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Kostengünstiger Sensor zur Echtzeit Bestimmung von Nitrat und DOC

#Nitrat #DOC #Echtzeitmessung #Monitoring
Die Abbildung besteht aus zwei Teilbildern. Links (a) ist ein Foto eines modularen Sensorsystems auf einem Labortisch zu sehen. Das System besteht aus drei übereinandergestapelten Modulen, die mit Kabeln verbunden sind und mit „Nitrat“, „DOC“ und „Turbidity“ beschriftet sind. Vor dem Modulstapel befindet sich ein schwarzes Messgehäuse mit einer Öffnung auf der Oberseite. Maßangaben zeigen eine Breite von etwa 10 cm sowie eine Höhe von etwa 4,5 cm des Gehäuses. Rechts (b) zeigt eine schematische Darstellung des modularen Messaufbaus mit drei übereinander angeordneten Sensorkammern von jeweils etwa 10 mm Breite und Tiefe. Die obere Kammer wird von einer UVC-LED beleuchtet und dient zur Messung der UVC-Absorption. Die mittlere Kammer enthält eine rote LED; ein roter Lichtstrahl verläuft durch die Probe zur Bestimmung der Absorption im sichtbaren Bereich. Die untere Kammer wird von einer UVA-LED angeregt; die Probe emittiert dabei Fluoreszenzlicht, das senkrecht zur Anregungsrichtung detektiert wird. Lupensymbole markieren die jeweiligen Detektionspunkte für UVC-Absorption, Rotlicht-Absorption und DOC-Fluoreszenz. Die Grafik veranschaulicht das Messprinzip eines modularen Sensors zur Bestimmung von Absorption und Fluoreszenz.
Fotografie des Sensoraufbaus (a) zusammengesetzt aus drei Modulen und schematische Zeichnung des Küvettenaufbaus und optischen Messprinzips (b).

Innovatives In-situ-Messsystem zur Echtzeit-Überwachung von Wasserqualität. Unser Sensor kombiniert die präzise Bestimmung von Nitrat (NO3-) und gelöstem organischem Kohlenstoff (DOC) in einem kompakten, kosteneffizienten Gehäuse. Ideal für den kontinuierlichen Einsatz in Boden-, Grund- und Oberflächengewässern – für kostengünstige Daten ohne zeitaufwendige Laboranalysen.

Präzise Wasseranalytik in Echtzeit – Effizient, Kompakt und Innovativ

Die Überwachung von Nährstoffen und organischen Verbindungen in Gewässern ist entscheidend für das Verständnis ökologischer Prozesse und den Schutz unserer Ressourcen. Traditionelle Labormethoden sind zwar präzise, jedoch zeitintensiv und erlauben keine Momentaufnahmen von schnellen Konzentrationsänderungen. Hier setzt unser neues optisches Multi-Parameter-Sensorsystem an.

Durch die Kombination modernster Spektroskopie-Prinzipien in einem einzigen Gerät ermöglicht der Sensor die simultane Erfassung dreier kritischer Parameter:

  • Nitrat (NO3-​): Mittels UVC-Absorption (235 nm) wird die Nitratkonzentration schnell bestimmt.
  • Gelöster organischer Kohlenstoff (DOC): Über UVA-induzierte Fluoreszenz (375 nm) und intelligente Algorithmen (GAM/Linear Modelle) wird der DOC-Gehalt berechnet.
  • Trübung/Partikel: Ein integrierter Rotlicht-Sensor (650 nm) erfasst Trübung, was gleichzeitig dazu dient, Messfehler durch Schwebstoffe zu korrigieren.

Warum dieses System innovativ ist:
Im Gegensatz zu teuren, komplexen Spektrometern nutzt unser System eine modulare Architektur mit kostengünstigen LEDs und spezialisierten Detektoren (wie Silizium-Photomultipliern). Das Ergebnis ist ein System, das in der Leistung mit High-End-Referenzgeräten mithalten kann, aber deutlich geringeren Stromverbrauch und eine einfachere Handhabung bietet.

Praxisanwendungen:
Das System ist speziell für den Einsatz im Feld konzipiert. Dank des robusten, 3D-gedruckten Gehäuses und der RS-485-Schnittstelle lässt es sich problemlos in bestehende Datenlogger-Netzwerke integrieren. Typische Einsatzgebiete sind:

  • Landwirtschaft: Überwachung der Nitratauswaschung in Bodenwässern zur Optimierung der Düngung.
  • Hydrologie: Kontinuierliches Monitoring von Bachläufen und Grundwasserleitern.
  • Umweltschutz: Früherkennung von Schadstoffspitzen bei Starkregenereignissen.

Das System bietet eine zuverlässige Alternative zu diskreten Probenahmen und ermöglicht eine dynamische Analyse der Wasserchemie in situ.

Wasser­ressource: Grundwasser, Oberflächenwasser
Produkttyp:
  • Monitoring & Analytik
  • Technologien & Verfahren
TRL: 4
    TRL (Technology Readiness Level)
  • TRL 1 - Grundprinzipien beobachtet
  • TRL 2 - Technologiekonzept formuliert
  • TRL 3 - Experimenteller Nachweis des Konzepts
  • TRL 4 - Technologie im Labor überprüft
  • TRL 5 - Technologie in relevanter Umgebung überprüft (bei Schlüsseltechnologien im industrieorientierten Umfeld)
  • TRL 6 - Technologie in relevanter Umgebung getestet (bei Schlüsseltechnologien im industrieorientierten Umfeld)
  • TRL 7 - Test eines System-Prototyps im realen Einsatz
  • TRL 8 - System ist komplett und qualifiziert
  • TRL 9 - System funktioniert in operationeller Umgebung (bei Schlüsseltechnologien oder Raumfahrt wettbewerbsfähige Fertigung)
Anwendungs­sektor: Landwirtschaft, Naturraum Wasser, Wasserwirtschaft
Fördermaßnahme: LURCH
Projekt: StressRes

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  • Universität Freiburg, Hydrologie und Wasserforschung,
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Heinke Paulsen
  • Heinke.paulsen@hydrology.uni-freiburg.de

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