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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren, einem Steuergerät und einer Vorrichtung nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Stand der Technik
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Atemgasanalysegeräte können eine Zusammensetzung und insbesondere auch einen Geruch eines Atemgases über chemische oder physikalische Sensoren analysieren. Hierbei ist unter anderem auch ein Alkoholgehalt in dem Atemgas von Interesse.
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Aus der
US 2004/0081582 A1 ist ein Mobiltelefon bekannt, welches mit einem Atemgassensor ausgestattet ist, um einem Nutzer des Mobiltelefons die Qualität seines Atems anzuzeigen.
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Die
US 2014/0357963 A1 offenbart ein tragbares elektronisches Gerät mit einem optischen Sensor, durch welchen eine Alkoholkonzentration eines Atemgases detektiert werden kann.
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Aus der
DE 10 2015 203 719 A1 ist eine Vorrichtung zur Atemgasanalyse, mit einem Sensorelement zum Detektieren zumindest eines Analyten in einem Atemgaskondensatvolumen bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zur Detektion eines gasförmigen Stoffes, insbesondere von Ethanol, in einem Gasgemisch mittels eines Gassensors, ein Steuergerät zur Durchführung des Verfahrens sowie ein Gassensor vorgestellt. Der Gassensor kann hierbei als mobiles, handgehaltenes Gerät ausgebildet sein, mit welchem ein Nutzer eine Alkoholkonzentration bzw. Ethanolkonzentration seines Atems bestimmen kann. Der Gassensor kann hierzu vorteilhafterweise eine Öffnung aufweisen, in die der Nutzer hineinpusten, bzw. hineinatmen kann.
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Bei dem Verfahren werden hierbei zunächst wenigstens eine erste Messgröße durch ein erstes Sensorelement und wenigstens eine zweite Messgröße durch ein zweites Sensorelement erfasst. Die erste Messgröße repräsentiert hierbei einen ersten chemischen und/oder physikalischen Parameter des Gasgemischs, insbesondere eine Konzentration von Ethanol. Das erste Sensorelement kann hierbei als Gassensor, insbesondere als resistiver, kapazitiver, potentiometrischer und/oder amperometrischer Gassensor, ausgeführt sein. Die zweite Messgröße repräsentiert einen von dem ersten chemischen und/oder physikalischen Parameter verschiedenen zweiten chemischen und/oder physikalischen Parameter des Gasgemischs, insbesondere eine Temperatur, eine Feuchtigkeit oder einen Druck. Das zweite Sensorelement kann hierbei als Temperatursensor, als Feuchtigkeitssensor und/oder als Drucksensor ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass das erste und/oder das zweite Sensorelement dazu eingerichtet ist, wenigstens zwei unterschiedliche Messgrößen zu erfassen, wobei die zwei unterschiedlichen Messgrößen jeweils zwei unterschiedliche chemische und/oder physikalische Parameter des Gasgemischs repräsentieren.
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Um einen Startzeitpunkt einer Messung zu bestimmen, kann nun eine zeitliche Ableitung der erfassten ersten Messgrößen gebildet werden und mit einem ersten vorgegebenen Schwellenwert verglichen werden. Indem eine zeitliche Ableitung der erfassten zweiten Messgrößen gebildet wird und mit einem zweiten vorgegebenen Schwellenwert verglichen wird, kann eine Genauigkeit, mit welcher der Startzeitpunkt der Messung bestimmt wird, in vorteilhafter Weise erhöht werden. Dies macht die Messung insgesamt zuverlässiger und robuster gegenüber äußeren Einflussfaktoren, wie z.B. Änderungen in einer Zusammensetzung des Gasgemischs.
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Zeitgleich mit der Bestimmung und des Abspeicherns des Startzeitpunkts wird eine zu dem Startzeitpunkt erfasste erste Messgröße abgespeichert. Nachfolgend werden, vorzugsweise kontinuierlich, weitere erste Messgrößen erfasst. Die Messung wird beendet, wenn eine der weiteren erfassten ersten Messgrößen der zu dem Startzeitpunkt abgespeicherten ersten Messgröße im Wesentlichen entspricht, indem ein zu der weiteren ersten Messgröße korrespondierender Endzeitpunkt abgespeichert wird.
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Nun wird eine Differenz zwischen dem Endzeitpunkt und dem Startzeitpunkt gebildet und ein Betrag dieser Differenz mit einer vorgegebenen Mindestzeitspanne verglichen. Die Differenz entspricht hierbei einer quantitativen Angabe des durch die erste Messgröße repräsentierten chemischen und/oder physikalischen Parameters des Gasgemischs. Entspricht die Differenz der vorgegebenen Mindestzeitspanne oder überschreitet die Differenz die vorgegebene Mindestzeitspanne, so wird ein Ausgabesignal erzeugt, das signalisiert, dass die erste Messgröße, die den ersten chemischen und/oder physikalischen Parameter des Gasgemischs repräsentiert, über einem vorgegebenen Schwellenwert liegt.
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Wird nun optional noch eine dritte Messgröße oder zusätzlich noch eine vierte Messgröße erfasst, wobei die dritte Messgröße und die vierte Messgröße jeweils einen weiteren chemischen und/oder physikalischen Parameter des Gasgemischs, insbesondere eine Temperatur, eine Feuchtigkeit oder einen Druck, repräsentieren und wobei sich die durch die erste Messgröße, die zweite Messgröße, die dritte Messgröße und die vierte Messgröße repräsentierten Parameter unterscheiden, und wird für jede zusätzlich erfasste Messgröße eine zeitliche Ableitung gebildet und mit jeweils einem weiteren vorgegebenen Schwellenwert verglichen, so kann die Genauigkeit, mit welcher der Startzeitpunkt der Messung bestimmt wird, noch weiter erhöht werden.
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Optional kann vorgesehen sein, dass die Messung dann beendet wird, wenn eine relative Abweichung des Betrags zwischen der wenigstens einen weiteren ersten Messgröße und der zu dem Startzeitpunkt erfassten ersten Messgröße kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert, bevorzugt kleiner als 5 %, besonders bevorzugt kleiner als 1% und ganz besonders bevorzugt kleiner als 0,1 %.
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Die zuvor genannten Vorteile gelten in entsprechender Weise auch für das Steuergerät zur Durchführung des Verfahrens sowie den Gassensor.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Figurenliste
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Die 1 zeigt schematisch ein Blockschaltbild eines Steuergeräts. In 2 ist eine schematische Darstellung eines Gassensors gezeigt. In der 3 wird anhand eines Flussdiagramms das Verfahren beschrieben. Eine graphische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs von eine Temperatur, eine Feuchtigkeit und eine Ethanolkonzentration eines Gasgemischs repräsentierenden Messgrößen ist in 4 gezeigt. In 5 sind graphische Darstellungen eines zeitlichen Verlaufs von zeitlichen Ableitungen der in 3 dargestellten Messgrößen gezeigt. 6 zeigt eine graphische Darstellung einer Messung einer Ethanolkonzentration in einem Atemgas über der Zeit ohne vorherigen Alkoholkonsum eines Nutzers. In 7 ist eine Messung einer Ethanolkonzentration in einem Atemgas über der Zeit mit vorherigem Alkoholkonsum des Nutzers graphisch dargestellt.
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Ausführungsbeispiel
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Wie bereits vorstehend ausgeführt, wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren, ein Steuergerät und eine Vorrichtung beschrieben, die eine Genauigkeit bei einer Bestimmung eines Startzeitpunkts bei einer Messung wenigstens eines gasförmigen Stoffes in einem Gasgemisch, insbesondere von Ethanol, erhöht und somit die Genauigkeit der Messung insgesamt verbessert.
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Zur Durchführung des Verfahrens ist ein Steuergerät 1 vorgesehen, wie es in 1 schematisch dargestellt ist. Dieses Steuergerät 1 erfasst eine eine Ethanolkonzentration eines Atemgases repräsentierende erste Messgröße K durch ein erstes Sensorelement 4 und eine einen weiteren physikalischen und/oder chemischen Parameter des Atemgases, beispielsweise eine Temperatur, repräsentierende zweite Messgröße M durch ein zweites Sensorelement 5.
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Fakultativ kann vorgesehen sein, dass das Steuergerät 1 zusätzlich eine einen weiteren physikalischen und/oder chemischen Parameter des Atemgases, beispielsweise eine Feuchtigkeit, repräsentierende dritte Messgröße N durch ein drittes Sensorelement 6 und/oder eine einen weiteren physikalischen und/oder chemischen Parameter des Atemgases, beispielsweise einen Druck, repräsentierende vierte Messgröße O durch ein viertes Sensorelement 7, erfasst.
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Die erfassten Messgrößen K, M, N und O können bedarfsweise in einer Speichereinheit 3 der Vorrichtung 1 abgespeichert werden.
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Das erste Sensorelement 4 kann hierbei als Gassensor, insbesondere als resistiver, kapazitiver, potentiometrischer und/oder amperometrischer Gassensor, ausgeführt sein. Das zweite Sensorelement 5 kann hierbei als Temperatursensor ausgestaltet sein. Das dritte Sensorelement 6 kann hierbei als Feuchtigkeitssensor ausgeführt sein. Das vierte Sensorelement 7 kann hierbei als Drucksensor ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass eines der Sensorelemente 4, 5, 6, 7 dazu eingerichtet ist, wenigstens zwei unterschiedliche Messgrößen zu erfassen, wobei die zwei unterschiedlichen Messgrößen jeweils zwei unterschiedliche chemische und/oder physikalische Parameter des Gasgemischs repräsentieren.
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Das Steuergerät 1 und das erste Sensorelement 4 sowie das zweite Sensorelement 5 können hierbei, wie in 2 schematisch dargestellt, einen Gassensor 20 bilden. Optional kann vorgesehen sein, dass der Gassensor zusätzlich ein drittes Sensorelement 6 und/oder ein viertes Sensorelement 7 aufweist. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Sensorelemente 4, 5, 6, 7 an dem Gassensor angeordnet oder integriert sind.
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Ausgehend von den erfassten Messgrößen K und M, sowie von den optional erfassten Messgrößen N und O führt eine Recheneinheit 2 in dem Steuergerät 1 das nachfolgend beschriebene Verfahren 100 durch und erzeugt in Abhängigkeit der erfassten Messgrößen K, M, N und O ein Ausgabesignal 10 welches beispielsweise einen akustischen Signalgeber 8 ansteuert. Optional kann ein weiteres Ausgabesignal 11 erzeugt werden, welches einen optischen Signalgeber 9 ansteuert. Der akustische Signalgeber 8 kann hierbei als Lautsprecher ausgeführt sein. Der optische Signalgeber 9 kann als Leuchtdiode und/oder als Display ausgestaltet sein.
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Anhand des Flussdiagramms der 3 wird das Verfahren 100 in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beschrieben. Zunächst wird in einem ersten Erfassungsschritt 101 die erste Messgröße K erfasst, die eine Ethanolkonzentration in einem Atemgas repräsentiert.
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Vor, während oder nach dem Erfassungsschritt 101 erfolgt ein zweiter Erfassungsschritt 102, bei dem eine Temperatur des Atemgases als die zweite Messgröße M erfasst wird. Optional kann in dem Erfassungsschritt 101 zusätzlich eine Feuchtigkeit des Atemgases als eine dritte Messgröße N und/oder ein Druck, als eine vierte Messgröße O erfasst werden.
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Nun werden in einem nachfolgenden ersten Vergleichsschritt 103 ein Betrag der zeitlichen Ableitung der erfassten ersten Messgröße K mit dem Schwellenwert SW1 verglichen und ein Betrag der zeitlichen Ableitung der erfassten zweiten Messgröße M mit dem Schwellenwert SW2 verglichen.
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Optional werden in dem Vergleichsschritt 103 zusätzlich der Betrag der zeitlichen Ableitung der erfassten dritten Messgröße N mit dem Schwellenwert SW3 verglichen. Fakultativ werden in dem Vergleichsschritt 103 zusätzlich der Betrag der zeitlichen Ableitung der erfassten vierten Messgröße O mit dem Schwellenwert SW4 verglichen.
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Liegt der Betrag der zeitlichen Ableitung der ersten Messgröße K über dem ersten Schwellenwert SW1 und liegt der Betrag der zeitlichen Ableitung der zweiten Messgröße M über dem zweiten Schwellenwert SW2, so wird in einem ersten Festlegungsschritt 104 ein Startzeitpunkt ts und eine zu dem Startzeitpunkt ts korrespondierende Startmessgröße KStart festgelegt.
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Optional kann vorgesehen sein, dass der erste Festlegungsschritt 104 erst erfolgt, wenn zusätzlich der Betrag der zeitlichen Ableitung der dritten Messgröße N über dem dritten Schwellenwert SW3 und/oder der Betrag der zeitlichen Ableitung der vierten Messgröße O über dem vierten Schwellenwert SW4 liegt.
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Liegt der Betrag der zeitlichen Ableitung der ersten Messgröße K nicht über dem ersten Schwellenwert SW1 oder liegt der Betrag der zeitlichen Ableitung der zweiten Messgröße M nicht über dem zweiten Schwellenwert SW2, so erfolgt wieder der erste Erfassungsschritt 101.
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Optional kann der erste Erfassungsschritt 101 erfolgen, wenn alternativ oder zusätzlich der Betrag der zeitlichen Ableitung der dritten Messgröße N nicht über dem dritten Schwellenwert SW3 oder der Betrag der zeitlichen Ableitung der vierten Messgröße O nicht über dem vierten Schwellenwert SW4 liegt.
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Nach dem ersten Festlegungsschritt 104 erfolgt ein dritter Erfassungsschritt 105, bei welchem wenigstens eine weitere erste Messgröße K2 erfasst wird, wobei in einem zweiten Vergleichsschritt 106 verglichen wird, ob die wenigstens eine weitere erste Messgröße K2 im Wesentlichen der Startmessgröße KStart entspricht. Ist dies der Fall, so wird in einem danach folgenden zweiten Festlegungsschritt 107 ein Endzeitpunkt tE festgelegt. Optional kann der Endzeitpunkt tE dann festgelegt werden, wenn eine relative Abweichung des Betrags zwischen der wenigstens einen weiteren ersten Messgröße K2 und der Startmessgröße KStart kleiner als ein fünfter vorgegebener Schwellenwert SW5, insbesondere kleiner als 5 %, ist. In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Endzeitpunkt tE nach einer vorgegebenen Zeitspanne nach dem Startzeitpunkt ts festgelegt wird. Fällt der Vergleich in dem zweiten Vergleichsschritt 106 negativ aus, so erfolgt wieder der dritte Erfassungsschritt 105.
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Nach dem zweiten Festlegungsschritt 107 erfolgt ein dritter Vergleichsschritt 108, bei dem verglichen wird, ob der Betrag einer Differenz zwischen dem Endzeitpunkt tE und dem Startzeitpunkt tS größer als eine vorgegebene Mindestzeitspanne tmin ist. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass bei dem dritten Vergleichsschritt 108 verglichen wird, ob der Betrag einer bereits verstrichenen Zeitdauer seit dem Startzeitpunkt ts größer als eine vorgegebene Mindestzeitspanne tmin ist. Ferner kann alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, dass bei dem dritten Vergleichsschritt 108 nach einer vorgegebenen Mindestzeitspanne tmin verglichen wird, ob die wenigstens eine weitere erste Messgröße K2 kleiner als die Startmessgröße KStart ist. Wenn dies nicht der Fall ist, wird die Messung beendet und es kann optional eine neue Messung durchgeführt werden. Fällt der Vergleichsschritt 108 jedoch positiv aus, so wird in einem nachfolgenden Signalerzeugungsschritt 109 ein Ausgabesignal 10 erzeugt, welches beispielsweise von einem Lautsprecher in einen Signalton umgesetzt werden kann. Fakultativ kann vorgesehen sein, dass ein weiteres Ausgabesignal 11 erzeugt wird, welches z.B. von einer LED in ein optisches Signal umgesetzt wird. Dieses akustische oder optische Signal gibt einem Nutzer des Gassensors 20 einen Hinweis, dass die Ethanolkonzentration in dem Atemgasgemisch, d.h. in seinem Atem, über einem zuvor festgelegten Wert liegt.
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4 zeigt graphische Darstellungen eines zeitlichen Verlaufs von verschiedenen Messgrößen. Hierbei repräsentiert die obere Darstellung den zeitlichen Verlauf t der eine Temperatur des Atemgases repräsentierenden Messgröße M. Die mittlere Darstellung repräsentiert den zeitlichen Verlauf t der eine Feuchtigkeit des Atemgases repräsentierenden Messgröße N. Die untere Darstellung zeigt den zeitlichen Verlauf t der eine Ethanolkonzentration des Atemgases repräsentierenden Messgröße K.
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Zu einem Zeitpunkt t1 ist eine im Wesentlichen zeitgleiche Veränderung in dem zeitlichen Verlauf der Messgrößen M, N und K erkennbar. Diese Veränderung ist darauf zurückzuführen, dass ein Nutzer in den Gassensor hineinatmet. Um nun den genauen Startzeitpunkt tStart der Veränderung in den zeitlichen Verläufen der Messgrößen M, N und K zu bestimmen, d. h. um einen Messbeginn zu ermitteln, werden zeitlichen Ableitungen M, N und K der erfassten Messgrößen M, N und K gebildet.
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Diese zeitlichen Ableitungen M, N und K der erfassten Messgrößen M, N und K sind graphisch in der 5 dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass bei allen drei zeitlichen Ableitungen M, N und K der erfassten Messgrößen M, N und K die Veränderung in den zeitlichen Verläufen nahezu simultan erfolgt. Somit kann die Bestimmung des Startzeitpunkts tStart der Messung durch die Einbeziehung von weiteren Messgrößen, die weitere chemische und/oder physikalische Parameter des Atemgases repräsentieren, signifikant verbessert werden.
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In 6 ist eine weitere graphische Darstellung eines zeitlichen Verlaufs einer Messung der eine Ethanolkonzentration in einem Atemgas repräsentierenden Messgröße K ohne vorherigen Alkoholkonsum eines Nutzers gezeigt. Durch Bilden der zeitlichen Ableitung K̇ der Messgröße K und wenigstens einer weiteren zeitlichen Ableitung beispielsweise der die Temperatur des Atemgases repräsentierenden Messgröße M kann, wie anhand der 5 beschrieben, der Startzeitpunkt tStart der Messung genau bestimmt werden. Eine zu diesem Startzeitpunkt tStart erfasste Messgröße K wird als korrespondierende Startmessgröße KStart in der Speichereinheit 3 abgespeichert. Es ist zu erkennen, dass die Messgröße M auf ein Minimum KE absinkt und danach wieder ansteigt. Das Minimum KE repräsentiert hierbei lediglich einen Wert der Messgröße K zu einem Zeitpunkt, an dem der Nutzer nicht mehr in den Gassensor hineinatmet und ab welchem sich somit das die Ethanolkonzentration in dem Atemgasgemisch sensierende Sensorelement 4 regeneriert. Das Sensorelement 4 ist vollständig generiert, wenn eine weitere erste Messgröße K2 im Wesentlichen der Startmessgröße KStart entspricht. Ein zu der weiteren ersten Messgröße K2 korrespondierender Endzeitpunkt tE wird festgelegt und in der Speichereinheit 3 abgespeichert. Die zeitliche Differenz zwischen tE und tStart ist ein Maß für die Ethanolkonzentration in dem Atemgas des Nutzers.
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Zum Vergleich ist in 7 eine weitere graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs einer Messung der eine Ethanolkonzentration in einem Atemgas repräsentierenden Messgröße K mit vorherigem Alkoholkonsum eines Nutzers mit gleichem Maßstab gezeigt. Hierbei ist deutlich zu erkennen, dass die zeitliche Differenz zwischen tE und tStart größer ist als in der Messung ohne vorherigen Alkoholkonsum durch den Nutzer aus 6. In Abhängigkeit einer bestimmten, zuvor in der Speichereinheit 3 abgespeicherten vorgegebenen Mindestzeitspanne tmin kann vorgesehen sein, dass der Gassensor 20 dem Nutzer ein Signal 10, 11 ausgibt, um ihn darauf aufmerksam zu machen, dass die Ethanolkonzentration in seinem Atem einen durch die Mindestzeitspanne tmin repräsentierten Schwellenwert überschreitet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2004/0081582 A1 [0003]
- US 2014/0357963 A1 [0004]
- DE 102015203719 A1 [0005]
