Analytische Chemie
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Untergrundspeicher für Roh- und Abfallstoffe gewinnen zunehmend an Bedeutung. Verwendet werden sie vor allem für Stoffe wie Erdgas, Wasserstoff, Erdöl und neuerdings auch für Kohlen-stoffdioxid (CO2). Diese Stoffe werden meist unter Druck in Kavernen- oder Porenspeichern einge-lagert. Die Speicher dienen einerseits zum Ausgleich von Ungleichgewichten zwischen Ange-bot/Förderung und Nachfrage/Verbrauch und zur Erhöhung der Versorgungssicherheit. Anderer-seits bestehen Konzepte Abfallstoffe oder Gefahrstoffe für die Umwelt (aktuell CO2-Speicherung) dort für lange Zeiträume einzulagern. Mit den Einlagerungsstoffen verbunden ist ein signifikantes Gefahrenpotential für Mensch und Umwelt, falls es trotz aller Sicherheitsmaßnahmen zu einem unkontrollierten Austritt dieser Stoffe kommen sollte. Daher kommt dem Monitoring derartiger Untergrundspeicher und den darüber befindlichen Bodenstrukturen eine extrem hohe Bedeutung zu.
Ein hochaktuelles Beispiel, das die Überwachung entsprechender Bodenflächen fordert, ist die unterirdische CO2-Speicherung im Rahmen der CO2-Abscheidung und -Speicherung (Carbon Dioxide Capture and Storage, CCS). CCS gilt als wichtige Brückentechnologie der Energiewirtschaft und wird weltweit vorangetrieben, während die Sicherheit von Bevölkerung und Biosphäre noch kont-rovers diskutiert wird. Auch die EU setzt auf CCS und gibt in der EU-Richtlinie 2009/31 als Ziel-setzung bis 2015 vor, 15 Pilotanlagen zu bauen und in Betrieb zu nehmen. Als Bedingung für die Genehmigung der CO2-Speicherung ist explizit die Überwachung der Speicheranlagen durch Monito-ring vorgeschrieben, wobei die technisch besten Lösungen zum Einsatz kommen sollen.
Das zu entwickelnde Messsystem adressiert neben den o.g. Anwendungsfeldern weitere, bei denen insbesondere die Emission von Gasen ein Risiko für Mensch und Umwelt darstellt oder wirt-schaftlichen Schaden verursachen kann. Hierzu zählen die Überwachung von Abfalldeponien, Ge-fahrgutlagerstätten, kontaminierten Altlastengebieten, Moor-, Torf-, Kohleflözen (präventive Branderkennung) und geodynamisch aktiven Regionen. Auch moderne Fördertechnologien, wie das Hot-Dry-Rock-Verfahren (HDR) zur Energiegewinnung durch Einpressen von überkritischem CO2 in den Erdkörper, das die Beweglichkeit eines Gases mit der Dichte einer Flüssigkeit kombiniert und Wärmeaustausch im Erdinneren bewirkt, bergen das Risiko unkontrollierter Gasemissionen und bedürfen der umfassenden Überwachung.
Nitroaromaten und insbesondere Trinitrotoluol (TNT) sind weit verbreitete Spreng- und Umweltschadstoffe. Die größte Herausforderung bei der Detektion von TNT in der Gasphase ist der geringe Dampfdruck. Derzeit werden vielerorts günstige, schnelle, handliche und einfach zu bedienende Alternativen zur klassischen TNT-Analytik entwickelt. Aktuell existieren keine einheitlichen Richtlinien für Sprengstoffsensoren. Hier wird die Entwicklung eines Messplatzes zur Validierung von Sprengstoffsensoren sowie die Erprobung eines kompakten Mustersensors vorgestellt.
Durch faseroptische Sensoren können Bauteile im Einsatz kontinuierlich überwacht und frühzeitig Informationen über Materialveränderungen gewonnen werden. Mittels einer magnetostriktiven Aktorschicht, welche den Sensor umhüllt, kann nun auch die korrekte Sensorfunktion jederzeit kontrolliert werden. Als Aktorschicht eignet sich galvanisch abgeschiedenes reines Nickel oder Nickel-Eisen in der Zusammensetzung 50:50. Um diese haftfest mit dem Sensor zu verbinden wurde ein ECD/PVD-Kombinationsschichtsystem entwickelt. Die mechanischen Eigenschaften der ECD-Schicht können sowohl mit einer auf die Fasergeometrie angepassten instrumentierten Eindringprüfung als auch einem 2-Punkt-Biegeversuch bestimmt werden.
Structural Health Monitoring (SHM) is an important part of buildings surveillance and maintenance to detect material failure as early as possible and to contribute in protection of structures and their users.
The implementation of Radio Frequency Identification (RFID) sensor systems without cable connection and battery into building components offers innovative possibilities to enable long-term in-situ SHM of addressed structures, bridges. The objectives of the presented study are complete embedding of RFID sensors systems in concrete, full passive communication with the systems, at best for the whole life span of structures. One challenge for this task is the highly alkaline environment in concrete, which requires non-degrading and robust encapsulation. Further Requirements are passive communication and energy supply, appropriate antenna design, placement and fixation in concrete, and the selection and implementation of sensors and connections. The concept is to develop and optimize a simple and robust system, which meets the requirements, as well as comprehensive validation in concrete specimen and real world applications. Two different systems were developed (HF and UHF RFID, respectively).
First tasks were the implementation of analog sensors using the superposition principle for the signal adaption. Investigation of suitable materials for robust encapsulation and sensor protection against basic environments.
Four materials were investigated in pH13 solution for 14 days - 3D-Printer-Polymer was completely resolved - PVC has no noticeable decrease in weight - (VitaPro) glass filter for the sensor protector, has weight loss 2.7% - The epoxy resin has increased by 1.8% due to moisture expansion Different concrete samples were prepared for the validation of the systems. RFID sensors were embedded in different integration depths. Investigate the energy- and data transfer through concrete, also with varying moisture content. Additionally, signal strength data was used to optimize and validate the antenna characteristics in concrete. Next steps are to guarantee a sufficient energy supply for UHF RFID systems embedded in different concrete mixtures and further embedding the HF and UHF RFID systems in real bridges and buildings to validate the long term monitoring.
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.
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.
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.
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.