A Wireless Electronic Nose System Using a Fe2O3 Gas Sensing Array and Least Squares Support Vector Regression

This paper describes the design and implementation of a wireless electronic nose (WEN) system which can online detect the combustible gases methane and hydrogen (CH4/H2) and estimate their concentrations, either singly or in mixtures. The system is composed of two wireless sensor nodes—a slave node and a master node. The former comprises a Fe2O3 gas sensing array for the combustible gas detection, a digital signal processor (DSP) system for real-time sampling and processing the sensor array data and a wireless transceiver unit (WTU) by which the detection results can be transmitted to the master node connected with a computer. A type of Fe2O3 gas sensor insensitive to humidity is developed for resistance to environmental influences. A threshold-based least square support vector regression (LS-SVR)estimator is implemented on a DSP for classification and concentration measurements. Experimental results confirm that LS-SVR produces higher accuracy compared with artificial neural networks (ANNs) and a faster convergence rate than the standard support vector regression (SVR). The designed WEN system effectively achieves gas mixture analysis in a real-time process

Hydrogen detection study

The effectiveness was assessed of a hydrogen (H2) detection concept for regenerative environmental control life support systems (EC/LSS). The concept evaluated was that utilized for the electrochemical depolarized concentrator (EDC) design, constructed, and tested for the EC/LSS space station prototype program. The EDC contains combustible gas detectors (CGDs) which were evaluated with H2. The CGDs were evaluated for linearity, position sensitivity, reproducibility, ambient effects, repeatability, speed of response, recovery time, and interchangeability. The effectiveness of CGDs located within the EDC for sensing H2 leaks at various line replaceable units in the subsystem was determined. The effects of H2 leak rate, H2 concentration of leaking gas and air currents in the vicinity of the EDC were determined. Proposed improvements for the H2 detection concept were documented and alternative H2 detection approaches were identified and analyzed

TDLAS Detection of propane and butane gas over the near-infrared wavelength range from 1678nm to 1686nm

It is important in the petrochemical industry that there are high sensitivity, high accuracy, low-power consumption and intrinsically safe methods for the detection of propane, butane and their gas mixtures, to provide early warning of potential explosion hazards during both storage and transportation of oil and gas. This paper proposes a 'proof of principle' method for the detection of propane and butane using a Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) technique over the near-infrared wavelength range from 1678nm to 1686nm. This method is relatively inexpensive to implement and is thus more practical, compared with detection methods using wavelengths further into the infra-red, near 3.3μm. The minimum detectable concentration was found to be low as 300ppm for propane or butane. Importantly, the relative measurement errors were all below 3% LEL, which meets the requirements from the petrochemical and oil-gas storage and transportation industries for a field-based system for monitoring of combustible gases

The development of an electrochemical technique for in situ calibrating of combustible gas detectors

A program to determine the feasibility of performing in situ calibration of combustible gas detectors was successfully completed. Several possible techniques for performing the in situ calibration were proposed. The approach that showed the most promise involved the use of a miniature water vapor electrolysis cell for the generation of hydrogen within the flame arrestor of a combustible gas detector to be used for the purpose of calibrating the combustible gas detectors. A preliminary breadboard of the in situ calibration hardware was designed, fabricated and assembled. The breadboard equipment consisted of a commercially available combustible gas detector, modified to incorporate a water vapor electrolysis cell, and the instrumentation required for controlling the water vapor electrolysis and controlling and calibrating the combustible gas detector. The results showed that operation of the water vapor electrolysis at a given current density for a specific time period resulted in the attainment of a hydrogen concentration plateau within the flame arrestor of the combustible gas detector

A survey and analysis of commercially available hydrogen sensors

The performance requirements for hydrogen detection in aerospace applications often exceed those of more traditional applications. In order to ascertain the applicability of existing hydrogen sensors to aerospace applications, a survey was conducted of commercially available point-contact hydrogen sensors, and their operation was analyzed. The operation of the majority of commercial hydrogen sensors falls into four main categories: catalytic combustion, electrochemical, semiconducting oxide sensors, and thermal conductivity detectors. The physical mechanism involved in hydrogen detection for each main category is discussed in detail. From an understanding of the detection mechanism, each category of sensor is evaluated for use in a variety of space and propulsion environments. In order to meet the needs of aerospace applications, the development of point-contact hydrogen sensors that are based on concepts beyond those used in commercial sensors is necessary

Refurbishment of one-person regenerative air revitalization system

Regenerative processes for the revitalization of spacecraft atmospheres and reclamation of waste waters are essential for making long-term manned space missions a reality. Processes studied include: static feed water electrolysis for oxygen generation, Bosch carbon dioxide reduction, electrochemical carbon dioxide concentration, vapor compression distillation water recovery, and iodine monitoring. The objectives were to: provide engineering support to Marshall Space Flight Center personnel throughout all phases of the test program, e.g., planning through data analysis; fabricate, test, and deliver to Marshall Space Flight Center an electrochemical carbon dioxide module and test stand; fabricate and deliver an iodine monitor; evaluate the electrochemical carbon dioxide concentrator subsystem configuration and its ability to ensure safe utilization of hydrogen gas; evaluate techniques for recovering oxygen from a product oxygen and carbon dioxide stream; and evaluate the performance of an electrochemical carbon dioxide concentrator module to operate without hydrogen as a method of safe haven operation. Each of the tasks were related in that all focused on providing a better understanding of the function, operation, and performance of developmental pieces of environmental control and life support system hardware

Six-man, self-contained carbon dioxide concentrator subsystem for Space Station Prototype (SSP) application

A six man, self contained, electrochemical carbon dioxide concentrating subsystem for space station prototype use was successfully designed, fabricated, and tested. A test program was successfully completed which covered shakedown testing, design verification testing, and acceptance testing

Fault tree analysis and prevention strategies for gas explosion in underground coal mines of Pakistan

Purpose. Gas explosion in the underground coal mines of Pakistan is the main source of coal miners’ mortalities. The purpose of this article is to analyze the main causes of gas explosion in the underground coal mines of Pakistan. Methods. The study employs the Fault Tree Analysis (FTA) to understand the key root causes that lead to system failure. Particularly, this research has articulated the fault tree model in case of gas explosion in underground coal mines to analyze the root causes of this dangerous accident. Findings. This analysis has revealed that most of the root causes (4/7) with 5/10 accidents, 49/53 fatalities and 28/35 injuries resulted from primary failure of the gas explosion that poses a major threat to lives of mine workers. Similarly, the accumulation of gases and ignition are leading causes of gas explosion. Originality. FTA has been employed for the first time to understand the underlying root causes with the corresponding number of accident, fatalities and injuries of gas explosion in underground coal mines of Pakistan. This original application of FTA to the problem under discussion presents some important underlying factors which should be considered to reduce the risk of gas explosion and its related fatal and non-fatal accidents. Practical implications. The study proposes preventive strategies to lessen the fatal and non-fatal accidents resulting from gas explosions. Explicitly, Pakistan has to conduct major structural and safety management reforms.Мета. Аналіз впливу основних факторів, що викликають вибухи шахтного газу метану, на основі складання моделі дерева відмов в умовах вугільних шахт Пакистану. Методика. Для досягнення мети дослідження застосовано емпіричний аналіз вибухів газу у вугільних шахтах Пакистану на основі даних з 2010 по 2018 роки для визначення точного числа аварій зі смертельними випадками і травмами. Аналіз вибухів газу вивчався як якісно, так і кількісно для кращого розуміння першопричин, що створюють небезпечні аварійні ситуації на підставі аналізу дерева відмов (АДВ). Результати. Встановлено, що 11 нещасних випадків привели до 53 смертельних випадків і 35 травм у період з 2010 по 2018 роки у Пакистані. Значна частина причин (4 з 7), що призвели до 5 з 10 нещасних випадків, 49 з 53 смертей та 28 з 35 травм, була пов’язана з вибухом газу, а основні фактори, що викликають вибух – це накопичення газу і його загоряння. Акцентовано увагу на належну якість проектування шахт, регулярний огляд шахт, дотримання пропонованих правил і норм безпеки. Наукова новизна. Метод АДВ було вперше застосовано для розуміння глибинних причин, що викликають вибух газу у вугільних шахтах Пакистану, а його специфікація дозволила виявити ряд важливих ключових факторів, які слід враховувати для зменшення ризику вибуху газу й запобігання викликаних ним аварій. Практична значимість. Розроблено стратегічні заходи, що дозволяють запобігти або зменшити число аварій зі смертельними наслідками (або без них), викликаних вибухом газу. Для цієї мети пропонується, аби в Пакистані були проведені серйозні структурні реформи і перетворення в галузі охорони праці.Цель. Анализ влияния основных факторов, вызывающих взрывы шахтного газа метана на основе составления модели дерева отказов в условиях угольных шахт Пакистана. Методика. Для достижения цели исследования применен эмпирический анализ взрывов газа в угольных шахтах Пакистана на основе данных с 2010 по 2018 годы для определения точного числа аварий со смертельными случаями и травмами. Анализ взрывов газа изучался как качественно, так и количественно для лучшего понимания первопричин, которые создают опасные аварийные ситуации на основании анализа дерева отказов (АДО). Результаты. Установлено, что 11 несчастных случаев привели к 53 смертельным случаям и 35 травмам в период с 2010 по 2018 годы в Пакистане. Значительная часть причин (4 из 7), приведших к 5 из 10 несчастных случаев, 49 из 53 смертей и 28 из 35 травм, была связана со взрывом газа, а основные факторы, вызывающие взрыв – это накопление газа и его возгорание. Акцентировано внимание на надлежащее качество проектирования шахт, регулярный осмотр шахт, соблюдение предлагаемых правил и норм безопасности шахт. Научная новизна. Метод АДО был впервые применен впервые для понимания глубинных причин, вызывающих взрыв газа в угольных шахтах Пакистана, а его спецификация позволила выявить ряд важных ключевых факторов, которые следует учитывать для сокращения риска взрыва газа и предотвращения вызванных им аварий. Практическая значимость. Разработаны стратегические меры, позволяющие предотвратить или уменьшить число аварий со смертельными последствиями (или без них), вызванных взрывом газа. Для этой цели предлагается, чтобы в Пакистане были проведены серьезные структурные реформы и преобразования в области охраны труда.This research was funded by the National Natural Science Foundation of China (51574226) and 2017 Special Project of Subject Frontiers Scientific Research in China University of Mining and Technology (2017XKQY047). Additionally, authors are very thankful to the School of Mines, China University of Mining and Technology, Xuzhou, 221116 China, whose support allowed to accomplish this research within the specified time

Fault tree analysis and prevention strategies for gas explosion in underground coal mines of Pakistan

Purpose. Gas explosion in the underground coal mines of Pakistan is the main source of coal miners’ mortalities. The purpose of this article is to analyze the main causes of gas explosion in the underground coal mines of Pakistan. Methods. The study employs the Fault Tree Analysis (FTA) to understand the key root causes that lead to system failure. Particularly, this research has articulated the fault tree model in case of gas explosion in underground coal mines to analyze the root causes of this dangerous accident. Findings. This analysis has revealed that most of the root causes (4/7) with 5/10 accidents, 49/53 fatalities and 28/35 injuries resulted from primary failure of the gas explosion that poses a major threat to lives of mine workers. Similarly, the accumulation of gases and ignition are leading causes of gas explosion. Originality. FTA has been employed for the first time to understand the underlying root causes with the corresponding number of accident, fatalities and injuries of gas explosion in underground coal mines of Pakistan. This original application of FTA to the problem under discussion presents some important underlying factors which should be considered to reduce the risk of gas explosion and its related fatal and non-fatal accidents. Practical implications. The study proposes preventive strategies to lessen the fatal and non-fatal accidents resulting from gas explosions. Explicitly, Pakistan has to conduct major structural and safety management reforms.Мета. Аналіз впливу основних факторів, що викликають вибухи шахтного газу метану, на основі складання моделі дерева відмов в умовах вугільних шахт Пакистану. Методика. Для досягнення мети дослідження застосовано емпіричний аналіз вибухів газу у вугільних шахтах Пакистану на основі даних з 2010 по 2018 роки для визначення точного числа аварій зі смертельними випадками і травмами. Аналіз вибухів газу вивчався як якісно, так і кількісно для кращого розуміння першопричин, що створюють небезпечні аварійні ситуації на підставі аналізу дерева відмов (АДВ). Результати. Встановлено, що 11 нещасних випадків привели до 53 смертельних випадків і 35 травм у період з 2010 по 2018 роки у Пакистані. Значна частина причин (4 з 7), що призвели до 5 з 10 нещасних випадків, 49 з 53 смертей та 28 з 35 травм, була пов’язана з вибухом газу, а основні фактори, що викликають вибух – це накопичення газу і його загоряння. Акцентовано увагу на належну якість проектування шахт, регулярний огляд шахт, дотримання пропонованих правил і норм безпеки. Наукова новизна. Метод АДВ було вперше застосовано для розуміння глибинних причин, що викликають вибух газу у вугільних шахтах Пакистану, а його специфікація дозволила виявити ряд важливих ключових факторів, які слід враховувати для зменшення ризику вибуху газу й запобігання викликаних ним аварій. Практична значимість. Розроблено стратегічні заходи, що дозволяють запобігти або зменшити число аварій зі смертельними наслідками (або без них), викликаних вибухом газу. Для цієї мети пропонується, аби в Пакистані були проведені серйозні структурні реформи і перетворення в галузі охорони праці.Цель. Анализ влияния основных факторов, вызывающих взрывы шахтного газа метана на основе составления модели дерева отказов в условиях угольных шахт Пакистана. Методика. Для достижения цели исследования применен эмпирический анализ взрывов газа в угольных шахтах Пакистана на основе данных с 2010 по 2018 годы для определения точного числа аварий со смертельными случаями и травмами. Анализ взрывов газа изучался как качественно, так и количественно для лучшего понимания первопричин, которые создают опасные аварийные ситуации на основании анализа дерева отказов (АДО). Результаты. Установлено, что 11 несчастных случаев привели к 53 смертельным случаям и 35 травмам в период с 2010 по 2018 годы в Пакистане. Значительная часть причин (4 из 7), приведших к 5 из 10 несчастных случаев, 49 из 53 смертей и 28 из 35 травм, была связана со взрывом газа, а основные факторы, вызывающие взрыв – это накопление газа и его возгорание. Акцентировано внимание на надлежащее качество проектирования шахт, регулярный осмотр шахт, соблюдение предлагаемых правил и норм безопасности шахт. Научная новизна. Метод АДО был впервые применен впервые для понимания глубинных причин, вызывающих взрыв газа в угольных шахтах Пакистана, а его спецификация позволила выявить ряд важных ключевых факторов, которые следует учитывать для сокращения риска взрыва газа и предотвращения вызванных им аварий. Практическая значимость. Разработаны стратегические меры, позволяющие предотвратить или уменьшить число аварий со смертельными последствиями (или без них), вызванных взрывом газа. Для этой цели предлагается, чтобы в Пакистане были проведены серьезные структурные реформы и преобразования в области охраны труда.This research was funded by the National Natural Science Foundation of China (51574226) and 2017 Special Project of Subject Frontiers Scientific Research in China University of Mining and Technology (2017XKQY047). Additionally, authors are very thankful to the School of Mines, China University of Mining and Technology, Xuzhou, 221116 China, whose support allowed to accomplish this research within the specified time