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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von Stickoxiden und/oder Stickstoff/Wasserstoffverbindungen, insbesondere Ammoniak (NH3), in einem Fluid, mit einer Kammer, mit einer Zuführvorrichtung zur Zuführung des Fluids in die Kammer, und mit einem Sensorelement, welches innerhalb der Kammer angeordnet ist.
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Stand der Technik
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Sensoren zur Messung der Zusammensetzung eines Gases, wie zum Beispiel Stickoxidsensoren, erlauben eine Messung der Konzentration von Komponenten in einem Gas, wie beispielsweise der Atemluft eines Menschen. Die Atemluft eines Menschen weist normalerweise unter anderem Sauerstoff, Kohlendioxid, Stickstoff und zu kleineren Mengen Edelgase auf.
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Im Falle einer Infektion der Atemwege eines Menschen, ändert sich die Zusammensetzung der von einem Menschen ausgeatmeten Luft. Abhängig von der jeweiligen Erkrankung können unterschiedliche normalerweise nicht in der Atemluft anzutreffende Gasbestandteile in der Atemluft enthalten sein. Darüber hinaus können diese sonst nicht üblichen Bestandteile auch in Fluiden im Bereich der Atemwege, wie beispielsweise Rachensekret, vorhanden sein, welche dann mit dem Ausatmen mitgerissen werden und so Bestandteil der Atemluftwerden.
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Bislang sind im Stand der Technik Vorrichtungen und Verfahren bekannt, bei welchen die ausgeatmete Luft über eine Kühlfalle geführt wird und somit kondensiert wird. Das so erzeugte Kondensat kann daraufhin biochemisch untersucht werden.
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Nachteilig an den Vorrichtungen im Stand der Technik ist insbesondere, dass die Auswertung zeit- und arbeitsaufwändig ist. Dies begrenzt die Testkapazitäten, die insbesondere in Zeiten mit hohen Fallzahlen von Atemwegserkrankungen dann nicht in ausreichender Menge zur Verfügung stehen. Weiterhin wird in diesen bekannten Vorrichtungen und Verfahren nur die ausgeatmete Luft analysiert, nicht aber die Fluide in den Atemwegen, welche Bestandteil der Atemluft werden können.
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Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zu schaffen, welche es ermöglicht die von einem Menschen ausgeatmete Atem luft oder ein Fluid aus dem Bereich der Atemwege des Menschen direkt und ohne zusätzlich notwendige Labordiagnostik auf einen spezifischen Bestandteil hin zu untersuchen, um daraus eine Indikation für eine mögliche Atemwegserkrankung abzuleiten.
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Die Aufgabe hinsichtlich der Vorrichtung wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von Stickoxiden und/oder Stickstoff/Wasserstoffverbindungen, insbesondere Ammoniak (NH3), in einem Fluid, mit einer Kammer, mit einer Zuführvorrichtung zur Zuführung des Fluids in die Kammer, und mit einem Sensorelement, welches innerhalb der Kammer angeordnet ist, wobei das Sensorelement zur Detektion von Stickoxiden und/oder Stickstoff/Wasserstoffverbindungen, insbesondere Ammoniak (NH3), ausgebildet ist, wobei die Zuführvorrichtung durch eine Düse oder einen Zerstäuber gebildet ist.
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Die Kammer ist insbesondere durch einen räumlichen begrenzten Bereich gebildet, in welchen Atemluft und/oder ein Fluid zugeführt werden kann und dort in eine Gasphase überführt werden kann. Die Zuführvorrichtung dient dem Zuführen des Fluids, welches im einfachsten Fall Atemluft selbst ist oder ein Fluid aus den Atemwegen eines Menschen, in die Kammer. Dies kann unter Druck geschehen, so dass das Fluid fein zerstäubt wird, wodurch der Übergang in die Gasphase erleichtert wird.
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Die Vorrichtung dient somit in einem ersten Schritt dem Überführen des zu untersuchenden Fluids in eine gasförmige Phase, so dass eine Untersuchung des Fluids auf seine Bestandteile hin stattfinden kann. Insbesondere die Detektion von Stickoxiden und/oder Stickstoff/Wasserstoffverbindungen kann an dem Sensorelement, welches in der Kammer angeordnet ist, erfolgen. Eine erhöhte Konzentration dieser Bestandteile kann als ein Hinweis auf das Vorliegen einer Atemwegserkrankung und somit eine Veränderung der Fluide in den Atemwegen verstanden werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn in der Kammer ein Heizelement angeordnet ist, welches dazu ausgebildet ist das Innere der Kammer auf Temperaturen oberhalb von 100 Grad Celsius zu erwärmen. Temperaturen oberhalb von 100 Grad Celsius sind besonders vorteilhaft, um die Verdampfung des Fluids zu ermöglichen. Je höher die Temperatur ist, umso schneller kann eine Verdampfung stattfinden. Bevorzugt liegt die Temperatur in der Kammer oberhalb von 100 Grad Celsius. Durch das Verdampfen liegen die Bestandteile des Fluids anschließend in einer gasförmigen Phase vor und füllen das Innenvolumen der Kammer aus.
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Das Heizelement kann beispielsweise durch eine Heizplatte gebildet sein, welche unter Ausnutzung des ohmschen Widerstandes aufgeheizt werden kann. Diese kann zusätzlich als Verdampfungselement genutzt werden, auf welche das Fluid mittels der Zuführvorrichtung aufgebracht wird. Alternativ kann eine durch die Heizplatte erwärmte zusätzliche Verdampfungsstruktur vorgesehen sein.
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Die Kammer kann bevorzugt derart ausgebildet sein, dass eine oder mehrere der die Kammer begrenzenden Wandungen als Heizelement ausgebildet sind oder zumindest wärmeleitend mit diesem in Verbindung stehen.
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Das Aufheizen des Innenvolumens der Kammer kann auch über eine externe Quelle geschehen, wobei dann das außerhalb der Kammer erhitzte Gasvolumen der Kammer zugeführt wird. Die Temperatur des zugeführten Gasvolumens muss dabei deutlich oberhalb von 100 Grad Celsius liegen.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn das Fluid aus einem Vorratsbehälter zur Zuführvorrichtung förderbar ist. Ein Vorratsbehälter kann durch einen Tank gebildet sein, welcher beispielsweise mit dem zu untersuchenden Fluid beaufschlagt werden kann. Der Tank kann beispielsweise auch als abnehmbarer Probenbehälter gestaltet sein. Dies ermöglicht das Zuführen des zu untersuchenden Fluids in den Behälter und das spätere Anstecken an die Vorrichtung. So kann beispielsweise das zu untersuchende Fluid in einem Entnahmeverfahren gewonnen werden und der mit dem Fluid befüllte Behälter im Nachgang, zeitlich und räumlich entkoppelt der Vorrichtung zugeführt werden.
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Auch ist es zu bevorzugen, wenn eine Fördereinheit vorgesehen ist, durch welche das Fluid zur Zuführvorrichtung förderbar ist und durch die Zuführvorrichtung in die Kammer hinein förderbar ist. Eine Fördereinheit kann insbesondere eine Pumpe sein oder ein anderes Element, welches einen Druck erzeugen kann, der das zu untersuchende Fluid aus dem Vorratsbehälter entlang der Zuführvorrichtung in die Kammer befördert. Durch das Einbringen des Fluids unter einem von außen aufgebrachtem Druck wird das Fluid an der Zuführvorrichtung zerstäubt, was die Verdampfung innerhalb der Kammer begünstigt. Ein fein zerstäubtes Fluid hat bei gleichem Gesamtvolumen eine wesentlich größere Oberfläche als ein Fluid in größeren Tropfen, so dass die Wärmeaufnahme aus der Umgebung schneller erfolgen kann und die Verdampfung beschleunigt wird.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn das Fluid durch eine Lösung gebildet ist, welche die Atemluft eines Menschen enthält. Hierzu kann beispielsweise die Atemluft in eine Flüssigkeit geleitet werden, um diese dort zu lösen. Diese Lösung kann dann in der Kammer verdampft und untersucht werden.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Fluid durch eine aus dem Halsbereich und/oder aus dem Rachenbereich und/oder aus den dem Halsbereich nachfolgenden Atemwegen entnommenen Flüssigkeit gebildet ist.
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Alternativ zur Atemluftkann auch ein Fluid aus dem Hals- und/oder Rachenbereich entnommen werden. Beispielsweise durch einen Abstrich oder ein anderes geeignetes Entnahmeverfahren. Dieses entnommene Fluid kann unverändert der Kammer zugeführt werden, oder alternativ ebenfalls in einer Flüssigkeit aufgelöst werden.
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Auch ist es zu bevorzugen, wenn das Sensorelement eine Messkammer aufweist, welche durch das Sensorelement auf eine Temperatur oberhalb von 100 Grad Celsius, bevorzugt auf mehrere hundert Grad Celsius, aufheizbar ist. Bekannte Stickoxidsensoren weisen eine eigene Heizvorrichtung auf, die die Messkammer des Sensors eigenständig erwärmen können, um die notwendige chemische Umsetzung zu begünstigen und eventuell noch nicht ausreichend verdampfte Bestandteile des zu untersuchenden Fluids vollständig zu verdampfen. Insbesondere ist das Erzeugen einer hohen Temperatur von deutlich oberhalb von 100 Grad Celsius direkt am Sensorelement besonders wichtig, um die chemischen Bestandteile des zu untersuchenden Fluids zerlegen zu können und so den Nachweis über die Konzentration der Stickstoff/Wasserstoffverbindungen durchführen zu können.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann insbesondere Teil einer weiteren Vorrichtung zur Analyse von Fluiden, wie beispielsweise Atemluft, sein. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bildet dabei insbesondere den Abschnitt aus, in welchem die Behandlung und Messung des Fluids stattfindet. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das zu untersuchende Fluid konditioniert und chemisch umgesetzt. Das von dem Sensorelement erzeugte Signal kann dann beispielweise über ein Anzeigeelement dargestellt werden. Im nachfolgenden ist eine solche Vorrichtung beispielhaft beschrieben.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann bevorzugt in eine Vorrichtung zur Detektion einer Komponente in der Atemluft eines Menschen integriert sein, die eine Einblasvorrichtung, ein Sensorelement und ein Anzeigeelement aufweist, wobei die Einblasvorrichtung zur Aufnahme und Weiterleitung der Atemluft ausgebildet ist, wobei die von der Einblasvorrichtung weitergeleitete Atemluft auf einen messempfindlichen Bereich eines Sensorelementes geleitet wird, wobei das Anzeigeelemente dazu eingerichtet ist, ein Signal auszugeben, welches abhängig von der an dem Sensorelement ermittelten Zusammensetzung der Atemluft erzeugt ist.
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Die Atemluft kann entlang einer Einblasvorrichtung zugeführt werden, indem beispielsweise in die Einblasvorrichtung hinein gepustet wird. Die so zugeführte Atemluft kann mittels der Zuführvorrichtung, welche der Einblasvorrichtung nachgelagert ist in die Kammer überführt werden.
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Die Vorrichtung ist bevorzugt als ein Gerät ausgebildet, welches aufgrund der Größe, des Gewichts und der allgemeinen Handhabung portabel ist. Bevorzugt ist die Vorrichtung händisch handhabbar und in einem geschlossenen Gehäuse integriert. Somit kann die Vorrichtung insbesondere als mobiles Gerät ausgebildet sein, das analog beispielsweise eines Atemalkoholtests gehandhabt werden kann.
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Die Einblasvorrichtung dient zur Zuführung der Atemluft des zu untersuchenden Menschen. Die Einblasvorrichtung kann somit bevorzugt als Mundstück ausgebildet sein, durch welches die Atemluft durch gezieltes Ausatmen beziehungsweise Einblasen in die Vorrichtung und insbesondere zum Sensorelement geführt werden kann.
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Das Sensorelement wird infolge des Einblasens mit der Atemluft beaufschlagt. Einzelne Komponenten der Atemluft können am Sensorelement chemisch umgesetzt werden, und in andere Produkte umgewandelt werden. Das Sensorelement ist dazu ausgebildet ein Stromsignal zu erzeugen, welches abhängig von einer an dem Sensorelement gemessenen Konzentration eines Gasbestandteils ist. Eine hohe Konzentration führt somit beispielsweise zu einem hohen Stromsignal. Besonders bevorzugt ist das erzeugte Stromsignal proportional zur Konzentration des jeweils betrachteten Gasbestandteils.
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Das Signal, welches letztlich von dem Anzeigeelement in eine wahrnehmbare Form überführt wird, kann beispielsweise die für die am Sensorelement stattfindende chemische Umwandlung notwendige Strommenge sein. Alternativ kann auch ein eigenes Signal von dem Sensorelement erzeugt werden, welche direkt oder indirekt mit dem zur Umwandlung benötigten Strom zusammenhängt.
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Das Anzeigeelement kann sowohl eine visuelle als auch eine akustische Information ausgeben. Auch eine Kombination beider Anzeigearten ist darstellbar.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Sensorelement durch einen Stickoxidsensor gebildet ist. Stickoxidsensoren sind beispielweise aus dem Bereich der Abgasnachbehandlung von Brennkraftmaschinen bekannt. Sie sind in der Lage insbesondere die Stickoxidkonzentration in einem Gasstrom zu messen und ein dieser Konzentration zugehöriges Stromsignal zu erzeugen. Das Stromsignal hängt von dem Strom ab, der gebraucht wir das am Sensor befindliche Stickoxid in Stickstoff und Sauerstoff aufzuteilen. Der benötigte Strom ist daher proportional zur Konzentration der Stickoxide, da die jeweils benötigte Strommenge zur Aufspaltung eines einzelnen Stickoxidmoleküls konstant ist.
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Eine Person mit einer Erkrankung der Atemwege, wie beispielsweise durch den Sars-CoV-2 Virus und die daraus resultierende Lungenerkrankung Covid-19, wird aufgrund des molekularen Aufbaus des Virus eine erhöhte Konzentration an Stickstoff/Wasserstoffverbindungen in der Atemluft aufweisen. Hierzu zählt beispielsweise Ammoniak (NH3). Diese Stickstoff/Wasserstoffverbindungen werden am Stickoxidsensor aufoxidiert zu Stickoxiden, bevor sie schließlich durch das Anlegen eines Stromes in Stickstoff und Sauerstoff aufgespalten werden.
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Das Einbringen von Atemluft einer erkrankten Person wird also zumindest zeitweise eine erhöhte Konzentration der Stickstoff/Wasserstoffverbindungen am Sensorelement erzeugen und in der Folge davon erhöhte Stickoxidwerte, welche durch den Stickoxidsensor gemessen werden können. Es kann so eine Indikation für eine vorliegende Atemwegserkrankung stattfinden.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn die Einblasvorrichtung durch ein Röhrchen gebildet ist, welches zur einmaligen Verwendung ausgebildet ist.
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Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Einblasvorrichtung austauschbar ist, so dass für jede als Probanden dienende Person eine neue Einblasvorrichtung verwendet werden kann. Bevorzugt ist die Einblasvorrichtung durch ein zum einmaligen Gebrauch steril verpacktes Röhrchen gebildet, welches an die Vorrichtung angesteckt werden kann.
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Auch ist es zu bevorzugen, wenn das Sensorelement eine Oxidationsvorrichtung aufweist, welche dazu ausgebildet ist Stickstoff/Wasserstoffverbindungen zu Stickoxiden zu oxidieren. Dies dient der Umwandlung der Stickstoff/Wasserstoffverbindungen zu Stickoxiden. Die Stickstoff/Wasserstoffverbindungen werden hierbei bevorzugt aufoxidiert.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn das Sensorelement dazu ausgebildet ist Stickoxide in Stickstoff und Sauerstoff zu zerteilen. Dies ist vorteilhaft, um durch den zur Zerteilung notwendigen Strom auf die Konzentration des Stickoxids schließen zu können.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Sensorelement ein Stromsignal generiert, welches abhängig von der Konzentration des aus den Stickoxiden erzeugten Sauerstoffs ist. Das Stromsignal kann in einer besonders einfachen Ausführung dem zur Zerteilung des Stickoxids in Stickstoff und Sauerstoff benötigten Strom entsprechen. Da bekannt ist, welche Strommenge eingesetzt werden muss, um ein Stickoxidmolekül aufzuspalten, kann unter Nutzung dieses Wertes aufgrund der eingesetzten Strommenge direkt auf die Konzentration des Stickoxids geschlossen werden.
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Auch ist es zweckmäßig, wenn das Stromsignal proportional zur Konzentration des am Sensorelement aus Stickoxiden erzeugten Sauerstoffs ist. Dadurch lässt sich auf einfache Weise ein Konzentrationspeak anzeigen. Sofern die untersuchte Atemluft also erhöhte Stickstoff/Wasserstoffverbindungen aufweist, werden diese nach der Oxidierung zu einem erhöhten Strombedarf bei der folgenden Spaltung am Stickoxidsensor führen, um die Spaltung der Moleküle durchführen zu können. Das Stromsignal wird folglich ebenso erhöht sein. Es kann hier beispielsweise ein Schwellenwert für das Stromsignal definiert werden, welcher übertroffen werden muss, um ein entsprechendes Signal auf dem Anzeigeelement zu erzeugen.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn das an dem Anzeigeelement anzeigbare Signal abhängig von Stromsignal infolge des erzeugten Sauerstoffs ist. Auf diese Weise lässt sich besonders einfach eine Darstellung einer erhöhten Konzentration von Stickoxiden, und damit auch dem Vorläufer der Stickoxide, den Stickstoff/Wasserstoffverbindungen, erreichen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnung detailliert erläutert. In der Zeichnung zeigt:
- 1 eine schematische Ansicht einer Kammer, mit einer Zuführvorrichtung, und einem innerhalb der Kammer angeordneten Sensorelement.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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Die 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Kammer 1. Diese Kammer 1 ist durch Wandungen begrenzt und weist ein definiertes Innenvolumen auf. Mittels einer Zuführvorrichtung 2, welche bevorzugt durch eine Düse gebildet ist, kann ein Fluid in den Innenraum der Kammer 1 transportiert werden. Das Fluid wird in einem Vorratsbehälter 3 bevorratet und kann von dort aus zur Zuführvorrichtung 2 gefördert werden. Innerhalb der Kammer 1 ist in der Ausführungsform der 1 ein Heizelement 4 gezeigt, welches beispielsweise unter Ausnutzung des ohmschen Widerstandes das Innenvolumen der Kammer 1 erwärmen kann.
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Weiterhin ist mit dem Bezugszeichen 5 ein Sensorelement gezeigt, welches zur chemischen Umsetzung des zu untersuchenden Fluids und der entsprechenden Auswertung geeignet ist. Besonders bevorzugt ist das Sensorelement 5 ein Stickoxidsensor, wie er beispielsweise in der Abgasnachbehandlung bei Kraftfahrzeugen eingesetzt wird. Besonders bevorzugt wird das Funktionsprinzip eines solchen Sensors genutzt, der unter Umständen fallspezifisch angepasst ist.
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Nicht in der 1 gezeigt ist ein Ventilator beziehungsweise ein Gebläse, welches einen Luftstrom innerhalb der Kammer 1 erzeugen kann, um einerseits die Verdampfung zu verbessern und andererseits den Transport der Gasteilchen zum Sensorelement 5 zu verbessern. Dies kann die Wirkungsweise der Vorrichtung weiter verbessern.
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Das Ausführungsbeispiel der 1 weist insbesondere keinen beschränkenden Charakter auf und dient der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens.
