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Licensed Unlicensed Requires Authentication Published by Oldenbourg Wissenschaftsverlag February 7, 2020

Filterrotationsspektrometer für den Nachweis von Ethen im ppb-Bereich

Rotating filter spectrometer for the detection of ethylene in the ppb-range
  • André Eberhardt

    André Eberhardt studierte zwischen 2004 und 2012 Physikalische Technik an der Westsächsischen Hochschule in Zwickau und Mikrosystemtechnik an der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Anschließend promovierte er an der Professur für Gassensoren der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg auf dem Gebiet der low-cost Spektrometer. Seit 2017 beschäftigt er sich am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik mit der Modellierung und Entwicklung von optischen Gassensoren.

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    , Marie-Luise Bauersfeld

    Marie-Luise Bauersfeld studierte Physikalische Technik und Informationsverarbeitung an der Hochschule Merseburg und promovierte an der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg am Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK. Seit 2004 entwickelt sie miniaturisierte Gassensorsysteme am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM, an dem sie seit 2015 die Gruppe Integrierte Sensorsysteme leitet.

    , Katrin Schmitt

    Katrin Schmitt studierte Physik an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg und der University of Texas in Austin, USA (1999–2003). Sie promovierte 2006 an der Universität Straßburg, Frankreich und ist seitdem wissenschaftliche Mitarbeiterin am Fraunhofer IPM in Freiburg. Seit 2018 hat sie die Gruppenleitung an der Professur für Gassensoren der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg inne.

    and Jürgen Wöllenstein

    Jürgen Wöllenstein schloss 1997 sein Studium der Elektrotechnik an der Universität Kassel ab. Er ist Leiter der Abteilung Gas- und Prozesstechnologie am Fraunhofer IPM und hat die Professur für Gassensoren an der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg am Institut für Mikrosystemtechnik - IMTEK inne.

From the journal tm - Technisches Messen

Zusammenfassung

Ethen (Ethylen, C2H4) ist eines der wichtigsten Phytohormone im Reifungsprozess klimakterischer Früchte. Die Menge des emittierten Ethens liefert Informationen über den aktuellen Reifezustand dieser Früchte. Deshalb können Ethensensoren in der Lieferkette für die Umsetzung fortschrittlicher Logistik-Prozesse wie dem First-Expired-First-Out-Prozess (FEFO) eingesetzt werden. Diese Arbeit beschreibt den aktuellen Stand der Entwicklung eines kostengünstigen Filterrotationsspektrometers für den Nachweis von Ethen in der klimakterischen Reifephase von Früchten. Das Spektrometer basiert im Wesentlichen auf Komponenten, die auch in nichtdispersiven Infrarotsensoren (NDIR) zum Einsatz kommen. Durch eine modellbasierte Auswertung der gemessenen Spektren konnte die Stabilität eines ersten Laborprototyps gegenüber klassischen NDIR-Sensoren deutlich verbessert werden. In Verbindung mit einer optimierten Langwegzelle wurde eine Nachweisgrenze von 150 ppb erreicht. Simulationen haben außerdem gezeigt, dass sich dieses Prinzip auch für die quantitative Bestimmung potentieller Querempfindlichkeitsgase wie Ammoniak (NH3) und Kohlenstoffdioxid (CO2) eignet. Durch Verknüpfung der Simulations- und Messergebnisse wird eine Nachweisgrenze von 0,19 % für CO2 und 62 ppb für NH3 erwartet.

Abstract

Ethylene is one of the most important phytohormones in the ripening process of climacteric fruit. In this context, the amount of emitted ethylene can provide information on the current ripening phase of these fruit. Therefore, ethylene sensors can be used for the implementation of novel logistic processes, such as the First-Expired-First-Out-Process (FEFO), in the supply chain of climacteric fruits. This work presents the current state of the development of a low-cost filter rotation spectrometer for detection of ethylene in the climacteric ripening phase of fruit. The spectrometer is based mainly on commercial components, which are also used in classical nondispersive infrared sensors (NDIR). A model-based evaluation of the measured spectra has significantly improved the stability of our first laboratory prototype compared to classical NDIR sensors. In combination with an optimized optical long path cell, a detection limit of 150 ppb could be reached. In addition, simulations have shown that this principle is suitable for the quantitative determination of the potential cross-sensitivity gases ammonia and carbon dioxide. By combining the simulation and measurement results, a detection limit of 0.19 % for carbon dioxide and 62 ppb for ammonia is expected.

Funding statement: Diese Arbeit wurde durch die Georg H. Endress Stiftung im Rahmen des InnoSens-Projekts zur Erforschung einer nachhaltigen Lebensmittelproduktion gefördert.

Über die Autoren

André Eberhardt

André Eberhardt studierte zwischen 2004 und 2012 Physikalische Technik an der Westsächsischen Hochschule in Zwickau und Mikrosystemtechnik an der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Anschließend promovierte er an der Professur für Gassensoren der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg auf dem Gebiet der low-cost Spektrometer. Seit 2017 beschäftigt er sich am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik mit der Modellierung und Entwicklung von optischen Gassensoren.

Marie-Luise Bauersfeld

Marie-Luise Bauersfeld studierte Physikalische Technik und Informationsverarbeitung an der Hochschule Merseburg und promovierte an der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg am Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK. Seit 2004 entwickelt sie miniaturisierte Gassensorsysteme am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM, an dem sie seit 2015 die Gruppe Integrierte Sensorsysteme leitet.

Katrin Schmitt

Katrin Schmitt studierte Physik an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg und der University of Texas in Austin, USA (1999–2003). Sie promovierte 2006 an der Universität Straßburg, Frankreich und ist seitdem wissenschaftliche Mitarbeiterin am Fraunhofer IPM in Freiburg. Seit 2018 hat sie die Gruppenleitung an der Professur für Gassensoren der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg inne.

Jürgen Wöllenstein

Jürgen Wöllenstein schloss 1997 sein Studium der Elektrotechnik an der Universität Kassel ab. Er ist Leiter der Abteilung Gas- und Prozesstechnologie am Fraunhofer IPM und hat die Professur für Gassensoren an der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg am Institut für Mikrosystemtechnik - IMTEK inne.

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Erhalten: 2019-09-13
Angenommen: 2020-01-05
Online erschienen: 2020-02-07
Erschienen im Druck: 2020-03-26

© 2020 Walter de Gruyter GmbH, Berlin/Boston

Downloaded on 21.2.2024 from https://www.degruyter.com/document/doi/10.1515/teme-2019-0141/html
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