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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.
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
Es wird ein vereinfachtes Verfahren für die Bestimmung und Implementierung der Maschinennachgiebigkeit bei der Verwendung eines sphärischen Indenters dargestellt. Die Maschinennachgiebigkeit wird bei deutlicher Kraftabhängigkeit als Funktion der Kraft in die Auswertung implementiert. Als sensitiver Kennwert dient der aus der instrumentierten Eindringprüfung an Härtevergleichsplatten ermittelte Eindringmodul.
Temperature characteristics of a piezoresistive accelerometer for high impact shock application
(2018)
This study presents the characterization of a piezoresistive accelerometer damped with silicon oil for the application in drop tests carried out at BAM. Experiments were performed with the Hopkinson Bar method in close correlation to the real-world application conditions. The results point out certain limitations regarding the temperature influence and the frequency response. Additional experiments were performed with a gas damped type of piezoresistive accelerometer, which has superior specifications, particularly for low temperatures. The results allow for a comparison.
Temperature characteristics of a piezoresistive accelerometer for high impact shock application
(2018)
This study presents the characterization of a piezoresistive accelerometer damped with silicon oil for the application in drop tests carried out at BAM. Experiments were performed with the Hopkinson Bar method in close correlation to the real-world application conditions. The results point out certain limitations regarding the temperature influence and the frequency response. Additional experiments were performed with a gas damped type of piezoresistive accelerometer, which has superior specifications, particularly for low temperatures. The results allow for a comparison.
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).
Sensor network deployment
(2018)
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.
BAM is the German Federal Institute for Materials Research and Testing and the competent authority for mechanical and thermal safety assessment of transport packages for spent fuel and high level waste. In context with safety assessment of RAM packages BAM performed numerous drop tests in the last decades. The tests were mostly accompanied by extensive and various measurement techniques especially by instrumented measurements with strain gages and accelerometers.
The procedure of drop testing and the resulting measurement analysis are the main methods to evaluate the safety against mechanical test conditions. Measurement techniques are dedicated to answer questions in regard to the structural integrity of a RAM package, the mechanical behavior of the prototype as well as of its content under impact conditions.
Test results like deceleration-time functions constitute a main basis for the validation of assumptions in the safety analysis and for the evaluation of numerical calculations. In this context the adequate selection of accelerometers and measurement systems for the performance of drop tests is important. Therefore it is not only necessary to find suitable positions for the accelerometers at the test specimens, but also to consider technical boundary conditions as e.g. temperature.
Over decades, the German Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) has established a sophisticated calibration laboratory for force, temperature and electrical quantities. Since more than 15 years it is accredited, currently by the national accreditation body (DAkkS), and offers its service also to external entities on a global scale. As a public provider, we are furthermore committed to research and development activities that demand measurements with highest quality and low level of uncertainties. Two R&D examples are highlighted within this contribution.
In this paper, we introduce a nano aerial robot swarm for indoor air quality monitoring applications such as occupational health and safety of (industrial) workplaces. The concept combines a robotic swarm composing of nano Unmanned Aerial Vehicles (nano UAVs), based on the Crazyflie 2.0 quadrocopter, and small lightweight metal oxide gas sensors for measuring the Total Volatile Organic Compound (TVOC) in ppb and estimating the eCO2 (equivalent calculated carbon-dioxide) concentration in ppm. TVOC is a measure for the indoor air quality. An indoor localization and positioning system will be used to estimate the absolute 3D position of the swarm like GPS. Based on this novel indoor air quality monitoring concept, the development and validation of new algorithms in the field of Mobile Robot Olfaction (MRO) are planned, namely gas source localization and gas distribution mapping. A test scenario will be built up to validate and optimize the gas-sensitive nano aerial robot swarm for the intended applications.
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.
The presence of wastewater and air pollution has become an important risk factor for citizens, not only in terms of problems related to health risks, but also because of its negative impact on the country's image. For this reason, malodorous emission monitoring and control techniques are in high demand in urban areas and industries. The aim of this work is first to build an electronic nose (e-nose) and a Voltammetric Electronic tongue (VE-tongue) in order to study their ability to discriminate between polluted and clean environmental samples. Secondly, Thermal Desorption-Gas Chromatography-Mass Spectrometry (TD-GC-MS), and Solid Phase Micro Extraction-Gas Chromatography–Mass Spectrometry (SPME-GC-MS) are utilized to explain this discrimination by identifying specific compounds from these samples. Indeed, the e-nose, consisted of metal oxide semiconductor gas sensors, is used for the assessment of the studied odorous air and headspace samples from water and wastewater sites. Moreover, the VE-tongue, based on metal electrodes, is utilized to determine the patterns of the sensor array responses, which serve as fingerprints profiles of the analyzed liquid samples. Chemometric tools, such as Principal Component Analysis (PCA), Hierarchical Cluster Analysis (HCA), and Support Vector Machines (SVMs) are operated for the processing of data from the e-nose and the VE-tongue. By using the both systems, the analyses of headspace and liquid samples from the seven sites allow better discrimination. To explain the cause of the obtained discrimination, TD-GC-MS and SPME-GC-MS analyses are well performed to identify compounds related sites. According to these outcomes, the proposed e-nose and VE-tongue are proved to be rapid and valuable tools for analysis of environmental polluted matrices.
IMS trägt zur Luftfrachtsicherheit bei
Geltende Luftsicherheitsgesetze verpflichten Luftsicherheitsbehörden, Flughafenbetreiber und Fluggesellschaften umfassende Sicherheitsmaßnahmen auf den Flughäfen zu ergreifen, um die Gefahr möglicher terroristischer Bedrohungen zu erkennen und zu verhindern. Wenn ein verdächtiges Objekt durch Röntgenstrahlen identifiziert wurde, kann die IMS als schnelles Analyseverfahren vor Ort orthogonal zur Radiologie eingesetzt werden, um chemische Informationen über Gefahrstoffe wie Sprengstoffe oder Drogen vor dem Abflug zu erhalten.
Vor der Detektion von Sprengstoffen beginnt die Untersuchung eines verdächtigen Objekts mit der Probenahme mittels Wischprobensammlern. Eine Luftsicherheitskontrollkraft wischt dabei Oberflächen des Objekts mit einem Probensammler ab, um Partikel von Gefahrstoffen zu sammeln. Der beladene Probensammler wird anschließend in einen Probeneinlass eingeführt. Nach thermischer Desorption der gesammelten Stoffe erhält der Bediener (z. B. Luftsicherheitskontrollkraft) ein boolesches Ergebnis - "Alarm" oder "Kein Alarm".
Verfahren und Ergebnisse
In dieser Studie wurden drei Verfahren mit vier ECAC-zertifizierten ETD-Geräten zur Entwicklung eines Unsicherheitskonzeptes bezüglich der Probenahme (PN) angewandt:
I) direkte Probenaufnahme durch lösemittelbasierten Auftrag einer bekannten Sprengstoffmenge auf einem Probensammler,
II) Auftragung einer bekannten Menge eines gelösten Sprengstoffs auf einem 10 cm × 10 cm Substrat (Aluminium, Papier, Eisen und Polyvinylchlorid) und manuelle PN nach Lösemittelverdampfung,
III) lösemittelbasierter Sprengstoffauftrag auf eine PTFE- oder PTFE-beschichtete Glasfaseroberfläche, nach Lösemittelverdunstung trockene Übertragung auf das zu beprobende Substrat zur PN.
Nach dem binären Regressionsverfahren wurde die funktionale Abhängigkeit der Detektionswahrscheinlichkeit von einer bekannten Sprengstoffmasse mit einer Logit-Funktion beschrieben:
POD=1/(1+e^(-A·(m-B))).
Dabei ist POD die Wahrscheinlichkeit der Detektion für eine bekannte Sprengstoff-Masse, die Parameter A (logistische Wachstumsrate der Kurve) und B (m-Wert des Mittelpunktes des Sigmoids) sind geschätzte Parameter nach der Methode der kleinsten Quadrate, und m ist die Sprengstoffmasse.
Das entwickelte Messunsicherheitsmodell kombiniert quantitative Ergebnisse aus Wägen, Lösen und Pipettieren sowie qualitative Ergebnisse - "Alarm" oder "Kein Alarm" und die Unsicherheit der PN. Identifizierte Unsicherheitsursachen sind die Durchführung der Wischprobenahme, Staub, Lösemitteleffekte und die Unsicherheit bei der Herstellung von Testlösungen.
The present paper describes the development of a sensor material that changes its fluorescence in the presence of gaseous ammonia in a relevant concentration range. The implementation into a semi-automatic gas measurement device enables low-cost, precise, simple and fast monitoring of low con-centrations of harmful gases, like ammonia, and hence can help to improve the climate monitoring in livestock housing, barns or stables.
Design and Implementation of Smart Multisensor Monitoring System for Safe Workplaces with LoRaWAN
(2020)
This project addresses the application of safe workplaces in offices and chemical laboratories where indoor air quality plays an important role. The LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) is used as a communication interface to make important sensor data globally accessible. The goal of the development is to create a sensor node and an online and offline solution that collects the data from the sensor nodes and stores it on a local server or in a cloud. In cooperation with the companies WISTA GmbH and IONOS, a test sensor network is going to be established in the Berlin-Adlershof area.
Der Mangel an Anwendungsrichtlinien und Validierungsverfahren für struktur-eingebettete faseroptische Dehnungssensoren, insbesondere auf Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Basis, führte bislang dazu, dass diese Sensoren trotz ihrer hervorragenden Eigenschaften im Bereich der kommerziellen Material- und Strukturüberwachung nur in geringem Umfange eingesetzt wurden. Fragen zur Degradation der Sensoren unter Beanspruchung, Alterung durch klimatische Einflüsse und Enthaftung infolge Belastung der Struktur konnten bisher nur theoretisch simuliert oder anhand exemplarischer Proben für einzelne einflussnehmende Parameter im Labor untersucht werden. Die Erfassung des Sensorverhaltens im Bauteil unter komplexen Umwelteinflüssen während des Bauteilbetriebes, um damit eine Aussage zur Zuverlässigkeit der Sensormessdaten zu gewinnen, war bisher nicht möglich.
Im Forschungsprojekt FAMOS² wurde deshalb von 2014 bis 2018 die Realisierung eines Autodiagnoseverfahrens für faseroptische Dehnungssensoren erarbeitet, um die Funktionszuverlässigkeit und Langzeitstabilität der Sensoren während des Bauteilbetriebes innerhalb einer Bauteilstruktur bewerten zu können. Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde gezeigt, dass ein FBG-Sensor mit einer speziell angepassten magnetostriktiven Schicht magnetisch so angeregt werden kann, dass mit einer zugeschnittenen Messmethodik zu jedem Zeitpunkt eine Bewertung der Sensorzuverlässigkeit unter Betriebsbedingungen möglich ist. Die auf den Sensor aufgebrachte magnetostriktive Schicht erzeugt bei Anregung mit einem passenden Magnetfeld eine gepulste, synthetische Dehnung. Diese Dehnung steht in einem definierten Verhältnis zum anregenden Magnetfeld und wird optisch über die Verschiebung der Bragg-Wellenlänge ausgelesen. Die Konstanz dieses Verhältnisses stellt dann ein Maß für die korrekte Funktionsfähigkeit des Sensors dar. Das Beschichtungs-verfahren, das magnetische Anregungs- und optische Ausleseverfahren, wie auch die Validierung des Sensors unter Berücksichtigung faseroptischer Effekte wurden während des Projekts konzeptionell entwickelt, aufgebaut und charakterisiert. Qualitativ kann mit diesem Verfahren zunächst eine Gut-/Schlecht-Beurteilung des Sensors vorgenommen werden. Perspektivisch bietet das Verfahren jedoch auch die Möglichkeit, verschiedene Versagensmechanismen bestimmen und klassifizieren zu können. Es zeichnete sich schon während des Projektverlaufs ab, dass sich aus den erzielten Ergebnissen über das Autodiagnoseverfahren hinaus weitere Anwendungsmöglichkeiten für den Einsatz des kombinierten magnetostriktiv-faseroptischen Sensorprinzips, beispielsweise als reiner Magnetfeldsensor, ergeben.
Nach Abschluss dieses Forschungsprojekts besteht nun die Möglichkeit, den Funktionszustand faseroptischer Dehnungssensoren jederzeit unabhängig von Alter, Belastung oder Kenntnis eines Referenzzustands zu einem bestimmten Zeitpunkt bestimmen zu können. Aufbauend auf diesen Ergebnissen können weiterführende Forschungen die Messmethodik vertiefend charakterisieren und weitere Anwendungsfälle erschließen.