Filtern
Dokumenttyp
- Vortrag (2)
- Zeitschriftenartikel (1)
- Sonstiges (1)
- Posterpräsentation (1)
Referierte Publikation
- nein (5)
Schlagworte
- Sensor (3)
- Hydrogen (2)
- IMS (2)
- Ionenmobilitätsspektrometrie (2)
- Sprengstoffspurendetektion (2)
- Calorific Value (1)
- Data analysis (1)
- ETD (1)
- GC (1)
- Gaschromatographie (1)
Organisationseinheit der BAM
Eingeladener Vortrag (wissenschaftliche Konferenzen)
- nein (2)
To ensure accurate results, it is advisable to conduct sensor testing under controlled conditions, focusing on identifying specific properties and quantifying performance criteria. The necessity of these evaluations lies in determining if a potentially beneficial sensor is a good fit for a specific application. Devices are typically factory-calibrated in according to ISO/IEC 17025, followed by testing/validation prior to intended use. Subsequent inspections/validations performance tests and long-term stability should be repeated in appropriate intervals.
We present the testing and calibration validation of a hydrogen sensor intended for safety applications, using dynamic dilution of hydrogen into clean, dry air.
• Sensor testing for the determination of non-explosive gas mixture composition, response time and characteristic curves of gas sensors, gas measuring devices.
• Hydrogen mole fraction: 100 μmol/mol to > 4.0 cmol/mol – (approximately equal to 0.1 Vol-% to > 4.0 Vol-%)
• Humidity: frost-point temperatures in the range of -85 °C to 15 °C (equal to 0.2 μmol/mol to 17000 μmol/mol humidity mole fraction) at ambient pressure
• Sensor output provided directly in hydrogen volume percent, as defined by the factory calibration.
The results obtained from the device under test demonstrate the effectiveness of the evaluated gas sensor in detecting and quantifying hydrogen. Its responses to different amounts of hydrogen in air and reliably returns to zero. To quantify the generated hydrogen mole fractions in situ and in operando, a process-GC-TCD-TCD system calibrated against our primary gas standards was used, ensuring the highest accuracy as a designated institute for primary gas standards.
This procedure provides a foundation for modern and efficient quality assurance of gas sensors.
The German National Hydrogen Strategy (NWS) envisions a transition towards a hydrogen-based energy grid. However, due to the material incompatibility of existing pipeline infrastructure for amounts of hydrogen higher than 10 cmol/mol, many system components of the existing grid must be replaced with significant costs and considerable time investments. Given these constraints, the admixture of hydrogen into natural gas (NG) to create a hydrogen-enriched NG blend has been designated as a transitional technology. The NWS supports this approach on a regional and time-limited basis, but clearly states that it is not intended as a permanent solution.
Nevertheless, the conversion to a fully hydrogen-based grid is expected to take several decades. During this transitional phase, precise process analytical monitoring of hydrogen amounts in the NG blend is essential to ensure both energy efficiency via calorific value control and operational safety. These procedures require cost-effective, robust, and reliable sensor technologies capable of real-time, in situ/on-site quantification of hydrogen amounts in NG.
In response to this need, we have advanced a physical sensing approach utilizing an oscillating cantilever in collaboration with Truedyne Sensor AG. This sensor system enables quantification of hydrogen amounts, direct calorific value determination as well as display of beneficial gas properties, like density, viscosity, and thermal conductivity. Moreover, the enhanced cantilever system enables direct physical sensing and can also be operated in a quasi-binary mode.
We performed comparative evaluations against two benchmark sensor systems to validate the developed technology. One utilizes chemical sensing, and the other operates on thermal conductivity measurements for hydrogen quantification. Through standardized testing, we demonstrated that the cantilever-based sensor offers both high effectiveness and competitive performance compared to current state-of-the-art technologies for accurate hydrogen detection in natural gas and precise determination of its calorific value.
Die Nutzung von Sensortechnologien, insbesondere zur Gasdetektion von Wasserstoff, ist essenziell für die Sicherheit und Prozesskontrolle von Wasserstofftechnologien. Anwendungen umfassen Sicherheitsüberwachung, Leckdetektion und Prozesskontrolle. Ziel ist die frühzeitige Erkennung freigesetzten Wasserstoffs und die Bestimmung des Wasserstoff-Luftverhältnisses. Dies dient der Gefahrenprävention und der Einleitung geeigneter Maßnahmen, z. B. Alarme. Als wichtiger Prozessschritt im Sicherheits- bzw. Qualitätsmanagement zählt auch eine präzise Charakterisierung von Wasserstoffanteilen in Luft bzw. im Prozessstrom. unterstützt die frühzeitige Schadensdetektion und erhöht die Systemsicherheit.
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.
IMS trägt zur Luftfrachtsicherheit bei Luftsicherheitsgesetze verpflichten Luftsicherheitsbehörden, Flughafenbetreiber und Fluggesellschaften umfassende Sicherheitsmaßnahmen auf den Flughäfen zu ergreifen, um Gefahren z. B. durch potenziell gefährliche Frachtgüter zu erkennen. Von der Europäische Zivilluftfahrt-Konferenz (ECAC) zertifizierte IMS-Geräte werden vor Ort an den Kontrollpunkten orthogonal zur Radiologie eingesetzt, um chemische Informationen von verdächtiger Fracht über Gefahrstoffe wie Sprengstoffe oder Drogen vor dem Verladen 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 Identifizierung und Beurteilung der Probenahme (PN) entwickelt:
I) direkte PN durch lösemittelbasierten Auftrag einer bekannten Sprengstoffmenge auf einem Probensammler,
II) Auftrag 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.
Der Zusammenhang zwischen vorgelegter Sprengstoffmenge und der Detektionswahrscheinlichkeit (POD) erfolgt durch Anwendung des binären Regressionsverfahrens mit einer Logit-Funktion:
POD=1/(1+exp(-A(m-B)) )·100%
Dabei entspricht m der vorgelegten Sprengstoffmasse bis 1000 ng, Parameter A / ng-1 der logistischen Wachstumsrate der Kurve und Parameter B / ng dem m-Wert des Mittelpunktes des Sigmoids. Die Bestimmung der Parameter wurde nach der Methode der kleinsten Quadrate berechnet.
Das entwickelte Messunsicherheitsmodell kombiniert quantitative Ergebnisse aus Stammlösung und deren Verdünnungen sowie Stoffauftrag und qualitative Ergebnisse nach Anzeige "Alarm" oder "Kein Alarm". Dieses Auswerteverfahren wurde auf die Probenahme angewandt. Identifizierte Unsicherheitsursachen sind die Durchführung der Wischprobenahme, Staub, Lösemitteleffekte und die Unsicherheit bei der Herstellung von Testlösungen.