Analytische Chemie
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Organisationseinheit der BAM
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Wyciek metanu (CH4) z infrastruktury takiej jak rurociągi czy zbiorniki magazynowe ma kluczowe znaczenie dla środowiska oraz stwarza zagrożenie dla bezpieczeństwa ludzi i mienia. Obecnie, po okresie bezawaryjnej eksploatacji, można zaobserwować wzrost liczby incydentów spowodowanych nieszczelnościami rurociągów przesyłowych.
W Polsce szczególnie problematyczne okazują się gazociągi, które powstały dekady temu. W tamtym czasie normy techniczne i przepisy budowlane były łagodniejsze niż obecnie obowiązujące. Integralność tych gazociągów jest trudna do skontrolowania, gdyż na etapie budowy nie zostały one przystosowane do badania tłokami pomiarowymi. Aby sprostać temu wyzwaniu, UDT poszukuje metod umożliwiających szybkie i niezawodne wykrywanie oraz lokalizowanie nieszczelności gazociągów na duże odległości.
In this study, nanoscopic particles of magnesium Fluoride (MgF2) and calcium fluoride (CaF2) also known as nano metal fluorides (NMFs), were evaluated for their potential to improve wood durability. Even though these fluorides are sparingly soluble, their synthesis in the form of nano-sized particles turns them into promising candidates for wood preservation. Their distinct property of low-water solubility is proposed to maintain long-lasting protection of treated wood by reducing the leaching of fluoride. Analytical methods were used to characterize the synthesized NMFs and their distribution in treated wood specimens. Transmission electron microscopy images showed that these fluoride particles are smaller than 10 nm. In nano metal fluoride (NMF) treated specimens, aggregates of these particles are uniformly distributed in the wood matrix as confirmed with scanning electron microscopy images and their corresponding energy-dispersive X-ray spectroscopy maps. The fluoride aggregates form a protective layer around the tracheid walls and block the bordered pits, thus reducing the possible flow path for water absorption into wood. This is reflected in the reduced swelling and increased hydrophobicity of wood treated with NMFs. The biocidal efficacy of NMFs was tested against brown-rot fungi (Coniophora puteanaand Rhodonia placenta), white-rot fungus (Trametes versicolor), and termites (Coptotermes formosanus). The fungal and termite tests were performed in accordance with the EN 113 (1996) and EN 117 (2012) standards, respectively. Prior to fungal tests, the NMF treated wood specimens were leached according to the EN 84 (1997)standard. Compared to untreated specimens, the NMF treated wood specimens have a higher resistance to decay caused by brown-rot fungi, white-rot fungus, and termites. Although all NMF treatments in wood reduce the mass loss caused by fungal decay, only the combined treatment of MgF2 and CaF2 has efficacy against both brown-rot fungi and white-rot fungus. Similarly, wood treated with the combined NMF formulation is the least susceptible to attack by C. formosanus.It is proposed that combining MgF2 and CaF2changes their overall solubility to promote the release of fluoride ions at the optimal concentration needed for biocidal efficacy against fungi and termites. In this thesis, it was proven that even after leaching, sufficient fluoride was present to protect NMF treated wood from fungal decay. This shows that NMFs are robust enough for above ground contact outdoor applications of wood, where permanent wetness cannot be avoided according to Use Class 3.2, as per the EN 335 (2013) standard. Also, they pose a low risk to human health and the environment because they are sparingly soluble. Since NMFs significantly reduce the decay of wood, the CO2 fixed in it will be retained for longer than in unpreserved wood. Overall, the novel results of this study show the potential of NMFs to increase the service life of building materials made from non-durable wood.
This paper describes a wireless mobile prototype able to perform optical measurements by means of a miniaturized spectrometer for low light analysis, e.g. fluorescent sensors.
Evaluations, calculations, calibration management and result display are performed by a computer or a standard tablet. The device was designed primarily to detect traces of oil in drinking or ground water and for the analyses of crude oils. However, it can also address a wide range of fluorescent sensors. The fast and user-friendly inspection of water quality or oil properties, as well as the adaptability and mobility, make the device attractive for a variety of users. Further application areas could be easily implemented by adapting the optics and the software (database, data processing and calibration plots, etc.).
This paper describes a wireless mobile prototype able to perform optical measurements by means of a miniatur-ized spectrometer for low light analysis, e.g. fluorescent sensors. Evaluations, calculations, calibration management and result display are performed by a computer or a standard tablet. The device was designed primarily to detect traces of oil in drinking or ground water and for the analyses of crude oils. However, it can also address a wide range of fluorescent sensors. The fast and user-friendly inspection of water quality or oil properties, as well as the adaptability and mobility, make the device attractive for a variety of users. Further application areas could be easily imple-mented by adapting the optics and the software (database, data processing and calibration plots, etc.)
Small unmanned aircraft are used increasingly as flying sensor platforms to perform tasks such as gas distribution mapping or environmental monitoring. Sometimes, these applications require knowledge of the ambient wind field.
In general, it would be interesting to avoid any additional hardware, both on ground and on the aircraft. Here, we present an approach to estimate the wind vector just by exploiting the state variables of the aircraft.
Small unmanned aircraft (UA) are used increasingly as flying sensor platforms. Amongst other things they are used for environmental monitoring, for example gas distribution mapping. Sometimes, these applications require knowledge of the ambient wind field, which can be measured by additional devices like anemometers. In general, it would be interesting to avoid such additional apparatuses. One way to achieve this is to estimate the wind vector, that is both the wind direction and speed, from the state variables of the UA.
An equation for wind vector estimation using a multirotor aircraft as a flying anemometer is shown. To compute the wind vector an estimate of the thrust of the aircraft is required, which is related to the rotational speed of the rotors. Hence, a sensing system for the rotational speed using phototransistors is presented.
Um die Versagensabläufe über die verschiedenen Skalen im Holzwerkstoff verfolgen zu können, werden Zugversuche an Lagenhölzern mittels Schallemissionsmessung überwacht. Synchron erfolgen In-situ-Messungen mit Digitaler Bildkorrelation bzw. Synchrotron-Mikro-Computertomographie. Die Kombination aller Ergebnisse wie auch die Anwendung der frequenzbasierten Mustererkennung und die Simulation ausgewählter Versuche zielen auf die Identifizierung zugrunde liegender Mechanismen hin. Abschließend werden Ansätze für ein Monitoring von Holzstrukturen diskutiert.
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.
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
Der Beitrag präsentiert die erarbeiteten technischen Richtlinien zur Anwendung und Prüfung von Multigassensoren innerhalb der Richtlinienreihe VDI/VDE 3518 sowie in diesem Zusammenhang die Möglichkeiten der Sensorprüfung im akkreditierten Prüflabor des Fachbereichs 8.1 der BAM. Im Speziellen wird das in Kürze veröffentlichte Blatt 3 der Richtlinienreihe vorgestellt, das Bezug auf Multigassensoren für geruchsbezogene Messungen mit elektronischen Nasen nimmt.
Der Beitrag präsentiert die erarbeiteten technischen Richtlinien zur Anwendung und Prüfung von Multigassensoren innerhalb der Richtlinienreihe VDI/VDE 3518 sowie in diesem Zusammenhang die Möglichkeiten der Sensorprüfung im akkreditierten Prüflabor des Fachbereichs 8.1 der BAM. Im Speziellen wird das in Kürze veröffentlichte Blatt 3 der Richtlinienreihe vorgestellt, das Bezug auf Multigassensoren für geruchsbezogene Messungen mit elektronischen Nasen nimmt.
Der Beitrag präsentiert die erarbeiteten technischen Richtlinien zur Anwendung und Prüfung von Multigassensoren innerhalb der Richtlinienreihe VDI/VDE 3518 sowie in diesem Zusammenhang die Möglichkeiten der Sensorprüfung im akkreditierten Prüflabor des Fachbereichs 8.1 der BAM. Im Speziellen wird das in Kürze veröffentlichte Blatt 3 der Richtlinienreihe vorgestellt, das Bezug auf Multigassensoren für geruchsbezogene Messungen mit elektronischen Nasen nimmt.
Wireless sensor networks provide occupational health experts with valuable information about the distribution of air pollutants in an environment. However, especially low-cost sensors may produce faulty measurements or fail completely. Consequently, not only spatial coverage but also redundancy should be a design criterion for the deployment of a sensor network. For a sensor network deployed in a steel factory, we analyze the correlations between sensors and build machine learning forecasting models, to investigate how well the sensor network can compensate for the outage of sensors. While our results show promising prediction quality of the models, they also indicate the presence of spatially very limited events. We, therefore, conclude that initial measurements with, e.g., mobile units, could help to identify important locations to design redundant sensor networks.
Sensors can fail. Redundancy should therefore be a design driver of wireless sensor networks. For a sensor network deployed in a steel factory, we analyze the correlations between sensors and build machine learning forecasting models, to investigate how well the network can compensate for the outage of sensors.
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
Feuchte, sei es Material- oder Gasfeuchte, ist eine wichtige Messgröße bei der Qualitätsbeurteilung von Kunststoffen, landwirtschaftlichen Erzeugnissen, Energieträgern, Arzneimitteln, industriell und medizinisch verwendeten Gasen. Deswegen gibt es ein Interesse Feuchtemesserfahren hinsichtlich Präzision, Wiederholbarkeit, Rückführbarkeit und Stabilität kontinuierlich zu verbessern. Ein bewährtes Messprinzip für diese Aufgabe wurde bereits 1959 von Keidel entwickelt und basiert auf der Absorption und Elektrolyse von Wasserdampf. Der einfache Aufbau dieses Prinzips besteht aus einem Sensorelement, einer Gleichspannungsquelle, einem Digitalmultimeter und einen geregelten Gasstrom über den Sensor. Nach dem Faraday’schen Gesetz der Elektrolyse korreliert bei dem Messprinzip die Ladungsmenge mit der elektrolysierten Wassermasse. Jedoch bedarf es in der heutigen Zeit einer Validierung der Sensoren, weil durch gezielte Miniaturisierung weniger aktive Fläche vorhanden ist und somit das Faraday’sche Gesetz nicht vollständig anwendbar ist. In dieser Arbeit wurden coulometrische Sensoren mit einer planaren Elektrodenstruktur hinsichtlich der Einflüsse von unterschiedlichen Gasen, der Gastemperatur und dem -druck untersucht. Zusätzlich wurde eine neuartige Sensorbeschichtung basierend auf einer ionischen Flüssigkeit getestet. Des Weiteren wurde ein Messgerät für die abgestufte Bestimmung der Materialfeuchte und Wasseraktivität entwickelt und dessen messtechnischer Einsatz untersucht.
Die BAM ist nahezu über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg wissenschaftlich tätig. Von der sicheren und effizienten Wasserstofferzeugung (POWER-to-GAS), über die (Zwischen-)Speicherung von Wasserstoff in Druckgasspeichern bis hin zum Transport bspw. mittels Trailerfahrzeug zum Endverbraucher.
Komplettiert werden die Aktivitäten der BAM durch die sicherheitstechnische Beurteilung von wasserstoffhaltigen Gasgemischen, die Verträglichkeitsbewertung von Werkstoffen bis hin zur Detektion von Wasserstoffkonzentrationen über geeignete Sensorik, auch mittels ferngesteuerter Messdrohnen (sog. UAV-Drohnen).
Zudem untersucht die BAM proaktiv Schadensrisiken und Unfallszenarien für die Sicherheitsbetrachtung, um mögliche Schwachstellen aufzeigen und potenzielle Gefährdungen erkennen zu können.
The applicability of three methods developed by finite element analysis (FEM) and proposed in the literature are studied on steel S355. Instrumented indentation tests using spherical indenters of radius 200 and 500 μ m are performed in the macro range at depths of more than 6 μ m. The results of the selected methods are compared with the tensile test. To evaluate the partially strongly varying results, the uncertainties of the calculated strain hardening exponent, n, and yield stress, Y, are estimated. Recommendations for an appropriated procedure of the indentation test are given. The machine compliance and the determination of the zero point of Depth play an essential role. If the certain conditions are considered, the instrumented indentation Tests can be used, in particular for investigations of specimens with inhomogeneous elastoplasticity.
Emissions of ammonia into the environment are mainly caused by agriculture, but also by combustion processes in waste and by road traffic. Even at low concentrations, this substance is not only an odour nuisance, but also a substance with ecological and climatic relevance. Therefore, BAM tested commercial electrochemical, and metal oxide based sensors, which have limited suitability for measuring in the environmental molar fraction range. Alternatively, own developments for the detection of ammonia in the trace range were implemented, wherein the analyte is measured by changing the fluorescence of a BODIPY dye at 550 nm by means of a portable fluorescence sensor directly from the gas phase. For the calibration of ammonia sensors and measuring instruments, a stationary system based on the mixture of certified test gases from pressure cylinders with calibrated mass flow controllers is available. A test gas generator was developed for on-site calibration and testing of sensors and measuring devices. The generation of ammonia-containing gases in the environmental relevant range of levels below 1000 nmol/mol is carried out by the permeation method according to ISO 6145-10. For the traceability of ammonia, standards are provided and further developed by the National Metrological Institutes and designated institutes. Metrological standards are based on SI units and are a basis for traceability of sensors or gas analysers.