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We compare four different sensing solutions suitable for distributed fiber optic humidity sensing in per uorinated graded-index polymer optical fibers (PFGI-POFs). Compared to silica fbers, polymer optical fibers over advantageous beneffits including signifficantly higher break down strain, fracture toughness and humidity sensitivity. Various humidity-related effects in PFGI-POFs have been reported in the last years including measured attenuation and length changes as well as Brillouin frequency and Bragg wavelength shifts. The four aforementioned methods could serve as a basis for distributed and quasi-distributed humidity sensing and are described here closely with an emphasis on plausible cross effects to temperature and strain. The main focus of this paper lies on the comparison of four approaches with regard to method complexity, sensitivity to humidity, spatial resolution, real-time capability and effort to compensate for cross effects.
Microbiologically influenced corrosion (MIC) of iron is usually attributed to sulfate-reducing microorganisms (SRM) in offshore industries, such as the oil and gas pipelines, due to the high concentrations of sulfate in the seawater. SRM act upon the metal by the reactiveness of hydrogen sulfide (HS-), and by withdrawal of the available electrons (Fe --> Fe2+ + 2e-; E° = -0.47 V) in electrical contact with the metal (EMIC). However, methanogenic archaea can also cause MIC. Because they do not produce HS-, withdrawal of electrons may be their main corrosive mechanism; however, mechanistic details and kinetics of the overall process are poorly understood.
To investigate the corrosion potential of methanogens, we studied the EMIC methanogenic strains isolated from marine sediments (Methanobacterium-affiliated strain IM1) and crude oil tanks (Methanococcus maripaludis Mic1c10), in an in-house developed flow-through cell to simulate a fluctuating environment. A co-culture of M. maripaludis and D. alaskensis was also established to study the effect of syntrophic growth on metal corrosion that may occur in industrial pipelines. Results indicate that the rates of iron corrosion due to coupled methanogenesis (up to 0.4 mm/yr) are higher to that caused by the marine SRM Desulfovibrio alaskensis (0.15 mm/yr). Surface analyses of the metal showed severe pitting with high methane production. Genomic analysis of the EMIC methanogen M. maripaludis Mic1c10 will provide an insight on the mechanisms of MIC. Such knowledge and deeper understanding also from an electrokinetic point of view may not only provide further models in microbial electrophysiology, but also contribute to mitigation strategies in MIC.
Digital Analytical Sciences
(2019)
Based on inductive reasoning scientific inquiry in Analytical Sciences has a long tradition. The talk addresses in which way the digital transformation will change the scientific paradigm in Analytical Sciences to a data-driven discipline. Three main areas, integration, instruments, and methods, are discussed in their transformation through machine learning and other digital tools. Finally, some shortcomings and pitfalls in the deployments of algorithmic shortcuts are illustrated.
Durch eine breite Beteiligung von Schleifmittelherstellern, -anwendern und wissenschaftlichen Einrichtungen im projektbegleitenden Ausschuss (PA) konnte der vielschichtige Themenkomplex „Schleifen“ im Kontext zu den Projektzielen umfassend untersucht werden. Es wurden praxisrelevante Parameterfelder definiert, die eine erfolgreiche Aufklärung der Projektfragestellung ermöglichten.
Im Zuge der Untersuchungen wurde ein signifikanter Einfluss beim Einsatz von Granulatschleifbändern auf das Korrosionsverhalten geschliffener Oberflächen festgestellt. Damit zeigten geschliffene Oberflächen regelmäßig eine schlechtere Korrosionsbeständigkeit als Oberflächen, die mit sonst gleichen Parametern mit einlagig gestreuten Bändern bearbeitet wurden.
Die durch einige Untersuchungsergebnisse aus vorangegangenen AiF-Vorhaben ursprünglich verfolgte These, dass Unterschiede in der Korrosionsbeständigkeit auf die Kornart der Schleifmittel Korund bzw. SiC zurückzuführen ist, konnte nur bedingt bestätigt werden. Bei den systematischen Untersuchungen innerhalb dieses Projektes erwies sich der Einfluss der Kornart im Vergleich zum Einfluss des Schleifbandtyps (Granulat bzw. einlagig gestreutes Korn) als weniger relevant.
Durch weiterführende Untersuchungen konnten auf Oberflächen, die mit Granulatschleifbändern bearbeitet wurden, große Materialaufplattungen aus Eigenmaterial festgestellt werden. Das Eigenmaterial wird dabei im Schleifprozess zunächst abgetragen und aufgrund der Topografie des Schleifbandes zeitweise auf den Bändern festgehalten. Später lösen sich diese Materialanhäufungen vom Band ab und können prozessbedingt durch Wärme- und Krafteinwirkung auf den bearbeiteten Oberflächen aufgeplattet werden. Durch REM und KorroPad Untersuchungen ließen sich Bereiche mit solchen Eigenmaterialaufplattungen eindeutig als wesentliche Ausgangspunkte für Korrosionsprozesse identifizieren. Das aufgeplattete Material ist stark verformt, thermisch beeinflusst und bildet eine Spaltgeometrie zur Bauteiloberfläche aus. Diese Veränderungen führen zur Störung der Passivschichtausbildung in diesen Bereichen und verursachen damit eine erhöhte Korrosionsanfälligkeit der Oberflächen.
Durch gezielte Nachbearbeitungsprozesse ist es möglich, die Eigenmaterialaufplattungen von den Oberflächen zu entfernen. Im Rahmen des Vorhabens wurde dazu eine Nachbearbeitung mittels Schleifvlies geprüft, die zu einer Entfernung der Eigenmaterialaufplattungen und damit zu einer Wiederherstellung der erwarteten Korrosionsbeständigkeit führte. Wird der Endschliff von Oberflächen mit einlagig gestreutem Korn ausgeführt, sind ebenfalls keine korrosionsrelevanten Materialaufplattungen zu erwarten.
Die in einem vorhergehenden AiF Vorhaben IGF 17136 N/1 entwickelte Methode der KorroPad-Prüfung konnte auch hier erfolgreich für die Untersuchung der Auswirkung unterschiedlicher Prozessparameter auf die Korrosionsbeständigkeit der Oberflächen eingesetzt werden. Zudem erwies sich das EPR-SL-Verfahren als ein weiterer Ansatz, um die Passivschichtstabilität verschieden geschliffener Oberflächen vergleichend untersuchen zu können.
Mit den nun vorliegenden Erkenntnissen können kmU künftig durch Anpassungen und Optimierung von Schleifprozessen eine gute Korrosionsbeständigkeit der bearbeiteten Oberflächen sicherstellen. Die Optimierung der Prozessparameter und -schritte kann durch den Einsatz der KorroPad-Prüfung Inhouse erfolgen und somit die laufende Fertigung im Rahmen der Qualitätsprüfung überwacht und dokumentiert werden.
Heute werden in Stahlkonstruktionen zunehmend hochfeste Baustähle (Streckgrenze ≥ 960 MPa) eingesetzt. Daher sind auch in Schweißnähten solche hohen Festigkeiten gefordert. Jedoch können hohe Eigenspannungen aufgrund geringerer plastischer Dehnungsreserven in diesen Schweißnähten die Sicherheit der Bauteile vermindern. Diese sind insbesondere im Zusammenhang mit Wasserstoff und Härtegefügen risskritisch. Niedrige Bauteilbeanspruchungen und Kosteneinsparungen lassen sich heutzutage mit modernen fokussierten Lichtbogenvarianten und engeren Nahtspalten erreichen. Die vorliegende Studie zeigt allerdings, dass diese modernen Schweißprozesse und die angepasste Nahtgeometrie höhere Wasserstoffkonzentrationen und signifikant gesteigerte oberflächennahe Zugeigenspannungsniveaus bedingen. Anhand mehrlagiger Schweißversuche an S960QL unter Variation von Wärmeführung, Lichtbogenvariante und Nahtöffnungswinkel wurden die Effekte und Wechselwirkungen unter Zuhilfenahme von Eigenspannungsanalytik mittels Röntgendiffraktometrie und Wasserstoffanalytik mittels Trägergasheißextraktion systematisch untersucht. Das Schweißgefüge führte unter kritischer mechanischer Beanspruchung und erhöhtem Gehalt an diffusiblem Wasserstoff insbesondere bei geringem Nahtöffnungswinkel und fokussiertem Lichtbogen zu einer deutlichen Ausbildung von Mikrorissen. Die Mikrorisse führten teils zu einer makroskopischen Ausprägung. Durch Analysen zur Nachwärmung aus der Schweißwärme heraus konnten suffiziente Wärmeführungsparameter für eine effektive Prävention solcher Risse erarbeitet werden. Die vorliegende Arbeit zeigt anhand des Interaktionssystems bei der wasserstoffunterstützten Kaltrissbildung Gefüge-Beanspruchung-Wasserstoff, welche Wärmeführungs- und Schweißparameter sich für die hochfesten Feinkornbaustähle zur Kaltrissvermeidung eignen.
Permitted explosives have a tradition of many decades in Germany and had been designed to the needs of the underground coal mining in the Ruhr. In neighboring countries of Germany similar provisions were made to prevent hazards from fire damp and coal dust explosions in underground coal mines. Due to the termination of coal mining in Germany and most other European countries, also the testing facilities are disappearing. This presentation outlines the current situation of testing regimes and facilities.
Der Vortrag berichtet über die Auslagerung von Standardproben nach DIN EN ISO 9223 bis 9226 aus Zink, Stahl, Kupfer und Aluminium auf den verschiedenen atmosphärischen Bewitterungsständen der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM). Im Vortrag werden die Masseverluste, Korrosionsgeschwindigkeiten und Korrosivitätskategorien der Standardproben im freibewitterten und überdachten Bereich nach einem Jahr vorgestellt und Unterschiede hinsichtlich der Atmosphärenbedingungen aufgezeigt. Freibewitterte Proben zeigen dabei deutliche Unterschiede hinsichtlich ihres Korrosionsverhaltens im Vergleich zu überdachten Proben. Die ermittelten Korrosivitätskategorien sind sowohl standort- als auch materialspezifisch.
During a European convention of the authorities for market surveillance (AdCO) for explosives the activities of the notified bodies are presented, putting a focus on matters concerning market surveillance.
The presentation outlined in detail, which verifications are possible
with explosives, while practical tests involving initiation of
explosives are excluded. Elements of labeling and the conclusions in
view of quality control were explained, and typical failures by
manufacturers to comply were orally described.
Modular plants using intensified continuous processes represent an appealing concept to produce pharmaceuticals. It can improve quality, safety, sustainability, and profitability compared to batch processes, and it enables plug-and-produce reconfiguration for fast product changes. To facilitate this flexibility by real-time quality control, we developed a solution that can be adapted quickly to new processes and includes a compact Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectrometer for online quality monitoring as well as a new model-based control approach. The NMR sensor is a benchtop device enhanced to the requirements of automated chemical production including ro-bust evaluation of sensor data.
Here, we present alternatives for the quantitative determination of the analytes using modular, physically motivated models. These models can be adapted to new substances solely by the use of their corresponding pure component spectra, which can either be derived from experimental spectra as well as from quantum mechanical models or NMR predictors. Modular means that spec-tral models can simply be exchanged together with alternate reagents and products. Beyond that, we comprehensively calibrated an NIR spectrometer based on online NMR process data for the first time within an industrial plant. The integrated solution was developed for a metal organic reac-tion running on a commercial-scale modular pilot plant and it was tested under industrial conditions.
In the past, δ26/24Mg measurements were referenced to NIST SRM 980, the initial zero of the δ26/24Mg scale. With the development of MC-ICPMS, the detection of small but measurable isotopic differences in different chips of SRM 980 became apparent. To solve this problem a suite of magnesium isotope reference materials, ERM-AE143, -AE144 and -AE145, has been certified in a first study by applying an ab initio calibration for absolute Mg isotope ratios without any a priori assumptions, a procedure which fulfils all requirements of a primary method of measurement. We could achieve for the first time measurement uncertainties for isotope amount ratios close to the typical precision of magnesium delta values, δ26/24Mg, which are at the 0.1 ‰ level (2SD). In addition, it was demonstrated that commonly used fractionation laws are invalid for correcting Mg isotope ratios in multi-collector ICPMS as they result in a bias which is not covered by its associated uncertainty. Depending on their type, fractionation laws create a bias up to several per mil, with the exponential law showing the smallest bias between 0.1 ‰ to 0.7 ‰.
With these isotope reference materials, it is possible to establish SI-traceability for magnesium delta measurements. To realize this, we organized a second study within which five expert laboratories participated to cross-calibrate all available magnesium isotope standards, which are NIST SRM 980, IRMM-009, ERM-AE143, ERM-AE144, ERM-AE145 and the standards DSM3 and Cambridge-1. The mean δ26/24Mg values for the individual iRMs, calculated from the laboratory means show 2 SD reproducibilities varying between 0.025 and 0.093 ‰. Propagated measurement uncertainties suggest a standard uncertainty of about 0.1‰ for δ26/24Mg determinations (2SD). Thus, SI traceability for magnesium isotope amount ratios and delta values is demonstrated to be established.
The reassessment of bridges is becoming increasingly important. The basic requirement for analyses of structural safety is reliable knowledge about individual structures. This paper introduces the new approach to evaluate the quality of measured data gained from non-destructive testing (NDT) to provide reliable, objective, and relevant information about existing bridges. The purpose is to relate this validated knowledge to probabilistic analyses. Bridging the gap between NDT and numerical reassessments indicates reduced numerical uncertainties and residual service time extensions. This paper deals with an application of this approach using measurement data collected by ultrasonic technique at a prestressed concrete bridge.
Si isotope fractionation during BIF formation – inferences from a modern Archean ocean analogue
(2019)
Silica-rich sedimentary rocks like cherts and BIFS, typical for the Archean, have been used to reconstruct temperatures and other properties of the early oceans through the study of their Si isotope variations. Precambrian cherts and BIFS span a δ30Si range of ~7‰, with BIFs being about 2‰ lower in δ30Si than cherts. These lower δ30Si signatures have been attributed to represent contributions from different input sources such as hydrothermal fluids, variable continental weathering regimes or sorption onto Fe oxides/hydroxides [e.g. 2 and references therein]. In this study, fluids and BIF-like sediments have been investigated for their Si isotope compositions in Paulina Lake (PL), a hydrothermally-influenced crater lake in the Newberry Caldera, Oregon, USA. PL lake sediments are rich in silica (~65wt% SiO2) and are composed of up to 22.5wt% Fe2O3, which is comparable to Archean BIFs and thus serve as a modern Archean ocean analogue. We compared our analyses with East Lake (EL), the twin Newberry crater lake without hydrothermal input. Dissolved Si in EL has an average δ30Si signature of +1.55±0.16‰ (1sd) and sediments an average δ30Si signature of +0.18±0.28‰ (1sd). Dissolved Si in PL has an average δ30Si signature of +2.02±0.15‰ (1sd), whereas the sediments show a large range in δ30Si values between +0.59‰ and -1.24‰. PL sediments show a trend towards more negative δ30Si with increasing Fe2O3 contents. The magnitude of Si isotope fractionation thus appears to depend on the presence of Fe. This fractionation induced by interaction with Fe precipitation is defined here as the offset in δ30Si between PL and EL sediments at comparable depths (Δ30SiPL-EL). The resulting Δ30SiPL-EL values range between +0.69 and -1.42‰ and increase with increasing Fe2O3 content in the sediments. Our results are the first to quantify the magnitude of Fe-induced δ30Si fractionation observed in a natural analogue of the Archean ocean and can explain the lighter δ30Si signatures found in BIFs.
Time-resolved flow cytometry
(2019)
The fast identification of a large number of analytes or events is increasingly required in bioanalytical, diagnostic, and security applications. The versatility and straightforward use make multiparametric fluorescence techniques particularly interesting as detection techniques. An established method for high-throughput single-cell and single-particle measurements is flow cytometry (FCM). Using only spectral encoding without further intensity information, state-of-the-art instruments equipped with several light sources and detectors can resolve almost 20 different color codes. However, this is not sufficient to answer complex research questions, e.g. in cell biology and immunology. In contrast, routine applications demand low-cost and sometimes even portable instruments and thus a minimum number of instrument components. Thus, there are currently two main research directions in FCM: the development of methods that can either address increasingly complex analytical challenges or provide low-cost and robust approaches for routine multiplex analyses. Common spectral multiplexing approaches face limitations in both directions. On the one hand, spectral overlap of labels restricts the number of codes and makes elaborate correction schemes necessary. On the other hand, even for lower degrees of multiplexing often a sophisticated optical setup is needed. An alternative to spectral multiplexing and intensity encoding is to exploit the luminescence lifetime (LT) as an encoding parameter. This can allow for extending the parameter space in combination with spectral encoding or result in more simple and compact devices due to fewer optical components. The availability of fast electronics enables miniaturized and portable lifetime measurement setups at relatively low cost. LT-FCM requires to master LT determination with a limited number of detected photons due to the short interaction time of the encoded objects with the laser spot. In this study, we address this issue for time-domain cytometry and present a novel lifetime flow cytometry (LT-FCM) platform based on a compact setup and straightforward time-domain measurements utilizing LT-encoded luminescent beads. Moreover, we present the realization of a first bioanalytical assay with LT-encoded beads.
Ein Endlager für radioaktive Abfälle muss auf Dauer vor dem Eindringen von Wasser geschützt werden. Aus diesem Grund errichtete die Bundesgesellschaft für Endlagerung (BGE) ein Verschlussbauwerk als InSitu Versuch im Endlager Morsleben. Hierfür wurde eine bergmännische Auffahrung mit Salzbeton verfüllt.
Zusätzliche in regelmäßigen Abständen eingebaute Trennbleche sollen der Ausbreitung eventueller Risse entgegenwirken.
Das Versuchsobjekt wurde mit Ultraschallmessungen bezüglich der Lage und Orientierung möglicher Risse untersucht. Diese Messungen wurden an der Stirnfläche des Salzbetonkörpers durchgeführt. Für die Datenakquisition fand ein neuartiges Messsystem Anwendung, mit welchem ein seismisches Akquisitionsschema realisiert werden kann. Dieses setzt sich aus mehreren Prüfköpfen zusammen, welche sowohl als Sender als auch als Empfänger fungieren. Somit lassen sich auch größere Sender-Empfänger-Abstände realisieren.
Vor der Bearbeitung der realen Messdaten wurde ein realitätsnahes synthetisches Modell erstellt, mit welchem die Abbildung eines Risses, eines eingebauten Monitoring-Instruments sowie des ersten Trennbleches in einer Tiefe von 8 m untersucht wurden. Die generierten synthetischen Daten wurden nach minimaler Preprozessierung mittels Kirchhoff-Prestack-Tiefenmigration sowie Reverse Time Migration (RTM) in Tiefensektionen umgewandelt. Insbesondere bei der Abbildung steilstehender Reflektoren lieferte die RTM hier ein besseres Ergebnis.
Im Anschluss wurden reale Messdaten in der gleichen Weise bearbeitet. Zusätzlich wurden die Ergebnisse mit denen der Synthetic-Aperture-Focusing-Technique (SAFT) verglichen. Dieses Verfahren ist der Kirchhoff-Migration sehr ähnlich und findet in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung routinemäßig Anwendung. Es stellte sich heraus, dass der RTM Algorithmus in einigen Fällen ein realitätsnäheres Abbild liefert. Die Resultate von Kirchhoff-Migrationund SAFT-Rekonstruktion sind hingegen sehr ähnlich. Alle Verfahren lokalisierten in gleicher Weise Risse in verschiedenen Tiefenlagen, welche hauptsächlich oberflächenparallel orientiert sind. Diese werden auch von Bohrungen bestätigt. Besonders herauszustellen ist die deutliche Abbildung des Trennbleches in großer Tiefe, was bisher noch nicht eindeutig gelungen war.
Kontinuierliche Sensorbasierte Bauwerksmessungen leisten einen wichtigen Beitrag zur Sicherheit von Verkehrsbauwerken. Hierzu werden im Vorhaben AISTEC Referenzbauwerke und Referenzverfahren untersucht mit Schwerpunkt auf den Einfluss klimatischer Bedingungen. Der Vortrag stellt den aktuellen Projektstand des FB 7.2 vor.
Mechanochemistry paves the way to simple, fast, and green syntheses. Despite considerable effort, there remains a lack in understanding of the underlying mechanisms. In situ investigations help to understand these mechanisms, which occur during a mechanochemical reaction. Here we present a universal strategy for simultaneous real-time in situ analysis, combining X-ray diffraction, Raman spectroscopy, and thermography. The potential of our approach is shown for different model reactions.
While today, engineers can choose from a wide range of rheology modifying admixtures, in some parts of the world, these are difficult to access, due to their complex processing. However, alternatives can be bio-based polymers such as polysaccharides from various sources. These are easily accessible all over the world, do not demand for complicated processing, and typically they are more sustainable than many established materials, which are crude oil-based.
The paper presents the effects of acacia gum, cassava starch and the gum of triumfetta pendrata A. Rich on the rheological performance of cementitious systems. It is shown that acacia gum can be as efficient as polycarboxylate based superplasticisers, cassava starch can reduce the yield stress slightly with little effect on the plastic viscosity, and the gum of triumfetta pendrata A. Rich increases the thixotropy of cement pastes with plasticizing polymers significantly.
In den internationalen Gefahrgutvorschriften ist vorgeschrieben, dass Säcke und flexible Großpackmittel (Flexible Intermediate Bulk Container – FIBC) staubdicht sein müssen. Eine quantitative Definition des Terminus Staubdichtheit, wie in anderen Technikgebieten üblich, ist jedoch nicht gegeben. Auch geeignete Prüfverfahren zum Nachweis der Staubdichtheit sind in den Vorschriften nicht genannt.
In der Praxis der stichpunkartigen Kontrollen von Gefahrguttransporten durch die Schwerlastgruppe der Autobahnpolizei Münster werden immer wieder Austritte von pulverförmigen oder körnigen Gefahrgütern aus eigentlich intakten Säcken und FIBC detektiert. Es wird ein Überblick über die im Jahr 2018 festgestellten Gefahrgutaustritte aus diesen Gefahrgutverpackungen sowie eine systematische Einordnung hinsichtlich betroffener Bauarten und möglicher Ursachen gegeben.
Bei der Stofffreisetzung aus intakten Gefahrgutverpackungen liegt ein mechanischer Transport von Partikeln durch Leckkanäle, z. B. im Verschluss-, Naht- oder Wandungsbereich, vor. Generell kommen zwei Freisetzungswege in Frage: Einerseits eine Langzeit-Freisetzung während des Transports, hervorgerufen durch eine kombinierte Wirkung von Stapellast des Füllguts und Transportvibrationen; andererseits eine stoßartige Freisetzung.
Auf Grundlage von durchgeführten Untersuchungen hinsichtlich der stoßartigen Freisetzung pulverförmiger Stoffe aus Gefahrgutsäcken werden erste Lösungsansätze hin zu einer Verbesserung der Staubdichtheit von Gefahrgutsäcken und -FIBC vorgestellt. Es wird ein Ausblick auf nachfolgende Arbeiten gegeben.
Der vorgestellte Modellierungsprozess dient zur Abschätzung einer geeigneten äquivalenten Wärmequelle und Berechnung des thermischen Verhaltens beim Laserstrahlschweißen. Die Methode Kombiniert die Vorteile von gägngigen Simulationsverfahren und reduziert die berücksichtigte Anzahl an physikalischen Aspekten und Kalibrierungsparameter. Durch die modellierten physikalischen Phänomene konnten die Informationen über die Strömung im Schmelzbad und dessen Einfluss auf die resultierende lokale Temperaturverteilung und folglich auf das transiente Temperaturfeld gewonnen werden. Dadurch wurde die Simulatioszeit(inkl. Kalibrierungsaufwand) auf weniger als einen Tag Rechenzeit verringert.
Two nanosensors for simultaneous optical measurements of temperature (“T”), oxygen (“O”), and pH (“P”) have been designed. These “TOP” nanosensors are based on 100 nm-sized silica-coated polystyrene nanoparticles (PS-NPs) doped with the near infrared emissive oxygen- and temperature-sensitive chromium(III) complex ([Cr(ddpd)2][BPh4]3 CrBPh4)[1][2] and an inert reference fluorescence dye (Nile Red NR or 5,10,15,20-tetrakis-(pentafluorophenyl) porphyrin TFPP) and are covalently labeled with the pH-sensitive fluorophore fluorescein isothiocyanate (FITC). These emitters can be excited at the same wavelength and reveal distinguishable emission spectra suitable for ratiometric intensity-based and time-resolved studies in the visible and near infrared spectral region. The core-shell nanostructure of these sensors reveals high colloidal stability in various aqueous media. Studies in PBS buffer solutions and in a model body liquid demonstrate the applicability of the TOP nanosensors for optically detecting the three bioanalytically and biologically relevant analytes temperature, oxygen and pH simultaneously at the same position.
Two nanosensors for simultaneous optical measurements of temperature (“T”), oxygen (“O”), and pH (“P”) have been designed. These “TOP” nanosensors are based on 100 nm-sized silica-coated polystyrene nanoparticles (PS-NPs) doped with the near infrared emissive oxygen- and temperature-sensitive chromium(III) complex ([Cr(ddpd)2][BPh4]3 CrBPh4)[1][2] and an inert reference fluorescence dye (Nile Red NR or 5,10,15,20tetrakis-(pentafluorophenyl) porphyrin TFPP) and are covalently labeled with the pHsensitive fluorophore fluorescein isothiocyanate (FITC). These emitters can be excited at the same wavelength and reveal distinguishable emission spectra suitable for ratiometric intensity-based and time-resolved studies in the visible and near infrared spectral region. The core-shell nanostructure of these sensors reveals high colloidal stability in various aqueous media. Studies in PBS buffer solutions and in a model body liquid demonstrate the applicability of the TOP nanosensors for optically detecting the three bioanalytically and biologically relevant analytes temperature, oxygen and pH simultaneously at the same position.
Die Verfügbarkeit von Behältern für die Entsorgung nicht Wärme entwickelnder radioaktiver Abfälle im Endlager Konrad stellt ein wesentliches Element des nationalen Entsorgungskonzeptes für diese Abfallart dar. Grundlage für die Verfügbarkeit geeigneter Behälter sind typspezifische Bauartprüfungen, auf deren Grundlage eine Eignungs-feststellung in Form eines Prüfzeugnisses durch die Bundesgesellschaft für Endlagerung mbH (BGE), vormals Bundesamt für Strahlenschutz (BfS), erfolgt. Die Prüfgrundlagen sind in den durch das BfS (heute BGE) veröffent-lichten „Anforderungen an endzulagernde radioaktive Abfälle“ (Endlagerungsbedingungen) sowie der zugehörigen „Produktkontrolle radioaktiver Abfälle, radiologische Aspekte“ (PK) verankert. Die Eignungsfeststellung für eine Be-hälterbauart ist gleichzeitig die Grundlage für eine Behälterserienfertigung entsprechend den im Prüfzeugnis veran-kerten Spezifikationen und Randbedingungen.
Mit den Gesetzen zur Neuordnung der Organisationsstruktur im Bereich der Endlagerung (Mitte 2016) und zur Neuordnung der Verantwortung in der kerntechnischen Entsorgung (Mitte 2017) mit der Finanzierung des Kern-energieausstiegs wurden wesentliche Weichenstellungen im Hinblick auf den anstehenden Rückbau der bereits stillgelegten und in den kommenden Jahren noch stillzulegenden deutschen Kernkraftwerke vorgenommen. Bezüg-lich der nicht Wärme entwickelnden radioaktiven Abfälle führt dies zu einer spürbaren Intensivierung der Anstren-gungen zur Bereitstellung qualifizierter Gebinde für das Endlager Konrad, das nach aktueller Planung bis 2027 sei-nen Einlagerungsbetrieb aufnehmen soll. Dies wiederum führt zu einer erheblichen Verdichtung der Verfahren zur Behälterbauartprüfung, die allen Seiten (Antragsteller, BGE, Gutachter) erhebliche Anstrengungen abfordert.
Die Bundesanstalt für Materialprüfung und –forschung (BAM) ist auf Grundlage des Kap. 7 der o. g. „Produktkon-trolle …“ (PK) von der BGE mit den Behälterbauartprüfungen für das Endlager Konrad beauftragt. Hierbei ist eine Vielzahl von Anforderungen zu berücksichtigen, wozu neben den Anforderungen an Abfallbehälter gemäß Kap. 5 der Endlagerungsbedingungen weitere Anforderungen an die Verpackung (Kap. 3.2.2 PK), Kenngrößen (Kap. 3.5.1 PK) und schließlich die eigentliche Prüfung von Behältern/Verpackungen zählt (Kap. 7 PK). Letzteres beinhaltet die umfassende Behälterbeschreibung und –spezifikation, die Behälterauslegung, die thermischen und mechanischen Baumusterprüfungen (z.B. Brand- und Fallprüfungen), und schließlich die qualitätssichernden Maßnahmen für Her-stellung und Betrieb der Behälter. Neben der klassischen Bauartprüfung neuer Behältertypen spielt auch die Prü-fung bereits hergestellter Behälter, sog. Altbehälter, eine wesentliche Rolle, da sich etliche tausend Gebinde bereits in der Zwischenlagerung befinden und nach Möglichkeit für das Endlager Konrad qualifiziert werden sollen.
Dieser Beitrag berichtet aktuell über den Umfang und Stand der laufenden Bauartprüfungen bei der BAM unter Be-rücksichtigung der besonderen Herausforderungen und der zuletzt erzielten Fortschritte. Dabei erfordert die paral-lele Bearbeitung der zahlreichen Verfahren einen verstärkten Koordinierungsbedarf hinsichtlich vergleichbarer fach-licher Aspekte sowie hinsichtlich Priorisierung und Ressourceneinsatz. Bei den experimentellen Nachweisen (Fall- und Brandversuche) betrifft das hinsichtlich der Nutzung der Versuchseinrichtungen bei der BAM die Koordination mit anderen Prüfaufträgen, wie z. B. verkehrsrechtliche Baumusterprüfungen. Schließlich erfordern diverse Fach-fragen zur Interpretation der Anforderungen aus Endlagerungsbedingungen und Produktkontrolle intensive Abstim-mungsprozesse zwischen BAM, BGE und Antragstellern. Wichtige Ergebnisse mit übergeordneter Bedeutung wer-den in Form erläuternder Fachnotizen durch die BGE veröffentlicht und können so bei zukünftigen Antragsverfahren berücksichtigt werden.
The necessity and demand for nondestructive testing of wood-based materials which can automatically scan huge areas of wood is increasing. Air-coupled ultrasound (ACU) is used to detect defects and damage without altering the structure permanently. Using through transmission it is possible to detect even small holes and missing adhesive. If only one side of an object is accessible the reflection mode is preferred at the expense of a reduced resolution and penetration depth. Novel ferroelectret transducers with a high signal-to-noise ratio (SNR) enable a high-precision structure recognition. The transducers made of cellular polypropylene (PP) are quite suitable for ACU testing due to their extremely low Young’s modulus and low density which result in a favorable acoustic impedance for the transmission of ultrasonic waves between the transducer and air. Thus, defects such as delamination, rot, and cracks can be detected. Promising results were obtained under laboratory conditions with frequencies from 90 kHz to 200 kHz. The advantage of these ACU transducers is that they do not require contact to the sample, are accurate, and cost effective. Ultrasonic quality assurance for Wood is an important attempt to increase the acceptance of wooden structures and towards sustainability in civil engineering in general.
In earthquake-prone regions such as the Pacific Northwest, damage assessment tools are needed to enable safety evaluations to support recovery. Currently, damage assessment is performed primarily by visual inspection and is often impossible for structural members that are inaccessible, such as deep foundations or interior members hidden by cladding. This study explores the possibility of using embedded ultrasonic transducers to monitor reinforced concrete members for damage progression under earthquake loading. A novel methodology is proposed where changes in the member condition due to an increase in the earthquake-type loading of a full-scale column-foundation specimen are correlated with changes in the recorded ultrasonic waveforms. The discussed preliminary analysis of the ultrasonic signals is based on wave propagation velocity, changes in the coda wave portion, and maximum amplitude of the signals. Three embedded transducers were used to continuously monitor the laboratory specimen during destructive testing. This paper provides an overview of the proposed methodology, outlines the laboratory experiment, and discusses some preliminary observations.
Ultrasonic transmission measurements are used to monitor concrete elements mostly on a laboratory scale since decades. Recently, coda wave interferometry, a technique adapted from seismology, has been introduced to civil engineering experiments. It can be used to reveal subtle changes in concrete samples and even large construction elements without having a transducer directly at the location where the change is taking place. The methodology works best with embedded transducers to avoid coupling issues or excessive environmental influence. These transducers can be used for newly built and existing structures. Recently, large concrete beams have been equipped with a network of transducers and loaded until failure. Using code wave interferometry, it was possible to visualize stress fields and damaged areas. This paper gives an overview of the state of the art, recent results achieved at BAM and a task list for further results and development.
The necessity and demand for nondestructive testing of wood-based materials which can
automatically scan huge areas of wood is increasing. Air-coupled ultrasound (ACU) is used to detect defects and damage without altering the structure permanently. Using through transmission it is possible to detect even small holes and missing adhesive. If only one side of an object is accessible the reflection mode is preferred at the expense of a reduced resolution and penetration depth. Novel ferroelectret transducers with a high signal-to-noise ratio (SNR) enable a high-precision structure recognition. The transducers made of cellular polypropylene (PP) are quite suitable for ACU testing due to their extremely low Young’s modulus and low density which result in a favorable acoustic impedance for the transmission of ultrasonic waves between the transducer and air. Thus, defects such as delamination, rot, and cracks can be detected. Promising results were obtained under laboratory conditions with frequencies from 90 kHz to 200 kHz. The advantage of these ACU transducers is that they do not require contact to the sample, are accurate, and cost effective. Ultrasonic quality assurance for wood is an important attempt to increase the acceptance of wooden structures and towards sustainability in civil engineering in general.
Die Idee des Dissertationsprojekts ist der parallele Einsatz des Radarverfahrens und der Neutronensonde zur Lokalisierung von Feuchteschäden in Fußbodenaufbauten. Hierbei soll die integrale Messweise der Neutronensonde durch die vertikale Information des Radarsignals ergänzt werden, um zukünftig auf zerstörende Sondierungsbohrungen verzichten zu können. Primäres Ziel ist eine automatisierte und zerstörungsfreie Klassifizierung und Quantifizierung verschiedener Schadensfälle im Fußboden, welche zur Abschätzung und Auswahl des Sanierungsaufwands dienen soll. In systematischen Laborstudien an modular aufgebauten Referenzprobekörpern werden die Nachweisgrenzen der beiden Verfahren für unterschiedliche, häufig anzutreffende Fußbodenaufbauten untersucht. Hierfür wurde ein Satz verschiedenster Estrichprobekörper gefertigt und deren Hydratisierungsprozess gravimetrisch und mit den benannten Feuchtemessverfahren beobachtet. In der laufenden Auswertung konnten bereits signifikante Signalmerkmale der Radarmessungen extrahiert, sowie dessen Korrelation zum Feuchteverlauf der Proben gezeigt werden. Der modulare Aufbau der Fußbodenschichten zur Simulation von gängigen Feuchteschäden folgt im Anschluss. Über Datenfusion und Signalverarbeitung sollen so innovative Auswertungsansätze entwickelt und deren Validität an realen Schadensfällen geprüft werden.
Um ein tieferes Verständnis über die Schallemission bei der Entstehung und Ausbreitung von Rissen in Stahlrohrleitungen zu erlangen, wurde ein Stahlrohr der Güte S355J2H im Vierpunkt-Biegeversuch quasistatisch bis hin zum Wanddurchbruch (Leckage) belastet und mittels Schallemissionsmessung und Gleichstrompotentialmessung überwacht. Das Rohrsegment wurde durch einen 90°- Außenumfangskerb in der Mitte der Rohrlänge definiert vorgeschädigt, um davon ausgehend ein stabiles Risswachstum zu induzieren und die Analyse von Schallemission aus Rissereignissen, die am Kerb eintraten, sicherzustellen. Für die Schallemissionsmessung wurden vier Breitbandsensoren max. 105 mm vom Kerb entfernt montiert. Die Signalaufzeichnung erfolgte kontinuierlich und schwellwertunabhängig. Für die Gleichstrompotentialmessung wurde ein Gleichstrom von 300 A eingeleitet und der Potentialabfall über dem Kerb mit fünf Sonden entlang des Kerbs gemessen. Beide Messverfahren identifizieren die Rissinitiierung sowie Veränderungen im Risswachstum. Die detektierten Schallemissionsereignisse werden, unter Berücksichtigung spektraler Eigenschaften, mit fortschreitender Belastung und Rissentwicklung analysiert. Diese Studien wurden im Rahmen des interdisziplinären Forschungsprojekts AGIFAMOR, Aging infrastructure - Faseroptisches Monitoring von Rohrleitungen, an der BAM durchgeführt.
Composite-Druckbehälter werden für Speicherung und Transport von Gasen unter hohem Druck verwendet. Durch die gewichtssparende Struktur, die aus einem dünnwandigem Metallgefäß und Faserverbundwerkstoff-Ummantelung besteht, sind solche Behälter insbesondere für die Luftfahrt- und Automobilindustrie interessant, z.B. als Wasserstoffspeicher.
Die Druckprüfung ist ein konventioneller Test, um die Integrität von Metalldruckbehältern zu bewerten. Im Falle des Composite-Druckbehälters könnte eine solche Prüfung jedoch den Faserverbundwerkstoff überbeanspruchen und somit die verbleibende Lebensdauer der getesteten Komponente verringern. Infolgedessen ist es notwendig, Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung und möglicherweise zur Zustandsüberwachung von Composite-Druckbehältern zu entwickeln. Unser Ansatz verwendet geführte Ultraschallwellen und hat das Potenzial, kritische Schäden wie Risse im Metall und Faserbrüche und Matrixrisse in Faserverbundwerkstoff zu detektieren.
In diesem Beitrag wurde die Scaled Boundary Finite Elemente Methode benutzt, um die multimodale, geführte Wellenausbreitung in einem Mehrschichtverbund, der aus Metall und Kohlenfaserverbund entsteht, zu analysieren. Das Verfahren ermöglicht die Identifizierung geeigneter Wellenmoden und die Analyse ihrer Interaktion mit verschiedenen Schäden. Diese Kenntnisse sollen für die Entwicklung von Verfahren zur Zustandsüberwachung von Composite-Druckbehältern angewendet werden.
Spent fuel storage periods well beyond those originally foreseen are a reality. This publication offers several ideas and approaches that may be considered to address the increasingly longer storage times. The aim is to raise awareness, encourage dialogue and provide ideas on how to manage spent fuel. Key messages include the following:
- Delays in reprocessing or disposal could result in spent fuel being stored for 100 years or longer. Safe, secure and effective storage of spent fuel manages fuel degradation while preserving future fuel cycle options.
- Ageing management programmes apply engineering, operations and maintenance actions to ensure safety is maintained during storage, future handling and transport.
- Site selection and facility and equipment design can significantly reduce the risks and costs of spent fuel storage over longer periods.
- Spent fuel storage configurations can be selected to accommodate uncertain storage periods, to facilitate ageing management and to provide flexibility needed to accommodate the uncertainty of future end points, such as reprocessing or disposal.
- By considering multiple licence renewals, regulatory frameworks can be designed to ensure safe storage until an acceptable end point is achieved.
- Safety can be assured by maintaining shielding, containment, decay heat removal and criticality control. Navigating the complexity of societal beliefs and values, as well as political systems, has proven to be a greater challenge for the management of spent fuel than maintaining its safety and security or addressing the technical and economic aspects.
- Sustainable spent fuel management requires policies and strategies to provide a clear, consistent and stable direction because they drive the need for spent fuel storage as well as the available options and timing for achieving an acceptable end point. Unless States address spent fuel reprocessing and disposal on a sufficient scale to accommodate their spent fuel discharges, then storage for longer and longer periods becomes the de facto end point — which is not considered to be consistent with the responsibility to protect human health and the environment.
An effective, periodic licence renewal process can ensure effective ageing management and strong institutional control. Hence, spent fuel can be safely and securely stored for as long as it may be necessary until transport for reprocessing or disposal. However, the risks and costs of storing the growing inventory of spent fuel will continue to increase; and in the absence of an end point, it will eventually become a significant societal burden.
Ultrasonic transmission measurements are used to monitor concrete elements mostly on a laboratory scale since decades. Recently, coda wave interferometry, a technique adapted from seismology, has been introduced to civil engineering experiments. It can be used to reveal subtle changes in concrete samples and even large construction elements without having a transducer directly at the location where the change is taking place. The methodology works best with embedded transducers to avoid coupling issues or excessive environmental influence. These transducers can be used for newly built and existing structures. Recently, large concrete beams have been equipped with a network of transducers and loaded until failure. Using code wave interferometry, it was possible to visualize stress fields and damaged areas. This paper gives an overview of the state of the art, recent results achieved at BAM and a task list for further results and development.
The knowledge of transformation pathways and identification of transformation products (TPs) of veterinary drugs is important for health, food and environmental matters. Monensin (MON) is an ionophore antibiotic widely used to cure and prevent coccidiosis by chicken especially in broiler farming. Residues are not only found in food products (chicken and eggs) but also in the environment (manure, soil or water). Several transformation processes can alter the parent compound MON, ranging from biotransformation in living organism to biotic/abiotic and microbial processes in environmental matters.
The main objective of this work was to investigate the potential of electrochemistry (EC) to simulate oxidative transformation processes and to predict TPs of MON. An electrochemical reactor was used consisting of a flow-through cell with a glassy carbon working electrode. Derived TPs were analyzed by online coupling of EC and high-resolution mass spectrometry (HRMS) and LC-HRMS offline measurements. Among the generated TPs already known as well as unknown TPs of MON could be found.
Additionally, MON was subjected also to other transformation methods such as Fenton reaction, photochemical and hydrolysis experiments as well as metabolism tests with microsomes. As a result, different targeted and suspected TPs could be identified by analysis with LC-HRMS.
An overview of detected/identified TPs from this study will be presented in comparison to literature known metabolites and TPs.
Die Verfügbarkeit von Behältern für die Entsorgung nicht Wärme entwickelnder radioaktiver Abfälle im Endlager Konrad stellt ein wesentliches Element des nationalen Entsorgungskonzeptes für diese Abfallart dar. Grundlage für die Verfügbarkeit geeigneter Behälter sind typspezifische Bauartprüfungen, auf deren Grundlage eine Eignungs-feststellung in Form eines Prüfzeugnisses durch die Bundesgesellschaft für Endlagerung mbH (BGE), vormals Bundesamt für Strahlenschutz (BfS), erfolgt. Die Prüfgrundlagen sind in den durch das BfS (heute BGE) veröffent-lichten „Anforderungen an endzulagernde radioaktive Abfälle“ (Endlagerungsbedingungen) sowie der zugehörigen „Produktkontrolle radioaktiver Abfälle, radiologische Aspekte“ (PK) verankert. Die Eignungsfeststellung für eine Behälterbauart ist gleichzeitig die Grundlage für eine Behälterserienfertigung entsprechend den im Prüfzeugnis verankerten Spezifikationen und Randbedingungen.
Mit den Gesetzen zur Neuordnung der Organisationsstruktur im Bereich der Endlagerung (Mitte 2016) und zur Neuordnung der Verantwortung in der kerntechnischen Entsorgung (Mitte 2017) mit der Finanzierung des Kern-energieausstiegs wurden wesentliche Weichenstellungen im Hinblick auf den anstehenden Rückbau der bereits stillgelegten und in den kommenden Jahren noch stillzulegenden deutschen Kernkraftwerke vorgenommen. Bezüg-lich der nicht Wärme entwickelnden radioaktiven Abfälle führt dies zu einer spürbaren Intensivierung der Anstren-gungen zur Bereitstellung qualifizierter Gebinde für das Endlager Konrad, das nach aktueller Planung bis 2027 sei-nen Einlagerungsbetrieb aufnehmen soll. Dies wiederum führt zu einer erheblichen Verdichtung der Verfahren zur Behälterbauartprüfung, die allen Seiten (Antragsteller, BGE, Gutachter) erhebliche Anstrengungen abfordert.
Die Bundesanstalt für Materialprüfung und –forschung (BAM) ist auf Grundlage des Kap. 7 der o. g. „Produktkon-trolle …“ (PK) von der BGE mit den Behälterbauartprüfungen für das Endlager Konrad beauftragt. Hierbei ist eine Vielzahl von Anforderungen zu berücksichtigen, wozu neben den Anforderungen an Abfallbehälter gemäß Kap. 5 der Endlagerungsbedingungen weitere Anforderungen an die Verpackung (Kap. 3.2.2 PK), Kenngrößen (Kap. 3.5.1 PK) und schließlich die eigentliche Prüfung von Behältern/Verpackungen zählt (Kap. 7 PK). Letzteres beinhaltet die umfassende Behälterbeschreibung und –spezifikation, die Behälterauslegung, die thermischen und mechanischen Baumusterprüfungen (z.B. Brand- und Fallprüfungen), und schließlich die qualitätssichernden Maßnahmen für Her-stellung und Betrieb der Behälter. Neben der klassischen Bauartprüfung neuer Behältertypen spielt auch die Prü-fung bereits hergestellter Behälter, sog. Altbehälter, eine wesentliche Rolle, da sich etliche tausend Gebinde be-reits in der Zwischenlagerung befinden und nach Möglichkeit für das Endlager Konrad qualifiziert werden sollen.
Dieser Beitrag berichtet aktuell über den Umfang und Stand der laufenden Bauartprüfungen bei der BAM unter Be-rücksichtigung der besonderen Herausforderungen und der zuletzt erzielten Fortschritte. Dabei erfordert die paral-lele Bearbeitung der zahlreichen Verfahren einen verstärkten Koordinierungsbedarf hinsichtlich vergleichbarer fach-licher Aspekte sowie hinsichtlich Priorisierung und Ressourceneinsatz. Bei den experimentellen Nachweisen (Fall- und Brandversuche) betrifft das hinsichtlich der Nutzung der Versuchseinrichtungen bei der BAM die Koordination mit anderen Prüfaufträgen, wie z. B. verkehrsrechtliche Baumusterprüfungen. Schließlich erfordern diverse Fach-fragen zur Interpretation der Anforderungen aus Endlagerungsbedingungen und Produktkontrolle intensive Abstim-mungsprozesse zwischen BAM, BGE und Antragstellern. Wichtige Ergebnisse mit übergeordneter Bedeutung wer-den in Form erläuternder Fachnotizen durch die BGE veröffentlicht und können so bei zukünftigen Antragsverfahren berücksichtigt werden.
In den internationalen Gefahrgutvorschriften ist vorgeschrieben, dass Säcke und flexible Großpackmittel (Flexible Intermediate Bulk Container – FIBC) staubdicht sein müssen. Eine quantitative Definition des Terminus Staubdichtheit, wie in anderen Technikgebieten üblich, ist jedoch nicht gegeben. Auch geeignete Prüfverfahren zum Nachweis der Staubdichtheit sind in den Vorschriften nicht genannt.
In der Praxis der stichpunkartigen Kontrollen von Gefahrguttransporten durch die Schwerlastgruppe der Autobahnpolizei Münster werden immer wieder Austritte von pulverförmigen oder körnigen Gefahrgütern aus eigentlich intakten Säcken und FIBC detektiert. Es wird ein Überblick über die im Jahr 2018 festgestellten Gefahrgutaustritte aus diesen Gefahrgutverpackungen sowie eine systematische Einordnung hinsichtlich betroffener Bauarten und möglicher Ursachen gegeben.
Bei der Stofffreisetzung aus intakten Gefahrgutverpackungen liegt ein mechanischer Transport von Partikeln durch Leckkanäle, z. B. im Verschluss-, Naht- oder Wandungsbereich, vor. Generell kommen zwei Freisetzungswege in Frage: Einerseits eine Langzeit-Freisetzung während des Transports, hervorgerufen durch eine kombinierte Wirkung von Stapellast des Füllguts und Transportvibrationen; andererseits eine stoßartige Freisetzung.
Auf Grundlage von durchgeführten Untersuchungen hinsichtlich der stoßartigen Freisetzung pulverförmiger Stoffe aus Gefahrgutsäcken werden erste Lösungsansätze hin zu einer Verbesserung der Staubdichtheit von Gefahrgutsäcken und -FIBC vorgestellt. Es wird ein Ausblick auf nachfolgende Arbeiten gegeben.
Um ein tieferes Verständnis über die Schallemission bei der Entstehung und Ausbreitung von Rissen in Stahlrohrleitungen zu erlangen, wurde ein Stahlrohr der Güte S355J2H im Vierpunkt-Biegeversuch quasistatisch bis hin zum Wanddurchbruch (Leckage) belastet und mittels Schallemissionsmessung und Gleichstrompotentialmessung überwacht. Das Rohrsegment wurde durch einen 90°- Außenumfangskerb in der Mitte der Rohrlänge definiert vorgeschädigt, um davon ausgehend ein stabiles Risswachstum zu induzieren und die Analyse von Schallemission aus Rissereignissen, die am Kerb eintraten, sicherzustellen. Für die Schallemissionsmessung wurden vier Breitbandsensoren max. 105 mm vom Kerb entfernt montiert. Die Signalaufzeichnung erfolgte kontinuierlich und schwellwertunabhängig. Für die Gleichstrompotentialmessung wurde ein Gleichstrom von 300 A eingeleitet und der Potentialabfall über dem Kerb mit fünf Sonden entlang des Kerbs gemessen. Beide Messverfahren identifizieren die Rissinitiierung sowie Veränderungen im Risswachstum. Die detektierten Schallemissionsereignisse werden, unter Berücksichtigung spektraler Eigenschaften, mit fortschreitender Belastung und Rissentwicklung analysiert. Diese Studien wurden im Rahmen des interdisziplinären Forschungsprojekts AGIFAMOR, Aging infrastructure - Faseroptisches Monitoring von Rohrleitungen, an der BAM durchgeführt.
Auf dem Weg zu Industrie 4.0: Bestimmung von Messunsicherheitsbudgets in der Oberflächentechnik
(2019)
Vorgestellt wurde die Bestimmung von Messunsicherheitsbudgets für sehr unterschiedliche physikalische Größen, die in der Oberflächentechnik von hoher Relevanz sind: Stufenhöhe h, Schichtdicke d, Eindringhärte HIT und Haftfestigkeit. Die Unterschiede betreffen die Art der Prüfmethodik (optisch zerstörungsfrei vs. mechanisch invasiv/zerstörend), die laterale Größe des Integrationsgebietes der Messung (lokal: nano bis sub-mikro vs. global: mikro bis makro) und die Art der Bestimmung von Messunsicherheitsbudgets (physikalische Größen: direkt rückführbar; Werkstoffkenngröße: genormt; Systemkenngröße: genormt).
Im Rahmen von Industrie 4.0 werden ausgehend der geforderten Spezifikation des beschichteten Produkts (Mittelwert mit Vertrauensbereich oder Mindestwert) durchgehende Toleranzbänder zur Oberflächenmodifizierung/Beschichtung des Substrats, einhergehend mit Prozessfenstern, die diese Toleranzbänder garantieren, erforderlich, die zuverlässig erfasst werden müssen. Die Frage der anzuwendenden Mess- und Prüftechnik und die damit notwendige Betrachtung von Messunsicherheitsbudgets ist für die Digitalisierung von Konditionierungs-, Zustands-, Regel- und Steuergrößen unverzichtbar. Mit Blick auf die Einhaltung von Prozessfenstern und die dafür notwendige Prozessführung wird technologisches Kern-Know-how digitalisiert, das es unbedingt zu schützen gilt. Nur lokale Netze können diese Sicherheit garantieren, in globalen Netzen ist die Datensicherheit bestenfalls maximierbar
Fresh cement paste is a suspension consisting of a hydraulic binder (cement), water, and numerous minor components – admixtures. Addition of admixtures aims at specific modification of properties of the fresh cement paste or hardened cementitious building material. Specific admixtures, so-called superplasticizers (SP), are used to improve the flowability of the fresh cement paste with reduced water content. The latter is the starting material for the high-strength concrete. Thus, SPs are essential for the ambitious construction projects.
However, uncontrollable retardation of the setting time in presence of SPs is occasionally observed. Obviously, SPs influence early products of the cement hydration leading to changes in the microstructure development. The hardening is thus delayed, and the quality of the resulting building material suffers. The mechanisms of the admixture action during the hydration process are still intensively investigated [1-7]. A detailed understanding of the admixture effects during the early hydration stage is the key to control and individual adjustment of the cement-based construction materials.
We use the unique combination of the wall-free sample holder and the time-resolved X-ray scattering analysis to achieve the full information about the hydrate phases formed under the influence of admixtures. We use ultrasonic levitator to start the cement hydration in levitated cement pellets [8, 9]. The sample levitation allows collection of the unimpaired information about cement hydrate phases. The most beneficial is the avoiding of the contributions of the sample holder material to the data signal.
We induce the cement hydration by adding water to unhydrated Portland cement during the data acquisition. The full phase composition of the hydrating cementitious system can be gathered in situ using wide angle X-ray scattering (WAXS). During the hydration of cement both crystalline and amorphous hydrate phases are formed. WAXS data contain the information about crystalline phases behind the Bragg reflections, whereas the amorphous hydrates influence the appearance of the background. Application of the data analysis specific for crystalline or amorphous phases is needed. The data quantification by the Rietveld method allows to conclude about the changes of the phase amounts due to the presence of admixture. The calculation of the pair distribution functions allows analysis of the amorphous hydrates. Based on this information, the SP effects and the extent of their involvement into the ongoing reactions can be concluded. A detailed understanding of the complex cement hydration process is envisioned.
Due to its advantages of being a direct comparison method, quantitative NMR spectroscopy (qNMR) becomes more and more popular in industry. While conventional high-field NMR systems are often associated with high investment and operational costs, the upcoming market of permanent-magnet based benchtop NMR systems show a considerable option for a lot of applications. The mobility of these systems allows to bring them more closely to the real production environment, e.g. for at-line quality control.
In this work we present an interlaboratory comparison study investigating the qNMR performance of state-of-the-art benchtop NMR spectrometers. Therefore, BAM prepared two samples of a mixture of NMR reference standards tetramethylbenzene (TMB) and tetrachloronitrobenzene (TCNB) at concentration levels of 200 mM and 10 mM. These “ready-to-use” samples were sent to participant laboratories, which performed analysis on their benchtop NMR equipment of different vendors and fields from 43 to 80 MHz. Raw data was reported back and further investigated by using different data analysis methods at BAM.
After this very first qNMR comparison study of benchtop NMR spectrometers show promising results, following studies are planned to cover more parts of the qNMR process, e.g. sample preparation and weighing, but also data analysis, as commonly done in similar studies for high-field NMR spectroscopy in industry and metrology.
Die NMR-Spektroskopie stellt heutzutage eine der wichtigsten Analysenmethoden in der organischen Chemie dar. Während der Großteil aller Untersuchungen qualitativ mit dem Ziel der Stoffidentifikation und Strukturaufklärung erfolgt, erlangt die quantitative NMR-Spektroskopie (qNMR) zunehmend an Bedeutung in Forschung und Industrie. Der entscheidende Vorteil gegenüber anderen Analysenmethoden liegt in der direkten Proportionalität der Signalfläche zur Anzahl Kernspins im Messvolumen. Dies erlaubt eine kalibrationsfreie Relativquantifizierung. Zur Absolutquantifizierung reicht die Zugabe einer definierten Menge eines vom Analyten unabhängigen NMR-Standards aus.
Trotz dieser Vorteile findet sich die qNMR bislang nur vereinzelt in Normen und Standardverfahren wieder. Zahlreiche Ringversuche in Metrologie und Industrie demonstrieren die Leistungsfähigkeit moderner NMR-Spektrometer und stärken das Vertrauen in die Methode. Die Entwicklung von Validierungskonzepten, sowie die kommerzielle Verfügbarkeit geeigneter zertifizierter Referenzmaterialien erleichtern die Anwendung, insbesondere im zumeist stark regulierten industriellen Umfeld.
Neben etablierten Hochfeld-NMR Spektrometern hat sich in den letzten Jahren ein stark wachsender Markt für kompakte Benchtop-NMR Geräte auf Permanentmagnetbasis entwickelt. Die geringeren Anschaffungs- und Betriebskosten, sowie die einfache Bedienbarkeit erlaubt es auch kleineren Unternehmen in diese Analysenmethode einzusteigen. Weiterhin besteht die Möglichkeit diese mobilen Systeme näher an die Produktion zu bringen, welches von der klassischen Qualitätskontrolle bis hin zur Online-Prozesskontrolle als vollautomatisierter Analysator reicht. Die geringere Feldstärke der Systeme erfordert hier oft den Einsatz modellbasierter Ansätze zur Spektrenauswertung (z.B. Indirect Hard Modeling).
Dieser Beitrag gibt eine Übersicht über aktuelle Anwendungen und Entwicklungen der qNMR von der universellen, hochgenauen Labormethode bis hin zur robusten Anwendung als Online-Analysator im Feld.
X-ray absorption fine structure (XAFS) spectroscopy is a powerful and widely used tool for material characterization. It is non-destructive, element-sensitive and requires no long-range order of the sample, making it suitable for the investigation of amorphous phases. XAFS includes the X-ray absorption near edge structure (XANES) and the extended X-ray absorption fine structure (EXAFS), providing information about the electronical state of the absorbing atom and the spatial order of the neighboring atoms respectively.
Our new approach presented here is derived from the classical dispersive XAFS setup. The aim is to have a scanningless, stable and reproducible setup for applications, in which dynamic processes occur in the second time scale.
A broad polychromatic beam passes through the sample and is dispersed afterwards by a convexly bent Si (111) crystal. All energies are reflected under different angles and thus spatially separated, allowing a position sensitive detector to record a spectrum over the energy range of the incoming beam in a single shot.
Tests of this setup were performed at the BAMline @ BESSY-II (Berlin, Germany) with different metal foils. First in situ measurements comprised the investigation of the early stages of the zinc(II)2-methylimidazolate (ZIF-8) crystallization. This topic of metal-organic-frameworks (MOF) research is of interest for medical applications. Structural changes with a time resolution of 1 s could be followed. The second dimension of the broad beam can be used for a lateral resolution.
In der Prozessindustrie findet die optische Spektroskopie (z. B. NIR- und Raman-Spektroskopie) als Online-Analytik zunehmend Anwendung zur Überwachung che-mischer Qualitäts¬attribute in der Produktion. Ihr ganzes Potential entfalten die Methoden aber meist nur in Kombination mit einer aufwendigen, multivariaten Kalibrierung. Diese muss alle relevanten Zustände des Systems abdecken und bedarf einer geeigneten Referenz¬analytik. Moderne instrumentelle Analysengeräte weisen eine hohe Empfind¬lich¬keit und Robustheit auf, sind aber dennoch stark von Fehler und Variabilität der Probennahme beeinflusst, was sich auf die Richtigkeit und Qualität des multivariaten Modells auswirkt.
Diese Probleme lassen sich verringern, indem die Referenzanalytik ebenfalls online erfolgt. Eine mögliche Lösung stellt die hochauflösende NMR-Spektroskopie als quanti¬tative Online-Referenzanalytik dar. Insbesondere kom¬pakte NMR-Spektrometer auf Basis von Permanent¬magneten sind für diesen Zweck geeignet. Ausschlusskriterien für herkömmlicher NMR-Systeme, wie der große Wartungs-aufwand (Kryotechnik) und der Platz¬bedarf, werden damit vermieden.
Im Rahmen des EU-Projekts CONSENS wurde die Nutzung einer Online-Referenz¬analytik mit NMR-Spektroskopie am Beispiel einer industriellen Pilotanlage erfolgreich realisiert. Untersuchungsgegenstand war die kontinuierliche Synthese eines Aus¬gangsstoffs für die pharmazeutische Industrie. Die enthaltenen metallorganischen Verbindungen sind für die bisher genutzte HPLC Analytik unzu-gänglich und die Analyse ausgewählter Proben erfolgte nach dem Quenchen der Lösung oft mit einem großen zeitlichen Abstand zur Probennahme. Konzen-trationswerte auf Basis von Online-NMR-Spektren standen hingegen mit einer zeitlichen Auflösung von drei Spektren pro Minute über den gesamten Reaktionsverlauf hinweg zur Verfügung. Außerdem konnten durch die NMR-Spektroskopie intermediär auftretende Spezies erstmal quantitativ bestimmt und diese Daten für die Kalibrierung eines NIR-Spektrometers genutzt werden.
Working towards a comprehensive understanding of introduction pathways, number, and fate of micro¬plastics in the environment, suitable analytical methods are a precondition. Micro-spectroscopic methods are probably the most widely used techniques. Besides their ability to measure single spectra of a particle or fiber, most modern FTIR- and Raman microscopes are also capable of two-dimensional imaging. This is very appealing to microplastics research because it allows to simultaneously characterize the analytes chemically as well as their size (distribution) and shape.
Two-dimensional imaging on extensive sample areas with FTIR-micros¬copes is facilitated by focal plane array (FPA) detectors resulting in large data sets comprised of up to several million spectra. With numbers too large for manual inspection of each individual spectrum, automated data evaluation is inevitable. Identifying different polymers based on the comparison with known reference spectra (library search) has proven to be a suitable approach. For that purpose, FTIR-spectra of common plastics can be collected to create an individual reference library.
To Supplement this ‘targeted analysis’, looking for known substances via library search, an exploratory approach was tested. Principal component analysis (PCA) proved to be a helpful tool to drastically reduce the size of the data set while maintaining the significant information. Subsequently, cluster analysis was used to find groups of similar spectra. Spectra found in different clusters could be assigned to different polymer types. The variation observed within clusters gives a hint on chemical variability of microplastics of the same polymer found in the sample. Spectra labeled according to the respective cluster/polymer type were used to build a classification model which allowed to quickly predict the polymer type based on the FTIR spectrum. Classification was tested on a second, independent data set and results were compared to the spectral library search procedure.
Ziel des Projektes HARFE (Haftfestigkeit Reproduzierbarkeit Festigkeit) war es, eine Er-höhung der Haft- bzw. Klebfestigkeit auf Niedrigenergie-Polymeren (PE, PP, PTFE) zu erreichen. SENTECH realisierte dazu plasmachemische Oberflächenaktivierungen mit O2 und die Abscheidung von Aluminiumoxidschichten (Al2O3) mittels Atomic Layer Deposition (ALD), wobei die Ellipsometrie zum in-situ Monitoring der ALD-Prozesse diente. Die BAM charakterisierte die modifizierten Oberflächen bezüglich der Oberflächenenergie (OFE) und bestimmte die Verbund- bzw. Klebfestigkeit mittels der Zentrifugentechnologie
Over the last few years, there has been a growing interest to apply spectroscopic methods to the agricultural field for better understanding of soil properties and for efficient, sustainable management of arable land. Within the project I4S (intelligence for soil), funded by the BMBF, an integrated system for site-specific soil fertility management is developed, consisting of different sensors like X-Ray fluorescence analysis (XRF), near-infrared spectroscopy (NIR) and laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS). LIBS provides a fast and simultaneous multi-element analysis with little to no sample preparation, which makes it a suitable method for real-time analysis on the field.
The quantification of macro and micro nutrients in soils with LIBS is challenging due to matrix effects, different levels of moisture content and varying grain sizes. First studies revealed that the problems with matrix effects can be overcome by using well characterised soils as reference materials and chemometric tools like Partial Least Squares Regression (PLSR) for calibration.
The next step was to investigate the influence of moisture and grain sizes on the LIBS signal, which is a big issue when measuring directly on the field. The results showed that the LIBS signal decreases exponentially with increasing moisture content, as most of the laser energy is used for vaporising the water. With moisture contents of 30 % or higher almost no signal can be detected. This decrease is more severe for sandy soils than for clay soils. First tests of different grain size distributions indicate that the variation of the LIBS signal increases with growing amounts of larger grains. This results in a higher standard deviation, because of a poorer reproducibility of the plasma formation and plasma characteristic. With the help of chemometric tools the influence of moisture and grain sizes should be implemented in the calibration model for accurate analysis of nutrient composition in agricultural soils.
Over the last few years, there has been a growing interest to apply spectroscopic methods to the agricultural field for better understanding of soil properties and for efficient, sustainable management of arable land. Within the project I4S (intelligence for soil), funded by the BMBF, an integrated system for site-specific soil fertility management is developed, consisting of different sensors like X-Ray fluorescence analysis (XRF), near-infrared spectroscopy (NIR) and laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS). LIBS provides a fast and simultaneous multi-element analysis with little to no sample preparation, which makes it a suitable method for real-time analysis on the field.
The quantification of macro and micro nutrients in soils with LIBS is challenging due to matrix effects, different levels of moisture content and varying grain sizes. First studies revealed that the problems with matrix effects can be overcome by using well characterised soils as reference materials and chemometric tools like Partial Least Squares Regression (PLSR) for calibration.
The next step was to investigate the influence of moisture and grain sizes on the LIBS signal, which is a big issue when measuring directly on the field. The results showed that the LIBS signal decreases exponentially with increasing moisture content, as most of the laser energy is used for vaporising the water. With moisture contents of 30 % or higher almost no signal can be detected. This decrease is more severe for sandy soils than for clay soils. First tests of different grain size distributions indicate that the variation of the LIBS signal increases with growing amounts of larger grains. This results in a higher standard deviation, because of a poorer reproducibility of the plasma formation and plasma characteristic. With the help of chemometric tools the influence of moisture and grain sizes should be implemented in the calibration model for accurate analysis of nutrient composition in agricultural soils.