DE102010032123A1

DE102010032123A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Detektion flüchtiger Substanzen in der Gasphase

Info

Publication number: DE102010032123A1
Application number: DE102010032123A
Authority: DE
Inventors: Bernd Ehret; Konstantin Safenreiter; Dr. Lorenz Frank; Prof. Dr. Kaul Peter
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2010-07-24
Filing date: 2010-07-24
Publication date: 2012-01-26
Anticipated expiration: 2030-07-25
Also published as: DE102010032123B4

Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Detektion von an einem Objekt ablösbarer flüchtiger Substanzen in der Gasphase, mit einer Gebläseeinheit zur Erzeugung wenigstens einer Luftströmung sowie einer zumindest Anteile der Luftströmung aufnehmenden Absaugeinheit, die mittel- oder unmittelbar mit einer zumindest zwei flüchtige Substanzen voneinander unterscheidenden und die Substanzen klassifizierenden Nachweiseinheit verbunden ist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Gebläseeinheit eine säulenförmige Hausung mit einer schlitzförmigen, in Säulenlängserstreckung orientierten Austrittsöffnung vorsieht, durch die die Luftströmung mit einer räumlich gerichteten Strömungshauptausbreitungsrichtung austritt, dass die in einem Abstand a zur Gebläseeinheit positionierte Absaugeinheit eine säulenförmige Hausung mit einer schlitzförmigen, in Säulenlängserstreckung orientierten Aufnahmeöffnung vorsieht, die der Strömungshauptausbreitungsrichtung zugewandt ist, dass die Absaugeinheit wenigstens eine Ventilatoranordnung zur Erzeugung einer durch die Aufnahmeöffnungsanordnung in die Absaugeinheit eintretende Saugströmung sowie wenigstens ein Strömungsleitmittel vorsieht, durch das die Saugströmung in zwei räumlich getrennte Teilströme innerhalb der Absaugeinheit aufteilbar ist, dass längs jeweils eines Teilstromes eine mit dem Teilstrom in Wechselwirkung tretende Nachweiseinheit vorgesehen ist, die mit einer Auswerteeinheit in Datenaustausch steht.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Detektion von an einem Objekt ablösbarer flüchtiger Substanzen in der Gasphase, mit einer Gebläseeinheit zur Erzeugung wenigstens einer Luftströmung sowie einer zumindest Anteile der Luftströmung aufnehmenden Absaugeinheit, die mittel- oder unmittelbar mit einer zumindest zwei flüchtige Substanzen voneinander unterscheidenden und die Substanzen klassifizierenden Nachweiseinheit verbunden ist.
Stand der Technik
Die Gewährleistung der Sicherheit von Personen und Fahrzeugen hat spätestens seit den Anschlägen des 11. September 2001 an globaler Bedeutung gewonnen. Terroristische Aktivitäten können in der global vernetzten Welt besonders schwerwiegende Folgen haben, wie z. B. den Verlust sehr vieler Menschenleben, die Vernichtung hoher Sachwerte, globale Umweltschäden, folgenschwere Beeinträchtigungen der Verkehrsinfrastrukturen sowie den Vertrauensverlust in die verschiedenen Verkehrsträger. Um terroristischen Bedrohungen im Vorfeld zu erkennen, sind Detektionsvorrichtungen für explosive Substanzen entwickelt worden.
Dazu gehören bekannte Detektionsvorrichtungen; die aus den nachfolgenden Druckschriften entnehmbar sind:
Die EP 0 955 536 B1 beschreibt ein Detektionsportal für chemische Spuren auf Basis des natürlichen Luftstroms und Wärmetransportsystem des menschlichen Körpers, das in Art einer Durchgangskammer ausgebildet ist, die im Deckenbereich einen trichterförmigen Absaugkanal mit Sauggebläse vorsieht.
Aus der US 4,202,200 ist eine Durchgangskammer für Personen zu entnehmen, deren Seitenwände Öffnungen vorsehen, an die außerhalb der Durchgangskammer verlaufende Strömungskanäle anschließen, längs derer jeweils eine Gebläseeinheit integriert ist, die eine die Durchgangskammer durchsetzende Ringströmung erzeugen, wobei aus der Durchgangskammer austretende Luftanteile längs der Ringströmung entnommen und auf gefährliche Spurengase untersucht werden.
Die US 4,896,547 beschreibt eine einseitig betretbare Kabine, die von drei Seitenwänden und einem Deckenelement begrenzt ist, mit einer an einer Kabinenseitenwand angebrachten Absaugeinrichtung zur weiteren Untersuchung einer von eine Person kontaminierten Abluft.
Die EP 0 383 611 A2 beschreibt ein Spurengasanalysesystem in Form einer mehrteiligen Saloontürflügelanordnung, durch die eine zu überprüfende Person hindurchtritt. Jeder einzelne Saloontürflügel ist innwandig hohl ausgebildet und weist eine Vielzahl einzelner Öffnungen an der Türflügeloberseite auf, durch die Luft von außen angesaugt und nachfolgend analysiert wird.
Schließlich ist in der US 4,045,997 eine Durchgangskabinenanordnung zu entnehmen, mit einer zwischen zwei schrankartigen Elementen vorgesehenen Podestanordnung, auf der sich eine zu untersuchende Person zu positionieren hat. In dieser Position wird die Person mit einem horizontal gerichteten Luftstrom seitlich beaufschlagt, der aus einem schrankartigen Element austritt und in das gegenüberliegende Element eintritt und einer Gasanalyse unterzogen wird.
Diese bekannten Vorrichtungen weisen zumeist einige der folgenden Nachteile auf: Zum einen arbeiten die bekannten Vorrichtungen mit verschiedenen Varianten von Kabinen, die ein kooperatives Verhalten von der jeweiligen zu untersuchenden Peron abverlangen, bspw. Verweilzeit, physischer Kontakt, Durchgangsbehinderung etc., d. h. die einzelnen Personen haben Kenntnis von ihrer Untersuchung. Ferner basieren die vorgenannten Vorrichtungen auf Detektionsprinzipien, wie z. B. Ionenmobilitätspektrometrie oder Gaschromatographie, die entsprechend lange Detektionszeiten erfordern, wodurch eine angestrebte Echtzeitidentifikation von Substanzen unmöglich ist. Hinzukommt, dass in einigen der vorstehend genannten Druckschriften keine Angaben zu den eingesetzten Detektionstechniken gemacht wird. Desweiteren werden zum Teil empfindlich starke Luftströmungen generiert, mit denen die zu untersuchenden Personen zu Untersuchungszwecken beaufschlagt werden, wodurch es häufig zu einer praktischen Inakzeptanz derartiger Untersuchungstechniken kommen dürfte. Nicht zuletzt eignen sich die bekannten Systeme nicht oder nur bedingt für einen mobilen Einsatz.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Detektion von flüchtigen Substanzen in der Gasphase, die von einem Objekt oder einer Person abgelöst werden, mit einer Gebläseeinheit zur Erzeugung wenigstens einer Luftströmung sowie einer zumindest Anteile der Luftströmung aufnehmenden Absaugeinheit, die mittel- oder unmittelbar mit einer zumindest zwei flüchtige Substanzen voneinander unterscheidenden und die Substanzen klassifizierenden Nachweiseinheit verbunden ist, derart weiterzubilden, dass der Einsatz der Vorrichtung zur Objektüberprüfung, d. h. Personenüberprüfung eingeschossen, nicht oder weitgehend nicht von einer Person wahrgenommen werden soll, insbesondere von jener, die unersucht wird. Die Vorrichtung sollte daher möglichst unauffällig, portabel und kleinbauend ausgebildet sein, aber dennoch über eine zuverlässige und in Echtzeit arbeitende Gasanalyse verfügen. Die Vorrichtung sollte ferner schnell und einfach vor Ort installierbar sein und möglichst autark arbeiten.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruchs 13 ist ein Verfahren zur Detektion von an einem Objekt ablösbarer flüchtiger Substanzen in der Gasphase. Gegenstände der Unteransprüche sowie der Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf die Figuren betreffen den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale.
Die lösungsgemäße Vorrichtung nutzt den Ablöse- und Transportmechanismus einer das Objekt bzw. die Person zumindest abschnittsweise umströmenden, zweidimensionalen Luftströmung, die von einer Gebläseeinheit erzeugt wird, die eine säulenförmige, hohle Hausung mit einer schlitzförmigen, in Säulenlängserstreckung orientierten Austrittsöffnung vorsieht, durch die eine Luftströmung unter Ausbildung der zweidimensionalen Luftströmung mit einer räumlich gerichteten, vorzugsweise in Horizontalrichtung orientierten Strömungshauptausbreitungsrichtung, die auf das Objekt bzw. die Person gerichtet ist, austritt.
Der Begriff „zweidimensionale Luftströmung” soll ein räumlich begrenztes Luftströmungsfeld charakterisieren, das durch einen im Wesentlichen rechteckförmigen Strömungsquerschnitt charakterisiert ist, dessen Strömungsquerschnittslängsseite wesentlich größer als die Strömungsquerschnittsbreite ist. Realisierbare Ausführungsformen einer derartigen zweidimensionalen Luftströmung weisen Strömungsquerschnittslängen zwischen 50 cm und 150 cm und Strömungsquerschnittsbreiten zwischen 0,5 cm und 1,5 cm auf. Dabei ist insbesondere die Strömungsquerschnittsbreite kleiner bzw. wesentlich kleiner als die Objektdimension bzw. die Person in Richtung der Strömungsquerschnittsbreite bemessen.
Der Begriff „Ablöse- und Transportmechanismus” bezieht sich auf die Eigenschaft der auf das Objekt bzw. die Person gerichteten „zweidimensionalen Luftströmung”, an dem Objekt bzw. der Person anhaftende gasförmige Substanzen abzulösen und diese von dem Objekt bzw. der Person in Strömungsrichtung zu entfernen. Hierbei wird aufgrund der Strömungsgeometrie im Vergleich zur Objekt- oder Personengröße das Objekt bzw. die Person nicht vollständig, auf einmal allumfassend umströmt, sondern lediglich in Teilbereichen überströmt. Da sich das Objekt bzw. die Person relativ zur zweidimensionalen Luftströmung bewegt, d. h. im Falle der Person erfolgt ein Durchschreiten der zweidimensionalen Luftströmung, trifft die Luftströmung das Objekt bzw. die Person in chronologischer Abfolge an unterschiedlichen Stellen, so dass nach Passieren des Objektes bzw. der Person durch die Luftströmung eine großflächige Wechselwirkung zwischen Luftströmung und Objekt bzw. Person stattfinden konnte.
In Strömungsrichtung von der Gebläseeinheit ist in einem Abstand a, mit a vorzugsweise 0,5 m bis 2 m, eine Absaugeinheit positioniert, die gleichfalls eine säulenförmig hohl ausgebildete Hausung mit einer schlitzförmigen, in Säulenlängserstreckung orientierten Aufnahmeöffnung vorsieht, die der Strömungshauptausbreitungsrichtung zugewandt ist und deren Abmessungen vorzugsweise deutlich größer bemessen sind, als die der Austrittsöffnung der Gebläseeinheit. Vorzugsweise weist der Austrittsöffnungsquerschnitt eine Breite von 5 cm bis 15 cm und einen Länge zwischen 50 und 150 cm auf.
Die Absaugeinheit sieht innerhalb der hohl ausgebildeten Hausung wenigstens eine Ventilatoranordnung zur Erzeugung einer durch die Aufnahmeöffnung in die Absaugeinheit eintretende Saugströmung vor. Auf diese Weise wird dafür gesorgt, dass ein möglichst großer Anteil der das Objekt bzw. die Person passierte Luftströmung mit den von dem Objekt bzw. der Person abgelösten gasförmigen Substanzen von der Absaugeinheit aufgenommen wird. In Saugströmungsrichtung der Aufnahmeöffnung nachgeordnet ist innerhalb der Hausung wenigstens ein Strömungsleitmittel fest eingebracht, durch das die Saugströmung in zwei räumlich getrennte Teilströme innerhalb der Absaugeinheit aufgeteilt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Strömungsleitmittel als ein in Längsrichtung halbierter Rohrabschnitt ausgebildet, dessen Rohrabschnittslänge zumindest der Schlitzlänge der Aufnahmeöffnung entspricht und der über einen Rohrdurchmesser verfügt, der kleiner bemessen ist, als der maximale Innendurchmesser der Hausung der Absaugeinheit. Der Rohrabschnitt ist koaxial zur Säulenlängserstreckung angeordnet, wobei dessen konkave Rohrabschnittsoberfläche von innerhalb der Hausung der Absaugöffnung zugewandt orientiert ist, die für die durch die Absaugöffnung einströmende Saugströmung als die Saugströmung in zwei Teilströme aufteilende und umlenkende Prallfläche dient. Der fest in der Hausung montierte halbierte Rohrabschnitt kanalisiert die zwei Teilströme in entgegengesetzt zueinander orientierte Raumrichtungen, die jeweils parallel zur Säulenlängserstreckung der Absaugeinheit verlaufen.
Zu Detektion und Klassifikation der möglicherweise in der Saugströmung und somit in den zwei Teilströmen enthaltenen, gasförmigen Substanzen ist innerhalb der Absaugeinheit jeweils im Strömungsbereich der Teilströme eine Nachweiseinheit, in Form einer Sensoreinheit angebracht, die jeweils mit einer Auswerteeinheit in Datenaustausch stehen und in der bei einer erfolgreichen Detektion und Klassifikation einer oder mehrerer gasförmiger Substanzen ein Signal generiert wird, das in vielfacher Weise eine Funktion auslösen kann, bspw. eine Alarmfunktion in Form eines optisch, akustisch oder haptisch wahrnehmbaren Alarmsignals.
Die beiden Sensoreinheiten, die jeweils in den Teilströmen eingebracht sind und in Wechselwirkung mit diesen treten, sehen zum Nachweis der zu klassifizierenden gasförmigen Substanzen Halbleitergassensoren vor, die über eine Nachweisempfindlichkeit von bis hinab zu einigen ppm verfügen. Die Sensorsignale der Halbleitergassensoren werden in aller Regel per Drahtverbindung an eine innerhalb der Hausung der Absaugeinheit untergebrachte Auswerteinheit, bspw. in Form einer Rechnereinheit, übertragen. Selbstverständlich können die Sensorsignale alternativ auch per drahtlosen Datenaustausch an eine extern vorgesehene Auswerteeinheit übertragen werden.
Um einen zuverlässigen, weitgehend störungsfrei und vor allem unter Echtzeitbedingungen erfolgenden Nachweis von potenziell gefährlichen gasförmigen Substanzen in der Saugströmung realisieren zu können, weist jede Sensoreinheit pro Teilstrom eine Sensorplattform auf, auf der wenigstens vier unterschiedliche Halbleitergassensoren aufgebracht sind, von denen jeder durch Wechselwirkung mit einer gasförmigen Substanz unterschiedliche Sensorsignale generiert, die zusammengefasst ein substanzspezifisches Sensorsignalmuster ergeben. Zur weiteren Auswertung und Identifikation der Sensorsignalmuster werden die Signale, wie vorstehend erwähnt an die Auswerteinheit übertragen, in der aus den sensortechnisch gewonnenen Signalmustern signifikante Sensorsignalmuster extrahiert werden, die im weiteren mittels der Methode einer „Support Vector Machine” (SVM) in Kombination mit der Methode „Maximum-Likelihood-Estimation” (MLE) ausgewertet werden. Der Schritt der Identifikation bzw. Klassifikation erfolgt letztlich durch Vergleich der extrahierten Sensorsignalmuster mit in der Auswerteinheit bevorrateten Referenz-Sensorsignalmustern.
Mit der lösungsgemäßen Vorrichtung ist nicht primär nur die Detektion von Explosivstoffen möglich. Mit geeigneten Halbleitergassensoren können auch Umwandlungs- oder Begleitstoffe, z. B. von Nitroaromaten-Sprengstoffen, identifiziert werden, die als Dämpfe oder Aerosole bei der Herstellung bzw. dem Transport dieser Stoffe freigesetzt werden.
Das Einsatzgebiet der Vorrichtung ist vornehmlich auf die Identifizierung brandfördernder Substanzen gerichtet. Dazu zählen Brandbeschleuniger, wie Treib- und Kraftstoffe und andere Kohlenwasserstoffe, wie z. B. Lösungsmittel. Diese Materialien sind in großer Menge unauffällig beschaffbar und besitzen in Kombination mit anderen Brandsätzen ein hohes Zerstörungspotential. Zum anderen bilden leicht flüchtige Kohlenwasserstoffe allein oder als Gemisch in Luft explosive Zusammensetzungen. Geringer flüchtige Kohlenwasserstoffe lassen sich i. d. R. aufgrund von Beimengungen durch Additive olfaktorisch erkennen. Des Weiteren können Schweröle in Kombination mit Oxidationsmitteln (Nitrate, Chlorate) Sprengmittel bilden.
Ein weiteres Einsatzgebiet stellt die Erkennung psychoaktiver Substanzen dar, die über stimulierende, betäubende, halluzinogene Wirkungen verfügen. Zu dieser Substanzgruppe gehören neben Alkoholen handelsübliche Lösungsmittel wie Farb- und Lackverdünner, Benzin, chlorierte Kohlenwasserstoffe aber auch lösungsmittelhaltige Artikel (Ether, Aceton) aus dem Haushaltsbereich (Sprays, Nagellacke, Filzschreiber, Klebstoffe, Farblacke, Feuerzeug- und Campinggas, Fleckentferner, Wachslöser). Diese umgangssprachlich auch als „Schnüffelstoffe” – ein Begriff, der aus dem Lösungsmittelmissbrauch entliehen ist – bezeichneten Substanzen treten häufig in Konkurrenz zu Alkohol und Cannabis auf und verursachen meist ein mehr oder weniger ausgeprägtes unkontrolliertes Verhalten, in Form von Rauschzuständen, Euphorie, Benommenheit, Bewegungsstörungen, gestörtes Raum-Zeit-Gefühl. Konsumiert werden meist Gemische verschiedener Lösungsmittel mit anderen Stoffen: Kohlenwasserstoffe (Leichtbenzin, Hexan), Chlorierte Kohlenwasserstoffe (Chloroform, Trichlorethylen), Ester, Ether, aromatische Verbindungen (Benzol, Toluol, Xylol) und Aceton (Nagellackentferner). Neben hohen Sachschäden (z. B. in öffentlichen Verkehrsmitteln) durch Vandalismus werden ebenso Belange des Arbeitsschutzes berührt und andere Personen gefährdet. Aus diesen Gründen ergibt sich zwangsläufig die Notwendigkeit, das Mitführen dieser Substanzen bzw. die durch deren Einnahme beeinflusste Personen rechtzeitig zu erkennen, um Gefahren für die Allgemeinheit und dem Einzelnen abzuwenden.
Die lösungsgemäße Vorrichtung ist im Wesentlichen durch drei bevorzugte Eigenschaften charakterisiert.
Es wird erstens eine behinderungsfreie Substanzdetektion und Identifizierung von Gefahrstoffen, die Personen oder Objekte mit sich führen, ermöglicht, zweitens findet die Substanzdetektion in Echtzeit statt und drittens bietet diese Vorrichtung einen mobilen Einsatz.
Die Auswertung der Sensorsignale erfolgt mit eine hohen Detektionsgeschwindigkeit, ca. 1 s, und führt darüber hinaus gleichzeitig in derselben kurzen Zeit eine Substanzklassifikation durch. Die Auswertung liefert darüber hinaus eine sehr hohe Detektionssicherheit, die zum einen auf die Auswertetechnik und zum anderen auf die konstruktive Ausgestaltung der Gebläse- und Absaugeinheit zurückzuführen ist.
Weitere Vorteile der lösungsgemäßen Vorrichtung sind die schnelle und einfache Installationsmöglichkeit vor Ort sowie die Unabhängigkeit von der Infrastruktur am Standort. Typische Einsatzorte können alle Arten von Zugangskontrollen sein, wie z. B. im Bereich sensibler öffentlicher Einrichtungen, Verkehrsanlagen, Energie- und Wasserversorgungsanlagen oder Anlagen der Kommunikationstechnik.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
1 Darstellung der prinzipiellen Funktionsweise der lösungsgemäßen Vorrichtung bei einer Personenkontrolle,
2 Modulare Komponentendarstellung einer lösungsgemäßen Vorrichtung,
3a, b Illustration der Antriebsmodule,
4a, b Illustration der mittleren Strömungsmodule,
5a, b Illustration der Bodenmodule und
6 Flussdiagramm für den Auswertealgorithmus.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
In 1 ist eine lösungsgemäße Vorrichtung zur Detektion von an einer Person P ablösbarer flüchtiger Substanzen in der Gasphase illustriert. Die Vorrichtung weist eine Gebläseeinheit GE und einen Absaugeinheit AE auf, die im Weiteren als Zuluft-Säule GE sowie Abluft-Säule AE bezeichnet werden. Beide Säulen sind vorzugsweise baugleich ausgebildet und weisen eine möglichst schlanke und unauffällige Bauform auf. Typischerweise stellen sie Hohlzylinderkörper dar mit einem Zylinderdurchmesser von ca. 15 bis 30 cm und eine Zylinderlänge von 1,5 bis ca. 3 m. Als Material für die Hausungen der Säulen soll chemisch inertes Material eingesetzt werden, bspw. verzinktes Blech, um Eigenemissionen so gering wie möglich zu halten. Die Säulen werden zur Substanzdetektion in einem Abstand von 1 m bis 1,5 m voneinander platziert, sodass Personen P aus einem Personenstrom einzeln den Zwischenraum zwischen beiden Säulen behinderungsfrei durchlaufen können. Durch die spezielle Konstruktion der Zuluft- und Abluft-Säule GE, AE, die im Weiteren erläutert wird, wird ein stationärer, geschlossener und nicht kontaminierter Luftstrom (siehe Pfeildarstellung) in einem schmalen Bereich zwischen den Säulen erzeugt. Diese geschlossene, schmale 2-dimensionale Luftströmung ist für die hier konzipierte Substanzdetektion von besonderer Bedeutung. Bei Durchtritt einer Person durch diese 2-dimensionale Luftströmung bildet sich eine Luftschleppe aus, die potentielle Substanzkontaminationen enthalten kann.
Bewegt sich eine Person P durch den geschlossenen, schmalen Luftvorhang zwischen den Säulen hindurch, werden durch das permanente Erzeugen und Ansaugen der 2-dimensionalen Luftströmung über die Höhe H von der Person abgelöste flüchtige Substanzen in der Gasphase erfasst und konzentriert zur Aufnahmeöffnung in der der Abluftsäule AE transportiert. Damit ist gewährleistet, dass der überwiegende Teil potentiell belasteter Luft erstens nur von der untersuchten Person und zweitens innerhalb von einer Sekunde in der Abluftsäule AE aufgenommen wird.
Jede der vorgenannten Säulen GE, AE setzt sich jeweils aus drei Modulen BM, SM, AM zusammen, die wiederum verschiedene Subkomponenten enthalten. 2a zeigt die aus drei Modulen zusammengesetzte Zuluftsäule GE und 2b die Abluftsäule AE. Beide Säulen weisen ein oberes Antriebsmodul AM, ein mittleres Strömungsmodul SM und ein unteres Bodenmodul auf. Alle drei Module verfügen über eine hohle, vorzugsweise hohlzylinderförmige Hausung, die gasdicht miteinander verbunden bzw. verbindbar sind.
In 3a ist jeweils das Antriebsmodul AM für die Zuluft-Säule GE und in 3b für die Abluft-Säule AE detaillierter dargestellt. Die Antriebsmodule AM beider Säulen sind grundsätzlich gleich ausgebildet. In der hülsenartigen Hausung beider Antriebsmodule ist jeweils eine Ventilatoranordnung 21, in Form eines Axialventilators nahe unterhalb des oberen offenes Hülsenendes eingebaut. Lediglich die Drehrichtungen der Axialventilatoren 21 in beiden Säulen sind entgegengesetzt zueinander orientiert. Ferner sind ein Spannungswandler 23 für den Axialventilator 21, ein Spannungsregler 22 zur Einstellung der Ventilatorleistung sowie ein Kippschalter 24 für die Stromversorgung in den beiden Antriebsmodulen vorgesehen.
In den Säulenmitten befinden sich jeweils die Strömungsmodule SM. In 4a ist das Strömungsmodul für die Zuluft-Säule GE und in 4b für die Abluft-Säule AE dargestellt. Das Strömungsmodul SM der Zuluft-Säule ist vorzugsweise als Hohlzylinder 31 mit einem 60 cm langen und 1 cm breitem Schlitz 32 ausgebildet. Dieser dient zur Erzeugung eines weitgehend turbulenzarmen konstanten Luftstromes in Richtung der Abluftsäule AE.
Das gegenüber zu positionierende Strömungsmodul SM der Abluft-Säule AE enthält drei Komponenten: einen halbierten Rohrabschnitt in Form eines Halbzylinders 44 gleicher Länge wie der Aufnahmeschlitz in der als Hohlzylinder 41 ausgebildeten Hausung des Strömungsmoduls SM sowie zwei Sensorplattformen 42, auf denen jeweils vier unterschiedliche Halbleitergassensoren (nicht weiter gezeigt) montiert sind. Der Halbzylinder 44 ist mit seiner konkaven Halbzylinderfläche dem Aufnahmeschlitz zugewandt, im Inneren des Strömungsmoduls fest angebracht und dient als Strömungsleitmittel der in die Abluft-Säule einströmenden Luft und leitet diese nach oben und nach unten (siehe Pfeildarstellung) an die Halbleitergassensoren der zwei Sensorplattformen 42. Durch die konkave Ausbildung der Halbzylinderfläche werden der nach oben und unten gerichtete Teilstrom regelrecht in einer definierten Weise auf die Sensorplatten kanalisiert, so dass die Halbleitergassensoren in einer für die Substanzdetektion optimierten Form angeströmt werden. Die Halbleitergassensoren beider Sensorplatten 42 sind mit einer geeigneten Sensorsignalaufbereitungselektronik 43 verbunden, die mit einer im Weiteren zu beschreibenden Auswerteeinheit in Datenaustausch steht.
Im unteren Bereich der Säulen stehen die Bodenmodule BM auf den Standplatten 77. Die 5a zeigt das Bodenmodul der Zuluft-Säule GE, 5b das der Abluft-Säule GE. In beiden Bodenmodulen BM ist jeweils möglichst weit unten ein Akkumulator 76 zur Stromversorgung der sämtlicher elektrischer Komponenten, wie Ventilatoren 21, der Rechnereinheit und Sensor-Plattformen 42 etc eingebaut.
Das Bodenelement der Zuluft-Säule, siehe 5a stellt in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel die zentrale Steuereinheit für das Gesamtsystem. Darin befinden sich ein PC-Motherboard 53 mit dazugehörigem Spannungswandler 52 sowie 2 WLAN-Modulen 54. Über die WLAN-Module 54 wird von einem handelsüblichen Personal Digital Assistant (PDA) die Software zur Substanz-Identifikation auf dem PC-Motherboard angesteuert. Die Kommunikation zwischen den elektronischen Bauteilen (PC-Motherboard/PDA) und der Erkennungs-Software ist durch WLAN realisiert. Die Hardware-Schnittstelle und Software sind variabel konzipiert, sodass zum einen der Einsatz verschiedener Gerätetypen möglich ist und zum anderen Software-Updates jederzeit durchführbar sind. Die Reichweite der WLAN-Empfänger beträgt mindestens 30 m. Damit kann einerseits eine unauffällige Fernsteuerung des Erkennungssystems erfolgen. Andererseits ist der Nutzer nicht auf eine permanente Monitorbeobachtung angewiesen. Auslösende Sensor-Ereignisse können über die Aktivierung akustischer oder Vibrationssignale drahtlos an den Nutzer übermittelt werden. Bei Bedarf kann die WLAN-Schnittstelle durch eine Bluetooth-Schnittstelle erweitert oder ersetzt werden.
In 6 ist ein Flussdiagramm mit dem entwickelten Klassifizierungsalgorithmus zur Identifizierung von flüchtigen Substanzen gezeigt, der in der Rechnereinheit betrieben wird.
Der Klassifizierungsalgorithmus basiert auf den Signalen eines Arrays von Halbleitergassensoren (a) bestehend aus jeweils 4 verschiedenen Sensortypen, die auf zwei Plattformen verteilt angeordnet sind. Die sensorischen Eigenschaften der Halbleiter beruhen auf der Wechselwirkung von oxidierend oder reduzierend wirkenden Gasen mit einer Metalloxidschicht und werden als elektrische Spannungsänderungen (b) aufgezeichnet.
Diese Sensorsignale (c) bilden für verschiedene Substanzen in der Gasphase charakteristische Muster, die durch Kombination zweier Verfahren aus der statistischen Lerntheorie (SVM: Support-Vector-Machine, MLE: Maximum Likelihood Estimation) (d) zur Erkennung der Substanzmuster genutzt werden. Die abgeleiteten Merkmale (e) für die Substanz-Mustererkennung sind speziell an die niederfrequenten Signale der Halbleitergassensoren angepasst worden. Auf Grundlage der berechneten Merkmale (f) und durch Kombination zweier Mustererkennungsmethoden (SVM, MLE) (d) ist die Klassifizierung (g) von Substanzspuren in der Gasphase mit hinreichend hoher Erkennungssicherheit unter Verwendung eines Vergleichs der erkannten Merkmale mit den in einer Datenbank hinterlegten „Fingerprints” angelernter Substanzen (h) möglich. Der Klassifikations-Algorithmus gewährleistet eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit von ca. einer Sekunde und leistet gleichzeitig in derselben kurzen Zeitspanne die Substanzidentifizierung. Der hier dargestellte Auswertealgorithmus führt eine für die verwendeten chemischen Sensoren angepasste Klassifizierung durch und führt letztlich bei erkannten gefährlichen Substanzen zu einer Warnmeldung (i).
Bezugszeichenliste

GE: Zuluft-Säule
AE: Abluft-Säule
P: Person
AM: Antriebsmodul
SM: Strömungsmodul
BM: Bodenmodul
21: Axialventilator
22: Spannungsregler
23: Spannungswandler
24: Kippschalter
31: Hohlzylinder
32: Schlitz, Austrittsöffnung
41: Hohlzylinder
42: Sensorplattform
43: Signalaufbereitungselektronik
44: Halber Rohrabschnitt, Halbzyinder
51: Hausung des Bodenmoduls
52: Spannungswandler Motherboard
53: Motherboard
54: WLAN-/Bluetooth-Module
55: Lüfter Motherboard
61: Hausung des Bodenmoduls
62: Spannungswandler Sensor-Plattform
73: Ladebuchsen für Akkus
74: Kontrollleuchten Rechnereinheit
75: Kippschalter für Akkus und System
76: Akkumulator
77: Standplatte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0955536 B1 [0003]
US 4202200 [0004]
US 4896547 [0005]
EP 0383611 A2 [0006]
US 4045997 [0007]

Claims

Vorrichtung zur Detektion von an einem Objekt oder einer Person ablösbarer flüchtiger Substanzen in der Gasphase, mit einer Gebläseeinheit zur Erzeugung wenigstens einer Luftströmung sowie einer zumindest Anteile der Luftströmung aufnehmenden Absaugeinheit, die mittel- oder unmittelbar mit einer zumindest zwei flüchtige Substanzen voneinander unterscheidenden und die Substanzen klassifizierenden Nachweiseinheit verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gebläseeinheit eine säulenförmige Hausung mit einer schlitzförmigen, in Säulenlängserstreckung orientierten Austrittsöffnung vorsieht, durch die die Luftströmung mit einer räumlich gerichteten Strömungshauptausbreitungsrichtung austritt, dass die in einem Abstand a zur Gebläseeinheit positionierte Absaugeinheit eine säulenförmige Hausung mit einer schlitzförmigen, in Säulenlängserstreckung orientierten Aufnahmeöffnung vorsieht, die der Strömungshauptausbreitungsrichtung zugewandt ist, dass die Absaugeinheit wenigstens eine Ventilatoranordnung zur Erzeugung einer durch die Aufnahmeöffnungsanordnung in die Absaugeinheit eintretende Saugströmung sowie wenigstens ein Strömungsleitmittel vorsieht, durch das die Saugströmung in zwei räumlich getrennte Teilströme innerhalb der Absaugeinheit aufteilbar ist, dass längs jeweils eines Teilstromes eine mit dem Teilstrom in Wechselwirkung tretende Nachweiseinheit vorgesehen ist, die mit einer Auswerteeinheit in Datenaustausch steht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gebläse- und Absaugeinheit jeweils als portable und frei positionierbare Einheiten ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die schlitzförmige, in Säulenlängserstreckung orientierte Austrittsöffnung als Längsschlitz mit einer Schlitzbreite von 0,5 cm bis 2,5 cm, vorzugsweise 1 cm bis 1,5 cm und einer Schlitzlänge von 50 cm bis 150 cm ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die schlitzförmige, in Säulenlängserstreckung orientierte Aufnahmeöffnung als Längsschlitz mit einer Schlitzbreite von 5 cm bis 15 cm und einer Schlitzlänge von 50 cm bis 150 cm.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Saugströmungsrichtung der Aufnahmeöffnung nachgeordnet das Strömungsleitmittel innerhalb des Gehäuses der Absaugeinheit angeordnet ist, durch das beide Teilströme in Säulenlängserstreckung jeweils mit entgegen gesetzter Strömungsrichtung umlenkbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitmittel ein in Rohr-Längsrichtung halbierter Rohrabschnitt ist, dessen konkave Seite der Aufnahmeöffnung zugewandt ist und wenigstens eine Länge aufweist, die der Schlitzlänge der schlitzförmigen Aufnahmeöffnung entspricht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die säulenförmigen Hausungen der Gebläse- und Absaugeinheit einen inneren Holraum umfassen und aus einem chemisch inerten Material gefertigt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gebläse- und Absaugeinheit modulartig aufgebaut und als autark arbeitende Einheiten ausgebildet sind und jeweils folgende Module umfassen: – ein Bodenmodul mit einem unteren Abstützflächenelement sowie einer sich orthogonal zum Abstützflächenelement erhabenen, hülsenartig ausgebildeten Hausung, die eine elektrische Energiequelle umfasst, – ein mittleres Strömungsmodul, das eine sich an das Bodenmodul anfügende hülsenartige Hausung vorsieht, die im Falle der Gebläseeinheit wenigstens die Austrittsöffnung in der Hausung vorsieht, und die im Falle des Absaugeinheit die in der Hausung eingebrachte Aufnahmeöffnung, das die Saugströmung in zwei Teilströme auftrennende Strömungsleitmittel sowie die jeweils mit den Teilströmen in Wechselwirkung tretende Nachweiseinheit vorsieht, und – ein oberes Antriebsmodul, das eine sich an das Strömungsmodul anfügende hülsenartige Hausung vorsieht, die jeweils eine Ventilatoranordnung vorsieht und ein dem Strömungsmodul abgewandt offenes Ende aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle als Akkumulator ausgebildet ist, dass in dem Bodenelement der Gebläse- oder Absaugeinheit die mit der Nachweiseinheit in Datenaustausch stehende Auswerteeinheit vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die die Substanzen klassifizierende Nachweiseinheit Halbleitergassensoren aufweist, mit einer Nachweisempfindlichkeit von bis hinab zu einigen ppm, und dass die Halbleitergassensoren mit einer als Rechnereinheit ausgebildeten Auswerteeinheit in Datenaustausch stehen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleitergassensoren jeweils auf einer Sensorplattform angeordnet sind, dass pro Sensorplattform wenigstens vier unterschiedliche Halbleitergassensoren aufgebracht sind, von denen jeder durch Wechselwirkung mit einer gasförmigen Substanz unterschiedliche Sensorsignale generiert, die zusammengefasst ein substanzspezifisches Sensorsignalmuster ergeben.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand a zwischen 0,5 m und 2 m, vorzugsweise zwischen 1 und 1,5 m beträgt.
Verfahren zur Detektion von an einem Objekt oder an einer Person ablösbarer flüchtiger Substanzen in der Gasphase umfassend folgende Schritte: – Erzeugen einer Luftströmung, in der Art einer zweidimensionalen horizontal orientierten Luftströmung, von der wenigstens Strömungsanteile von einer Absaugeinheit erfasst werden, – Hindurchbewegen des Objektes/der Person durch die zweidimensionale Luftströmung, so dass an dem Objekt/der Person anhaftende flüchtige Substanzen von der Luftströmung von dem Objekt/der Person abgelöst werden und in die Absaugeinheit gelangen, in der die in die Absaugeinheit gelangenden Strömungsanteile in zwei Teilströme aufgeteilt werden, die mit jeweils einer die Substanzen klassifizierenden, Halbleitergassensoren aufweisenden Nachweiseinheit in Wechselwirkung treten, und – Erzeugen eines Signals bei erfolgreicher Detektion und Klassifikation wenigstens einer flüchtigen Substanz.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung von seitens der chemischen Halbleitergassensoren erzeugten Sensorsignale folgende Schritte umfasst: – Extrahieren signifikanter Sensorsignalmuster aus den Sensorsignalen, – Klassifizieren der Sensorsignalmuster mittels der Methode Support Vector Machine (SVM) in Kombination mit der Methode Maximum-Likelihood-Estimation (MLE), – Identifizieren der Sensorsignalmuster mit bevorrateten Referenz-Sensorsignalmustem.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur behinderungsfreien, unauffälligen Objekt-, Personen- und/oder Tierüberprüfung in Sicherheitsbereichen bezüglich des Vorhandenseins oder mit sich Tragens von explosiven, brandfördernden und/oder psychoaktiven Substanzen.