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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Messsystem und eine Messvorrichtung zur Messung einer Konzentration von gas- und/oder aerosolförmigen Komponenten eines Gasgemisches für einen Reaktionsträger, der zumindest einem Strömungskanal aufweist, der eine Reaktionskammer mit einem Reaktionsstoff bildet und der Reaktionsstoff mit zumindest einer zu messenden Komponente des Gasgemisches eine optisch detektierbare Reaktion eingeht. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Messverfahren zur Messung einer Konzentration von gas- und/oder aerosolförmigen Komponenten eines Gasgemisches.
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Aus dem Stand der Technik sind Gasprüfröhrchen bekannt, die mit einem Reaktionsstoff gefüllt sind, welcher mit einer bestimmten chemischen Verbindung eine optisch erkennbare Reaktion eingeht. Dabei wird beispielsweise mit einer Handpumpe eine definierte Menge eines Gasgemisches durch das Gasprüfröhrchen gepumpt. Anschließend wird mittels einer Verfärbung des Reaktionsstoffs eine Konzentration der zu messenden chemischen Verbindung bestimmt.
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Darüber hinaus sind so genannte Chip-basierte Messsysteme bekannt, bei welchen der Reaktionsstoff in einer Mehrzahl von auf einem Reaktionsträger angeordneten Reaktionskammern, die jeweils für eine Messung gebraucht werden können, vorgesehen ist. Der Reaktionsträger kann in eine Messvorrichtung eingeführt werden, welche den Reaktionsträger erkennt und ein entsprechendes Messverfahren zur Messung einer Konzentration der entsprechenden Komponente des Gasgemisches durchführt.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Messvorrichtung sowie ein verbessertes Messverfahren bereitzustellen, welches die Messung einer Vielzahl von zu messenden Komponenten, eine erhöhte Flexibilität im Messverfahren und eine schnelle Ausgabe von Messergebnissen ermöglicht.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Messverfahren nach Anspruch 1 gelöst. Ein solches Messverfahren ist vorgesehen zur Messung einer Konzentration von gas- und/oder aerosolförmigen Komponenten eines Gasgemisches mit einem Reaktionsträger, der zumindest einen Strömungskanal aufweist, der eine Reaktionskammer mit einem Reaktionsstoff bildet, welcher ausgebildet ist, um mit zumindest einer zu messenden Komponente des Gasgemisches oder einem Reaktionsprodukt der zu messenden Komponente eine optisch detektierbare Reaktion einzugehen, und einer Messvorrichtung, die eine Gasförderbaugruppe und eine Detektionsbaugruppe zur Erfassung einer Mehrzahl von Farbkanälen umfasst. Das Messverfahren umfasst die Verfahrensschritte des Beleuchtens der Reaktionskammer des Reaktionsträgers mit einem mehrfarbigen Licht; des Förderns eines Gasgemischs durch den Strömungskanal; des Erfassens einer Mehrzahl von Bildern der Reaktionskammer während des Förderns des Gasgemischs, wobei die Bilder eine Mehrzahl von Farbkanälen aufweisen; der Berechnung einer Mehrzahl von Reaktionsverlaufskurven, wobei jede Reaktionsverlaufskurve durch eine Verrechnung der verschiedenen Farbkanäle berechnet wird; und der Bestimmung eines Messergebnisses der Konzentration der Komponente des Gasgemischs aus den Reaktionsverlaufskurven.
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Durch die spektrale Breite des Lichts zur Beleuchtung der Reaktionskammer kann eine Vielzahl von verschiedenen optisch detektierbaren Reaktionen beobachtet werden. Die Berechnung von Reaktionsverläufen durch eine Verrechnung von der Mehrzahl von erfassten Farbkanälen kann beispielsweise der Kontrast eines bei einer Reaktion auftretenden Farbverlaufs verbessert werden und Störungen während der Messung durch das Messgerät oder durch die Zusammensetzung des Gasgemischs können vermieden oder kompensiert werden.
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Vorzugsweise erfolgt die Auswahl der Berechnungsweise in Abhängigkeit von der Art der optisch detektierbaren Reaktion. Parameter der Berechnung können insbesondere auf Reaktionsträger oder im Messgerät gespeichert werden.
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Die erfassten Bilder sind beispielsweise zwei-dimensionale Bilder, die bei der Berechnung der Reaktionsverlaufskurven in einer Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung gemittelt werden. Auf diese Weise können Abweichungen in der Lage der Reaktionskammer und/oder des Reaktionsstoffes in der Reaktionskammer in Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung kompensiert werden.
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Vorzugsweise werden bei der Berechnung der Reaktionsverlaufskurven die Intensitätswerte der einzelnen Farbkanäle mit der Summe aller Intensitätswerte normiert. Auf diese Weise können beispielsweise Störungen bei der Beleuchtung, insbesondere Intensitätsschwankungen der Beleuchtung oder in das Messgerät eindringendes Streulicht, kompensiert werden, da sich diese Störungen in allen Farbkanälen wiederfinden und somit durch die Normierung kompensiert werden.
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Zur Erhöhung des Kontrasts einer Reaktionsverlaufskurve und/oder zur Reduktion von Störungen werden bei der Berechnung der Reaktionsverlaufskurven die Intensitätswerte vorzugsweise eine Summe oder eine Differenz von zumindest zwei einzelnen Farbkanälen gebildet.
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Ferner ist es möglich, dass bei der Berechnung der Reaktionsverlaufskurven die durch die Detektionsbaugruppe erfassten Farbkanäle in einen anderen Farbraum transformiert werden. Auf diese Weise kann er Farbraum an einen Farbwechsel bei einer bestimmten optisch detektierbaren Reaktion angepasst werden.
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Beispielsweise können die durch die Detektionsbaugruppe erfassten Farbkanäle und/oder ein Farbraum, in den die durch die Detektionsbaugruppe erfassten Farbkanäle transformiert wurden, gemäß der optisch detektierbaren Reaktion von Reaktionsstoff und der zu messenden Komponente des Gasgemisches oder dem Reaktionsprodukt der zu messenden Komponente ausgewählt werden, wobei die Farbkanäle und/oder der Farbraum so gewählt wird, dass in zumindest zwei verschiedenen Farbkanälen bzw. zwei verschiedenen Bereichen des Farbraums gegenläufige Intensitätsverläufe bei der optisch detektierbaren Reaktion auftreten und/oder dass ein erster Farbkanal, welcher die optisch detektierbare Reaktion abbildet, und zweiter Farbkanal, welcher orthogonal zu dem ersten Farbkanal ist und Informationen zu Störungen der optisch detektierbaren Reaktion abbildet, vorgesehen sind.
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Vorteilhafterweise wird der Farbraum so ausgewählt, dass Messeffekte und unerwünschte Störungen und Schwankungen im ausgewählten Farbraum orthogonal zu dem Farbwechsel der optisch detektierbaren Reaktion liegen und damit optimal vom Messsignal trennbar sind.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Messvorrichtung zur Messung einer Konzentration von gas- und/oder aerosolförmigen Komponenten eines Gasgemisches für einen Reaktionsträger, der zumindest einem Strömungskanal aufweist, wobei der Strömungskanal eine Reaktionskammer mit einem Reaktionsstoff bildet, welcher ausgebildet ist, um mit zumindest einer zu messenden Komponente des Gasgemisches oder einem Reaktionsprodukt der zu messenden Komponente eine optisch detektierbare Reaktion einzugehen. Die Messvorrichtung umfasst eine Gasförderbaugruppe mit einer Gasfördereinrichtung zur Förderung des Gasgemisches durch den Gasabflusskanal, und eine Detektionsbaugruppe mit einer Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung der Reaktionskammer des Reaktionsträgers mit einem mehrfarbigen Licht, einem optischen Mehrkanalsensor zur Erfassung einer Mehrzahl von Bildern der Reaktionskammer mit einer Mehrzahl von Farbkanälen, und einer Auswertungseinheit zu Auswertung der vom optischen Mehrkanalsensor erfassten Bilder der Reaktionskammer und Bestimmung einer Konzentration der Komponente des Gasgemisches. Die Auswertungseinheit ist ausgebildet, um eine Mehrzahl von Reaktionsverlaufskurven zu berechnen, wobei jede Reaktionsverlaufskurve durch eine Verrechnung der verschiedenen Farbkanäle berechnet wird, und um ein Messergebnis der Konzentration der Komponente des Gasgemischs aus den Reaktionsverlaufskurven zu berechnen. Eine derartige Messvorrichtung ermöglicht ein oben genanntes Messverfahren mit den entsprechenden Vorteilen.
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Die Messvorrichtung ist vorzugsweise ausgebildet, um eine Art der optisch detektierbaren Reaktion auszuwählen und abhängig von der Art der optisch detektierbaren Reaktion die Beleuchtungseinrichtung zu steuern, um die Reaktionskammer mit verschiedenen Licht-Frequenzbereichen zu beleuchten, die durch den optischen Mehrkanalsensor erfassten Farbkanäle aus einer Mehrzahl von Farbkanälen auszuwählen, und/oder die Auswertungseinheit zu steuern, um die durch den optischen Mehrkanalsensor erfassten Farbkanäle in einen Farbraum zu transformieren, wobei die Licht-Frequenzbereiche, die Farbkanäle und/oder der Farbraum so gewählt werden, dass Signale der optisch detektierbaren Reaktion in den ausgewählten Farbkanälen in der Berechnung der Reaktionsverlaufskurven konstruktiv miteinander verrechnet werden und/oder dass ein erster Farbkanal, welcher die optisch detektierbare Reaktion abbildet, und zweiter Farbkanal, welcher orthogonal zu dem ersten Farbkanal ist und Informationen zu Störungen der optisch detektierbaren Reaktion abbildet, vorgesehen sind. Auf diese Weise kann der Ablauf der Messung und die Datenauswertung der erfassten Bilder optimal auf die jeweilige optisch detektierbare Reaktion angepasst werden.
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Die Messvorrichtung kann eine Reaktionsträger-Erkennungsvorrichtung aufweisen, welche ausgebildet ist, um die Art der optisch detektierbaren Reaktion automatisch durch auf dem Reaktionsträger gespeicherter Information auszuwählen. Auf diese Weise kann das anzuwendende Verfahren zur Durchführung der jeweiligen Messung automatisch ausgewählt werden. Die Art der Reaktion kann Information über die optisch detektierbare Reaktion selbst sein oder Parameter zur Steuerung der optischen Erkennung beinhalten. Die auf dem Reaktionsträger gespeicherte Information kann auch ein Code für auf der Messvorrichtung gespeicherte Information sein.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Messsystem zur Messung einer Konzentration von gas- und/oder aerosolförmigen Komponenten eines Gasgemisches mit einer oben beschriebenen Messvorrichtung und einem Reaktionsträger, der zumindest einem Strömungskanal aufweist, wobei der Strömungskanal eine Reaktionskammer mit einem Reaktionsstoff bildet, welcher ausgebildet ist, um mit zumindest einer zu messenden Komponente des Gasgemisches oder einem Reaktionsprodukt der zu messenden Komponente eine optisch detektierbare Reaktion einzugehen, bei welcher Signale der optisch detektierbaren Reaktion in einer Mehrzahl von Farbkanälen detektierbar sind und/oder dass ein erster Farbkanal, welcher die optisch detektierbare Reaktion abbildet, und zweiter Farbkanal, welcher orthogonal zu dem ersten Farbkanal ist und Informationen zu Störungen der optisch detektierbaren Reaktion abbildet, vorgesehen sind.
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Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können beliebig miteinander und mit den vorstehend beschriebenen Aspekten kombiniert werden, um erfindungsgemäße Vorteile zu erreichen. Im Folgenden werden bevorzugte Kombinationen von vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft beschrieben, wobei:
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1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messsystems mit einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung und einen erfindungsgemäßen Reaktionsträger zeigt;
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2 eine detaillierte Ansicht des Messsystems aus 1 zeigt;
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3 das Messsystem gemäß 2 zeigt, wobei sich der Reaktionsträger in einer Position in der Messvorrichtung befindet;
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4 ein Ablauf-Diagramm eines erfindungsgemäßen Messverfahrens zeigt;
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5 ein Durchströmungsbild der Reaktionskammer und ein zugehörigen Intensitätsverlauf zeigt;
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6 eine dreidimensionale Ansicht einer Zeitserie der Intensitätsverläufe zeigt;
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7 eine zweidimensionale Ansicht der Zeitserie aus 6 zeigt;
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8 eine zweidimensionale Ansicht einer Zeitserie von Intensitätsverläufen mit hoher Geschwindigkeit einer Reaktionsfront zeigt;
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9 eine zweidimensionale Ansicht einer Zeitserie von Intensitätsverläufen mit einer Mehrzahl von Messungen unter Verwendung einer Reaktionskammer zeigt;
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10 ein weiteres Durchströmungsbild einer Reaktionskammer zeigt;
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11a bis 11c zweidimensionale Ansichten einer Zeitserie von Intensitätsverläufen in drei Farbkanälen zeigt;
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12a bis 12d zweidimensionale Ansichten von Reaktionsverlaufskurven, die durch eine Verrechnung der verschiedenen Farbkanäle aus den
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11a bis 11c berechnet wurden;
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13a bis 13c Intensitätsverläufe von jeweils drei Auswertungsregionen in drei Farbkanälen; und
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14a bis 14d Reaktionsverlaufskurven der drei Auswertungsregionen aus den
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13a bis 13c, die durch eine Verrechnung der verschiedenen Farbkanäle aus den 11a bis 11c berechnet wurden.
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines Gasmesssystems, im Folgenden auch Messsystem 10 bezeichnet. Das Messsystem 10 umfasst eine Messvorrichtung 12 und einen Reaktionsträger 14. Der Reaktionsträger 14 weist zumindest einen Strömungskanal 42 auf, welcher eine Reaktionskammer 46 mit einem Reaktionsstoff 48 bildet. Der Reaktionsstoff 48 ist ausgebildet, um mit zumindest einer zu messenden Komponente eines Gasgemisches oder einem Reaktionsprodukt der zu messenden Komponente eine optisch detektierbare Reaktion einzugehen. Auf diese Weise kann entweder die zu messende Komponente direkt eine Reaktion mit dem Reaktionsstoff eingehen oder es kann eine Zwischenreaktion vorgesehen sein, in der die zu messende Komponente mit einem Zwischenreaktionsstoff eine Reaktion eingeht und das dabei entstehende Reaktionsprodukt anschließend mit dem Reaktionsstoff die optisch detektierbare Reaktion eingeht.
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Die Messvorrichtung 12 umfasst eine Gasförderbaugruppe 2 mit einer Gasfördereinrichtung 28 zur Förderung des Gasgemisches durch den Strömungskanal 42 des Reaktionsträgers 14.
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Die Gasförderbaugruppe 2 umfasst ferner einen Gaszuflusskanal 16 mit einer Gasgemischeinströmöffnung 20, durch die das Gasgemisch in den Gaszuflusskanal 16 einströmen kann, und einem Gasanschluss 22, welcher mit dem Strömungskanal 42 des Reaktionsträgers 14 verbunden werden kann.
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Des Weiteren umfasst die Gasförderbaugruppe 2 einen Gasabflusskanal 18 mit einem Gasanschluss 24, welcher mit dem Strömungskanal 42 des Reaktionsträgers 14 verbunden werden kann. Die Gasfördereinrichtung 28 ist im Gasabflusskanal 18 angeordnet und ermöglicht ein Fördern des Gasgemischs in einer in 1 durch Pfeile gekennzeichneten Strömungsrichtung.
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Ein Durchflusssensor 30 ist stromaufwärts der Gasfördereinrichtung 28 im Gasabflusskanal 18 angeordnet und erfasst beispielsweise einen Volumenstrom oder einen Massenstrom des durch den Gasabflusskanal 18 strömenden Gasgemischs.
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Eine Steuerung-/Regelungseinheit 31 ist vorgesehen, die ausgebildet ist, um einen Durchfluss des Gasgemischs durch den Strömungskanal, vorzugsweise in Abhängigkeit zumindest eines Reaktionsgeschwindigkeitsparameters, zu steuern oder zu regeln. Reaktionsgeschwindigkeitsparameter können beispielsweise die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Reaktionsfront der optisch detektierbaren Reaktion oder eine Temperatur des durch den Strömungskanal 42 strömenden Gasgemischs sein. Zur Messung der Temperatur des durch den Strömungskanal 42 strömenden Gasgemischs können Temperaturmesselemente 84 vorgesehen sein, die eine Messung der Temperatur des Gasgemisches direkt im Strömungskanal 42 des Reaktionsträgers 14, oder indirekt über eine Messung der Temperatur des Reaktionsträgers 14 und/oder der Messvorrichtung 12.
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Die Messvorrichtung 12 umfasst darüber hinaus eine Detektionsbaugruppe 3 mit einer Beleuchtungseinrichtung 37 zur Beleuchtung der Reaktionskammer 46 des Reaktionsträgers 14. In der gezeigten Ausführungsform ist die Beleuchtungseinrichtung 37 ausgebildet, um die Reaktionskammer mit einem Breitbandspektrum zu beleuchten. Beispielsweise entspricht das Breitbandspektrum weißem Licht. Es können jedoch auch benachbarte Spektralbereiche, beispielsweise Infrarot-Spektralbereiche oder Ultraviolett-Spektralbereiche durch das Breitbandspektrum umfasst sein.
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Die Detektionsbaugruppe 3 umfasst ferner einen optischen Sensor 38 zur Erfassung der optisch detektierbaren Reaktion in der Reaktionskammer 36 des Reaktionsträgers 14, sowie eine Auswertungseinheit 4 zur Auswertung der vom optischen Sensor erfassten Daten der optisch detektierbaren Reaktion und Bestimmung einer Konzentration der Komponente des Gasgemischs.
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Der optische Sensor 37 ist ein Mehrkanalsensor, welcher mehrere Farbkanäle erfassen kann. In der gezeigten Ausführungsform ist der optische Sensor 37 als Digitalkamera ausgebildet, und wird im Folgenden auch Digitalkamera 37 bezeichnet.
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Die Auswertungseinheit 4 ist ausgebildet, um bei der Auswertung der Daten des optischen Sensors 37 eine Verrechnung der verschiedenen Farbkanäle vorzunehmen.
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2 zeigt eine detailliertere Ansicht des Messsystems 10 zur Messung bzw. Erfassung der Konzentration von gas- und/oder aerosolförmigen Komponenten. In die Messvorrichtung 12, auch bezeichnet als Gasmessanordnung oder übriges Gasmesssystem, wird ein austauschbarer Reaktionsträger 14, auch bezeichnet als Reaktionsträgereinheit, manuell von Hand von einem Benutzer eingeführt. Dabei ist das Messsystem 10 bzw. die Messvorrichtung 12 eine kleine, tragbare Vorrichtung, die mobil einsetzbar ist und mit einer Batterie als Energieversorgung versehen ist.
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An einem Gehäuse der Messvorrichtung 12 ist die Gasfördereinrichtung 28 angeordnet, die durch eine als Saugpumpe ausgebildete Pumpe realisiert ist. Das Gehäuse bildet außerdem eine Lagerung, insbesondere Gleitlagerung, für den verschieblichen Reaktionsträger 14. Mittels einer Reaktionsträgerfördereinrichtung 34 mit einem Motor, z. B. einem als Servomotor ausgebildeten Elektromotor und einer von dem Servomotor in eine Rotationsbewegung versetzbares Getriebe, insbesondere Antriebsrolle, kann der Reaktionsträger innerhalb des Gehäuses der Messvorrichtung bewegt werden, da ein mechanischer Kontakt bzw. eine Verbindung zwischen der Antriebsrolle und dem Reaktionsträger besteht.
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Das Messsystem 10 umfasst die Messvorrichtung 12 und zumindest einen Reaktionsträger 14. Der Gaszuflusskanal 16 erstreckt sich von der Gasgemischeinströmöffnung 20 zum ersten Gasanschluss 22. Der Gasabflusskanal 18 erstreckt sich vom zweiten Gasanschluss 24 zu einer Gasgemischausströmöffnung 26.
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Der Gaszuflusskanal 16 ist aus Glas gefertigt, wodurch eine chemische Reaktion oder eine Ablagerung von Gaskomponenten an der Wand des Gaszuflusskanals verhindert oder reduziert wird.
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Ein Ventil 54 ist an der Gasgemischeinströmöffnung 20 stromaufwärts des Gaszuflusskanals 16 angeordnet. Das Ventil ermöglicht in seiner gezeigten ersten Stellung einen Gasstrom durch den Gaszuflusskanal 16 und verhindert in einer zweiten Stellung einem Gasstrom durch den Gaszuflusskanal 16. In der gezeigten Ausführungsform ist das Ventil 54 als 2/2-Wegeventil ausgebildet.
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Der Durchflusssensor 30, der in der gezeigten Ausführungsform als Massenstromsensor ausgebildet ist, ermöglicht die Messung eines durch den Gasabflusskanal 18 strömenden Gases. Als Durchfluss- oder Massenstromsensor können sowohl Vorrichtungen verwendet werden, welche den Durchfluss bzw. den Massenstrom direkt messen, als auch solche, die andere Messwerte erfassen und mittels dieser Messwerte den Durchfluss bzw. Massenstrom bestimmen.
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Ferner ist im Gasabflusskanal 18 ein Puffer 32 angeordnet, welcher einen gleichförmigen Gasstrom durch den Gasabflusskanal 18 ermöglicht.
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Die Messvorrichtung 12 umfasst darüber hinaus eine Reaktionsträgerfördereinrichtung 34, welche ein Bewegen des Reaktionsträgers 14 relativ zum Gaszuflusskanal 16 und dem Gasabflusskanal 18 ermöglicht.
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Ein Positionssensor 36 dient zum Erfassen einer Relativposition von Reaktionsträger 14 und den Gasanschlüssen 22, 24. Der Positionssensor 36 kann ein optischer, elektrischer, magnetischer oder mechanischer Sensor sein. Vorzugsweise ist der Positionssensor 36 ein mechanisches Bauteil, welches an einem bestimmten Bauelement des Reaktionsträgers 14 einrasten kann, um eine bestimmte Relativposition von Reaktionsträger 14 und Messvorrichtung 12 zu erreichen.
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Der optische Sensor 38 zur Erfassung einer optisch detektierbaren Reaktion ist in Form einer Digitalkamera 38 vorgesehen und ermöglicht eine Aufnahme des in 1 durch das gepunktete Rechteck gezeigten Aufnahmefeldes 40.
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Eine zentrale Steuerungseinheit 41 ist vorgesehen, welche die von dem optischen Sensor erfassten Daten verarbeiten kann und das Messverfahren steuert. In der gezeigten Ausführungsform umfasst die zentrale Steuerungseinheit die Auswertungseinheit 4.
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Der Reaktionsträger 14 weist eine Mehrzahl von Strömungskanälen 42 auf, die sich jeweils zwischen zwei Anschlusselementen 44 erstrecken. In der gezeigten Ausführungsform bildet jeder der Strömungskanäle 42 eine Reaktionskammer 46, welche mit Reaktionsstoff 48 gefüllt ist. Der Reaktionsstoff 48 ist eine chemische Verbindung, welche mit einer zu messenden Gas und/oder ein aerosolförmigen Komponente eines Gasgemisches eine optisch detektierbare Reaktion eingeht. Dies ist beispielsweise eine kolorimetrische Reaktion.
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In der gezeigten Ausführungsform sind die Strömungskanäle 42 jeweils auf ihrer rechten Seite mit dem Reaktionsstoff 48 gefüllt. Auf der linken Seite der Strömungskanäle 42 ist ein anderes Gasbehandlungselement vorgesehen, beispielsweise eine Trocknungssubstanz.
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Jedem Strömungskanal 42 ist ein Anzeigestift 50 zugeordnet, welcher eine Codierung 51 bildet, die vom Positionssensor 36 erfasst wird und eine unabhängige Positionierung des Reaktionsträgers 14 in jeweils den Strömungskanälen 42 zugeordneten Relativpositionen ermöglicht. Es kann auch eine andere Art der Codierung 51, beispielsweise eine mechanische, elektrische, elektronische oder magnetische Codierung vorgesehen sein, welche von einen entsprechenden Positionssensor 36 erfasst werden kann. Vorzugsweise ist jedoch zumindest zusätzlich eine optische Codierung 51 vorgesehen, damit ein Benutzer des Messsystems 10 durch Betrachten des Reaktionsträgers 14 auf einen Blick feststellen kann, ob der Reaktionsträger noch unbenutzte Reaktionskammern aufweist. Der Positionssensor 36 kann insbesondere auch durch den optischen Sensor 38 realisiert sein.
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Der Reaktionsträger 14 weist ferner ein Informationsfeld 52 auf, auf welchen Informationen gespeichert sind. In der gezeigten Ausführungsform ist das Informationsfeld 52 als optisches Informationsfeld ausgebildet, auf dem Informationen gespeichert sind, die durch die Digitalkamera 38 ausgelesen werden können. Alternativ kann das Informationsfeld 52 als elektronischer Speicher für Informationen vorgesehen sein und beispielsweise als RFID-Chip oder SROM-Chip ausgebildet sein, die über Funk oder über elektrische Kontakte ausgelesen und/oder beschrieben werden können.
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Das Aufnahmefeld der Digitalkamera 38 ist in der gezeigten Ausführungsform so ausgebildet, dass die Reaktionskammern 46, die Anzeigestifte 50, und das Informationsfeld 52 in jeweils zumindest einer Relativposition des Reaktionsträgers 14 in der Messvorrichtung 12 durch die Digitalkamera 38 erfasst werden. Auf diese Weise kann die Digitalkamera 38 einerseits für die Erfassung der optisch detektierbaren Reaktion des Reaktionsstoffes 48 in den Reaktionskammern 46 des Reaktionsträgers 14 und andererseits für das Auslesen der Information im Informationsfeld 52 und als Positionssensor 36 zum Erfassen der Relativposition von Reaktionsträger und den Gasanschlüssen 22, 24 verwendet werden. Es ist jedoch auch möglich, dass Positionssensor 36 und eine Auslesevorrichtung zum Auslesen des Informationsfeldes 52 als ein oder zwei separate Vorrichtungen ausgebildet sind.
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Vorzugsweise ist der Anzeigestift 50 als mechanischer Zapfen ausgebildet, an dem ein mechanisches Bauteil der Messvorrichtung 12 einrasten kann und somit eine bestimmte Relativposition von Reaktionsträger 14 und Messvorrichtung 12 bestimmt werden kann.
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In den 3 zeigt das Messsystems 10 gemäß 2, wobei der Reaktionsträger 14 in der Messvorrichtung 12 positioniert ist, dass die Gasförderbaugruppe 2 über die Gasanschlüsse 22, 24 mit einem in Einführrichtung ersten Strömungskanal 42 der Mehrzahl von identisch ausgebildeten Strömungskanälen 42 des Reaktionsträgers 14 zur Förderung des Gasgemischs durch den Strömungskanal 42 verbunden ist.
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Im Folgenden wird ein Messverfahren unter Bezugnahme auf die Ausführungsform der 2 und 3 beschrieben.
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Der Reaktionsträger 14 wird in eine Einführöffnung 80 in einem Gehäuse 82 der Messvorrichtung 12 eingeführt. Der Reaktionsträger 14 wird von Hand in die Einführöffnung gesteckt, von der Reaktionsträgerfördereinrichtung 34 erfasst und in Einfuhrrichtung vorwärts transportiert.
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Beim Transportieren des Reaktionsträgers 14 durchläuft das Informationsfeld 52 des Reaktionsträgers 14 das Aufnahmefeld 40 der Digitalkamera 38, wobei die Informationen auf dem Informationsfeld 52 von der Digitalkamera 38 erfasst werden und in einer Auswerteeinrichtung der zentralen Steuerungseinheit 41 ausgewertet werden können. Es ist auch möglich, dass der Reaktionsträger in einer Ausleseposition positioniert wird, in der ein Auslesen des Informationsfelds 52 ermöglicht wird. In der gezeigten Ausführungsform ist die Information auf dem Informationsfeld 52 optisch gespeichert und kann somit auf einfache Weise von der Digitalkamera 38 ausgelesen werden. Alternativ ist es auch möglich, dass ein elektronisches Informationsfeld 62 vorgesehen ist, welches beispielsweise als aktiver oder passiver RFID-Chip oder SRAM-Chip ausgebildet ist und über Funk oder über elektrische Kontakte ausgelesen werden kann. Die elektrischen Kontakte sind vorzugsweise über Datenleitungen zu den Ein- und Ausströmöffnungen der Strömungskanäle 42 und Gasstutzen aus einem stromleitenden Material hergestellt, sodass eine Strom- bzw. Datenverbindung zwischen dem SRAM-Chip und einer entsprechenden Auslesevorrichtung hergestellt wird, während sich die Gasstutzen in den Ein- und Ausströmöffnungen befinden. Vorzugsweise wird ein RFID-Chip zur kontaktlosen Datenübertragung eingesetzt.
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In einem ersten Verfahrensschritt werden die auf dem Informationsfeld 52 enthaltenen Informationen des Reaktionsträgers 14, insbesondere in Bezug auf die zu messende Komponente des Gasgemisches und einen entsprechenden Konzentrationsbereich, ausgelesen.
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Anschließend wird der Reaktionsträger 14 in einer Relativposition zu den Gasanschlüssen 22, 24 der Messvorrichtung 12 positioniert, wobei ein Strömungskanal 42 ausgewählt wird, welcher eine unbenutzte Reaktionskammer 46 aufweist, in dem in 3 gezeigten Beispiel der in Einführrichtung erste Strömungskanal 42 des Reaktionsträgers 14.
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Eine Verbindung zwischen den Gasanschlüssen 22, 24 wird durch den zweiten Strömungskanal 42 hergestellt und die Gasfördereinrichtung 28 fördert ein zu messendes Gasgemisch durch den Abflusskanal 18, den zweiten Strömungskanal 42 und den Gaszuflusskanal 16, wobei die Digitalkamera 38 eine eventuelle optische detektierbare Reaktion in der Reaktionskammer 46 erkennt.
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Die Detektionsbaugruppe 3 erfasst eine sich in Strömungsrichtung in der Reaktionskammer 46 ausbreitende Reaktionsfront 6 und deren Geschwindigkeit während des Förderns des Gasgemischs und bestimmt ein vorläufiges Messergebnis der Konzentration der zu messenden Komponente des Gasgemischs aus der Geschwindigkeit der Reaktionsfront 6.
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Ein Endmessergebnisses der Konzentration der Komponente des Gasgemischs wird bestimmt und nach Beendigung des Förderns des Gasgemischs ausgegeben.
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Ist die zu bestimmende Komponente des Gasgemisches nicht im Gasgemisch enthalten oder liegt in einer Konzentration unter einer Detektionsschwelle des Konzentrationsbereichs des vorliegenden Reaktionsträgers 14 vor, so wird keine optisch detektierbare Reaktion in der Reaktionskammer 46 festgestellt, es bildet sich also keine Reaktionsfront 6 in der Reaktionskammer 46 aus.
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Ein entsprechendes Ergebnis der Messung wird durch die Messvorrichtung beispielsweise optisch oder akustisch angezeigt.
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Vorzugsweise findet bei jedem Herstellen einer Verbindung zwischen den Gasanschlüssen 22, 24 über einen Strömungskanal 42 eine Überprüfung von Leckageströmen statt.
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Im Folgenden werden die Verfahrensschritte einer Messung anhand des Ablauf-Diagramms der 4 beschrieben.
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Nach der erfolgten Positionierung des Reaktionsträgers 14 mit einer unbenutzten Reaktionskammer 46 an den Gasanschlüssen 22, 24 der Messvorrichtung 12 wird die Reaktionskammer 46 mit einem Breitbandspektrum, im Ausführungsbeispiel weißes Licht, beleuchtet.
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In Schritt 100 wird vor Beginn des Förderns des Gasgemischs ein Referenzbild der Reaktionskammer 46 und des darin enthaltenen Reaktionsstoff 48 aufgenommen.
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Im darauf folgenden Verfahrensschritt 102 beginnt Gasfördereinrichtung 28 zu einem Zeitpunkt T0 das Gasgemisch durch den Strömungskanal 42 zu fördern.
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Die Steuerungs-/Regelungseinheit 31 kann die Durchflussrate des Gasgemischs durch den Strömungskanal 42 auf einen für die Art der Messung vorgesehenen vorbestimmten Wert oder in Abhängigkeit eines Reaktionsgeschwindigkeitsparameters steuern oder regeln. In der gezeigten Verfahrensvariante wird vorzugsweise zu Beginn des Verfahrens mit einer maximalen Durchflussrate gefördert. Diese Weise wird eine möglichst kurze Messdauer erreicht, da in vielen Messungen die zu messende Komponente gar nicht im Gasgemisch vorhanden ist. Durch die hohe Durchflussrate kann ein erforderliches Volumen des Gasgemischs zur Erreichung der Detektionsschwelle schnell durch die Reaktionskammer gefördert werden. Bei Messungen, bei denen die zu messende Komponente im Gasgemisch vorhanden ist und sich somit eine Reaktionsfront in der Reaktionskammer ausbildet, kann deren Ausbreitungsgeschwindigkeit bei der maximalen Durchflussrate zu schnell sein. In einem solchen Fall ist es vorgesehen, eine entsprechende Verringerung der Förderleistung der Gasförderungseinrichtung 28 durchzuführen, um eine ausreichende Genauigkeit bei der Bestimmung der Konzentration der Komponente des Gasgemischs zu erhalten, vgl. Verfahrenschritte 116 und 118 im folgenden Verfahren.
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Ein Reaktionsgeschwindigkeitsparameter kann eine Temperatur des durch die Reaktionskammer zwei 46 strömenden Gasgemischs sein. Die Detektionsbaugruppe 3 ist ausgebildet, um die Temperatur des Gasgemischs zu bestimmen und diese an die Steuerungs-/Regelungseinheit der Gasförderbaugruppe 2 übermitteln, um die Durchflussrate in Abhängigkeit von der Temperatur des Gasgemischs zu steuern oder zu regeln. Beispielsweise wird bei einer hohen Temperatur des Gasgemischs ein schneller Ablauf der Reaktion zwischen der Komponente des Gasgemischs und den Reaktionsstoff erwartet. Entsprechend kann bei hohen Temperaturen bereits zu Beginn des Förderns des Gasgemischs eine niedrigere Durchflussrate vorgesehen sein. Ferner ist es möglich, den zeitlichen Verlauf der Temperatur des durch die Reaktionskammer 46 strömenden Gasgemischs zu messen oder zu berechnen und eine entsprechende zeitabhängige Steuerung oder Regelung der Durchflussrate vorsehen.
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Die Temperatur des durch die Reaktionskammer 46 strömenden Gasgemischs kann beispielsweise direkt im Strömungskanal 42 des Reaktionsträgers 14 gemessen werden, beispielsweise über Temperatursensoren oder thermochrome Substanzen, die eine temperaturabhängige optisch detektierbare Veränderung durchführen. Alternativ ist es möglich, die Temperatur des Reaktionsträgers 14 und/oder der Messvorrichtung 12 zu messen. Die transportierte Wärmemenge des Gasgemischs kann gegenüber der Wärmemenge des Reaktionsträgers bzw. der Messvorrichtung als vernachlässigbar klein angesehen werden und angenommen werden, dass das Gasgemisch in der Reaktionskammer im Wesentlichen die Temperatur des Reaktionsträgers 14 hat.
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Es ist möglich, dass die Messvorrichtung 12 und der Reaktionsträger 14 zu Beginn des Messverfahrens nicht die gleiche Temperatur aufweisen, wobei sich die Temperaturen von Messvorrichtung 12 und Reaktionsträger 14 nach dem Einführen des Reaktionsträgers 14 in die Messvorrichtung 12 aneinander angleichen. Ein entsprechender zeitlicher Temperaturverlauf kann durch eine Modellierung der Wärmeübertragung, beispielsweise über eine exponentielle Funktion berechnet werden.
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Im weiteren Verfahrensverlauf nimmt die Digitalkamera 38 in regelmäßigen Zeitabschnitten Durchströmungsbilder der von Gasgemisch durchströmten Reaktionskammer 46 auf, wobei der Verfahrenschritt 104 für die Aufnahme jeweils eines Durchströmungsbilds steht. Ein beispielhaftes Durchströmungsbild eines Farbkanals ist im oberen Abschnitt von 5 gezeigt. Die x-Achse entspricht der Strömungsrichtung des Gasgemischs im Strömungskanal 42, die durch den Pfeil über dem Durchströmungsbild gekennzeichnet ist.
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Die von der Digitalkamera 38 aufgenommenen Bilder weisen eine Mehrzahl von Farbkanälen auf. Im Ausführungsbeispiel weist die Kamera einen Sensor mit einer Mehrzahl von Sensorpixeln auf, der mit einer Farbfilterplatte gekoppelt ist. Die Farbfilterplatte bewirkt, dass nur ausgewählte Spektralbereiche des Lichts auf bestimmte Sensorpixel treffen. Beispielsweise ist die Farbfilterplatte als Bayer-Matrix ausgebildet. Somit sind verschiedenen benachbarten Sensorpixeln unterschiedliche Spektralbereiche (Farbkanäle) zugeordnet. Vorzugsweise werden die Rohdaten des Sensors für die weitere Datenverarbeitung genutzt. Alternativ ist es auch möglich, dass die Signale benachbarter Sensorpixel verschiedener Farbkanäle kombiniert werden, wodurch Bildpixel mit einem Farbwert in einem Farbraum berechnet werden, wobei die Farbkanäle durch die Koordinatenrichtungen des Farbraums definiert werden.
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Eine Auswertung des Durchströmungsbilds und eine Bestimmung der Parameter der Reaktionsfront erfolgt im Ablaufdiagramm bei Verfahrensschritt 106.
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Die Bilddaten des Durchströmungsbilds werden für jeden Farbkanal ausgewertet, indem jeweils in y-Richtung gemittelt wird, d. h. alle Intensitätswerte einer Spalte werden gemittelt, so dass jedem Punkt auf der x-Achse ein gemittelter Intensitätswert vorliegt. Somit werden die zwei-dimensionalen Bilddaten für jeden Farbkanal in einer Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung des Gasgemischs gemittelt.
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Zudem wird das Durchströmungsbild für jeden Farbkanal mit dem in Schritt 100 aufgenommenen Referenzbild verglichen. Dazu wird in der gezeigten Verfahrensvariante eine Differenz der Intensitätswerte jeweiligen Farbkanäle der beiden Bilder gebildet. Alternativ kann das Durchströmungsbild auch durch die Intensitätswerte des Referenzbild normiert werden. Auf diese Weise können Störeffekte, die sich beispielsweise aus der Positionierung der Reaktionskammer 46, der Beleuchtung der Reaktionskammer 46 und/oder der speziellen Anordnung des Reaktionsstoffs 48 in der Reaktionskammer 46 ergeben, vermieden werden.
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Anschließend werden die verschiedenen Farbkanäle miteinander verrechnet, um eine optimierte Reaktionsverlaufskurve für das jeweilige Bild zu berechnen, wobei die Verrechnung an die jeweilige Art der Reaktion, d. h. den Reaktionsstoff 48 und die zu messende Komponente des Gasgemischs angepasst ist.
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Dazu werden die Intensitätswerte der einzelnen Farbkanäle mit der Summe der Intensitätswerte aller Farbkanäle normiert. Auf diese Weise können beispielsweise. Intensitätsschwankungen der Beleuchtung oder Streulicht während der Messung kompensiert werden.
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Abhängig von der Art der Messung und somit von der Art der optisch detektierbaren Reaktion wird eine Summe oder eine Differenz von zumindest zwei einzelnen Farbkanälen gebildet. In einem RGB-Farbraum mit den Farbkanälen Rot, Grün und Blau, kann eine optisch detektierbare Reaktion beispielsweise einen Farbübergang von Rot nach Blau aufweisen, in diesem Fall nimmt die Intensität im Rot-Farbkanal im Laufe der Reaktion ab, während die Intensität im Blau-Farbkanal zunimmt und im Grün-Farbkanal im Wesentlichen unverändert bleibt. Auf diese Weise kann durch eine Differenzbildung der Rot- und Blau-Farbkanäle eine Erhöhung des Kontrasts des Farbwechsels während der optisch detektierbaren Reaktion erreicht werden. Andererseits kann beispielsweise bei einem Farbübergang von Gelb nach Blau eine Intensitätsabnahme in den Grün- und Rot-Farbkanälen und eine Intensitätszunahme im Blau-Farbkanal bei einer entsprechenden optisch detektierbaren Reaktion beobachtet werden. In diesem Fall können die Grün- und Rot-Farbkanäle addiert werden und der Blau-Farbkanal subtrahiert werden, um einen optimalen Kontrast zu erhalten. Auf diese Weise werden zuverlässige Messungen ermöglicht, bei denen in einem Farbkanal nur ein geringer Kontrast vorhanden ist.
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Es ist auch möglich, dass die durch die Digitalkamera erfassten Farbkanäle in einen anderen Farbraum transformiert werden. Beispielsweise können die Farbkanäle von einem RGB-Farbraum in einen HSV-Farbraum transformiert werden.
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Soweit auf dem Reaktionsträger 14 eine weitere Farbänderung erfasst werden soll, beispielsweise von einem Temperatur-Messelement 84, können auch die Daten in mehrere verschiedene Farbräume transformiert werden und individuell analysiert werden.
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Die durch die Detektionsbaugruppe 3 erfassten Farbkanäle bzw. Farbräume, in den die durch die Detektionsbaugruppe 3 erfassten Farbkanäle transformiert wurden, werden gemäß der optisch detektierten Reaktion von Reaktionsstoff 48 und der zu messenden Komponente des Gasgemischs oder dem Reaktionsprodukt der zu messenden Komponente ausgewählt, wobei die Farbkanäle bzw. der Farbraum so gewählt wird, dass in zumindest zwei verschiedenen Farbkanälen bzw. zwei verschiedenen Bereichen des Farbraums gegenläufige Intensitätsverläufe bei der optischen Reaktion auftreten. Auf diese Weise kann durch eine Subtraktion der beiden Farbkanäle eine Verstärkung des Signals der optisch detektierbaren Reaktion erreicht werden während andererseits Störeffekte die in beiden Farbkanäle gleichermaßen auftreten, beispielsweise eine Verlagerung des Materials in der Reaktionskammer durch die Gasströmung, durch die Subtraktion reduziert werden. Es ist ferner vorteilhaft die Art der optisch detektierbaren Reaktion (durch die Auswahl der Reaktanten), die Farbkanäle und den Farbraum zur Berechnung der Reaktionsverlaufskurven so aufeinander abzustimmen, dass die optisch detektierbare Reaktion in einer möglichst geringen Unterauswahl von Farbkanälen abgebildet wird, d. h. in diesen Farbkanälen beobachtbar ist. Auf diese Weise kann das Signal/Rausch-Verhältnis durch die Verrechnung dieser ausgewählten Farbkanäle verbessert werden.
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Vorzugsweise kann diese Abstimmung und die Verrechnung der Farbkanäle bzw. der Farbraum so gewählt werden, dass unerwünschte Störungen und Schwankungen (z. B. durch Feuchte oder Kreuzreaktionen) orthogonal zur Farbrichtung der optisch detektierbaren Reaktion liegen. Auf diese Weise können beispielsweise Störungen im Farbwechsel, beispielsweise aufgrund von Feuchtigkeitsänderungen im Gasgemisch oder Nebenreaktionen von anderen nicht zu messenden Gaskomponenten mit dem Reaktionsstoff 48, welche insbesondere auch während des Verlaufs einer Messung auftreten können, vermieden oder erkannt und kompensiert werden.
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Die Auswahl der Berechnungsweise ist abhängig von der Art der optischen Reaktion. Die Informationen zur Berechnungsweise sind vorzugsweise in der Messvorrichtung 12 gespeichert und werden bei der Erkennung eines bestimmten Reaktionsträgers 14 entsprechend abgerufen. Alternativ ist es auch möglich, dass die Informationen zur Berechnungsweise im Wesentlichen auf dem Reaktionsträger 14 abgespeichert sind und durch das Messgerät 12 bei der Erkennung des jeweiligen Reaktionsträgers ausgelesen werden.
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Nach diesen Bildbearbeitungsschritten erhält man im unteren Abschnitt von 5 gezeigten Intensitätsverlauf.
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Das in 5 gezeigte Durchströmungsbild zeigt die Reaktionskammer 46, in der eine sich in Strömungsrichtung ausbreitende Reaktionsfront 6 einer optisch detektierbaren Reaktion zwischen dem Reaktionsstoff 48 und der zu messenden Komponente des Gasgemischs in etwa den mittleren Bereich der Reaktionskammer 46 erreicht hat.
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Im rechten Bereich der Reaktionskammer 46, indem noch keine optisch detektierbare Reaktion des Reaktionsstoffes 48 stattgefunden hat liegt der Intensitätswert, d. h. in der gezeigten Ausführungsform die Differenz der Intensitäten zwischen dem Durchströmungsbild und dem Referenzbild, annähernd bei null.
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Im mittleren Bereich der Reaktionskammer 46 fällt der Intensitätswerte auf einen Wert von unter –0,3 ab. Dieser Bereich bildet die Reaktionsfront und somit den Bereich der Reaktionskammer 46, in dem die optisch detektierbare Reaktion zwischen dem Reaktionsstoff 48 und der zu messenden Komponente des Gasgemischs stattfindet.
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Im linken Bereich der Reaktionskammer 46 liegt der Intensitätswerte auf einem Niveau von ca. –0,30 bis –0,35. In diesem Bereich hat der Reaktionsstoff 48 annähernd vollständig mit der zu messenden Komponente des Gasgemischs reagiert, wobei eine Erschöpfung des Reaktionsstoffes 48 auftritt.
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In der gezeigten Verfahrensvariante wird eine Position X1 der Reaktionsfront 6 auf einfache Weise über einen Schwellenwert SW1 bestimmt. Dabei wird beispielsweise die Position X1 der Reaktionsfront 6 auf die erste Position gelegt, an der die Intensitätswerte unter den Schwellenwert SW1, welcher im vorliegenden Fall –0,25 beträgt, festgelegt. Alternativ ist es möglich, eine geeignete Funktion an den Intensitätsverlauf anzupassen und auf diese Weise eine Position der Reaktionsfront zu erhalten.
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Darüber hinaus wird aus dem Intensitätsverlauf ein Intensitätsgradient der Reaktionsfront bestimmt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel werden dazu zusätzlich die Position X2 an der ein oberer Schwellenwert SW2 von –0,05 erreicht wird bestimmt.
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Beispielsweise wird der Intensitätsgradient durch die Steigerung (ΔI/ΔX) der durch diese Punkte führenden Geraden bestimmt. Alternativ ist es möglich den Intensitätsgradient mittels linearer Regression des entsprechenden Teilstücks zwischen X1 und X2 zu berechnen.
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Ferner kann eine geeignete Funktion an den gesamten Intensitätsverlauf angepasst werden, insbesondere die zur Bestimmung der Position der Reaktionsfront genutzte Funktion, wobei die ausgewählte Funktion ein Maß des Intensitätsgradienten der Reaktionsfront bestimmen lässt.
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In einem darauf folgenden Verfahrensschritte 108 wird überprüft, ob in den jeweiligen Durchströmungsbild eine Reaktionsfront vorhanden ist. Ist keine Reaktionsfront vorhanden, so geht das Verfahren zurück zu Schritt 104 und das nächste Durchströmungsbild wird aufgenommen.
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Ist dagegen eine Reaktionsfront vorhanden, so geht das Verfahren zu Schritt 110, in dem eine Anzeige an den Benutzer der Messvorrichtung 12 erfolgt, dass zumindest eine minimale Konzentration der zu messenden Komponente (Analyt) des Gasgemischs im Gasgemisch vorhanden ist. Auf diese Weise erhält der Benutzer sehr früh in der Messung eine Warnung, dass der Analyt im Gasgemisch vorhanden ist und kann bei gefährlichen Substanzen entsprechende Schutzmaßnahmen einleiten. In den in 7 gezeigten Messdaten bildet sich zum Zeitpunkt T1 eine Reaktionsfront 6 aus.
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Im Verfahrensschritt 112 wird überprüft, ob die in dem derzeitig aufgenommenen Durchströmungsbild vorhandene Reaktionsfront die erste bisher erfasste Reaktionsfront ist. Ist das aktuelle Durchströmungsbild das erste Durchströmungsbild, indem eine Reaktionsfront erfasst werden konnte, so kann keine zuverlässige Geschwindigkeit der Reaktionsfront bestimmt werden und das Verfahren geht weiter. mit der Aufnahme des nächsten Durchströmungsbilds bei Schritt 104. Es ist jedoch auch möglich, dass eine grobe Schätzung der Geschwindigkeit der Reaktionsfront aus der Position der Reaktionsfront und dem Zeitintervall zum vorhergehenden Durchströmungsbild ohne Reaktionsfront durchgeführt wird.
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Wurde dagegen bereits im vorhergehenden Durchströmungsbild eine Reaktionsfront erfasst, so geht das Verfahren über zu Schritt 114, in dem eine Geschwindigkeit der Reaktionsfront ermittelt wird. Die Ermittlung der Reaktionsfront wird im Folgenden anhand von der 6 und 7 beschrieben. 6 zeigt eine dreidimensionale Ansicht der Zeitserie der Intensitätsverläufe der nacheinander aufgenommenen, Durchströmungsbilder. In 6 ist die X-Richtung der Reaktionskammer 46 in Strömungsrichtung und die Zeit t in einer Ebene aufgetragen, zu der die Achse der Intensitätswerte I senkrecht steht.
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Die jeweilige Position der Reaktionsfront wird analog zu 5 über einen Schwellenwert bestimmt, wobei der Schwellenwert SW1 in 6 durch eine Ebene bei einem Intensitätswert von –0,25 gezeigt ist.
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7 zeigt eine entsprechende zweidimensionale Darstellung, wobei die hohen Intensitätswerte durch die enge Schraffur und die niedrigen Intensitätswerte durch die breite Schraffur dargestellt sind. Die Bereiche der Reaktionsfront 6 sind jeweils ohne Schraffur dargestellt. Die für jedes Durchströmungsbild bestimmten Positionen der Reaktionsfronten liegend annähernd auf einer Geraden. Durch lineare Regression kann eine entsprechende Geschwindigkeit der Reaktionsfront 6 bestimmt werden.
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In einem darauf folgenden Verfahrensschritt 116 wird überprüft, ob die Anzahl der aufgenommenen Durchströmungsbilder mit erfasster Reaktionsfront ausreichend ist, um eine gewünschte maximale Messunsicherheit zu erreichen. Ist die Anzahl der bisher aufgenommenen Durchströmungsbilder mit erfasster Reaktionsfront zu gering, so fährt das Verfahren fort mit Verfahrensschritt 122.
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Soweit grundsätzlich eine ausreichende Anzahl von Durchströmungsbildern mit erfasster Reaktionsfront aufgenommen wurde, überprüft das Messverfahren in Schritt 118, ob die Messunsicherheit einer vorläufigen Konzentration, die aus der auf den bisher aufgenommenen Durchströmungsbildern erfassten Geschwindigkeit der Reaktionsfront bestimmt wird, unter einem Messunsicherheitsschwellenwert liegt.
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Liegt die Messunsicherheit dagegen unter dem Messunsicherheitsschwellenwert, so fährt das Messverfahren mit Schritt 120 fort, in dem das Fördern des Gasgemischs durch den Strömungskanal beendet und die bestimmte Konzentration der Komponente des Gasgemischs als Endmessergebnis, vorzugsweise gemeinsam mit der Messunsicherheit bzw. einem Qualitätsindex, angezeigt wird.
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Liegt die Messunsicherheit der vorläufigen Konzentration über der Messunsicherheitsschwellenwert, so setzt sich das Verfahren mit dem Verfahrensschritt 122 fort.
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In Verfahrensschritt 122 wird die vorläufige Konzentration der zu messenden Komponente aus der Geschwindigkeit der Reaktionsfront dem Benutzer angezeigt. Auf diese Weise wird dem Benutzer frühzeitig im Messverfahren eine vorläufige Konzentration angezeigt. Es ist auch möglich dem Benutzer eine entsprechende Messunsicherheit anzugeben. Durch die Neuberechnung der Konzentration bei jeder Aufnahme eines Durchströmungsbilds erhält der Benutzer somit eine Echtzeitinformation über den Verlauf des Messverfahrens.
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In den Verfahrensschritten 124, 126, 128 und 130 erfolgt eine Steuerung oder Regelung des der Durchflussrate des Gasgemischs durch den Strömungskanal 42 in Abhängigkeit der Geschwindigkeit der Reaktionsfront. 8 zeigt eine Messung bei einer zu hohen Frontgeschwindigkeit, bei der nur wenige Durchströmungsbilder mit einer Reaktionsfront bestimmt werden konnten, da die Reaktionsfront die Reaktionskammer zu schnell durchlaufen hat. Dies führt zu einer erhöhten Messungenauigkeit der Messung der Konzentration. Andererseits kann sich eine zu geringe Frontgeschwindigkeit negativ auf die Messdauer auswirken.
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Im Verfahrensschritt 124 wird überprüft, ob die Frontgeschwindigkeit zu groß ist. Wird eine zu hohe Frontgeschwindigkeit festgestellt, so wird im darauf folgenden Verfahrensschritte 126 die Förderleistung der Gasfördereinrichtung 28 verringert. Auf diese Weise wird die Durchflussrate im Strömungskanal 42 reduziert und die Frontgeschwindigkeit verringert sich, so dass entsprechend eine höhere Anzahl von Messpunkten aufgenommen werden kann.
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Im Verfahrensschritt 128 wird überprüft, ob die Frontgeschwindigkeit zu gering ist. Bei einer zu langsamen Frontgeschwindigkeit, die zu einer zu langen Messdauer führen würde wird in den folgenden Verfahrensschritte 130 die Förderleistung der Gasfördereinrichtung 28 erhöht. Auf diese Weise wird die Durchflussrate im Strömungskanal 42 erhöht wodurch die Frontgeschwindigkeit steigt und die Messdauer verkürzt werden kann.
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Eine Änderung der Durchflussrate wird entsprechend bei der Auswertung der Messdaten, insbesondere bei der Bestimmung der Geschwindigkeit der Reaktionsfront, berücksichtigt.
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Gemäß der im Ablauf-Diagramm gezeigten Verfahrensvariante sind sowohl die Verfahrensschritte 124 und 126 als auch die Verfahrensschritte 128 und 130 vorgesehen. Auf diese Weise erfolgt im Wesentlichen eine Regelung der Geschwindigkeit der sich ausbreitenden Reaktionsfront. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass lediglich eine einfache Steuerung oder Regelung der Durchflussrate des Gasgemischs in Abhängigkeit der Geschwindigkeit der sich ausbreitenden Reaktionsfront stattfindet. Dieses beispielsweise möglich, indem nur eines der beiden Paare von Verfahrensschritten 124, 126 oder 128, 130 im Messverfahren vorgesehen ist.
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Die Geschwindigkeit der sich ausbreitenden Reaktionsfront bildet somit einen der Reaktionsgeschwindigkeitsparameter in dessen Abhängigkeit die Steuerung/Regelungseinheit 31 die Durchflussrate des Gasgemischs steuert oder geregelt. Bei einer einfachen Verfahrensvariante erfolgt eine einfache Steuerung der Förderleistung der Gasfördereinrichtung 28. Alternativ kann die Durchflussrate über den Durchflusssensor 30 geregelt werden.
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Ist die Frontgeschwindigkeit weder zu groß noch zu klein, so fährt das Verfahren fort bei Schritt 104 mit der Aufnahme des nächsten Durchströmungsbilds.
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Das Messverfahren ist somit so ausgelegt, dass die Verfahrensschritt 114 wiederholt durchgeführt wird, welche das Erfassen der Geschwindigkeit der sich in Strömungsrichtung in der Reaktionskammer ausbreitenden Reaktionsfront während des Förderns des Gasgemischs und der Bestimmung des vorläufigen Messergebnisses der Konzentration beinhaltet. In den Verfahrensschritten 116 bis 120 wird eine Messunsicherheit der vorläufigen Messergebnisse der Konzentration bestimmt und das Fördern des Gasgemischs beendet, soweit eine Minimalanzahl von Wiederholungen der Bestimmung des vorläufigen Messergebnisses der Konzentration durchgeführt wurden und die Messunsicherheit unter einem Messunsicherheitsschwellenwert liegt.
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Auf diese Weise wird ein schnelles, dynamisches Messverfahren verwirklicht. Es ist möglich, dass der Messunsicherheitsschwellenwert durch den Benutzer gewählt werden kann, wodurch der Benutzer zwischen schnelleren Messungen mit höherer Messunsicherheit oder langsameren Messungen mit niedrigerer Messunsicherheit wählen kann.
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Es ist auch möglich, dass keine Konzentrationsschätzung angezeigt wird und das Verfahren somit von den Schritten 116 und 118 direkt zur nächsten Bild-Aufnahme in Schritt 104 übergeht, oder dass zwar eine Konzentrationsschätzung angezeigt wird, das Verfahren jedoch von Schritt 122 direkt zur nächsten Bild-Aufnahme in Schritt 104 übergeht, wie dies in 4 durch den gestrichelten Pfeil gezeigt ist.
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In den in 7 und 8 gezeigten Reaktionskammern wurde jeweils die Messung so lange fortgesetzt, bis die Reaktionsfront die gesamte Länge der Reaktionskammer durchlaufen hat. Es ist jedoch nach dem oben beschriebenen Verfahren auch möglich, mehrere aufeinanderfolgende verschiedene Messungen mit einer einzigen Reaktionskammer durchzuführen, wie es in 9 gezeigt ist.
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In einer ersten Messung M1 war die zu messende Komponente nicht im Gasgemisch vorhanden und es wurde keine Reaktionsfront ausgebildet. In der zweiten Messung M2 war die zu messende Komponente im Gasgemisch vorhanden und eine erste Reaktionsfront wurde ausgebildet. Nachdem die Reaktionsfront einen ersten Teilbereich der Reaktionskammer durchlaufen hatte konnte eine ausreichende Anzahl von Durchströmungsbildern aufgenommen werden, wobei die Messunsicherheit unter dem Messunsicherheitsschwellenwert lag, sodass die Messung gestoppt wurde und das Endmessergebnis ausgegeben wurde. Für die dritte und vierte Messung M3 und M4 wird jeweils ein Referenzbild aufgenommen, welches im Wesentlichen dem letzten Durchströmungsbild der vorhergehenden Messung entspricht.
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Für den Fall, in dem bei der jeweils vorhergehenden Messung eine Reaktionsfront ausgebildet wurde, können die ersten Durchströmungsbilder der darauffolgenden Messung für die Bestimmung einer Reaktionsgeschwindigkeit außer Acht gelassen werden, um sicherzugehen, dass die Reaktionsfront nicht durch im Strömungskanal verbliebene Restgase der vorhergehenden Messung gebildet wird.
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Nach einer vorhergehenden Messung, in der sich eine Reaktionsfront ausschließlich in einem ersten Teilbereich der Reaktionskammer ausgebreitet hat, wird die Reaktionskammer auf diese Weise für eine weitere Messung genutzt, wobei die Geschwindigkeit der Reaktionsfront in einem zweiten Teilbereich der Reaktionskammer erfasst wird. Auf diese Weise werden mehrere Messung mittels einer einzigen Reaktionskammer durchgeführt.
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Es besteht eine Möglichkeit für den Benutzer einen Betriebsmodus zu wählen, in dem die Messdauer und die Durchströmrate oder die Reaktionsfrontgeschwindigkeit so gesteuert oder geregelt werden, dass mehrere Messungen mit einer Reaktionskammer durch geführt werden. Beispielsweise kann die Reaktionsfrontgeschwindigkeit so geregelt werden, dass innerhalb einer bestimmten Messdauer ein definierter Teilbereich der Reaktionskammer, beispielsweise ein Drittel der Reaktionskammer, von der Reaktionsfront durchlaufen wird.
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10 zeigt eine Aufnahme eines Strömungskanals 42 eines Reaktionsträgers 14 in einem ersten Farbkanal. Eine x-Achse entspricht der axialen Erstreckung des Strömungskanals 42 und somit der Strömungsrichtung des Gasgemischs durch den Strömungskanal 42, wobei die Pixelreihen im ersten Farbkanal der Digitalkamera die Maßeinheit der x-Achse bilden. Eine y-Achse ist senkrecht zur x-Achse und somit senkrecht zur Strömungsrichtung definiert, wobei die Pixelspalten im ersten Farbkanal der Digitalkamera die Maßeinheit der y-Achse bilden. Im linken Bereich des Strömungskanals befindet sich ein Drahtgeflecht, welches sich in etwa bis zum Pixel 50 erstreckt und welches als Stopfen im Strömungskanal 42 angeordnet ist und die Reaktionskammer 46 mit dem Reaktionsstoff 48 begrenzt.
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In den 11a bis 11c sind jeweils Intensitätskurven der drei Farbkanäle Rot, Blau und Grün einer RGB-Digitalkamera analog zu den vorhergehenden 5 bis 9 zweidimensional abgebildet und entsprechen den Messdaten der aufgenommenen Bilder der Reaktionskammer 46 vor einer Berechnung von Reaktionsverlaufskurven durch Verrechnung der verschiedenen Farbkanäle. Bei der gezeigten Messung sind die in den einzelnen Farbkanälen erfassten Signale relativ schwach, sodass in keinem der Farbkanäle für sich genommen eine zuverlässige Bestimmung einer Reaktionsfront 6 durchgeführt werden kann. In 11a ist im unteren Bereich eine Farbänderung bemerkbar, wobei die Intensität im Rot-Farbkanal bei der Farbänderung von hell dargestellten Bereichen zu dunkel dargestellten Bereichen hin zunimmt (positive Veränderung). In 11b ist um entsprechenden unteren Bereich eine Farbänderung bemerkbar, wobei die Intensität im Blau-Farbkanal von dunkel dargestellten Bereichen zu hell dargestellten Bereichen hin abnimmt. (negative Veränderung). In 11c sind lediglich lokale Intensitätsunterschiede zu erkennen, jedoch keine mit der Zeit voranschreitende Reaktionsfront. Im Rot-Farbkanal (11a) sind entsprechende Reaktionsfronten 6 nur in vereinzelten Bereichen bestimmbar, welche mit jeweils mit schwarzen Punkten markiert wurden. Es ist jedoch kein einheitlicher Verlauf erkennbar.
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Im Folgenden wird eine erfindungsgemäße Berechnung von Reaktionsverlaufskurven in zwei Schritten beschrieben. In einem ersten Schritt wird für jeden der drei Farbkanäle eine normierte Intensität berechnet, wobei die Intensitätswerte der einzelnen Farbkanäle mit der Summe aller Intensitätswerte normiert werden. Auf diese Weise werden beispielsweise Intensitätsschwankungen in der Beleuchtung oder andere Messfehler, die sich über alle Farbkanäle erstrecken, kompensiert. Die Reaktionsverlaufskurven, die sich aus der Normierung der jeweiligen Farbkanäle ergeben sind in den 12a bis 12c für die drei Farbkanäle dargestellt. Wie in 12a zu erkennen ist, kann nunmehr eine einheitlich verlaufende Reaktionsfront 6 im Rot-Farbkanal erkannt werden, wobei jedoch eine relativ hohe Unsicherheit aufgrund eines relativ geringen Kontrasts in dem einen Farbkanal vorhanden ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Quecksilber-Messung mit einem Reaktionsstoff, welcher sich bei Vorhandensein von Quecksilber farblich von einem Blauton in einen Rotton umwandelt. Dementsprechend können im Rot-Farbkanal (12a) und im Blau-Farbkanal (12b) gegenläufige Farbwechsel beobachtet werden, welche jedoch für sich genommen jeweils einen zu geringen Kontrast aufweist, um eine schnelle und zuverlässige Messung zu ermöglichen. Der Blau-Farbkanal kann somit auch nicht für sich genommen zur zuverlässigen Konzentrationsmessung genutzt werden. Im Grün-Farbkanal ist keine nennenswerte Änderung der Intensität zu beobachten (12c).
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Die oberen Bereiche der 12a bis 12c entsprechen dem linken Bereich des Strömungskanals 42, in dem der Drahtgeflecht-Stopfen angeordnet ist. Dementsprechend kann in diesem Bereich keine optisch detektierbare Reaktion beobachtet werden.
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Um eine bessere Messgenauigkeit zu erreichen wird in einem zweiten Berechnungsschritt eine Differenz von Rot- und Blau-Farbkanal gebildet, wobei jeweils die im ersten Schritt normierten Intensitätswerte mit einander verrechnet werden. Die durch die Differenzbildung berechnete Reaktionsverlaufskurven sind in 12d dargestellt. Auf diese Weise werden die Signale der beiden Farbkanäle Rot und Blau konstruktiv zusammengeführt und der Kontrast der Messung wird erhöht, wodurch eine erhöhte Messgenauigkeit erreicht wird. Dementsprechend kann eine kürzere Messdauer erreicht werden, da eine entsprechende gewünschte Messgenauigkeit schneller erreicht wird.
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Es ist auch möglich, dass bei einem entsprechendem Farbwechsel, der durch die Art der optisch detektierbaren Reaktion vorgegeben ist, eine andere Berechnung der Reaktionsverlaufskurven durchgeführt wird. Insbesondere können alle drei Farbkanäle durch Summation oder Differenzbildung miteinander verrechnet werden. Es ist auch möglich, dass die Farbkanäle in einen anderen Farbraum, beispielsweise einem HSV-Farbraum transformiert werden, wobei der neue Farbraum so gewählt sein kann dass einerseits ein möglichst gutes Signal-Rausch-Verhältnis der Farbumwandlung realisiert wird und dass andererseits mögliche Störeinflüsse, beispielsweise eine Änderung der Farbumwandlung durch Feuchtigkeit oder Kreuzreaktionen anderer Substanzen im Gasgemisch, sowie durch möglichem Ausbleichen des Reaktionsstoff bei langer Lagerung, orthogonal zur Farb-Richtung der Reaktionsverlaufskurve liegen und somit von der zu messenden Reaktion getrennt werden können.
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In den 13a bis 14d wird ein alternatives Messverfahren beschrieben. Im Gegensatz zu dem vorhergehenden Verfahren wird nicht jede Pixelreihe in Richtung der x-Achse ausgewertet sondern es werden bestimmte Auswertungsregionen im Strömungskanal 42 betrachtet. Die Auswertungsregionen sind bestimmte Bereiche in x- und y-Richtung, beispielsweise die Pixelreihen 50 bis 100, 150 bis 200 und 250 bis 300... in Richtung der x-Achse. Es ist auch möglich, dass die Auswertungsregionen direkt aneinander angrenzen oder sich teilweise überlappen. 13a zeigt den Verlauf der Intensität I über die Zeit t für drei dieser Auswertungsregionen im roten Farbkanal. Die 13b und 13c zeigen jeweils die Intensitätsverläufe für die drei Auswertungsregionen im grünen bzw. blauen Farbkanal. Beispielsweise sind sechs verschiedene Auswertungsregionen vorgesehen, aus denen drei geeignete Auswertungsregionen ausgewählt werden, mit Hilfe derer ein Messergebnis berechnet wird. Dieses Messverfahren orientiert sich an bekannten Messverfahren für Messvorrichtung aus dem Stand der Technik, welche eine diskrete Anordnung von einzelnen Messsensoren entlang des Strömungskanals 42 des Reaktionsträgers 14 aufweisen. Auf diese Weise können die Messergebnisse gut mit den Messergebnissen derartiger Messvorrichtungen verglichen werden.
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Die 13a bis 13c zeigen jeweils die Intensitätsverläufe vor einer Berechnung von Reaktionsverlaufskurven durch Verrechnung der verschiedenen Farbkanäle. Analog zur vorhergehend beschriebenen Ausführungsform werden die Intensitätswerte der einzelnen Farbkanäle mit der Summe aller Intensitätswerte normiert. Die daraus entstandenen Reaktionsverlaufskurven sind in den 14a bis 14c für die drei Farbkanäle rot, grün bzw. blau gezeigt. Auf diese Weise lassen sich Intensitätsschwankungen der Beleuchtung, z. B. in diesem Fall zu Beginn der Messung, kompensieren. In den Rot- und Blau-Farbkanälen lassen sich jeweils in den verschiedenen Auswertungsregionen verschiedene Intensitätsänderungen beobachten, die eine optisch detektierbare Reaktion zeigen. Im Grün-Farbkanal ist dagegen kein nennenswerter Unterschied zwischen den Auswertungsregionen zu erkennen.
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Analog zur vorhergehenden Ausführungsform wird zur Kontrastverbesserung eine Differenz zwischen dem Rot- und Blau-Farbkanal gebildet, welche die Reaktionsverlaufskurve in 14d ergibt.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Gasförderbaugruppe
- 3
- Detektionsbaugruppe
- 4
- Auswertungseinheit
- 6
- Reaktionsfront
- 10
- Messsystem
- 12
- Messvorrichtung
- 14
- Reaktionsträger
- 16
- Gaszuflusskanal
- 18
- Gasabflusskanal
- 20
- Gasgemischeinströmöffnung
- 22
- Gasanschluss
- 24
- Gasanschluss
- 26
- Gasgemischausströmöffnung
- 28
- Gasfördereinrichtung
- 30
- Durchflusssensor
- 31
- Steuerungs-/Regelungseinheit
- 32
- Puffer
- 34
- Reaktionsträgerfördereinrichtung
- 36
- Positionssensor
- 37
- Beleuchtungseinrichtung
- 38
- Digitalkamera
- 40
- Aufnahmefeld
- 41
- zentrale Steuerungseinheit
- 42
- Strömungskanal
- 44
- Anschlusselemente
- 46
- Reaktionskammer
- 48
- Reaktionsstoff
- 50
- Anzeigestift
- 51
- Codierung
- 52
- Informationsfeld
- 54
- Ventil
- 80
- Einführöffnung
- 82
- Gehäuse (der Messvorrichtung)
- 84
- Temperaturmesselement
- 100
- Verfahrensschritt: Aufnahme Referenzbild
- 102
- Verfahrensschritt: Start Fördern
- 104
- Verfahrensschritt: Aufnahme Durchströmungsbild
- 106
- Verfahrensschritt: Reaktionsfront bestimmen
- 108
- Verfahrensschritt: Front vorhanden?
- 110
- Verfahrensschritt: Anzeige Analyt vorhanden
- 112
- Verfahrensschritt: erste Front?
- 114
- Verfahrensschritt: Frontgeschwindigkeit ermitteln
- 116
- Verfahrensschritt: Anzahl Messungen ok?
- 118
- Verfahrensschritt: Messunsicherheit ok?
- 120
- Verfahrensschritt: Anzeige Konzentration
- 122
- Verfahrensschritt: Anzeige Konzentrationsschätzung
- 124
- Verfahrensschritt: Frontgeschwindigkeit zu groß?
- 126
- Verfahrensschritt: Förderleistung verringern
- 128
- Verfahrensschritt: Frontgeschwindigkeit zu klein?
- 130
- Verfahrensschritt: Förderleistung erhöhen
