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- 8.2 Zerstörungsfreie Prüfmethoden für das Bauwesen (9)
- 1.9 Chemische und optische Sensorik (7)
- 2 Prozess- und Anlagensicherheit (4)
- 2.1 Sicherheit von Energieträgern (4)
- 3 Gefahrgutumschließungen; Energiespeicher (2)
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- 6.7 Materialsynthese und Design (2)
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Remote gas sensors mounted on mobile robots enable the mapping of gas distributions in large or hardly accessible areas. A challenging task, however, is the generation of threedimensional distribution maps from these gas measurements.
Suitable reconstruction algorithms can be adapted, for instance, from the field of computed tomography (CT), but both their performance and strategies for selecting optimal measuring poses must be evaluated. For this purpose simulations are used, since, in contrast to field tests, they allow repeatable conditions. Although several simulation tools exist, they lack realistic models of remote gas sensors. Recently, we introduced a model for a Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) gas sensor taking into account the conical shape of its laser beam. However, the novel model has not yet been validated with experiments. In this paper, we compare our model with a real sensor device and show that the assumptions made hold.
In Glasfasern eingeschriebene Bragg-Gitter (FBG: fibre-based Bragg gratings) sind über die Verschiebung der Bragg-Wellenlänge in der Lage, Stauchungen und Dehnungen von Glasfasern hochgenau zu erfassen. In Kompositwerkstoffe eingebettete faseroptische Sensoren können Bauteile bezüglich ihrer mechanischen Integrität überwachen und früh-zeitig Informationen über Materialveränderungen gewinnen.
Um die Zuverlässigkeit eines solchen Sensors zu gewährleisten, ist es wichtig, die korrekte Funktion des Sensors im Verbund mit der Werkstoff-Matrix on-line und in-situ sicherzu-stellen. Im Rahmen des DFG-Projekts FAMOS² (FAser-basierter Magneto-Optischer SchichtSensor) wurde ein selbstdiagnosefähiger Schichtsensor entwickelt, der mit Hilfe von magnetostriktiven Aktorschichten aus Nickel bzw. Eisen-Nickel validiert werden kann.
Der FAMOS²-Schichtsensor wird durch ein PVD (physical vapour deposition)/ECD (electro-chemical deposition) Hybridschichtsystem realisiert, das auf dem Fasermantel im Bereich des FBG haftfest, homogen und langzeitfunktional abzuscheiden ist. Dabei wird in einem ersten Schritt ein etwa 100 Nanometer dünnes PVD-Schichtsystem aus Chrom und Kupfer als Haftvermittler auf der Glasfaser bzw. als leitfähige Startschicht für den nachfolgenden ECD-Prozess abgeschieden. Um eine rotationssymmetrische Schich-tabscheidung zu gewährleisten, erfolgt während der PVD-Beschichtung eine Rotation der Glasfasern. In einem zweiten Schritt wird dann unter Verwendung eines klassischen Watts-Elektrolyten in einer speziell entwickelten ebenfalls rotationssymmetrisch aufgebau-ten ECD-Durchströmungszelle dann die etwa 30 Mikrometer dicke, magnetostriktive Ak-torschicht auf dem PVD-Schichtsystem abgeschieden, im Vergleich sowohl reine Nickel-Schichten als auch Nickel-Eisen-Schichten.
Ein äußeres Magnetfeld dehnt die magnetostriktive Aktorschicht und damit auch die Faser reversibel. Diese Dehnung führt zu einer Verschiebung der Bragg-Wellenlänge, welche direkt mit der Stärke eines zu messenden oder zu Validierungszwecken vorgegebenen Magnetfeldes korreliert. Die Anpassung der Beschichtungsverfahren an die Fasergeome-trie und die mechanischen Eigenschaften der Hybridschichten werden hinsichtlich der me-chanischen Integrität des faseroptischen Sensors diskutiert und der Nachweis der Selbst-diagnosefähigkeit erbracht.
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.
In this communication a novel concept for pH sensing is introduced which is specifically adapted to monitor carbonation induced corrosion in concrete structures. The method is based on a ratiometric measurement principle, exploiting the pH sensitive colour switching of thymol blue in the basic pH regime and the emissive properties of two different (Zn)CdSe/ZnS core shell quantum dots. The transition point of thymol blue in a Hydrogel D4 matrix was determined to be at around pH 11.6, which fits ideally to the intended application. Next to the fundamental spectroscopic characterization of the ratiometric response, a new design for a sensor head, suitable for the incorporation into concrete matrices is presented. Toward this, a manufacturing process was developed which includes the preparation of a double layer of polymers containing either thymol blue or a quantum dot mixture inside a porous ceramic tube. Results of a proof-of-priciple performance test of the sensor head in solutions of different pH and in cement specimens are presented, with encouraging results paving the way for future field tests in concrete.
Fire Science - Prevention, Assessment and Containment of Hazards using Sensors and NDT-Methods
(2013)
Flammschutz von polymeren Baustoffen: Bewertung von Konzepten auf der Basis von small- scale Cone Calorimeter Untersuchungen. In der Arbeit wurden zwei unterschiedliche Flammschutzkonzepte polymerer Baustoffe mit Hilfe des Cone Calorimeter untersucht und bewertet. Polymer-Schicht-Nanocomposites sind ein neues Konzept für flammgeschützte Werkstoffe, die aus einer Polymermatrix und der Zugabe eines nanoskaligen Schichtsilikat- Additivs von ca. 5 Gew.-% bestehen. Im Brandfall bilden die Schichtsilikate eine Barriere, die den Wärmetransport in das Material bzw. den Stofftransport der Pyrolysegase aus dem Material hemmt. Mit einem Modellsystem wurde gezeigt, dass dieser Barriereeffekt das Brandverhalten hinsichtlich der Flammenausbreitung verbessert, in anderen Brandszenarien aber wirkungslos bleibt. Die Ergebnisse der Cone Calorimeter Untersuchungen wurden mit denen der Entflammbarkeitstests UL 94 und LOI verglichen. Eine Korrelation in Richtung kleiner Probendimensionen (downscale) und in Richtung Phase der Brandentstehung wurde aufgezeigt. Die Anwendung intumeszierender Beschichtungen auf Bauteile verschiedener Art, wie z. B. tragende Stahlkonstruktionen, ist ein etabliertes Brandschutzkonzept. Das intumeszierende Polymermaterial schäumt unter Wärmeeinwirkung auf und bildet eine wärmeisolierende Schicht. Zur Bewertung der Wirkungsweise dieses Polymermaterials wurde ein auf Temperaturmessungen basierendes Verfahren mit dem Cone Calorimeter und für Simulationsrechnung entwickelt. Die Ergebnisse wurden mit denen aus Kleinprüfstanduntersuchungen verglichen. Eine Korrelation in Richtung großer Probendimensionen (upscale) und in Richtung der Phase des voll entwickelten Brandes konnte bis zu einer Temperaturgrenze gezeigt werden.
Ammonia and its reaction products can cause considerable damage of human health and ecosystems, increasing the necessity for reliable and reversible sensors to monitor traces of gaseous ammonia in ambient air directly on-site or in the field. Although various types of gas sensors are available, fluorescence sensors have gained importance due to advantages such as high sensitivity and facile miniaturization.
Here, we present the development of a sensor material for the detection of gaseous ammonia in the lower ppm to ppb range by incorporation of a fluorescent dye, which shows reversible fluorescence modulations as a function of analyte concentration, into a polymer matrix to ensure the accumulation of ammonia. A gas standard generator producing standard gas mixtures, which comply with the metrological traceability in the desired environmentally relevant measurement range, was used to calibrate the optical sensor system. To integrate the sensor material into a mobile device, a prototype of a hand-held instrument was developed, enabling straightforward data acquisition over a long period.
Contamination of natural bodies of water or soil with oils and lubricants (or generally, hydrocarbon derivatives such as petrol, fuels, and others) is a commonly found phenomenon around the world due to the extensive production, transfer, and use of fossil fuels. In this work, we develop a simple system for the on-field detection of total petroleum hydrocarbons (TPHs) in water and soil. The test is based on the measurement of the fluorescence signal emitted by the molecular rotor 2-[ethyl[4-[2-(4-nitrophenyl)ethenyl]phenyl]amino]ethanol (4-DNS-OH). This dye is embedded in a hydrophobic polymeric matrix (polyvinylidene fluoride), avoiding interactions with water and providing a robust support for use in a test strip fashion. Together with the strips, an embedded optical system was designed for fluorescence signal read-out, featuring a Bluetooth low-energy connection to a commercial tablet device for data processing and analysis. This system works for the detection and quantification of TPHs in water and soil through a simple extraction protocol using a cycloalkane solvent with a limit of detection of 6 ppm. Assays in surface and sea waters were conclusive, proving the feasibility of the method for in-the-field operation.
This paper presents first advances in the area of aerial chemical trail following. For that purpose, we equipped a palm-size aerial robot, based on the Crazyflie 2.0 quadrocopter, with a small lightweight metal oxide gas sensor for measuring evaporated ethanol from chemical trails. To detect and localize a 5 cm wide chemical trail, a detection criterion was developed that uses only relative changes in the transient phase of the sensor response. The reduction in signal strength dependence improves the robustness of its application. We tested our setup in first crossing-trail experiments showing that our flying ant robot can correlate an odor hit with the chemical trail within 0.14 m. Principally, this could enable aerial chemical trail following in the future.
This paper presents first advances in the area of aerial chemical trail following. For that purpose, we equipped a palm-size aerial robot, based on the Crazyflie 2.0 quadrocopter, with a small lightweight metal oxide gas sensor for measuring evaporated ethanol from chemical trails. To detect and localize the chemical trail, a novel detection criterion was developed that uses only relative changes in the transient phase of the sensor response, making it more robust in its application. We tested our setup in first crossing-trail experiments showing that our flying ant robot is able to correlate an odor hit with the chemical trail within 0.14 m. Principally, this could enable aerial chemical trail following in the future.
Insect behavior is a common source of inspiration for roboticists and computer scientists when designing gas-sensitive mobile robots. More specifically, tracking airborne odor plumes, and localization of distant gas sources are abilities that suit practical applications such as leak localization and emission monitoring. Gas sensing with mobile robots has been mostly addressed with ground-based platforms and under simplified conditions and thus, there exist a significant gap between the outstanding insect abilities and state-of-the-art robotics systems. As a step toward practical applications, we evaluated the performance of three biologically inspired plume tracking algorithms. The evaluation is carried out not only with computer simulations, but also with real-world experiments in which, a quadrocopter-based micro Unmanned Aerial Vehicle autonomously follows a methane trail toward the emitting source. Compared to ground robots, micro UAVs bring several advantages such as their superior steering capabilities and fewer mobility restrictions in complex terrains. The experimental evaluation shows that, under certain environmental conditions, insect like behavior in gas-sensitive UAVs is feasible in real-world environments.
Insect behavior is a common source of inspiration for roboticists and computer scientists when designing gas-sensitive mobile robots. More specifically, tracking airborne odor plumes and localization of distant gas sources are abilities that suit practical applications such as leak localization and emission monitoring. Gas sensing with mobile robots has been mostly addressed with ground-based platforms and under simplified conditions and thus, there exist a significant gap between the outstanding insect abilities and state of the art robotics systems. As a step towards practical applications, we evaluated the performance of three biologically inspired plume tracking algorithms. The evaluation is carried out not only with computer simulations, but also with real-world experiments in which, a quadrocopter-based micro Unmanned Aerial Vehicle autonomously follows a methane trail towards the emitting source. Compared to ground robots, micro UAVs bring several advantages such as their superior steering capabilities and fewer mobility restrictions in complex terrains. The experimental evaluation shows that, under certain environmental conditions, insect like behavior in gas-sensitive UAVs is feasible in real world environments.
Eine Reihe von Prüfproblemen in der chemischen Industrie, in Kraftwerksanlagen und in Transportsystemen ist aufgrund schwieriger Zugangsmöglichkeiten nur begrenzt technisch bzw. wirtschaftlich effizient durchführbar. Das hier vorgestellte Projekt beinhaltet die Entwicklung eines Verfahrens der zerstörungsfreien Prüfung über weite Entfernungen (bis zu 100 m), das zum Einsatz in automatisierten Messsystemen bzw. zur Integration in Langzeitüberwachungssysteme geeignet ist. Grundlage des Verfahrens ist die gezielte Anregung und Auswertung von Lamb-Wellenmoden, wodurch eine effektive Unterscheidung von Fehler- und Formanzeigen sowie eine Klassifizierung unterschiedlicher Fehlertypen möglich werden.
Der Vorteil der Nutzung geführter Wellen für die zerstörungsfreie Prüfung liegt in ihrer vergleichsweise guten Ausbreitungsfähigkeit über weite Entfernungen. Die sich daraus ergebenden Möglichkeiten der Untersuchung großer bzw. schwer zugänglicher Bereiche einer Struktur bieten innovative Ansätze für die Entwicklung robuster Structural-Health-Monitoring-Systeme (SHM). Erst durch die Verfügbarkeit leistungsfähiger Rechentechnik wird ein breiter Einsatz derartiger Verfahren möglich. Die Technik kann zur Materialcharakterisierung an ebenen bzw. zylindrischen, dünnwandigen Flächen aus Metall oder auch CFK genutzt werden. Adressierte Anwendungsfelder sind z.B. die Untersuchung von Flugzeugtragflächen oder Pipelines. Des Weiteren wird der Einsatz solcher Verfahren zur Überwachung sicherheitsrelevanter Bauteile z.B. aus Laminaten angestrebt, wie sie verstärkt in der Luft- und Raumfahrt Anwendung finden. Im Rahmen des Projekts wurde auf Grundlage vorhandener Technik (Wellenanregung mittels Ultraschall-Gruppenstrahlprüfköpfen) ein umfassendes Verständnis für die Technologie und anwendungsrelevante Parameter (Probenmaterial und -dimensionen, Welleneigenschaften, Anregungs-, Transmissions-, Reflektionscharakteristika) gewonnen und Algorithmen zur Erkennung von Schädigungsbildern (z.B. Riss, Loch, Verdünnung) entwickelt.
Neben der Algorithmusentwicklung zur Detektion und Analyse von Schadstellen, lag ein Projektschwerpunkt in der Entwicklung einer geeigneten Gerätetechnik. Als sensorisches Elemente wurde Ultraschall-Gruppenstrahlertechnik eingesetzt. Besondere Anforderungen werden an die Technik zur Anregung der Wellenmoden unter Verwendung geeigneter Piezoaktoren gestellt. In diesem Bereich existiert bislang keine kommerziell erhältliche Gerätelösung, weshalb eine Neuentwicklug der Anregetechnik realisiert wurde. Speziell für die hohe Anzahl an Aktorkanälen, die benötigt wird, um unterschiedliche Moden und Wellenformen anzuregen, wurde eine äußerst leistungsfähige Anregeeinheit entwickelt.