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Filterrotationsspektrometer für den Nachweis von Ethen im ppb-Bereich

Rotating filter spectrometer for the detection of ethylene in the ppb-range
 
: Eberhardt, André; Bauersfeld, Marie-Luise; Schmitt, Katrin; Wöllenstein, Jürgen

:

Technisches Messen : TM 87 (2020), No.3, pp.164-176
ISSN: 0340-837X
ISSN: 0171-8096 (Print)
ISSN: 2196-7113 (Online)
German
Journal Article
Fraunhofer IPM ()
gas sensor; infrared spectrometer; Filter Rotation; NDIR; carbon dioxide; Ammonia Detection

Abstract
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.

 

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.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-578693.html