Filtern
Erscheinungsjahr
Dokumenttyp
- Vortrag (40)
- Beitrag zu einem Tagungsband (28)
- Zeitschriftenartikel (21)
- Posterpräsentation (21)
- Beitrag zu einem Sammelband (2)
- Sonstiges (2)
- Buchkapitel (1)
- Dissertation (1)
Sprache
- Englisch (70)
- Deutsch (44)
- Mehrsprachig (2)
Schlagworte
- Electronic nose (11)
- H2Safety@BAM (10)
- Gassensorik (6)
- SensRef (6)
- Hydrogen (5)
- Voltammetric electronic tongue (5)
- Air quality monitoring (4)
- Ammonia (4)
- Apis mellifera (4)
- Coulometric sensors (4)
Organisationseinheit der BAM
- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (73)
- 8.1 Sensorik, mess- und prüftechnische Verfahren (73)
- 1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien (8)
- 8.6 Faseroptische Sensorik (8)
- 1.9 Chemische und optische Sensorik (5)
- 8.4 Akustische und elektromagnetische Verfahren (5)
- 3 Gefahrgutumschließungen; Energiespeicher (4)
- 3.5 Sicherheit von Gasspeichern (4)
- 7 Bauwerkssicherheit (4)
- 1.4 Prozessanalytik (3)
Eingeladener Vortrag
- nein (40)
Spuren leicht flüchtiger organischer Verbindungen mikrobiellen Ursprungs (MVOC) in der Luft von Innenräumen können das Vorhandensein von Schimmelpilzen indizieren. Die Anwendung der Ionenmobilitätsspektrometrie (IMS) zur Detektion von leicht flüchtigen schimmelpilzspezifischenVerbindungen ist wegen ihrer hohen Empfindlichkeit viel versprechend. Um dieses analytisch-chemische Verfahren für eine Innenraumdiagnostik zu nutzen, wurde ein mobil einsetzbares Gerät zur Vor-Ort-Detektion getestet. Im ersten Teil der Arbeit wurden MVOC-Prüfgase im Labor generiert. Die Prüfgase wurden durch permeative Beimengungen in einen definierten Gasstrom hergestellt. Anhand dieser Prüfgase wurden die typischen IMS-Parameter, wie reduzierte Mobilität (K0), relative Driftzeit (trd), Konzentrationsabhängigkeit der Signale und daraus resultierend die Nachweisgrenze des Ionenmobilitätsspektrometer ermittelt. Die bestimmten Nachweisgrenzen der 14 untersuchten MVOC liegen im Bereich zwischen 2 und 192 μg m-3 (1 bis 51 ppbV). Im zweiten Teil wurden sieben oft im Innenraum nachgewiesene Schimmelpilzarten auf Nährmedien kultiviert und ihre produzierten MVOC detektiert. Dabei wurde festgestellt, dass Schimmelpilze art- und altersabhängige MVOC-Emissionen aufweisen. Eine statistische Auswertung und Bestätigung zeigte die Anwendung der Hauptkomponentenanalyse (PCA). Versuchsbegleitend erfolgte eine Identifizierung der MVOC durch gaschromatographische Analysen und bestätigte die IMS-Ergebnisse. Beim Schimmelpilzwachstum einer Mischsporenkultur auf drei verschiedenen Baumaterialien wurden die produzierten MVOC detektiert. Die IMS-Spektren wurden chemometrisch durch eine PCA ausgewertet. Es können die Spektren von unbeimpften und mit Schimmelpilzkulturen beimpften Baumaterialien damit unterscheiden werden ohne die stoffliche Zusammensetzung der Emissionskammerluft zu kennen. Im letzten Teil dieser Arbeit wurde das IMS in 27 Feldversuchen eingesetzt, um MVOC und damit ein Schimmelpilzwachstum in Innenräumen zu detektieren. In 59 % der Fälle wurde eine positive Korrelation zwischen einem sichtbaren Schimmelpilzbefall und den mittels IMS detektierten MVOC ermittelt.
Es wird ein Sensorsystem (HUMItrace III) zur Spurenfeuchtebestimmung in der Prozessmesstechnik vorgestellt. Die Bestimmung der Spurenfeuchte erfolgt mit neuentwickelten planaren Sensoren (HUMItrace-Sensoren) nach dem coulometrischen Messprinzip im Frostpunkttemperaturbereich von -80 °C bis -30 °C mit der Kalibriereinrichtung THG11 durch Mischen von trockenen und befeuchteten Teilgasströmen kalibriert. Die Gasfeuchte von Luft kann in diesem Bereich mit den HUMItrace-Sensoren mit einer erweiterten Unsicherheit von 2 K bestimmt werden. Die Sensoren können aber auch zur Gasfeuchtemessung in Wasserstoff, Stickstoff und Distickstoffmonoxid eingesetzt werden. Eine weitere Kalibriereinrichtung, THG-P12, generiert Prüfgase nach der Permeationsmethode; sie kann in das HUMItrace III Sensorsystem implementiert und zur vor-Ort-Kalibrierung der HUMItrace-Sensoren nach dem Standardadditionsverfahren genutzt werden.
A new planar sensor element for continuous coulometric trace humidity measurements in industrial gases has been developed. In order to ensure precise measurements a calibration facility including a precision dew point hygrometer as a reference device was developed. The sensor can measure the humidity in the frost point temperature range of -20 °C to -80 °C and has an expanded uncertainty of 2 K, a fast reaction time and a settling time of the entire system from 15 to 30 min.
Detektion von Schimmelpilzen
(2008)
Detection of microbial volatile organic compounds (MVOC) with ion mobility spectrometry (IMS)
(2009)
Spices have an important impact on daily aliment. Changes of their quality resulting in far reaching consequences in different foodstuffs and imply financial losing and even health hazard. In this study it is demonstrated that application of two different portable multi gas sensors (electronic nose and ion mobility spectrometer) supported by multivariate data analysis can contribute to ensure quality control of spice mixtures and to find out product adulteration. Headspace above spice mixtures for sausages and saveloy and product counterfeitings was investigated by a metal oxide based electronic nose (e-nose of KAMINA-type). Linear discriminant analysis (LDA) of sensor resistivity data was performed for differentiation. Simultaneously an ion mobility spectrometer (IMS) was coupled to the emission chamber for detection of gaseous components above spice mixtures. The measured spectra show differences between the two spice mixtures and were discussed using a principal component analysis (PCA). The two multigas sensors permit discrimination between the types of spice mixtures and can indicate product adulteration. Additionally, a headspace gas analysis by gas chromatography was performed to identify the main volatile components and to prove the chemical basis for the observed differences of the multi gas sensors.
This work focuses on the design and fabrication of low-cost and fast-response of an electronic nose (E-nose) based on semiconductor gas sensors, for discriminating some synthetic gases such as ammonia (NH3), ethanol (C2H5OH), and hydrogen sulfide (H2S). Additionally, the capability of separating different concentration levels of each considered gases was checked. Dataset treatment of E-nose by using Principal Component Analysis (PCA) showed a good discrimination of the different synthetic gases. Furthermore, perfect classification was reached of different concentration levels of the analysed gases by using Discriminant Function Analysis (DFA). In the light of these results, it could be stated that the developed E-nose system constitutes an inexpensive, rapid, simple to use, and efficient tool for synthetic gases detection.
Ein Umlaufkühler ist im Betrieb explodiert. Splitter des zerborstenen Gehäuses aus Kunststoff wurden mit dem Kühlwasser in die Umgebung geschleudert, am Betriebsort entstand Personenschaden. Bei Funktionsprüfungen am beschädigten Gerät traten unerwartet - aber reproduzierbar - Knalleffekte bei Berührung der Außenoberfläche der Kupfer-Kühlschlange auf. Ein möglicher Mechanismus konnte im Labor durch Synthese von Kupferazid auf Kupferproben und Auslösung vergleichbarer Knalleffekte nachgestellt werden. Damit ist die Plausibilität des beschriebenen Schadensereignisses mit diesem oder einem ähnlich reagierenden Stoff belegt. Ein eindeutiger Nachweis darüber, dass bei dem aufgetretenen Schadensfall dieselbe chemische Reaktion stattgefunden hat, war nicht möglich, da die Belag-Überreste aus dem explodierten Kühlgerät für eine Analyse nicht mehr in ausreichender Menge verfügbar gewesen sind.
Monitoring of repositories for radioactive waste requires techniques which can be applied long-term under harsh conditions. In this work, the reliability and suitability of materials and a capacitive sensor for measuring relative humidity are investigated, which are to be embedded in the special concrete components for the closure structures of underground repository. Preliminary tests with accelerated aging of the materials used, validation of the sensors under difficult conditions, investigations of the surfaces after aging by pH 14 solution, defined exposure of the sensors in a climatic chamber and the microscope images are discussed. The results will be used for further development and optimization of the RFID based sensor systems which can be applied to monitor the condition of different building structures without cabling.
In this study, the ability of an electronic nose developed to analyze and monitor odor emissions from three poultry farms located in Meknes (Morocco) and Berlin (Germany) was evaluated. Indeed, the potentiality of the electronic nose (e-nose) to differentiate the concentration fractions of hydrogen sulfide, ammonia, and ethanol was investigated. Furthermore, the impact change of relative humidity values (from 15% to 67%) on the responses of the gas sensors was reported and revealed that the effect remained less than 0.6%. Furthermore, the relevant results confirmed that the developed e-nose system was able to perfectly classify and monitor the odorous air of poultry farms.
In this work, we demonstrate the ability of an electronic nose system based on an array of six-semiconductor gas sensors for outdoor air quality monitoring over a day at a traffic road in downtown of Meknes city (Morocco). The response of the sensor array reaches its maximum in the evening of the investigated day which may due to high vehicular traffic or/and human habits resulting in elevated concentrations of pollutants. Dataset treatment by Principal Component Analysis and Discriminant Function Analysis shows a good discrimination between samples collected at different times of the day. Moreover, Support Vector Machines were used and reached a classification success rate of 97.5 %. Thermal Desorption-Gas Chromatography-Mass Spectrometry (TD-GC-MS) technique was used to validate the developed e-nose system by identifying the composition of the analyzed air samples. The discrimination obtained by e-nose system was in good agreement with the TD-GC-MS results. This study demonstrates the usefulness of TD-GC-MS and e-nose, providing high accuracy in discriminating outdoor air samples collected at different times. This demonstrates the potential of using the e-nose as a rapid, easy to use and inexpensive environmental monitoring system.
Sensor systems are widely used in hydrogen technologies. The lecture presents requirements and properties of sensor systems and shows application examples of these technologies for safety and process control for hydrogen technologies. The focus is on gas sensors as well as sensors for pressure, temperature and gas flow. These systems are applied, among other things, for monitoring and control of operating conditions, indication of hazardous conditions and triggering of alarms.
The determination of the measurement uncertainty of quantitative and qualitative results is an important quality management tool, for example to describe measuring equipment, procedures, measurement results and the quality of products. The lecture presents the process description for the determination of the measurement uncertainty according to GUM, the determination of uncertainties in qualitative measurement results and the application of the measurement uncertainty for conformity assessment.
Introduction of H2Safety@BAM
(2021)
This contribution for the Open Forum of the 8th HSN Symposium introduces the SensRef activities of the Competence Centre H2Safety@BAM.
The evaluation of measurement uncertainty is essential for testing and calibration laboratories. This paper provides a general process description for the determination of the measurement uncertainty of quantitative data and its application to the conformity assessment with examples, and how to deal with the uncertainty of qualitative (Boolean) results, e. g. when "Alarm" or "No alarm" occours in an instrument display.
The internal project "SealWasteSafe" of the Federal Institute for Materials Research and Testing is dedicated to the further improvement in the construction of sealing systems for underground repositories of radioactive waste. Particularly, a multi-sensory concept is developed to ensure quality assurance and continuous long-term monitoring on the engineered barriers. Therefore, beside other measures, the temperature and equilibrium moisture of the construction shall be monitored and respective multi-sensoric monitoring concepts are tested first on the laboratory scale. One focus in this project is on embedded application in alkali-activated mortars (AAM), which results in special requirements for the resistance of the sensors to strongly alkaline environments with up to pH 14. In addition, the ingress of water along cables or at sensor positions is critical for sensors embedded in concrete, as the cable access of the sensor housing is a major weak point. It is therefore advisable to equip wireless high frequent radio frequency identification-based sensors, so called HF RFID sensors (short: RFID), that do not require cable access and thus have a stable and leak-proof sensor housing for long-term monitoring. In this contribution, the results from temperature, moisture and transmitted power monitoring of a AAM and a M2 specimens by means of HF RFID sensor systems are presented.
In the present paper the development of a semi-automated device for long-term monitoring of gaseous ammonia is described. A sensor material was produced that changes its optical properties in the pres-ence of low concentrations of ammonia in air. The implementation into an electronic device enables precise, simple, economic and fast monitoring of low concentrations of harmful gases, like ammonia, and hence can help to improve the climate monitoring in livestock housing, barns or stables.
The testing of gas and humidity sensors is essential for the application of sensing devices. The testing determines properties of an investigated humidity sensor or gas sensor. In testing, the sensor property is the observed response of a sensing system to an input stimulus in comparison to a reference within a test procedure. This tutorial is structured into six chapters. The first chapter is about basics of hygrometry and gas sensing. It includes definitions, sensor classification, overview of application categories, as well as construction and functional principles. The chapter on requirements of deployed sensors focus on stability, response time, cross-sensitivity, electrical and mechanical requirements, and other. The sensing performance is characterised by determinations of parameters like accuracy, repeatability, detection limits (low and high), and response/recovery time. The description of testing signals on specified qualitative and quantitative characteristics, and the adequately estimated measurement uncertainty is the content of the analysis chapter. All chapters contain examples of testing procedures from testing/calibration labs for hygrometers and gas sensors which are essential for implementation into quality management systems.
This project addresses the application of safe and healthy workplaces in offices, chemical laboratories and other workplaces where indoor air quality plays an important role. The LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) is used as a communication interface to make sensor data globally accessible.
The objectives of the project are to create a sensor node and an online and offline system that collects the data from the sensor nodes and stores it on a local server, in a cloud, and also locally on the node to prevent communication failures. An important point in this project is the development of the sensor nodes and the placement of these in the premises, thus no development work is involved in Building the infrastructure.
Poor air quality, particularly in urban areas, causes various diseases and degrades living standards. Air Quality could be affected by emissions of odor, Volatile Organic Compounds (VOCs), and other gases. Therefore, assessment and monitoring of odorous air quality using sensitive, simple, rapid, accurate and portable tools is very important for public health. This study aimed to characterize odor emissions to detect malfunctions in facilities and to prevent air pollution and olfactory nuisance in the environment. A gas chromatographic method, in conjunction with sensorial analysis were performed for odorous air samples analysis collected from neighborhood of Meknes city (Morocco). Advanced multivariate statistical approaches, such as Principal Components Analysis (PCA), Discriminant Function Analysis (DFA), Support Vector Machines (SVMs), and Hierarchical Cluster Analysis (HCA), were used to describe samples similarities. The electronic nose (e-nose) data processing exhibits a satisfactory discrimination between the odorous air samples. Twenty-four VOCs with known molecular formulas were identified with Thermal Desorption-Gas Chromatography-Mass Spectrometry (TD-GC-MS). A validated Partial Least Square (PLS) model foresees good calibration between e-nose measurement and TD-GCMS analysis. The finding indicates that TD-GC–MS approach in conjunction with e-nose unit could be suitable tool for environmental measurement-based odor emissions.
Ein Umlaufkühler ist im Betrieb explodiert. Splitter des zerborstenen Gehäuses aus Kunststoff wurden mit dem Kühlwasser in die Umgebung geschleudert, am Betriebsort entstand Personenschaden. Bei Funktionsprüfungen am beschädigten Gerät traten unerwartet - aber reproduzierbar - Knalleffekte bei Berührung der Außenoberfläche der Kupfer-Kühlschlange auf. Ein möglicher Mechanismus konnte im Labor durch Synthese von Kupferazid auf Kupferproben und Auslösung vergleichbarer Knalleffekte nachgestellt werden. Damit ist die Plausibilität des beschriebenen Schadensereignisses mit diesem oder einem ähnlich reagierenden Stoff belegt. Ein eindeutiger Nachweis darüber, dass bei dem aufgetretenen Schadensfall dieselbe chemische Reaktion stattgefunden hat, war nicht möglich, da die Belag-Überreste aus dem explodierten Kühlgerät für eine Analyse nicht mehr in ausreichender Menge verfügbar gewesen sind.
Wastewater contains harmful chemicals and heavy metals that are known to cause various environmental and health problems. Therefore, the water quality control using sensitive, simple, fast, accurate, and portable tools is of great importance. This study aimed to evaluate the pollution parameters of wastewaters collected at different treatment stages from a wastewater treatment plant (WWTP) that treats domestic and industrial wastewaters by using an electronic nose (E-nose) and a voltammetric electronic tongue (E-tongue) combined with chemometric techniques. Water and wastewater pollution parameters determination were performed using inductively coupled plasma optical emission spectrometry for the determination of cations, and anions by using ion chromatography. Chemometric techniques, such as Principal Component Analysis (PCA), Discriminant Function Analysis (DFA), Support Vector Machines (SVMs), and Hierarchical Cluster Analysis (HCA), were used to process the E-nose and E-tongue datasets to describe the similarities between the samples. In addition, Partial Least Squares Regression (PLSR) model was constructed using electronic sensing data to simultaneously predict the concentration values of physicochemical parameters. The obtained correlation coefficient, for training and testing sets, is higher than 0.91 for the prediction of the concentration of all physicochemical parameters, except for iron (Fe) which remains 0.84. These results suggest that simple, portable, and inexpensive tools such as electronic nose and tongue are suitable for wastewater analysis.
Die Optimierung und Validierung des digitalen Wasserstofftankstellenmanagements mit Sensortechnologien ist das übergeordnete Ziel des Teilprojekts Digitale Qualitätsinfrastruktur mit Sensortechnologien (QIST) am Use Case H2, im Rahmen der digitalen Qualitätsinfrastruktur (QI digital[1]). Hierfür sollen u.a. Sensornetzwerke mit digital-gestützten Auswertungsstrategien intelligent gestaltet werden (Stichwort KI bzw. digitaler Zwilling). Verschiedene, sich ergänzende Sensoren, Systemkomponenten und KI-Methoden stehen als Bausteine intelligenter Sensorsysteme zur Verfügung, mit dem Zweck, die physikalischen und chemischen Parameter an und in Anlagen umfassend und effizient zu überwachen sowie Fehlfunktionen zuverlässig zu detektieren und zu interpretieren, Abbildung 1.
Konkrete Arbeitsschritte sind, nach dem Aufbau der Versuchsplattform „Wasserstofftankstelle“, die Instrumentierung von Sensorik und deren digitale Integration in das Tankstellenmanagementsystem sowie die Validierung im Realbetrieb. Die somit erzielten Messergebisse sowie die Messunsicherheiten, Historien und Verfahren werden in digitaler Form aufbereitet, gespeichert und fortlaufend in die KI-basierte Datenauswertung einbezogen, inkl. der Anbindung an die metrologische Rückführungskette.
Ziele sind:
• Einführung eines neuen messtechnischen Ansatzes und eines digitalen Zwillings für den Anwendungsfall "Wasserstofftankstelle" auf Basis der H2-Sensorik sowie der Zustandsgrößen Druck und Temperatur
• Qualitätssicherung durch Applikationen zuverlässiger Gassensorik, Manometer und Thermometer sowie KI-Methoden zur Prozesskontrolle und Detektion von Fehlfunktionen
• Nutzung von digitalen Kalibrierscheinen (DCCs) insbesondere für die Messgröße Temperatur zur Realisierung der metrologischen Rückführung in einer digitalen Qualitätsinfrastruktur
An experimental investigation has been carried out to characterize and discriminate seven saffron samples and to verify their declared geographical origin using a voltammetric electronic tongue (VE-tongue). The ability of multivariable analysis methods such as Principal Component Analysis (PCA), Hierarchical Cluster Analysis (HCA) to classify the saffron samples according to their geographical origin have been investigated. A good discrimination has reached using PCA and HCA in the VE-tongue characterization case. Furthermore, cross validation and Partial Least Square (PLS) techniques were applied in order to build suitable management and prediction models for the determination of safranal concentration in saffron samples based on SPME-GC-MS and UV-Vis Spectrophotometry. The obtained results reveals that some relationships were established between the VE-tongue signal, SPMEGC-MS and UV-Vis spectrophotometry methods to predict safranal concentration levels in saffron samples by using the PLS model. In the light of these results, we can say that the proposed electronic system offer a fast, simple and efficient tool to recognize the declared geographical origin of the saffron samples.
A portable device for calibration of trace humidity sensors and an adopted calibration procedure have been developed. The calibration device is based on humidity generation by permeating water through polymeric membrane tubes. Water vapour transmission rates for various polymers were experimentally determined in order to select the most suitable polymeric material. The developed trace humidity generator consists of a gas-flow polymeric hose immersed in a water reservoir thermostated by a sensorcontrolled heater. Mole fractions of water vapour between 1 µmol/ molˉ¹ and 350 µmol/molˉ¹ (equivalent to frost-point temperatures from -76 °C to -31 °C) were generated by varying either the operating temperature or gas flow. The operating temperature can be varied from 20 °C to 60 °C and kept stable within 0.1 K. Uncertainty analysis indicated that the trace humidity generator produces gas flows of constant humidity amounts with a relative expanded uncertainty less than 3.4% (k = 2) of the generated value.
The Stolt Rotterdam tanker ship, filled with nitric acid, was unloading at the Krefeld-Uerdingen terminal on the Rhine River in November 2001. Nitric acid ran out of the stainless steel tanks into the ship's hull and damaged the structural steel. The ship then caught fire and sank at the terminal. Large quantities of nitrogen oxides were emitted, which drifted towards a residential area. Additionally, a mixture of acid and water was introduced into the Rhine River. The area became hazardous to people and the natural environment; however, the imminent danger for the residents and the environment was reduced because of the protective measures against pollution and the good teamwork between local authorities, fire brigades and the Bayer AG company. The acid was drained off of the ship using a controlled discharge of the acid into the river. Through the use of this measure, the ship was salvaged, limiting the pollution to the area and removing the health hazards to the people and the environment. After the ship was salvaged, the river police, along with assistance from the BAM Federal Institute for Materials Research and Testing, impounded the ship and selected corroded parts for further examination. Some of these components have been examined in detail by the BAM. These material investigations contributed to the elucidation of the origin of the leak in the floor panel. The cause of damage was deemed to be a result of a construction flaw at the enamelled valve on the load and discharge pipes.
The results from the comparative corrosion testing using the original structural steel and 60% acid revealed that the valves began to leak at least 8 h prior to the incident at the terminal.
Application of electronic nose and ion mobility spectrometer to quality control of spice mixtures
(2009)
Traces of microbial volatile organic compounds (MVOCs) in air can indicate the presence of growth of moulds in the indoor environment. Ion-mobility spectrometry is a very promising method for detection of these MVOCs, because of its high sensitivity. For development of an in-situ method for detection of MVOCs, a portable ion-mobility spectrometer (IMS) was used and test gases of 14 MVOCs and their respective mixtures were investigated. IMS spectra were recorded as a function of concentration of MVOCs in air. Drift time and mobility of reactant ions formed in positive polarity mode were determined and correlated with the mass-to-charge ratio (m/z) of the MVOCs investigated. The estimated detection limit has a specific value for each MVOC and is in the range 3 to 96 µg m-3 (1 to 52 ppbV). Indoor trials show that IMS can indicate hidden mould growth.
Detektion von leicht flüchtigen Schimmelpilzmetaboliten mittels Ionen-Mobilitäts-Spektrometrie (IMS)
(2009)
The detection of the aroma and flavour volatile compounds of spices is key in product quality control. Accordingly, it is necessary to develop new electronic sensing systems for food adulteration control and authenticity assessment for protecting customer's health.
In this work, the capability of the E-nose and VE-tongue in combination with SPME-GC-MS to correctly discriminate between several cumin samples of different geographical origins and to detect their adulteration, by using unsupervised and supervised chemometric tools, was evaluated. Regarding the aroma profile, eleven volatile compounds were characterized by SPME-GC-MS; all of them were found in cumin powder while only eight are found in cumin seeds. The main volatile compounds detected were b-pinene, m-cymene, g-terpinene, cuminaldehyde and cuminic alcohol, in different proportions depending on the cumin sample form (seed or powder). In summary, the results obtained are sufficiently encouraging as a starting point for the development of new electronic sensing systems with more improvement in the reliability of the sensor's performance as well as chemometric tools in order to deal with a complex dataset.
A metrological approach to improve accuracy and reliability of ammonia measurements in ambient air
(2016)
The environmental impacts of ammonia (NH3) in ambient air have become more evident in the recent decades, leading to intensifying research in this field. A number of novel analytical techniques and monitoring instruments have been developed, and the quality and availability of reference gas mixtures used for the calibration of measuring instruments has also increased significantly. However, recent inter-comparison measurements show significant discrepancies, indicating that the majority of the newly developed devices and reference materials require further thorough validation. There is a clear need for more intensive metrological research focusing on quality assurance, intercomparability and validations. MetNH3 (Metrology for ammonia in ambient air) is a three-year project within the framework of the European Metrology Research Programme (EMRP), which aims to bring metrological traceability to ambient ammonia measurements in the 0.5–500 nmol mol−1 amount fraction range. This is addressed by working in three areas: (1) improving accuracy and stability of static and dynamic reference gas mixtures, (2) developing an optical transfer standard and (3) establishing the link between high-accuracy metrological standards and field measurements. In this article we describe the concept, aims and first results of the project.
Ionische Flüssigkeiten als neuartige Sensorbeschichtung für coulometrische Spurenfeuchtesensoren
(2018)
Die Arbeit präsentiert erste Messungen mit coulometrischen Sensoren, die mit einer ionischen Flüssigkeit beschichtet sind. Diese Sensoren werden in der Industrie verwendet, um die Spurenfeuchte in unterschiedlichen Gasen zu messen. Normalerweise erfolgt eine Beschichtung der Sensoren mit Phosphorpentoxid und dessen Hydrolyseprodukte. In dieser Arbeit wurde stattdessen eine hygroskopische ionische Flüssigkeit benutzt. Die generierte Gasfeuchte für die Untersuchungen betrug bezogen auf die Frostpunkttemperatur -80 °C bis -30 °C, was gleichbedeutend mit einem Wasserdampf-Stoffmengenanteil von 0,5 μmol·mol-1 bis 376 μmol·mol-1 ist. Zusätzlich zu der Messung mit coulometrischen Sensoren erfolgte eine Referenzmessung der Gasfeuchte mittels eines Taupunkthygrometers. Erste Ergebnisse haben gezeigt, dass es möglich ist mit dieser Art der Beschichtung unterschiedliche Gasfeuchten zu messen. Aber es ergaben sich trotz gleicher Feuchte unterschiedliche Signalintensitäten bei den benutzen Sensoren und es zeigte sich eine Drift des Sensorsignales.
Technische Richtlinien enthalten Empfehlungen sowie Anforderungen zum Stand der Technik zur Aufstellung von Bewertungskriterien und Behandlung wissenschaftlich-technischer Fragen. Sie fördern den Erfahrungsaustausch und Technologietransfer zwischen Entwicklern und Anwendern.
In unserem Beitrag stellen wir die Richtlinie VDI/VDE 3518 vor. Diese Richtlinienreihe definiert Begriffe, beschreibt den Aufbau und klassifiziert Multigassensoren (Blatt 1), befasst sich mit den Anforderungen für das Unterscheiden, Erkennen und mengenmäßige Bestimmen von Gemischen gasförmiger Stoffe und die Prüfung von Multigassensoren (Blatt 2) und gibt Anleitung für geruchsbezogene Messungen mit „Elektronischen Nasen“ (Blatt 3). Multigassensoren können als elektronische Nasen in Anlehnung an den biologischen Geruchssinn zur Wahrnehmung und Charakterisierung von Gerüchen eingesetzt werden. Die Spezifik von Multigassensoren besteht darin, dass durch die Wahl und Betriebsweise der Sensoren eine Vielzahl von geeigneten Messsignalen erzeugt werden, aus denen mit mathematischen Verfahren die für die Anwendung gewünschten Informationen extrahiert werden. Dazu ist ein Training der Messeinrichtung mit Proben bekannter Eigenschaften notwendig.
Diese Richtlinie soll Herstellern, Anbietern und Nutzern als ein Leitfaden Informationen und Erläuterungen für die korrekte und sichere Arbeit mit Multigassensoren liefern. Sie soll Prüflaboratorien und Anwendern helfen, bei der Beurteilung von Qualitätsmerkmalen einheitlich vorzugehen und dafür gemeinsame Randbedingungen anzugeben
Leaking methane (CH4) from infrastructures, such as pipelines and landfills, is critical for the environment but can also pose a safety risk. To enable a fast detection and localization of these kind of leaks, we developed a novel robotic platform for aerial remote gas sensing. Spectroscopic measurement methods for remote sensing of selected gases lend themselves for use on mini-copters, which offer a number of advantages for inspection and surveillance over traditional methods. No direct contact with the target gas is needed and thus the influence of the aerial platform on the measured gas plume can be kept to a minimum. This allows to overcome one of the major issues with gas-sensitive mini-copters. On the other hand, remote gas sensors, most prominently Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) sensors have been too bulky given the payload and energy restrictions of mini-copters. Here, we present the Unmanned Aerial Vehicle for Remote Gas Sensing (UAV-REGAS), which combines a novel lightweight TDLAS sensor with a 3-axis aerial stabilization gimbal for aiming on a versatile hexacopter. The proposed system can be deployed in scenarios that cannot be addressed by currently available robots and thus constitutes a significant step forward for the field of Mobile Robot Olfaction (MRO). It enables tomographic reconstruction of gas plumes and a localization of gas sources. We also present first results showing its performance under realistic conditions.
Pollution through emission of toxic gases is an increasing problem for the environment. It affects similarly agricultural, industrial and urban areas. In future, environmental emissions in ambient air must be monitored at even lower concentrations as nowadays. One environmental relevant compound is ammonia and its conversion product ammonium that have strong negative impact on human health and ecosystems. Most ammonia measurements in ambient air are performed in the range below 1000 nmol·mol 1 and thus there is a need for reliable traceable ammonia gas standards and in addition in situ analytical procedures for monitoring (in ambient air to avoid that thresholds are exceeded). Therefore, the use of reference materials is necessary for development accompanying test or for calibration, e. g. of structure-integrated sensors and mobile multi-gas sensors.
The developed gas standard generator produces gas mixtures that comply with the metrological traceability for ammonia gas standards in the desired environmentally relevant measurement range. The method is based on the permeation of ammonia through a membrane at constant temperature and pressure. The resulting ammonia penetrant gas flow is then mixed with a carrier gas flow to generate a gas standard flow of known concentration. The dynamic rage is enlarged by using a two dilution steps. Depending on the permeation rate, generable molar fractions are possible in the range nmol·mol-1 to a few µmol·mol-1. We present the design of an ammonia gas standard generator and first results of the characterisation of its individual components supporting the uncertainty assessment according to GUM for stable gas concentrations in this range. The relative uncertainty of the generated ammonia gas standard is smaller than 4 % (k = 2).
Im Projekt KonSens werden für die Anwendungsbei-
spiele bauteilintegrierte Sensorik für Betonkomponen-
ten und mobile Multigassensorik Sensorsysteme in
Form von Funktionsmustern entwickelt, validiert und
angewendet. Schwerpunkte liegen einerseits in der
Detektion und Bewertung von Korrosionsprozessen in
Beton und andererseits in der Detektion und Quantifi-
zierung sehr geringer Konzentrationen toxischer Gase
in der Luft. Dabei ist die Adaption der sensorischen
Methoden aus dem Labor in reale Messumgebungen
inklusive geeigneter Kommunikationstechnik ein
wichtiger Aspekt.
Innovation is the catalyst for the technology of the future. It is important to develop new and better technologies that can continuously monitor the environmental impact, e.g., for air Quality control or emission detection. In the recently at BAM developed Universal Pump Sensor Control (UPSC3) module, different components and sensors are fused. The combination of the individual components makes the UPSC3 module an excellent monitoring and reference system for the development and characterization of gas specific sensors. Measurements over long periods are possible, for mixed gas loads or for certain gas measurements. The System is part of a mobile sensor network of several sensor units, which can also be used as standalone systems.
This work presents a first attempt to use ionic liquids as a new coating for planar coulometric sensors. These sensors are used for the measurement of trace humidity in various gases. Usually, the coating of the sensors is tetraphosphorus decaoxide and its hydrolysis products. Instead, a hygroscopic ionic liquid was used as sensor coating in this work. Generated frost point temperatures tf in the gas ranged from -80 °C to -30 °C, which is equivalent to vapour mole fractions xv from 0.5 μmol·mol-1 to 376 μmol·mol-1. In addition to the coulometric sensors, the generated humidity is determined by a precision dew point hygrometer as reference. First results show that it is possible to measure humidity with ionic liquid based coulometric sensors.
Planar coulometric sensors were investigated in humidified synthetic air at various absolute gas pressures, i. e. 2 bar, 5, bar, 10 bar, and 15 bar. Humidified gas flow at adjusted gas pressure was split into two flows, one passed a coulometric sensor and the other one passed a reference hygrometer after decompression. Both signals were recorded and then compared after calculation of resulting frost point temperature. Calculation is based on a calibration function obtained at ambient pressure. Comparison showed that an increasing pressure resulted in a higher derivation between sensor signal (calculated frost point temperature) and reference frost point temperature. At an absolute pressure of 2 bar the differences were minor in consideration of the uncertainty, however at 15 bar the differences were 6.77 K. Nevertheless, it was possible to measure the gas humidity at higher pressure with coulometric trace humidity sensors.
Die Varroose gilt weltweit als eine der bedeutendsten Erkrankungen der westlichen Honigbiene, Apis mellifera. Verursacht wird sie durch den Ektoparasiten Varroa destructor, der durch Saugen der Hämolymphe und Virenübertragung sowohl die Bienenbrut als auch die adulten Individuen schädigt.
Ohne imkerliche Unterstützung gehen betroffene Bienenvölker in der Regel innerhalb von drei Jahren ein. Als bewährte, häufige Behandlung wird flächendeckend 60%ige Ameisensäure (AS) -im Bienenstock appliziert über verschiedene Verdampfungssysteme- eingesetzt. Sie wirkt als einziger zugelassener Wirkstoff gegen die Varroamilbe auch in die verdeckelte Brut hinein und birgt kein Risiko der Resistenzentwicklung.
Allerdings ist das therapeutische Fenster, der Bereich zwischen Milbenabtötung und Bienenschädigung, relativ schmal und die tatsächliche AS-Konzentration im Bienenstock stark abhängig von äußeren Einflussfaktoren, wie Temperatur oder Applikationsart.
Eine Bestimmung der exakten AS-Konzentration im Bienenstock ist also notwendig, um einerseits das Wirkungsoptimum zu bestimmen und andererseits bei Übersteigen der Maximalkonzentrationen mit Folge-Schädigung der Bienen, ein rechtzeitiges Eingreifen der Imker zu ermöglichen.
Die Entwicklung eines Detektors zur Bestimmung der tatsächlichen AS-Konzentration in der Bienenstockluft würde einen großen Fortschritt in den Bereichen der Bienenforschung, der Varroa-Behandlung in der Imkerei, sowie einer gesundheitlich bedenklichen AS-Exposition für den Imker bedeuten.
Langfristiges Ziel dieses Projekts ist es, ein mobiles, einfach handhabbares Gerät zur Detektion der AS-Konzentration in der Bienenstock-Luft während einer AS-Behandlung zu entwickeln.
Grundlage hierfür bietet ein kommerziell verfügbares Multigassensorsystem (PEN3, AIRSENSE Analytics GmbH, Schwerin).
Ziel der beschriebenen Vorversuche ist die generelle Eignungsprüfung des Multigassensorsystems PEN3 zur Detektion der hohen AS-Konzentration in Gasgemischen unter Bedingungen wie sie im Bienenstock während einer AS-Behandlung herrschen.
Als Messplatz zur Detektion von AS in Luft wurden zwei Systeme vorbereitet:
A) Eine Plexiglasbox mit einem Volumen von ca.1,9 l diente als Prüfkammer, wurde von einem Gasstrom befeuchteter synthetischer Luft durchströmt (50 mL min-1, 100 mL min-1 oder 300 mL min-1) und zur Temperierung auf 25 °C auf einer Heizmatte bzw. auf 35 °C in einem Ofen platziert. AS-Wasser-Gemische verschiedener Volumenverhältnisse (0-100%) wurden in einer Glasschale (Oberfläche Flüssigphase 9,6 cm2) in der Prüfkammer vorgelegt.
B) In einer durch eine Heizmatte auf 25 °C temperierten, zwei-zargigen Segeberger Beute wurden vier Messpunkte angebracht (davon drei in der oberen und einer in der unteren Etage) und 60%ige AS über einen Nassenheider-Verdampfer vertikal vorgelegt.
Zur Detektion des AS-Luft-Gemischs wurde das PEN3 Multigassensorsystem genutzt. Das zu untersuchende Gasgemisch wurde über die internen zehn Metalloxid-Halbleiterdetektoren (1-10) der PEN3 geleitet. Das so generierte Messsignal beschreibt ein Widerstandsverhältnis zwischen dem Widerstandwert zum Zeitpunkt der Messung (R) und dem elektrischen Widerstand bei der Nullluft-Messung (R0), wobei hier befeuchtete synthetische Luft mit einer reltativen Feuchte von 49 % ± 4 % oder Raumluft genutzt wurde. Gase unterschiedlicher Zusammensetzung können anhand der dargestellten Signalmuster verschiedener Sensoren voneinander unterschieden werden.
In beiden Messsystemen wiesen die Sensorelemente 1, 6, 7, 8 und 9 gesteigerte Sensitivitäten beim Vorliegen von Ameisensäure im Gasgemisch auf. Die größten Widerstandsverhältnisse zeigten dabei die Sensorelemente 6, 8 und 9, sodass hier von der höchsten Empfindlichkeit für AS auszugehen ist.
Basierend auf den erhobenen Messdatensätzen wurden Hauptkomponenten- (PCA) und lineare Diskriminanzanalysen (LDA) zur Dimensionsreduktion durchgeführt, um charakteristische Muster aus den Messsignalen zu extrahieren. Die PCA- und LDA-Plots für die jeweils bedeutsamsten Komponenten PC 1 und PC 2 bzw. LD 1 und LD 2 eines Versuchslaufs in der Plexiglasbox (A) bei einer Temperatur von 35°C, einem Volumenstrom von 300 mL min-1 und variablen Ameisensäure-Wasser-Volumenverhältnissen von 0 % bis 100 %. Deutlich erkennbar sind die Abhängigkeiten der Komponenten PC 1 und LD 1 (Abszissen) vom vorgelegten AS-Wasser-Volumenverhältnis. Unsere Ergebnisse zeigen, dass das Multigassensorsystem zur Bestimmung von AS in Luft unter ähnlichen Bedingungen wie bei einer AS-Behandlung im Bienenstock angewandt werden kann.
Die Versuche zeigen, dass die im PEN3 eingesetzten Metalloxid-Sensoren bzw. Metalloxidsensor-Arrays zur Detektion von AS in Luft auch bei höheren Konzentrationen als beispielsweise der MAK-Wert von 5 µmol/mol zur Überwachung des AS-Gehaltes in Bienenstöcken angewandt werden können. Aufgrund der Möglichkeit der quasi Echtzeit-Messdatengenerierung, der geringen Kosten kommerziell verfügbarer Sensorelemente, der Portabilität und der Möglichkeit zur Miniaturisierung zeichnen sich solche Messsysteme zukünftig durch eine besondere Praxisnähe aus. Diese Erkenntnisse sind Grundlage für eine Verbesserung des Detektionsverfahrens und zur Vorhersage über die Effizienz und Effektivität der Varroha-Milbenbehandlung.
In this paper, we introduce a nano aerial robot swarm for Indoor Air Quality (IAQ) monitoring applications such as occupational health and safety of (industrial) workplaces. The robotic swarm is composed of nano Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), based on the Crazyflie 2.0 quadrocopter, and small lightweight Metal Oxide (MOX) gas sensors for measuring the Total Volatile Organic Compound (TVOC), which is a measure for IAQ. An indoor localization and positioning system is used to estimate the absolute 3D position of the swarm similar to GPS. A test scenario was built up to validate and optimize the swarm for the intended applications. Besides calibration of the IAQ sensors, we performed experiments to investigate the influence of the rotor downwash on the gas measurements at different altitudes and compared them with stationary measurements. Moreover, we did a first evaluation of the gas distribution mapping performance. Based on this novel IAQ monitoring concept, new algorithms in the field of Mobile Robot Olfaction (MRO) are planned to be developed exploiting the abilities of an aerial robotic swarm.