfach n A untersucht werden (Mehrfachbestimmungen aus Parallelproben). Mehrfachbestimmungen reduzieren die Analysenstreuung des Mittelwertes. Nach abgeschlossener Probenahme ist dies die einzige Möglichkeit, die Unsicherheit noch zu verringern. Voraussetzung für eine repräsentative Probenahme ist, dass jedes Teilchen der zu untersuchenden Grundmenge die gleiche Chance hat, in die Analysenprobe zu gelangen. ANMERKUNG Das bedeutet jedoch nicht, dass auch jedes Teilchen zwingend in die Analysenprobe gelangt. Die Probenahme kann als repräsentativ angesehen werden, wenn die Probenahmestreuung keinen signifikanten Einfluss auf die Gesamtstreuung ausübt [4]. Eine ausreichende Repräsentativität ist gegeben wenn, nachgewiesen werden kann, dass die mittlere Unsicherheit kleiner gleich der maximalen tolerierbaren Unsicherheit ( 𝑈 √𝑚 ≤ 𝑈 tol ) ist (s. Gleichung (A.3)) oder wenn die Probenahmestreuung des Mittelwertes der Laborproben kleiner ist als das Dreifache der Analysenstreuung ( s P ≤ 3 s A ) [7]. Zur Erfüllung der Repräsentativität existieren durch die Wahl von n i , n A und m viele Varianten Mit dem Repräsentativitätstest (s. Anhang D) existiert eine Möglichkeit die Güte von Probenahme und Analytik nachzuweisen, vorausgesetzt die Analysenstreuung ist bekannt oder wird durch Mehrfachbestimmung ermittelt. Ausgangspunkt für diese beiden statistischen Betrachtungen sind nachfolgende Überlegungen: — Die Gesamtstreuung 𝑠 ges der Untersuchung setzt sich zusammen aus der Probenahmestreuung s P und der Analysenstreuung (inkl. der Streuung der Probenvorbereitung) s A . Die Probenahmestreuung lässt sich durch die Entnahme mehrerer Einzelproben n i für eine Mischprobe, die Analysenstreuung durch Normen-Download-Beuth-LGA Institut für Umweltgeologie und Altlasten GmbH-KdNr.7493104-LfNr.8221365001-2017-12-21 15:40 DIN 19698-2:2016-12 9 Mehrfachbestimmungen n A und die Gesamtstreuung durch die Untersuchung mehrerer Laborproben m verringern. — Die Gesamtstreuung muss die Anforderungen an die Repräsentativitätsbedingungen erfüllen. Da die Gesamtstreuung durch verschiedene Möglichkeiten reduziert werden kann, ist es möglich, für den Fall bekannter Streuungen, auch die wirtschaftlichste Variante abzuleiten. Die vorgegebene Probenahmestrategie ermöglicht dann das Erreichen sowohl der Repräsentanz als auch der Wirtschaftlichkeit [10]. Da selten die Zahl n A vorher bekannt ist, wird in diesem Dokument für die allgemeinen Ableitungen stets n A = 1 angenommen. Das der Probenahme zugrundeliegende „statistische Modell“ (Anhang A) erfordert die Berücksichtigung der Analysenstreuung und der Probenahmestreuung. Bei Vorgabe einer einzuhaltenden tolerierbaren Unsicherheit 𝑈 tol können entweder die Zahl der Einzelproben n i , die je unabhängig hergestellter Mischprobe zu entnehmen sind oder die Zahl der zu untersuchenden Laborproben m ermittelt werden. Die Zahl der Laborproben entspricht dabei der Zahl der unabhängig voneinander herzustellenden Mischproben m Liegen jedoch keine Kenntnisse über die Streuungen vor, kann ersatzweise mit zwei empirischen Verhältniszahlen verfahren werden: — dem tolerierbaren maximalen Verhältnis zwischen Probenahmestreuung und Analysenstreuung der Mischprobe (abgeleitet nach Doerffel [7]); und — dem Verhältnis zwischen Probenahmestreuung und Analysenstreuung der Grundmenge, dem Heterogenitätsverhältnis H (Anhang B). Die Vorgabe einer realen im Einzelfall tolerierbaren Unsicherheit 𝑈 tol ist bei diesem Ansatz nicht möglich. 6 Probenahmestrategie 6.1 Allgemeines Bei der Probenahme zur integralen Charakterisierung werden aus der Grundmenge mindestens zwei möglichst repräsentative Mischproben aus jeweils n i ( 𝑛 𝑖 = 𝑛 𝑚 ) Einzelproben unabhängig voneinander hergestellt, die die Durchschnittseigenschaften abbilden. Aus jeder Mischprobe wird durch Einengen nach DIN 19747 und DIN EN 932-2 eine Laborprobe für die Untersuchung entnommen. Die verwendeten statistischen Ansätze ermöglichen eine Beprobung der Grundmenge, bei der die Repräsentativität durch die Variation mehrerer voneinander abhängiger Einflussgrößen ( n i , n , n A , m ) erreicht werden kann. Die Vorgehensweise zur integralen Charakterisierung der Grundmenge wird in Bild 1 schematisch dargestellt. Normen-Download-Beuth-LGA Institut für Umweltgeologie und Altlasten GmbH-KdNr.7493104-LfNr.8221365001-2017-12-21 15:40 DIN 19698-2:2016-12 10 Bild 1 — Schematische Darstellung des Probenahmekonzeptes zur integralen Charakterisierung einer Grundmenge mit m = 2 Für die Erzeugung repräsentativer Proben gibt es zwei Wege: 1) Wenn aus Voruntersuchungen die Streuungen der Probenahme s P und der Analyse s A bekannt sind und die tolerierbare Unsicherheit 𝑈 tol vorgegeben ist, kann entweder die Zahl der Einzelproben n i je Mischprobe oder die Zahl der Mischproben bzw. die Zahl der zu untersuchenden Laborproben m nach Gleichung (3) bzw. (A.7) ermittelt werden. Dieses Vorgehen führt immer zu ausreichend repräsentativen Proben. 2) Für die Fälle, bei denen die einzelnen Streuungen nicht bekannt sind, wird ausgehend vom geschätzten Heterogenitätsverhältnis H 0 die Probenahme so durchgeführt, dass die unbekannte Probenahmestreuung durch die Zahl der je Mischprobe zu entnehmenden Einzelproben n i nach Gleichung (6) derart reduziert wird, dass sie keinen signifikanten Einfluss mehr auf das Gesamtergebnis hat. Obwohl bei zufällig zusammensetzten Haufwerken die Varianzen unabhängig von der Größe der Grundmenge sind, wird in der hier beschriebenen Vorgehensweise der aus geostatistischen Überlegungen abgeleitete Volumenvergrößerungsfaktor V H [2] für die Probenahmestreuung verwendet, was letztendlich zu einer höheren Anzahl von Einzelproben führt. Die Entnahme der Einzelproben kann wahrscheinlichkeitsbasiert oder systematisch erfolgen. Bei der wahrscheinlichkeitsbasierten Entnahme der Einzelproben sind die Probenahmestellen zufällig über die gesamte Grundmenge verteilt. Bei der systematischen Probenahme kann, z. B. nach DIN 19698-1, die Grundmenge in Segmente eingeteilt und aus jedem Segment eine gleiche Anzahl von Einzelproben entnommen werden. 6.2 Probenahmeplan Der Probenahmeplan ist verbindliche Grundlage für den Probenehmer. Hier sind ausgehend von der Zielstellung der Probenahme alle notwendigen Schritte festgelegt. Nur in Ausnahmefällen, die zu begründen und zu dokumentieren sind, darf davon abgewichen werden. Im Probenahmeplan sind alle Vorgaben des Normen-Download-Beuth-LGA Institut für Umweltgeologie und Altlasten GmbH-KdNr.7493104-LfNr.8221365001-2017-12-21 15:40 DIN 19698-2:2016-12 11 Auftraggebers und die getroffenen Vereinbarungen darzustellen. Weitere Bestandteile des Probenahmeplans sind DIN 19698-1, Anhang A zu entnehmen. Im Probenahmeplan wird festgelegt, ob die Probenahme wahrscheinlichkeitsbasiert oder systematisch zu erfolgen hat. Außerdem wird festgelegt, nach welchem Verfahren die Anzahl der Einzelproben n = n i · m und der Mischproben bzw. Laborproben m ermittelt wird, aus denen im Labor n A Analysenproben hergestellt werden: 1) Sind s A und s P bekannt, und 𝑈 tol vorgegeben (Hinweis: alles relative Größen, Angaben in %) wird die Zahl der zu untersuchenden Laborproben m und die Zahl der je Mischprobe zu entnehmenden Einzelproben n i in Abhängigkeit voneinander nach 6.3.1 ermittelt. In Gleichung (3), kann bei der Festlegung von m und n i nur eine der beiden Größen frei gewählt werden. Dabei wird von n A = 1 und m > 1 ausgegangen, so dass mindestens 2 Analysenergebnisse als Einfachbestimmung vorliegen. Bekannte Streuungen aus Voruntersuchungen müssen im Probenahmeplan ausgewiesen sein. 2) Sind keine Kenntnisse über die Streuungen vorhanden, kann durch Vorgabe der Zahl der zu entnehmenden Laborproben m (mindestens 2) anhand der Tabelle 2 (6.3.2) die Zahl der zu entnehmenden Einzelproben n ( n = n i · m ) ermittelt werden. Die Anzahl der zu entnehmenden Einzelproben n bzw. n i und die Anzahl der Misch- bzw. Laborproben m sind im Probenahmeplan anzugeben. Ebenso ist anzugeben wie und nach welchem Prinzip die Einzelproben gleichmäßig den jeweiligen Mischproben/Laborproben zugeordnet werden. 6.3 Mindestanzahl an Einzel- und Laborproben 6.3.1 Mindestzahl der Einzel- und Laborproben für den Fall bekannter Streuungen Die Mindestzahl der Einzel- und Laborproben werden in diesem Fall mit dem Repräsentativitätskriterium 𝑈 √𝑚 ≤ 𝑈 tol ermittelt (s. Gleichung (A.3)). Die aus Voruntersuchungen bekannten Streuungen s P und s A sowie die vorzugebende tolerierbare Unsicherheit 𝑈 tol werden in Gleichung (3) (Ableitung der Gleichung siehe Anhang A) eingesetzt. Bei festgelegter Zahl m der Laborproben, kann nach Abschätzung der Größe der Grundmenge die Zahl der zu entnehmenden Einzelproben n errechnet werden. Dabei gelten folgende Konventionen: — die Mindestanzahl der Mischproben/Laborproben ist m = 2; — die Anzahl der Einzelproben n i je Mischprobe/Laborproben ( m ) muss mindestens 4 sein; — die festzulegende tolerierbare Unsicherheit ( 𝑈 tol ) muss größer sein als die analytische Unsicherheit (2 𝑠 A ). ANMERKUNG 1 Die Berechnung von n bzw. n i , m und n A richtet sich nach dem Analysenparameter, der üblicherweise die größte Wiederholstandardabweichung aufweist. ANMERKUNG 2 Die Analysenstreuung lässt sich nur durch eine höhere Zahl von Mehrfachbestimmungen n A verringern. Die Annahme, dass die Variabilität der Grundmenge sich in Abhängigkeit vom Volumen erhöht, wird aus [2] übernommen. Aus der Geostatistik kommt der Ansatz, die Heterogenität proportional zum Gesamtvolumen zu betrachten. Normen-Download-Beuth-LGA Institut für Umweltgeologie und Altlasten GmbH-KdNr.7493104-LfNr.8221365001-2017-12-21 15:40 DIN 19698-2:2016-12 12 𝑠 𝑝 ~ log( 𝑉 ) (1) ANMERKUNG 3 Siehe DIN 19698-1, C.2; Als Basisgröße V 0 von Haufwerken wurde ein Volumen von 30 m³ zugrunde gelegt, was in etwa dem maximalen Transportvolumen eines LKW für Schüttgüter entspricht. ANMERKUNG 4 Die Volumen-Staffelung in der Tabelle 1 ist von der Tabelle 1 in DIN 19698-1 übernommen. Der zur Berechnung benötigte Volumenvergrößerungsfaktor V H für die in der Basisgröße von 30 m 3 ermittelte Probenahmestreuung s P , ist für verschiedene Haufwerksgrößen nach Gleichung (2) in Tabelle 1 dargestellt. BEISPIEL 1 Die Basisgröße der Grundmenge soll 30 m 3 betragen, für ein heterogenes Material in einem Haufwerk von 500 m 3 Volumen beträgt dann der Volumenvergrößerungsfaktor V H zur Erhöhung der ursprünglichen Probenahmestreuung s P : 𝑉 H = log ( 𝑉 ) log ( 𝑉 0 ) = log ( 500 ) log ( 30 ) = 1 , 827 (2) Die Tabelle 1 enthält die sich aus dieser Annahme ergebenden Faktoren für verschiedene Volumina der Grundmengen. Normen-Download-Beuth-LGA Institut für Umweltgeologie und Altlasten GmbH-KdNr.7493104-LfNr.8221365001-2017-12-21 15:40 DIN 19698-2:2016-12 13 Tabelle 1 — Volumenvergrößerungsfaktor V H für die Probenahmestreuung s P in Abhängigkeit vom Volumen der Grundmenge Volumen V der Grundmenge m 3 V H – bis 30 1,00 bis 60 1,20 bis 100 1,35 bis 150 1,47 bis 200 1,56 bis 300 1,68 bis 400 1,76 bis 500 1,83 bis 600 1,88 bis 750 1,95 bis 700 1,93 bis 800 1,97 bis 900 2,00 bis 1 000 2,03 bis 1 100 2,06 bis 1 200 2,08 bis 1 250 2,10 bis 1 300 2,11 bis 1 400 2,13 bis 1 500 2,15 Bei bekannten Streuungen s A und s P sowie vorgegebener tolerierbarer Unsicherheit 𝑈 tol und Anzahl m ergibt sich die Zahl der je Mischprobe zu entnehmenden Einzelproben n i nach Gleichung (3) zu: 𝑛 𝑤 = � 𝑉 H ⋅ 𝑠 p � 2 � 𝑚 ∙ 𝑈 tol 2 4 − 𝑠 A 2 𝑛 A � (3) BEISPIEL 2 Wenn aus Voruntersuchungen die Analysenstreuung s A = 15 % und die Probenahmestreuung s P = 70 % bekannt sind sowie die tolerierbare Unsicherheit 𝑈 tol = 40 % gefordert ist, so ergibt sich für ein 500 m 3 -Haufwerk für m = 2 Mischproben folgende Zahl n i der je Mischprobe zu entnehmenden Einzelproben: 𝑛 𝑤 = ( 1 , 83 ⋅ 70 ) 2 � 2 ⋅ 40 2 4 − 15 2 1 � = 16 409,61 800 − 225 = 16 409 , 61 575 = 29 (4) Mit m = 2 und n = n i · m ergibt sich die Zahl der insgesamt zu entnehmenden Einzelproben zu n = 58. BEISPIEL 3 Wenn aus Voruntersuchungen die Analysenstreuung s A = 25 % und die Probenahmestreuung s P = 70 % bekannt sind sowie die tolerierbare Unsicherheit 𝑈 tol = 60 % gefordert ist, so ergibt sich für ein 500 m 3 -Haufwerk für m = 2 Mischproben folgende Zahl n i der je Mischprobe zu entnehmenden Einzelproben: Normen-Download-Beuth-LGA Institut für Umweltgeologie und Altlasten GmbH-KdNr.7493104-LfNr.8221365001-2017-12-21 15:40 DIN 19698-2:2016-12 14 𝑛 𝑤 = ( 1 , 83 ⋅ 70 ) 2 � 2 ⋅ 60 2 4 − 25 2 1 � = 16 409 , 61 1800 − 625 = 16 409 , 61 1175 = 14 (5) Mit m = 2 und n = n i · m ergibt sich die Zahl der insgesamt zu entnehmenden Einzelproben zu n = 28. Dieses Verfahren empfiehlt sich beispielsweise bei der Überwachung der Herstellung/Produktion von Feststoffen ähnlicher Qualität. Durch einen einmaligen Aufwand lassen sich die Analysen- und Probenahmestreuungen ermitteln und anschließend das Probenahmeverfahren für die spätere Überwachung nach Gleichung (3) optimieren. 6.3.2 Mindestzahl der Einzel- und Laborproben für den Fall unbekannter Streuungen Die Mindestzahl der Einzelproben werden in diesem Fall bei festgelegter Zahl der Mischproben/Laborproben m mit dem Repräsentativitätskriterium ( s P ≤ 3 s A ) nach Gleichung (6) berechnet (Ableitung der Gleichung siehe Anhang B). Die Gleichung wird auch für die Erstellung der Tabelle 2 benutzt. 𝑛 = 𝑚 ∙ 𝐻 2 ( 10 ∙ 𝑚 − 1 ) (mit n = n i · m ) (6) Dabei gelten folgende Konventionen: — die Mindestanzahl der Mischproben/Laborproben ist m = 2; — die Anzahl der Einzelproben n i je Mischprobe/Laborproben ( m ) muss mindestens 4 sein und die Gesamtzahl der Einzelproben n muss ein ganzzahliges Vielfaches von m sein; — das Heterogenitätsverhältnis H 0 ist ≤ 10. Die Vorgabe einer realen maximal tolerierbaren Unsicherheit U tol ist für den Fall unbekannter Streuungen nicht möglich. Gerechnet wird in diesem Fall mit einer aus dem Streuungsverhältnis s P ≤ 3 s A abgeleiteten fiktiven tolerierbaren Unsicherheit. Die Größe H ist das Heterogenitätsverhältnis H 0 in der Grundmenge des Basisvolumens von 30 m 3 , multipliziert mit dem Volumenvergrößerungsfaktor V H (siehe Tabelle 1). 𝐻 = 𝐻 0 ⋅ 𝑉 H (7) Erläuterungen zum Heterogenitätsverhältnis siehe Anhang B. ANMERKUNG 1 Hier werden die fiktiven Durchschnittsgehalte von z. B. 1 l Einzelproben untereinander verglichen. Darin enthaltene Inkremente mit besonderen Merkmalen gehen somit nur als Durchschnittswert ein. Bei größeren Haufwerksvolumina wird dieser Heterogenitätsfaktor noch vergrößert. Ein allgemeines Modell muss auch in der Lage sein, sehr heterogene Materialien zu berücksichtigen. Bei einem Heterogenitätsverhältnis von H 0 = 10 für die Grundmenge des Basisvolumens erhält man für ein Haufwerk von 500 m 3 schließlich 𝐻 = 𝐻 0 ⋅ 𝑉 H = 10 ⋅ 1 , 83 = 18 , 3 (8) Der aufgrund der Variabilität in der Grundmenge ursprünglich recht hoch angenommenen Probenahmestreuung wird letztendlich durch die Entnahme vieler Einzelproben Rechnung getragen. Für eine repräsentative Beprobung ohne Vorkenntnisse über die konkrete Größe der Streuungen lässt sich für eine bestimmte Haufwerksgröße die Anzahl der zu entnehmenden Einzelproben n in Abhängigkeit der Anzahl der Laborproben m aus der Tabelle 2 ermitteln. Die Werte in Tabelle 2 gelten für ein H 0 von 10. Normen-Download-Beuth-LGA Institut für Umweltgeologie und Altlasten GmbH-KdNr.7493104-LfNr.8221365001-2017-12-21 15:40 DIN 19698-2:2016-12 15 ANMERKUNG 2 Die Volumen-Staffelung in der Tabelle 2 ist von der Tabelle 1 in DIN 19698-1 übernommen. Tabelle 2 — Mindestanzahl der Einzelproben n in Abhängigkeit vom Volumen der Grundmenge und m bei einem vorgegebenen H 0 = 10 Volumen der Grundmenge m (Anzahl der zu untersuchenden Mischproben/Laborproben) m 3 2 3 4 5 6 n ( Mindestzahl der Einzelproben) bis 30 12 12 16 20 24 bis 60 16 15 16 20 24 bis 100 22 21 20 20 24 bis 150 24 24 24 25 24 bis 200 26 27 28 25 30 bis 300 30 30 32 30 30 bis 400 34 33 32 35 36 bis 500 36 36 36 35 36 bis 600 a 39 40 40 36 bis 700 a 39 40 40 42 bis 750 a 42 40 40 42 bis 800 a a 40 40 42 bis 900 a a 44 45 42 bis 1 000 a a 44 45 42 bis 1 100 a a a 45 48 bis 1 200 a a a 45 48 bis 1 250 a a a 45 48 bis 1 300 a a a a 48 bis 1 400 a a a a 48 bis 1 500 a a a a 48 a Ab 500 m 3 ist je zusätzliche 250 m³ eine weitere Mischprobe zu entnehmen. ANMERKUNG 3 Die Zahlenangaben sind nach Gleichung (6) errechnet. Der Volumenvergrößerungsfaktor V H und die unter 6.3.2 genannten Konventionen wurden berücksichtigt. BEISPIEL Für 500 m 3 ergibt sich mit dem Volumenvergrößerungsfaktor V H = 1,83 aus Tabelle 1 und dem Heterogenitätsverhältnis H 0 = 10 der Basisgröße ein Wert von H = 18,3. Eingesetzt in Gleichung (6) ergibt sich mit m = 2 aufgerundet und unter Berücksichtigung der Randbedingungen ein n = 36. Der Probenehmer hat aus 36 Einzelproben zwei Mischproben ( m = 2) je18 Einzelproben zu erstellen und aus jeder Mischprobe eine Laborprobe zu erzeugen und ins Labor zu überführen. 6.4 Mindestgröße der Einzel- und Laborproben Auf die in DIN 19698-1 benutzte Tabelle 2 wird zurückgegriffen. Normen-Download-Beuth-LGA Institut für Umweltgeologie und Altlasten GmbH-KdNr.7493104-LfNr.8221365001-2017-12-21 15:40 DIN 19698-2:2016-12 16 Tabelle 3 — Mindestvolumen der Einzel- und Laborproben in Abhängigkeit vom Größtkorn Größtkorn a mm Mindestvolumen a der Einzelprobe l Mindestvolumen a der Laborprobe l ≤ 2 1 2 ≤ 20 2 4 ≤ 35 2,5 5 ≤ 50 3 6 ≤ 85 4,5 9 ≤ 120 6 12 > 120 siehe 6.5 a Bei den in der Tabelle genannten Zahlenwerten handelt es sich um eine Konvention zur Festlegung der Mindestvolumina. Das notwendige Mindestvolumen der Mischprobe ist allgemein schwer zu ermitteln, hängt es doch von sehr vielen Faktoren (z. B. Form, Verteilung) ab, die die Grundmenge charakterisieren (s. in [3] und [7]) und letztendlich von der Wahrscheinlichkeit, bestimmte Teilchen in die Mischprobe zu überführen. Je mehr Volumen die Mischprobe bei gleicher Anzahl an Einzelproben hat, umso höher ist der Grad der Repräsentativität. Die Größe einer Mischprobe ist durch die Anzahl der Einzelproben und deren Mindestvolumen vorgegeben. 6.5 Probenahme bei einer Korngröße > 120 mm Mit wachsender Korngröße gestaltet sich die Probenahme komplizierter, wenn alle Forderungen der Probenahmetheorie eingehalten werden sollen. So erhält man beispielsweise aufgrund des Volumens mitunter recht große unhandliche Einzelproben und Laborproben. In diesen Fällen ist eine vorherige Vorzerkleinerung vor Ort unumgänglich. Da die Probenahme als einfache Massenreduktion unter möglichst guter Beibehaltung der interessierenden Eigenschaften definiert ist, kann u. U. auch die Entnahme von massenproportionalen Teilstücken eine Möglichkeit sein. Die entsprechenden technischen Hilfsmittel (Großgeräte) sind schon im Probenahmeplan vorzusehen und deren Verfügbarkeit rechtzeitig zu organisieren. Falls eine gesonderte Analytik der Kornfraktion > 120 mm erfolgt, sind die Mengenanteile in der Grundmenge zu dokumentieren, da ansonsten die Berücksichtigung für den Durchschnittsgehalt der Grundmenge nicht möglich ist. Wenn in einer Grundmenge mehr als 10 Vol. % der Kornfraktion mit einer Korngröße > 120 mm enthalten ist, dann ist eine Probenahme nach dieser Norm mit „einfachen Hilfsmitteln“ nur möglich, wenn aus entsprechenden Voruntersuchungen hervorgeht, dass die Zusammensetzung der Kornfraktion > 120 mm der Zusammensetzung der Kornfraktion ≤ 120 mm entspricht. Entsprechende Befunde sind im Probenahmeplan zu beschreiben und im Probenahmeprotokoll zu dokumentieren. In diesem Fall wird nur die Kornfraktion mit der Korngröße < 120 mm beprobt. Andernfalls ist eine separate Beprobung der Kornfraktion > 120 mm erforderlich. Die Probenahme erfolgt dann analog zur Vorgehensweise bei der Probenahme der Kornfraktion ≤ 120 mm. Hierfür ist der Einsatz von Großgerät (z. B. Minibagger, Bagger bzw. Radlader oder Abbruchzange) zwingend erforderlich. Aus dem Normen-Download-Beuth-LGA Institut für Umweltgeologie und Altlasten GmbH-KdNr.7493104-LfNr.8221365001-2017-12-21 15:40 DIN 19698-2:2016-12 17 Haufwerk werden, vorzugsweise mittels Sieblöffel bzw. Siebgreifer (zur Abtrennung der Kornfraktion ≤ 120 mm) n Einzelproben entnommen. Die Anzahl n der Einzelproben errechnet sich für den geschätzten Volumenanteil nach Gleichung (3) oder (6) bzw. kann aus Tabelle 2 abgelesen werden. ANMERKUNG 1 Zur Abtrennung der Kornfraktion ≤ 120 mm können auch entsprechende Siebe (Siebschnitt 120 mm) eingesetzt werden. Die so gewonnenen und von der Kornfraktion ≤ 120 mm befreiten Mischproben der Kornfraktion > 120 mm werden anschließend (z. B. mittels Pulverisierer, Brecher oder Schredder) nach Möglichkeit auf ≤ 120 mm zerkleinert und gut durchmischt. Daraus werden durch Verjüngung und weitere Kornreduktion nach DIN 19747 und DIN EN 932-2 je eine Laborprobe entnommen. ANMERKUNG 2 Überwiegt der Überkornanteil, dann wird vor der Probenahme eine Separierung der beiden Fraktionen empfohlen. 7 Durchführung der Probenahme 7.1 Allgemeines Die Durchführung der Probenahme ist nachvollziehbar zu protokollieren und zu dokumentieren (s. DIN 19698-1:2014-05, Anhang B). Anhand dieser Dokumentation muss auch im Nachhinein die Herkunft des Materials, seine Art, die Art und Weise und alle Besonderheiten der Probenentnahme nachzuvollziehen sein. Fotos sind anzufügen Änderungen des Probenahmeplans sind mit dem Fachkundigen abzustimmen und zu dokumentieren. 7.2 Volumen-/Massenbestimmung Das Volumen der zu beprobenden Grundmenge ist bereits im Probenahmeplan angegeben und ist mit einfachen Mitteln vor der Durchführung der Probenahme vom Probenehmer zu überprüfen, ggf. zu korrigieren und zu dokumentieren. Entsprechende Berechnungsformeln für verschiedene Haufwerkstypen sind in DIN 19698-1:2014-05, Anhang E, enthalten. 7.3 Ermittlung des Größtkorns Das Größtkorn dient zur Bestimmung/Absicherung der Geometrie des Probenentnahmegerätes und des zu entnehmenden Einzelprobenvolumens. Das Größtkorn dient auch der Bestimmung des Mindestvolumens der Einzelprobe (Tabelle 3). Aufgrund der dort vorhandenen Größenabstufungen ist eine Schätzung des Größtkorns ausreichend. ANMERKUNG Unter Größtkorn ist dabei nicht die maximale Größe eines Einzelteils zu verstehen, sondern der D 95 , also der Durchmesser des 95-Perzentils der Korngrößenverteilung. Das bedeutet, dass 5 Vol % der Teilchen im Haufwerk größer sein können, ohne dass sie zu berücksichtigen sind. 7.4 Vorgehensweise bei der Probenahme 7.4.1 Allgemeines Die Probenahme ist nach Probenahmeplan durchzuführen. Dabei sind folgende Regeln zu beachten: — Um an jede beliebige Stelle des Haufwerkes gelangen zu können, ist der Einsatz entsprechender Technik notwendig (Radlader, Bagger), dabei kann das Haufwerk breitgezogen werden. — Haufwerke sind mindestens an einer Stelle mit einem geeigneten Gerät (z. B. mit Radlader) bis zum halben Querschnitt zu durchörtern. Normen-Download-Beuth-LGA Institut für Umweltgeologie und Altlasten GmbH-KdNr.7493104-LfNr.8221365001-2017-12-21 15:40 DIN 19698-2:2016-12 18 — Auf das Durchörtern des Haufwerks kann verzichtet werden, wenn eine gleichbleibende stoffliche Zusammensetzung des Haufwerkes dokumentiert ist. — Einzelproben können direkt von der Bagger- bzw. Radladerschaufel entnommen werden. — Die Geometrie (Mindestdurchmesser), der für die Entnahme der Einzelproben verwendeten Geräte, muss mindestens das Dreifache des D 95 betragen. 7.4.2 Probenahme aus Haufwerken Die