Analytische Chemie
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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.
The vulnerability of low-quality concrete of some bridges to ageing and deterioration while they are exposed to environmental conditions during their service life, influence of growing population and climate changes, is a well-known effect and requires survey. For survey, the development of a low cost, cost-efficient sensor network to be embedded for continuous or attached to the surface for periodic monitoring is essential.
Changing ground water conditions, flood or even leakage in fresh or disposal of waste water can lead to in-creased moisture content in building materials and structural elements as walls or floors. Moisture allows the transport of other adverse chemicals that might reduce the durability of structures. The paper presents a feasibility study about the capability of microwave modules as bluetooth® or ZigBee with frequency range at 2,4 GHz to create advanced Wireless Sensor Networks (WSN) for estimation and visualization of moisture distribution in infrastructure assets. It was found that the value of the received signal strength indication (RSSI) depends on the moisture content and can be the basis for the moisture distribution inside a massive structure.
The microwave modules may be used to compose networks outside and inside of building materials or structural elements. The higher the number of connections between BLE modules, the more precise and the more distant information can be obtained from the network. Mesh networking was applied to increase the quantitative information.
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.
The book chapter first analyses the history of higher education in Europe. Second step describes the current Bologna process. Finally, the rule of the Bundesanstalt für Materialforschung und -Prüfung (BAM) in supporting PhD-students during their research and preparation of theire theses in cooperation with Universities is described
The presented development of a damping model is a research component of an experimental feasibility study about moisture in building materials measured with Bluetooth® Low Energy (BLE) signals. This study may be part of a structural health- and long-term monitoring aiming at early damage detection in the built infrastructure and is increasingly focusing on wireless sensor network technology. It is investigated, how the Received Signal Strength Indicator (RSSI) of a BLE signal, transmitted from the BLE-module embedded in building materials with changing moisture content is damped. The aim of the modelling is the derivation of a damping equation for the formal model to determine the moisture damping exponent to finding a correlation.
Messtechnik und Sensorik
(2018)
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.
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.
Ammoniakemissionen in die Umwelt erfolgen insbesondere durch die Landwirtschaft (93,6 %), aber auch durch Verbrennungsprozesse in der die Abfallwirtschaft (2,3 %) und den Straßenverkehr (1,8 %). Dieser Stoff ist selbst in geringen Konzentrationen nicht nur eine Geruchsbelästigung, sondern auch eine Substanz mit ökologischer und klimatischer Relevanz.
Die Bestimmung von Ammoniak in relevanten Konzentrationen von kleiner 25 μg m-3 erfolgt im Allgemeinen über NH4+ als Analyten, spektralfotometrisch oder mit der Ionenchromatographie nach Überführung in die flüssige Phase. Wegen der niedrigen Konzentrationen an Ammoniak in der Außenluft wird meist eine gesammelte Probe verwendet oder die Bestimmung erfolgt nach einer aktiven, anreichernden Probenahme.
Die eigenen Arbeiten sollen dazu beitragen, die Ammoniak-Bestimmung in der Außenluft präziser, sowie schneller und kostengünstiger zu machen.
Die BAM prüfte daher kommerzielle elektrochemische und Metalloxid-basierte Sensoren, die für diesen Konzentrationsbereich aber nur bedingt geeignet sind. Deshalb wurden alternativ eigene Entwicklungen zum Nachweis von Ammoniak im Spurenbereich aufgenommen, wobei der Analyt über die Änderung der Fluoreszenz eines BODIPY-Farbstoffs bei 550 nm mittels eines portablen Fluoreszenz-Sensors direkt aus der Gasphase gemessen wird.
Zur Kalibrierung von Ammoniak-Sensoren und -Messgeräten steht ein stationäres System basierend auf der Mischung von zertifizierten Prüfgasen aus Druckflaschen mit kalibrierten Massendurchfluss-regler (MFC) zur Verfügung. Darüber hinaus erfolgt eine chemische Analyse der verwendeten Gasgemische mittels eines Massenspektrometers.
Für die Kalibrierung und Prüfung von Sensoren und Messgeräten vor Ort wurde ein mobiles Prüfsystem entwickelt. Die Generierung von Ammoniak-haltigen Gasen im Spurenbereich von 0,5 nmol/mol bis 500 nmol/mol erfolgt durch das Permeationsverfahren nach ISO 6145-10.
Für die Realisierung der Rückführbarkeit der Ammoniakbestimmung werden von den Nationalen Metrologischen Instituten sowie designierten Instituten Standards bereitgestellt und auch weiterentwickelt. Die primären metrologischen Standards beruhen auf SI-Einheiten und sind die Basis für eine Rückführbarkeit der Sensoren bzw. Analysengeräte.
Leaking methane (CH4) from infrastructures, like pipelines, industrial complexes and landfills, or accidental hazardous goods transports is critical for the environment, but can also pose a risk to human life. To enable a fast detection and localisation of these kind of leaks, we developed a novel robotic platform for aerial remote gas sensing. The platform combines an unmanned micro aircraft (UAV), a 3-axis aerial stabilisation gimbal and an open-path gas detector based on the tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS).
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.
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.)
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.).
In this paper, we present an autonomous aerial robot to reconstruct tomographic 2D slices of gas plumes in outdoor environments. Our platform, the so-called Unmanned Aerial Vehicle for Remote Gas Sensing (UAV-REGAS) combines a lightweight Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) sensor with a 3-axis aerial stabilization gimbal for aiming on a versatile octocopter. The TDLAS sensor provides integral gas concentration measurements but no information regarding the distance traveled by the laser diode's beam or the distribution of the gas along the optical path. We complemented the set-up with a laser rangefinder and apply principles of Computed Tomography (CT) to create a model of the spatial gas distribution from these integral concentration measurements. To allow for a rudimentary ground truth evaluation of the applied gas tomography algorithm, we set up a unique outdoor test environment based on two 3D ultrasonic anemometers and a distributed array of 10 infrared gas transmitters. We present first results showing the 2D plume reconstruction capabilities of the system under realistic conditions.
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.
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.
In this paper, we present an autonomous aerial robot to reconstruct tomographic 2D slices of gas plumes in outdoor environments. Our platform, the so-called Unmanned Aerial Vehicle for Remote Gas Sensing (UAV-REGAS) combines a lightweight Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) sensor with a 3-axis aerial stabilization gimbal for aiming on a versatile octocopter. The TDLAS sensor provides integral gas concentration measurements but no information regarding the distance traveled by the laser diode's beam or the distribution of the gas along the optical path. We complemented the set-up with a laser rangefinder and apply principles of Computed Tomography (CT) to create a model of the spatial gas distribution from these integral concentration measurements. To allow for a rudimentary ground truth evaluation of the applied gas tomography algorithm, we set up a unique outdoor test environment based on two 3D ultrasonic anemometers and a distributed array of 10 infrared gas transmitters. We present first results showing the 2D plume reconstruction capabilities of the system under realistic conditions.
Moisture content and water activity are important parameters for quality characterization of products like bulk materials, powders, granules. Thus, an exact determination is necessarily required in a wide range of industrial applications. Moisture of materials is the content of non-chemically bound water in a solid or liquid. Water activity (aW) is a characteristic/parameter of the non-chemically bound ("free") water in materials and is measured as humidity over a solid/liquid surface at constant temperature (equilibrium moisture content). It is an important parameter to characterize the quality of e. g. pharmaceutical and food products. In our contribution, we present the developed MOISHUM device for staged determination of water activity and moisture content of liquid and solid materials.