Analytische Chemie
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We present a temperature sensor based on a polymer exhibiting a Lower Critical Solution Temperature (LCST) in aqueous solution encapsulated in a capillary. Parameters are chosen such that the solution exhibits a cloud point in a temperature range of 30° C to 39°C. The characteristic of thermoresponsive polymers with an LCST, is that above that temperature phase separation of the polymer takes place which leads to a temperature-dependent formation of a cloudy suspension. An optical intensity measurement over the desired temperature range is established by an increase of optical attenuation inside the polymer solution caused by a rising temperature. For our purpose, the polymer capillary is connected to transmitter and receiver via a Polymer Optical Fibre (POF). Our intensity measurement is, to the best of our knowledge, a novel method and can be considered simple when compared to existing fibre-based temperature measurement techniques. Due to the lack of electrical components at the probe, this sensor is suitable for measurements in strong electromagnetic fields and environments for which flying sparks are hazardous, i.e., inflammable fluids or gases. Furthermore, all manufactured sensors share the same temperature dependence and, therefore, are well-suited for comparative measurement, e.g., flow measurement systems. With the given temperature range, a body temperature measurement is also suitable.
We demonstrate the use of a 3D printed radial collimator in X-ray powder diffraction and surface sensitive grazing incidence X-ray diffraction. We find a significant improvement in the overall Signal to background ratio of up to 100 and a suppression of more than a factor 3⋅10⁵ for undesirable Bragg reflections generated by the X-ray “transparent” windows of the sample environment.
The background reduction and the removal of the high intensity signals from the windows, which limit the detector’s dynamic range, enable significantly higher sensitivity in experiments within sample environments such as vacuum chambers and gas- or liquid-cells. Details of the additively manufactured steel collimator geometry, alignment strategies using X-ray fluorescence, and data analysis are also briefly discussed. The flexibility and affordability of 3D prints enable designs optimized for specific detectors and sample environments, without compromising the degrees of freedom of the diffractometer.
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.
Monitoring of construction projects plays increasingly important role in the implementation of growing needs and requirements, especially in geologically difficult areas. This particularly concerns tunnelling and special civil engineering projects. The use of fiber optic sensors for structural health monitoring provides significant economic advantages regarding lower life-cycle costs of the civil infrastructure. We present our achievements in the development of distributed polymer optical fiber sensors based on Rayleigh and Brillouin scattering for early damage detection.
Acoustic emission testing
(2018)
In this study, a signal processing approach for heterodyne Փ-OTDR and C-OTDR systems that can obtain external perturbation and its frequency content in a faster way is proposed. We can detect vibrations with the same or better SNR using this processing approach, only with a single step and fast calculation. Fig. 12 shows the comparison of the normalized measurement time for the gamma matrix method and the conventional method throughout the three experiments. The speed of processing using a gamma matrix is ~35%–50% faster compared to a conventional method in high frequency test (PZT), low frequency test (walking) and street monitoring test. The processing speed in low frequency test is normally a bit lower than the similar high frequency one, since we must use higher number of time frames. Also, in street test we have higher speed because we can select wider gauges.
Mass Spectrometry (MS) and Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy (NMR) are critical components of every industrial chemical process as they provide information on the concentrations of individual compounds and by-products. These processes are carried out manually and by a specialist, which takes a substantial amount of time and prevents their utilization for real-time closed-loop process control. This paper presents recent advances from two projects that use Artificial Neural Networks (ANNs) to address the challenges of automation and performance-efficient realizations of MS and NMR. In the first part, a complete toolchain has been developed to develop simulated spectra and train ANNs to identify compounds in MS. In the second part, a limited number of experimental NMR spectra have been augmented by simulated spectra to train an ANN with better prediction performance and speed than state-of-theart analysis. These results suggest that, in the context of the digital transformation of the process industry, we are now on the threshold of a possible strongly simplified use of MS and MRS and the accompanying data evaluation by machine-supported procedures, and can utilize both methods much wider for reaction and process monitoring or quality control.