Photoakustischer Sensor zur Ethylen-Überwachung

Ethylen oder C₂H₄ wird von nahezu allen Früchten an die Umgebungsluft abgegeben. Die gasförmige Kohlenwasserstoffverbindung ist auch als Pflanzenhormon bekannt, denn sie entsteht auf natürliche Weise während der Reifung von Früchten.

Je nach dem Stadium der Reife ändert sich die Menge an Ethylen, die eine Frucht abgibt. In der Vorreife geben die Früchte zunächst nur sehr geringe Mengen an Ethylen ab. Gegen Ende des Reifeprozesses steigt die Ethylen-Produktion stark an, bis die Menge des an die Umgebung abgegebenen Ethylens im Stadium der Reife ihr Maximum erreicht.

Anhand der Ethylen-Konzentration in der Umgebungsluft können Produzenten und Spediteure genau erkennen, in welchem Reifezustand sich die Ware befindet. Dieses Monitoring ist unerlässlich, damit Obst und Gemüse im idealen Reifegrad in die Supermärkte gelangen und um zu verhindern, dass die Reifung zu früh einsetzt und die Ware verdirbt. Um dies sicherzustellen, werden Südfrüchte wie Bananen, Kiwis oder Mangos unreif geerntet und während des Transports unter einer Schutzatmosphäre haltbar gemacht. Die Schutzatmosphäre wird durch eine je nach Obst- und Gemüsesorte genau definierte Temperatur und mittels exakt gesteuerter Ethylen-, Kohlendioxid- und Sauerstoff-Konzentrationen im Lagerraum erzeugt. Durch die gezielte Beeinflussung der Ethylen-Konzentration in der Umgebungsluft kann der Reifeprozess während des Transports gestoppt und im Zielland in sogenannten Reifeanlagen wieder gestartet werden.

Genaue Messung entlang der Lieferkette

Die Grundvoraussetzung für eine präzise Steuerung des Reifeprozesses ist die hochgenaue Messung der C₂H₄-Konzentration während der gesamten Lieferkette – also von der Ernte bis zur Anlieferung im Supermarkt. Dafür kommen spezielle C₂H₄-Sensoren zum Einsatz, die auf unterschiedliche Art und Weise die Gaskonzentration erfassen. Ein bewährtes Messprinzip ist die nichtdispersive Infrarot-Absorption (NDIR). Hierbei wird die Eigenschaft von Gasmolekülen genutzt, Infrarotstrahlung in bestimmten Wellenlängen zu absorbieren. Je höher die Konzentration des jeweiligen Gases ist, desto mehr Infrarotstrahlung absorbiert es. Der Detektor registriert die abgeschwächte Lichtintensität der Strahlung und wandelt diese in ein Signal um, das die vorhandene Gaskonzentration angibt. Ein vorgeschalteter und auf das jeweilige Gas angepasster Interferenzfilter verhindert, dass der Detektor auf alle Wellenlängen anspricht.

Der Sensorspezialist Smartgas aus Heilbronn entwickelt und fertigt seit langem Gassensoren zur Messung zahlreicher Gase in kundenspezifischen Anwendungen. Mit der photoakustischen Spektroskopie (PAS) bietet Smartgas zukünftig ein zusätzliches Messverfahren, das durch sehr hohe Selektivität und passgenaue spektrale Detektion des jeweiligen Gases auch bei geringsten C₂H₄-Konzentrationen hochpräzise Messergebnisse liefert.

Der photoakustische Effekt beschreibt die Umwandlung von Lichtenergie in Schall: Durch die Absorption eines vom Sensor emittierten Lichtstrahls z. B. durch Gasmoleküle wird die Energie der Moleküle erhöht, sodass sie sich schneller bewegen. Es entsteht Wärme und der Druck des Gases steigt. Diese Druckerhöhung kann als Schallwelle mittels eines eingebauten hochempfindlichen Mikrofons gemessen werden. Je höher die Gaskonzentration ist, umso mehr Licht wird von den Gasmolekülen absorbiert. Das Energieniveau der Moleküle steigt und damit auch der Druck, der von den Mikrofonen als Schall gemessen wird.

Die neuen photoakustischen Sensoren von Smartgas haben einen Messbereich von 5 bis 1.000 ppm und weisen eine Genauigkeitsabweichung von 1 Prozent vom Messwert zzgl. 1.5 ppm auf. Zur Proben-Entnahme kann der Anwender direkt eine Pumpe anschließen. Das Gas wird dann in die Messkammer innerhalb des Sensors geleitet und dort analysiert. Vor der ersten Messung startet der Sensor einen Selbsttest, es folgen eine Hochlaufphase von rund 10 Minuten und eine Nullpunkt-Messung. Die Nullpunkt-Justage des Sensors ist über ein direkt angeschlossenes 2/3-Wege-Ventil möglich und erfolgt durch ein externes Kommando oder automatisch nach einem vom Anwender festgelegten Zeitintervall.

Ist der Nullpunkt justiert, startet je nach Konfiguration automatisch die Messung der Ethylen-Konzentration oder der Sensor „wartet“ auf ein externes Kommando. Ein kompletter Messzyklus besteht aus sechs Einzelschritten und dauert etwa 20 Sekunden. Das Sensor-Modul kann sämtliche Abläufe und Komponenten selbst steuern, der Einsatz einer externen Steuerung ist nicht erforderlich. Eine SPS lässt sich aber über die integrierte TTL-UART-Schnittstelle einfach anbinden. Der PAS-Sensor zeichnet sich durch eine sehr geringe Nullpunkt-Drift aus (<1.5 ppm in 24 h) und kompensiert die Wasserdampf-Querempfindlichkeit automatisch auf Einflusswerte von unter 5 ppm. Aufgrund der geringen Innenabmessungen der photoakustischen Zellen können selbst Messungen mit sehr kleinem Gasvolumen durchgeführt werden. Der PAS-Sensor ist für den 24/7-Betrieb ausgelegt und lässt sich durch seine Bauform (3 Units) einfach in stationäre Geräte mit 19-Zoll-Gehäuse einbauen.

Handel und Logistik profitieren doppelt

Das photoakustische C₂H₄-Sensor-Modul liefert nicht nur hochgenaue Messergebnisse bei geringsten Gaskonzentrationen, sondern ermöglicht zudem eine präzise Anlagensteuerung und eine schonendere und termingerechte Reifung der Früchte. Für die Lebensmittel-Logistik und die Betreiber von Lagern mit kontrollierter Atmosphäre bringt der photoakustische Sensor von Smartgas deshalb erhebliche Vorteile.