Analytische Chemie
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KonSens (Kommunizierende Sensorsysteme für die Bauteil- und Umweltüberwachung) - Projektergebnisse
(2019)
Im Projekt KonSens werden für die Anwendungsbeispiele bauteilintegrierte Sensorik für Betonkomponenten 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 Quantifizierung 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.
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.
Innovation is the catalyst for the technology of the future. It is important to develop new and better technologies that can continuously monitor the environmental impact, e.g., for air Quality control or emission detection. In the recently at BAM developed Universal Pump Sensor Control (UPSC3) module, different components and sensors are fused. The combination of the individual components makes the UPSC3 module an excellent monitoring and reference system for the development and characterization of gas specific sensors. Measurements over long periods are possible, for mixed gas loads or for certain gas measurements. The System is part of a mobile sensor network of several sensor units, which can also be used as standalone systems.
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.
Simulating a Gas Source Localization Algorithm with Gas Dispersion Produced by Recorded Outdoor Wind
(2022)
This presentation reports the use of the first gas dispersion simulator capable of generating large wind fluctuation, to test a modification to a gas source localization algorithm and study how the change affects it. Gas source localization at an outdoor environment is a challenging task mainly due to the complexity of the spreading gas caused by the unpredictable nature of constantly changing wind. Therefore, a novel use of outdoor wind in developing a gas source localization system by simulation will be shared. To consider the characteristic of sudden but large and unpredictable changes in wind direction, recorded outdoor wind was used to simulate a realistic outdoor gas dispersion which has been done for the first time. With the use of this simulator, a modification to a mobile robot-based gas source localization algorithm was evaluated. Multiple simulations of the modified and the original algorithm were done to study the effect of the tested modification. The results showed that a small difference in the algorithm can greatly impact the results. From this study, we consider the use of simulation consisting of the necessary traits to evaluate outdoor gas source localization, has the potential to accelerate the development of a reliable localization system.
Gasquellenlokalisierungen (Gas Source Localization, GSL) tragen dazu bei, die Folgen von Industrieunfällen und Naturkatastrophen zu mildern. Während die GSL, wenn von Menschen durchgeführt, gefährlich und zeitaufwändig ist, können Schwärme von wendigen und kostengünstigen Nanodrohnen die Effizienz und Sicherheit der Suche erhöhen. Da die geringe Nutzlast von Nanodrohnen die Sensor- und Rechenressourcen einschränkt, werden Strategien zur Koordination des Roboterschwarms verwendet, die von biologischen Schwärmen, wie Kolonien sozialer Insekten, inspiriert sind. Die meisten Schwarm-GSL-Strategien verwenden das Maximum der Gaskonzentrationsverteilung zur Schätzung der Gasquellenposition. Experimente legen jedoch nahe, dass die Intermittenz der Gasverteilung vielversprechender ist. In diesem Beitrag wird eine neuartige GSL-Strategie für Schwärme vorgestellt, die auf Pheromonkommunikation und Intermittenz der Gasverteilung basiert. Die Agenten, d.h. die Nanodrohnen, emittieren Pheromonmarker in einer virtuellen Umgebung, wenn sie eine neue Gaswolke feststellen. Die Agenten werden durch virtuelle Kräfte gesteuert und nutzen abwechselnd das Wissen des Schwarms, indem sie dem Pheromongradienten folgen, oder erkunden den Suchraum, indem sie einen Zufallspunkt ansteuern. Zur Kollisionsvermeidung werden die Agenten durchgehend von anderen Agenten und Wänden abgestoßen. Die Strategie wurde auf drei Nanodrohnen implementiert und durch ein Experiment in einem Innenraum mit einer statischen Gasquelle validiert. Die Ergebnisse zeigen eine Verbesserung gegenüber maximabasierten Verfahren und geringe Lokalisierungsfehler in Windrichtung.
In robotic applications, it is often necessary to orient a sensor quickly. Spherical parallel manipulators (SPM) are well suited for this purpose since they offer superior dynamics and structural stiffness as compared to serial manipulators. To control them, however, the kinematic equations have to be known. In this paper, a SPM with three degrees of freedom and the kinematic equations describing its mechanical properties are presented.
In robotic applications, it is often necessary to orient a sensor quickly. Spherical parallel manipulators (SPM) are well suited for this purpose since they offer superior dynamics and structural stiffness as compared to serial manipulators. To control them, however, the kinematic equations have to be known. In this paper, a SPM with three degrees of freedom and the kinematic equations describing its mechanical properties are presented.
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.
The development of algorithms for mapping gas distributions and localising gas sources is a challenging task, because gas dispersion is a highly dynamic process and it is impossible to capture ground truth data. Fluid-mechanical simulations are a suitable way to support the development of these algorithms. Several tools for gas dispersion simulation have been developed, but they are not suitable for simulations of large outdoor environments. In this paper, we present a concept of how an existing simulator can be extended to handle both indoor and large outdoor scenarios.
Remote gas sensors like those based on the Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) enable mobile robots to scan huge areas for gas concentrations in reasonable time and are therefore well suited for tasks such as gas emission surveillance and environmental monitoring. A further advantage of remote sensors is that the gas distribution is not disturbed by the sensing platform itself if the measurements are carried out from a sufficient distance, which is particularly interesting when a rotary-wing platform is used. Since there is no possibility to obtain ground truth measurements of gas distributions, simulations are used to develop and evaluate suitable olfaction algorithms. For this purpose several models of in-situ gas sensors have been developed, but models of remote gas sensors are missing. In this paper we present two novel 3D ray-tracer-based TDLAS sensor models. While the first model simplifies the laser beam as a line, the second model takes the conical shape of the beam into account. Using a simulated gas plume, we compare the line model with the cone model in terms of accuracy and computational cost and show that the results generated by the cone model can differ significantly from those of the line model.
For several applications involving multirotor aircraft, it is crucial to know both the direction and speed of the ambient wind. In this paper, an approach to wind vector estimation based on an equilibrium of the principal forces acting on the aircraft is shown. As the thrust force generated by the rotors depends on their rotational speed, a sensor to measure this quantity is required. Two concepts for such a sensor are presented: One is based on tapping the signal carrying the speed setpoint for the motor controllers, the other one uses phototransistors placed underneath the rotor blades. While some complications were encountered with the first approach, the second yields accurate measurement data. This is shown by an experiment comparing the proposed speed sensor to a commercial non-contact tachometer.
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.
Robotic Measurement System Concept for Greenhouse Gas Tomography in Wastewater Treatment Plants
(2023)
This paper introduces a conceptual framework for a robotic greenhouse gas (GHG) measurement system designed for wastewater treatment plants (WWTPs). The emphasis is on accurate gas tomography measurement of emissions, crucial for national emission assessments. The proposed system is movable, semi-autonomous, and employs a combination of ground and air robots equipped with integral remote gas sensors and in-situ sensors. Employing a two/two configuration ensures comprehensive coverage of WWTPs, overcoming obstacles. The system concept lays the foundation for future implementation and evaluation, addressing the need for enhanced understanding of GHG emissions from WWTPs.
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
Remote sensing of hazardous substances is a key task that can be achieved with the help of remotely operated platforms equipped with specific sensors. A huge variety of methods and used vehicles have been developed for different purposes in recent years. The term smart dust refers to a science fiction novel and develop shortly after into a research proposal at UC Berkley funded by DARPA. Subsequently, the topic gained attraction but was overall considered as to complex for the technologies available at that time. In the launched passive smart dust project, we shift to a simple “chemical intelligent” passive sensor particle on the ground combined a read-out active sensor attached to an Unmanned Aerial Vehicle (UAV). The reactive particle surface can be preadjusted in the lab for exact desired properties regarding certain reactions to hazardous substances.
Moreover, the aimed interaction with the active sensor can be modified. Planed applications allow for different materials e.g., for short time measurement, being ecologically degradable, or weather stable for long time monitoring.
High demand for remote sensing of hazardous substances. Possible solution: Use of distributed, low cost, and environmentally safe particles as passive sensors that can be read out remotely
Chemical intelligence on the particle surface can be easily modified Particles enable optically quantifiable response and inference of target substances (also no maintenance or power supply required
Remote gas sensors mounted on mobile robots enable the mapping of gas distributions in large or poorly accessible areas. A challenging task however, is the generation of three-dimensional distribution maps from these spatially sparse gas measurements. To obtain high-quality reconstructions, the choice of optimal measuring poses is of great importance. Remote gas sensors, that are commonly used in Robot Assisted Gas Tomography (RAGT), require reflecting surfaces within the sensor’s range, limiting the possible sensing geometries, regardless of whether the robots are ground-based or airborne. By combining ground and aerial robots into a heterogeneous swarm whose agents are equipped with reflectors and remote gas sensors, remote inter-robot gas measurements become available, taking RAGT to the next dimension – releasing those constraints. In this paper, we demonstrate the feasibility of drone-to-drone measurements under realistic conditions and highlight the resulting opportunities.