EP4453545A1 - Detektionseinheit für einen gassensor, gassensor, system zur detektion einer mehrzahl unterschiedlicher zielgase und verfahren zur detektion eines zielgases - Google Patents

Detektionseinheit für einen gassensor, gassensor, system zur detektion einer mehrzahl unterschiedlicher zielgase und verfahren zur detektion eines zielgases

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EP4453545A1
EP4453545A1 EP21840614.8A EP21840614A EP4453545A1 EP 4453545 A1 EP4453545 A1 EP 4453545A1 EP 21840614 A EP21840614 A EP 21840614A EP 4453545 A1 EP4453545 A1 EP 4453545A1
Authority
EP
European Patent Office
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gas
detection unit
unit
sensitive element
image acquisition
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21840614.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Marie-Luise Bauersfeld
Martin DOLD
André Eberhardt
Mahmoud EL-SAFOURY
Laura ENGEL
Yvonne HESPOS
Andreas Kürzinger
Carolin Pannek
Sven Rademacher
Christian Weber
Jürgen WÖLLENSTEIN
Ina SEIBERLICH
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP4453545A1 publication Critical patent/EP4453545A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G01N2201/061—Sources
    • G01N2201/0616—Ambient light is used

Definitions

  • the invention relates to a detection unit for a gas sensor according to claim 1, a gas sensor according to claim 8, a system for detecting a plurality of different target gases according to claim 9 and a method for detecting a target gas according to claim 10.
  • Gas sensors are used to detect and analyze gases. Gas sensors with physical and chemical measuring principles are known.
  • the present invention relates to colorimetric gas sensors in which a gas-sensitive element comprises at least one gas-sensitive material which changes its optical properties depending on contact with a target gas. Such colorimetric gas sensors are used in particular when only a limited energy supply is available and/or inexpensive sensors are to be made available.
  • Colorimetric gas sensors are known in which the target gas is detected by analyzing ambient light which penetrates the gas-sensitive element of the gas sensor.
  • a gas sensor is known from EP 3 783 341 A1.
  • the present invention is therefore based on the object of providing a cost-effective option for gas detection.
  • This object is achieved by a detection unit for a gas sensor according to claim 1, a gas sensor with such a detection unit according to claim 8, a system for detecting a plurality of different target gases according to claim 9 and a method for detecting a target gas according to claim 10.
  • the detection unit according to the invention, the gas sensor according to the invention and the system according to the invention for detecting a plurality of different target gases are preferably designed for carrying out the method according to the invention, in particular a preferred embodiment thereof.
  • the method according to the invention is preferably designed to be carried out using a detection unit according to the invention, using a gas sensor according to the invention or using a system according to the invention for detecting a plurality of different target gases, in particular using preferred embodiments of these devices.
  • the present invention is based on the finding that mobile devices with an image acquisition unit are widespread and can be used in a cost-effective manner to detect a target gas.
  • Mobile phones in particular typically not only have image capturing units which enable image capturing in high quality, in particular good color reproduction.
  • image capturing units which enable image capturing in high quality, in particular good color reproduction.
  • computer units and data storage which provide sufficient computing power to analyze the image data of the image acquisition unit using third-party programs (applications, "apps").
  • such devices are used and supplemented with a detection unit to detect one or more target gases.
  • the detection unit according to the invention for a gas sensor has at least one gas-sensitive element with at least one gas-sensitive material whose optical properties change depending on contact with a target gas.
  • the detection unit is designed to be arranged in a detachable manner on a mobile evaluation unit with an image acquisition unit in order to form a gas sensor.
  • the image acquisition unit of the mobile evaluation unit is thus used to analyze ambient light which penetrates the gas-sensitive element of the detection unit and in this way to detect a change in the optical property of the gas-sensitive material and thus the presence of the target gas.
  • the detection unit according to the invention has at least one optical lens and the gas-sensitive element and the optical lens are arranged in such a way that ambient light which penetrates the gas-sensitive element can be imaged by means of the optical lens. This enables a high-quality and error-free analysis of the ambient light that penetrates the gas-sensitive element.
  • the gas-sensitive element and the optical lens are therefore preferably designed in such a way that the gas-sensitive element, which is arranged on the mobile evaluation unit, is penetrated by ambient light and the information can be imaged on the image acquisition unit by means of an optical lens.
  • the optical lens is preferably designed as a converging lens.
  • the detection unit according to the invention thus enables a cost-effective detection of a target gas, since existing mobile devices such as a mobile phone or a tablet computer (flat computer) are used as a mobile evaluation unit and therefore only the detection unit, which preferably has no electrical or electronic components, is additionally required .
  • existing mobile devices such as a mobile phone or a tablet computer (flat computer) are used as a mobile evaluation unit and therefore only the detection unit, which preferably has no electrical or electronic components, is additionally required .
  • a detection unit can be manufactured at considerably lower cost that in combination with the mobile evaluation unit with image acquisition unit, a cost-effective detection of a target gas is also made possible for private users.
  • the object mentioned at the outset is therefore also achieved by a gas sensor according to claim 8 .
  • the gas sensor has a detection unit according to the invention, in particular an advantageous embodiment thereof, and a mobile evaluation unit with an image acquisition unit, the mobile evaluation unit being designed as a mobile phone or tablet computer (flat computer).
  • the image acquisition unit is designed for spatially resolved image acquisition, preferably by means of an image acquisition element known per se, in particular by means of at least one CCD chip.
  • the mobile evaluation unit has a computer unit and a storage unit (data storage unit) to run programs.
  • the mobile evaluation unit is designed to execute programs in order to evaluate image data captured by the image capture unit.
  • the detection unit has a plurality of optical lenses, which are arranged in a lens matrix in order to image a planar area in a plurality of focusing beams, in particular in the case of a detection unit arranged on the mobile evaluation unit, a plurality of focusing beams onto one Map a plurality of locally different points of the image acquisition unit.
  • the detection unit is preferably arranged detachably by the user on the mobile evaluation unit, preferably directly on the image acquisition unit. Typically, it cannot be specified with certainty at which position, in particular in which detection area of the image acquisition unit, the gas-sensitive element of the detection unit is arranged.
  • the detection unit therefore has at least one position mark in order to determine the position of the detection unit relative to the image acquisition unit when the detection unit is arranged on the mobile evaluation unit. In this way, the position of the gas-sensitive element relative to the image acquisition unit can be determined in a simple manner and thus the pixels of the image acquisition unit can also be determined, onto which the ambient light that penetrates the gas-sensitive element is focused by means of the optical lens or the plurality of optical lenses. to image the gas-sensitive element onto the image acquisition unit.
  • the position mark is designed as a geometric shape. This allows the position of the gas-sensitive element to be determined.
  • the position of the gas-sensitive element is predetermined, particularly preferably in the stored before described data storage unit of the mobile evaluation unit.
  • the position mark is detected by means of the image detection unit and the position of the gas-sensitive element, particularly preferably all gas-sensitive elements if the detection unit has a plurality of gas-sensitive elements, is thereby determined.
  • the position and alignment (rotation) of the detection unit relative to the mobile evaluation unit is preferably determined.
  • the position mark is therefore advantageous for the position mark to be designed as a geometric figure with a rotational symmetry of less than or equal to 2, preferably without rotational symmetry, in order to reduce, in particular to rule out, ambiguity when determining the position.
  • the position mark is arranged at a distance from the gas-sensitive element, in particular as a figure and/or pattern which is impermeable at least to light in the visible wavelength range, preferably in the wavelength range from 380 nm to 780 nm, and is in particular designed to be absorbent or reflective .
  • the position marker is integrated in the gas-sensitive element, particularly preferably made of the gas-sensitive material of the gas-sensitive element.
  • the gas-sensitive element is surrounded at least partially, preferably circumferentially, by an optically transparent area, preferably transparent in the visible wavelength range, in particular in the wavelength range from 380 nm to 780 nm.
  • the position and position, in particular the rotation of the gas-sensitive element relative to the image acquisition unit can thus be determined by detecting the gas-sensitive element, in particular the edge(s) of the gas-sensitive element.
  • the transparent areas are preferably additionally used as a reference area for measuring a change in intensity of the ambient light and/or for a white light balance, as described elsewhere in each case.
  • the gas-sensitive element is therefore advantageously designed as a position marker, particularly preferably designed with a shape that has a rotational symmetry of less than or equal to 2, preferably no rotational symmetry, in order to reduce, in particular eliminate, ambiguity when determining the position.
  • detection units For the detection of different target gases, it is advantageous to provide detection units with different gas-sensitive materials that are suitable for detecting different target gases.
  • gas-sensitive materials for different target gases also have a different change in optical properties upon contact with the target gas.
  • the detection unit therefore has at least one identification mark in order to identify the detection unit arranged on the mobile evaluation unit, the detection unit, by means of the image acquisition unit.
  • the identification of the detection unit and the corresponding knowledge of the gas-sensitive material of the detection unit arranged on the mobile evaluation unit allows the data to be evaluated specifically for this gas-sensitive material using the image acquisition unit of the mobile evaluation unit.
  • a detection unit with an identification mark is therefore used. Furthermore, the detection unit is identified by means of the image acquisition unit and identification mark and, depending on the identification, one of several evaluation methods stored in the mobile evaluation unit is used for the analysis of the ambient light through which the gas-sensitive light penetrates. Typical gas-sensitive materials differ in their optical properties, in particular their color, even in the initial state without contact with the target gas.
  • the identification of the detection unit takes place via an analysis of the ambient light, which penetrates the gas-sensitive element, using the image acquisition unit. The detection unit can thus be identified on the basis of characteristic data, in particular on the basis of specific spectral data for the different gas-sensitive materials, without an identification mark being necessary.
  • the gas-sensitive element is designed as an identification mark.
  • the gas-sensitive element has a specific shape, which is detected by the image acquisition unit in order to identify the detection unit.
  • a number of detection units with gas-sensitive elements for different target gases can be distinguished from one another by the gas-sensitive elements having different shapes in an advantageous embodiment.
  • the identification mark is preferably in the form of a figure code, particularly preferably optoelectronically readable writing, preferably a bar code (bar code) or two-dimensional code (matrix bar code), in particular QR code or data matrix code.
  • the detection unit therefore has at least one reference region that is not gas-sensitive for the target gas and is arranged in such a way that the ambient light that penetrates the reference region can be imaged using the optical lens or another optical lens of the detection unit, in particular so that the detection unit arranged on the mobile evaluation unit can be imaged on the image acquisition unit.
  • the optical properties of the reference area essentially correspond to the optical properties of the gas-sensitive element without contact with the target gas. This makes it easy to compare the data of the ambient light that penetrates the reference area with the ambient light that penetrates the gas-sensitive element, determined by the image acquisition unit, and a deviation that is due to a change in the optical properties of the gas-sensitive element can be easily detected and thus indicating the presence of the target gas, can be detected.
  • a detection unit with a reference area that is not gas-sensitive for the target gas is therefore used, and the image acquisition unit analyzes ambient light that penetrates the reference area.
  • the reference area is designed to be optically transparent, preferably transparent in the visible wavelength range, in particular in the wavelength range from 380 nm to 780 nm.
  • a change in intensity of the ambient light that penetrates the reference area is detected and taken into account in the evaluation as before.
  • the intensity of the ambient light detected by the image detection unit and penetrating the reference area is therefore preferably also detected and a ratio formed, presently as the quotient of this reference intensity with the light intensity of the ambient light penetrating the gas-sensitive element.
  • the ambient light that penetrates the reference area is also used for a white light balance, as described further below.
  • the detection unit therefore advantageously has a calibration scale which has a plurality of colored areas, particularly preferably a calibrated color pattern, preferably one RGB or CMYK color scale.
  • the ambient light that penetrates the calibration scale is recorded by means of the image recording unit.
  • the calibration data in particular the color data of the calibration scale, are specified, in particular stored in a memory unit of the mobile evaluation unit. Using this data, a color calibration of the image acquisition unit is preferably carried out before carrying out the gas detection.
  • the detection unit advantageously has a flexible film as the carrier substrate, and the gas-sensitive element and the optical lens are formed in the carrier substrate and/or arranged on the carrier substrate. This enables easy handling of the detection unit.
  • the gas-sensitive material of the gas-sensitive element is arranged on the carrier substrate, preferably on the front side of the carrier substrate, which faces away from the detection unit of the evaluation unit arranged on the mobile evaluation unit.
  • the optical lens is arranged on a side of the carrier substrate opposite the gas-sensitive element.
  • the optical lens and the gas-sensitive element are arranged on a common side of the carrier substrate.
  • the optical lens is arranged between the gas-sensitive element and the carrier substrate. This means that direct contact between the optical lens and the mobile evaluation unit is not necessary.
  • the gas-sensitive element is formed in the carrier substrate by embedding the gas-sensitive material in the carrier substrate. This results in a robust structure.
  • the optical lens is formed in the carrier substrate. It is within the scope of the invention that the optical lens is formed by modifying the refractive index in the carrier substrate. It is also within the scope of the invention that the optical lens is formed by embossing or stamping.
  • the optical lens is designed as a Fresnel lens. This enables cost-effective production and a low overall thickness of the detection unit.
  • the carrier substrate advantageously has an adhesive layer in order to detachably arrange the detection unit on the mobile evaluation unit. This ensures easy handling for the user.
  • a rubber-based or acrylate-based adhesive is preferably used as the adhesive for a non-sticking, detachable arrangement of the carrier substrate on the mobile evaluation unit.
  • the detection unit has precisely one gas-sensitive element with precisely one gas-sensitive material. In this way, a target gas can be detected in a cost-effective manner.
  • the detection unit prefferably has a plurality of gas-sensitive elements next to one another.
  • these gas-sensitive elements have the same gas-sensitive material. This allows redundant measurements to be carried out in order to increase the accuracy of the measurement.
  • the detection unit has a number of gas-sensitive elements with different gas-sensitive materials lying next to one another, so that a number of target gases can be detected without the detection unit having to be replaced.
  • the present invention also enables the cost-effective provision of a system that is suitable for detecting different target gases:
  • the system according to the invention for detecting a plurality of different target gases has a plurality of detection units according to the invention, in particular according to an advantageous embodiment, each detection unit being designed to detect a target gas that is different from the other detection units and an identification mark that is different from the other detection units and/or a different one has reference range.
  • the system also has a mobile evaluation unit with an image capture unit, in particular a mobile phone or a tablet computer, the mobile evaluation unit being designed to identify the detection unit depending on the optical data of the identification mark and/or the reference area of the detection unit captured by the image capture unit.
  • a mobile evaluation unit with an image capture unit, in particular a mobile phone or a tablet computer, the mobile evaluation unit being designed to identify the detection unit depending on the optical data of the identification mark and/or the reference area of the detection unit captured by the image capture unit.
  • the user can thus select the corresponding detection unit and arrange it on the mobile evaluation unit.
  • the mobile evaluation unit automatically identifies the detection unit arranged on the evaluation unit and accordingly selects the appropriate evaluation of the image data of the ambient light determined by the image acquisition unit, which penetrates the gas-sensitive element of the detection unit.
  • a plurality of evaluation methods is therefore advantageously stored in a data memory of the mobile evaluation unit, and the evaluation method for detecting a target gas is selected as a function of the identification of the detection unit.
  • the evaluation methods for different target gases differ only in parameters of the evaluation method, which are specific to a respective target gas. It is also in It is part of the invention to provide different evaluation methods with different evaluation steps for different target gases.
  • the position of the gas-sensitive element is determined relative to the image acquisition unit in order to localize an analysis area of the image acquired by the image acquisition unit, on which the ambient light that penetrates the gas-sensitive element impinges. As described above, this ensures that only the relevant areas, in particular the relevant pixels of the image acquisition unit, on which the ambient light penetrating the gas-sensitive element impinges are used to detect the target gas.
  • a white light balance (AWB—automatic white balance) of the image acquisition unit takes place between method steps A and B in order to reduce the risk of erroneous detection.
  • the detection unit has at least one reference area which does not have a gas-sensitive element, in particular which is optically transparent at least in the visible wavelength range, preferably in the wavelength range from 380 nm to 780 nm.
  • the ambient light detected by the image acquisition unit, which penetrates the white light balance area is therefore not altered by absorption of a gas-sensitive element and is used to carry out the white light balance.
  • Gasochromic dyes have the ability to change color in the visible spectral range when reacting with a target gas.
  • the dye and gas fit together like a "key and lock” such that only a specific gas selectively triggers the color change.
  • the color change of the gas-sensitive material corresponds directly to the change in absorption of the light that penetrates the gas-sensitive material and is specific to the respective dye. This change can be detected with the image acquisition unit of the mobile evaluation unit, in particular by means of a camera chip.
  • color-sensitive dyes and the detectable target gases are given in Table 1 below.
  • At least one self-test before method step B, preferably between method steps A and B, in which at least one of the following tests is carried out: a) Comparison of the shape of the gas-sensitive element with a predetermined shape, in particular comparison of the Contour of the gas-sensitive element with a predetermined contour; b) Comparison of a predetermined hue for the gas-sensitive element with the hue of the ambient light which has penetrated the gas-sensitive element and which has been detected by the image acquisition unit.
  • test criterion a for example, false detections ons units are detected, as well as damaged detection units in which the gas-sensitive element is damaged and therefore has a different shape.
  • test criterion b for example, wrong detection units without or with unknown gas-sensitive material can be detected. It can also be recognized if the detection unit used has already come into contact with the target gas and a color change has already taken place.
  • a warning is preferably issued to the user, in particular a visual and/or acoustic warning by means of a display unit and/or a loudspeaker unit of the mobile evaluation unit.
  • the optical lens is preferably designed as a converging lens and preferably has a focal length in the range from 1 mm to 2 cm.
  • FIG. 1 shows a sectional illustration of a first exemplary embodiment of a detection unit according to the invention
  • FIG. 2 shows a first exemplary embodiment of a gas sensor according to the invention with a detection unit according to FIG. 1 ;
  • FIG. 3 shows a second exemplary embodiment of a detection unit according to the invention
  • FIG. 4 shows a second exemplary embodiment of a gas sensor according to the invention with a detection unit according to FIG. 3;
  • FIG. 5 shows a third exemplary embodiment of a detection unit according to the invention in a sectional view
  • FIG. 6 shows a plan view from the front of the third exemplary embodiment according to FIG. 5;
  • FIG. 7 is a rear plan view of the third embodiment of FIG. 5;
  • FIG. 8 shows a further exemplary embodiment of a gas sensor according to the invention with a detection unit which has a gas-sensitive element designed as an identification and position mark. All figures show schematic representations that are not true to scale. The same reference symbols in the figures designate elements that are the same or have the same effect.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a detection unit according to the invention for a gas sensor.
  • the detection unit has a gas-sensitive element 1 with a gas-sensitive material.
  • the gas-sensitive element is designed as a gasochromic layer in a manner known per se, so that the optical absorption properties change depending on the contact with a target gas.
  • the gas-sensitive material of the gas-sensitive element is designed as bromophenol blue in order to detect ammonia (NH3) as the target gas.
  • the detection unit has an optical lens 2 designed as a converging lens, which is arranged on an optically transparent lens carrier element 3 .
  • the optical lens and the lens carrier element 3 are made of polymers.
  • the gas-sensitive element 3 is arranged on the lens carrier element 3 .
  • the detection unit is designed for detachable arrangement on a mobile evaluation unit with an image acquisition unit in order to form a gas sensor.
  • the detection unit has a carrier substrate 4 designed as a flexible film, which is optically transparent and is made from polymers.
  • the gas-sensitive element 1 and the optical lens 2 are arranged in such a way that the ambient light which penetrates the gas-sensitive element 1 is focused by means of the optical lens 2 .
  • FIG. 1 shows a partial area of a mobile evaluation unit 5, which is designed as a mobile telephone, with an image acquisition unit.
  • the detection unit is arranged on the mobile evaluation unit by means of the carrier substrate 4, so that the ambient light that penetrates the gas-sensitive element 1 can be imaged by means of the optical lens 2 onto the image acquisition unit of the mobile evaluation unit 5, as explained in more detail below in Figure 2.
  • the carrier substrate 4 is in the form of an adhesive film in order to achieve better adhesion.
  • the carrier substrate 4 has a rubber-based adhesive layer on the side facing away from the optical lens 2 in order to detachably arrange the detection unit on the mobile evaluation unit.
  • the adhesive layer is one or acrylate-based adhesive layers. The use of other adhesive layers is also within the scope of the invention
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a gas sensor according to the invention.
  • the gas sensor has the detection unit shown in FIG. 1 according to the first exemplary embodiment and a mobile evaluation unit with an image acquisition unit, which in the present case is designed as a mobile phone.
  • the mobile evaluation unit is designed as a tablet computer.
  • the image acquisition unit 6 of the mobile evaluation unit 5 has a first camera shown in FIG. 2 on top and a second camera underneath for the usual color spectrum in the visible range for taking photographs.
  • the detection unit is arranged on one of the two cameras, in this case on the lower camera of the image acquisition unit 6 of the mobile evaluation unit 5, in order to detect a color change in the gas-sensitive element 1 of the detection unit using this camera.
  • the edges of the lens carrier element 3 are shown in dashed lines.
  • the ambient light penetrates both the gas-sensitive element 1 and the area surrounding the gas-sensitive element 1 and is focused on the image acquisition unit 6 of the mobile evaluation unit 5 by means of the optical lens 2, so that the gas-sensitive element is imaged on the image acquisition unit 6.
  • the mobile evaluation unit 5 has a computing unit and a data storage unit.
  • An evaluation program is stored in the data storage unit in order to analyze the image data of the image acquisition unit 6 by means of the computer unit.
  • the position of the gas-sensitive element can be determined by analyzing the spatially resolved image data of the image acquisition unit 6, since the gas-sensitive element has an absorption and therefore a characteristic color even without contact with the target gas and can therefore be localized in the image data of the image acquisition unit 6, for example by filtering for pixels with the corresponding color values.
  • those pixels that detect ambient light that penetrates the gas-sensitive element are first localized. Since the gas-sensitive material used and its optical properties are known, a color spectrum is also specified in the evaluation program, which corresponds to the color of the gas-sensitive element when it comes into contact with the target gas.
  • the evaluation program then repeatedly checks whether there is a color change in the specified spectrum at the pixels of the image acquisition unit 6 which are assigned to the gas-sensitive element. If there is a color change, the user is given a warning on a display unit of the mobile evaluation unit 5, which is arranged on the side of the mobile evaluation unit 5 opposite the image acquisition unit 6, that the target gas has been detected.
  • only the light intensity is used as an indicator by means of the evaluation program and the image acquisition unit 6 in order to detect a change in the optical properties of the gas-sensitive element and thus the presence of the target gas.
  • the intensity of the ambient light detected by the image acquisition unit 6, which does not penetrate the gas-sensitive element is therefore also detected and a ratio is formed, presently as the quotient of this reference intensity with the light intensity of the ambient light, which penetrates the gas-sensitive element.
  • FIG. 3 shows a sectional view of a second exemplary embodiment of a detection unit according to the invention.
  • FIG. 4 shows a second exemplary embodiment of a gas sensor according to the invention with a detection unit according to FIG. 3.
  • the second exemplary embodiments of the detection unit and gas sensor are constructed largely in the same way as the first exemplary embodiments according to FIGS. To avoid repetition, the main differences are discussed below.
  • the detection unit according to the second exemplary embodiment has a total of nine gas-sensitive elements with different gas-sensitive materials, so that 9 different target gases can be detected.
  • the nine gas-sensitive elements are arranged on the lens carrier element 3 in a square 3 ⁇ 3 matrix. In the sectional view according to FIG. 3, three gas-sensitive elements can therefore be seen, the gas-sensitive element on the right being identified by the reference numeral 1 as an example.
  • this has only 3 different gas-sensitive materials, with each 3 gas-sensitive elements having the same gas-sensitive material. In this modification, 3 different target gases can thus be detected and there is also redundancy in the measurements, so that the measurement accuracy is improved.
  • a border of the lens carrier element 3 is shown by a dashed line.
  • the 9 gas-sensitive elements are marked with different hatchings.
  • the 9 gas-sensitive elements are arranged at a distance from one another, so that ambient light penetrating the detection unit between the gas-sensitive elements is not absorbed, or only to a small extent, and is not changed in the spectrum.
  • the rectangular grid that forms the distances between the gas-sensitive elements can thus be detected by means of the image sensor 6a of the image acquisition unit 6 .
  • the position of the detection unit relative to the mobile evaluation unit 5 can be deduced from the position of the rectangular grid. In particular, a check is made as to whether all 9 fields of the rectangular grid are captured by the image capturing unit 6 . If this is not the case, the user is informed via the visual display of the mobile Evaluation unit 5 issued an error message so that he can position the detection unit correctly.
  • FIG. 5 shows a sectional view of a third exemplary embodiment of a detection unit according to the invention.
  • the detection unit has a matrix of a total of 49 detection fields, which are arranged in a square 7x7 matrix.
  • Each detection field has 9 gas-sensitive elements, which are arranged in a square 3 ⁇ 3 matrix as described in the second exemplary embodiment for FIGS.
  • the third exemplary embodiment shown in FIG. 5 thus has a large number of gas-sensitive elements, with there being a large redundancy of detection for each of the 9 target gases, since 49 detection units are arranged on the lens carrier element 3 for each of the 9 target gases.
  • the detection unit shown in Figure 5 has a plurality of optical lenses, which are formed from the material of the lens carrier element 3 and are designed as hemispherical extensions on the side of the lens carrier element 3 opposite the gas-sensitive elements are arranged.
  • the optical lens on the right is identified by reference number 2 in FIG. 5 as an example.
  • An optical lens is designed for each detection field, so that the optical lenses are also arranged accordingly in a square 7 ⁇ 7 matrix.
  • the optical lenses 2 have an adhesive layer in order to arrange the detection unit on the mobile evaluation unit 5 .
  • a partial section of the image acquisition unit 6 of the mobile evaluation unit 5 is shown in FIG.
  • the mobile evaluation unit 5 is designed as a tablet computer.
  • FIG. 6 shows a plan view of the detection unit shown in FIG. 5, the detection fields arranged in the 7 ⁇ 7 matrix being shown schematically as squares.
  • the detection field at the top left is shown with an enlarged detail, with the detail enlarged individual gas-sensitive elements can be seen, which are arranged in a 3x3 matrix.
  • FIG. 7 shows a plan view of the rear side of the detection unit shown in FIG. 5, the optical converging lenses, which are arranged in a 7 ⁇ 7 matrix, being shown schematically in each case as a circle.
  • FIG. 8 shows a further exemplary embodiment of a gas sensor according to the invention with a further exemplary embodiment of a detection unit according to the invention.
  • the structure is largely the same as that shown in FIG. 2, with a mobile evaluation unit 5 which has the image acquisition unit 6 on which the detection unit with carrier substrate 4 and lens carrier element 3 and gas-sensitive element 1 indicated by dashed lines is arranged.
  • gas-sensitive element 1 is designed as a geometric figure and thus represents both a position mark and an identification mark.
  • the gas-sensitive element has several angular elements.
  • the position of the angular elements is detected by means of the image sensor, so that the position and rotation of the gas-sensitive element can be detected relative to the image sensor.
  • the detection unit can be distinguished from other detection units which have a gas-sensitive element whose shape and/or individual elements are designed differently from those shown in FIG. The user can thus be provided with a plurality of detection units which have different gas-sensitive dyes and are therefore suitable for detecting different target gases.
  • the detection unit is identified based on the shape of the gas-sensitive element, so that the evaluation is carried out specifically for the gas-sensitive element attached to the mobile evaluation unit and the user can see the target gas detected with this gas-sensitive detection unit in plain text on an optical display of the mobile evaluation unit 5.
  • the gaps between the angular elements of the gas-sensitive element are optically transparent to light in the visible range, so that the pixels of the image sensor of the image acquisition unit 6, which capture ambient light that penetrates these gaps, can be used to measure the intensity of the ambient light and detect a fluctuation in the Intensity of the ambient light can be taken into account in the evaluation as described above by forming a quotient.

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Abstract

Offenbart wird eine Detektionseinheit für einen Gassensor, mit zumindest einem gassensitiven Element (1) mit zumindest einem gassensitiven Material, dessen optische Eigenschaften sich abhängig von dem Kontakt mit einem Zielgas ändern. Die Detektionseinheit ist zum Anordnen an eine mobile Auswerteeinheit (5) mit einer Bilderfassungseinheit (6) ausgebildet, um einen Gassensor auszubilden, wobei die Detektionseinheit zumindest eine optische Linse (2) aufweist und das gassensitive Element (1) und die optische Linse (2) derart angeordnet sind, dass das Umgebungslicht (U), welches das gassensitive Element (1) durchdringt, mittels der optische Linse (2) abbildbar ist, insbesondere bei der an der mobilen Auswerteeinheit (5) angeordneten Detektionseinheit auf die Bilderfassungseinheit (6) abbildbar ist.

Description

Detektionseinheit für einen Gassensor, Gassensor, System zur Detektion einer Mehrzahl unterschiedlicher Zielqase und Verfahren zur Detektion eines Zielqases
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Detektionseinheit für einen Gassensor gemäß Anspruch 1 , einen Gassensor gemäß Anspruch 8, ein System zur Detektion einer Mehrzahl unterschiedlicher Zielgase gemäß Anspruch 9 sowie ein Verfahren zur Detektion eines Zielgases gemäß Anspruch 10.
Gassensoren dienen zur Detektion und Analyse von Gasen. Es sind Gassensoren mit physikalischen und chemischen Messprinzipien bekannt. Die vorliegende Erfindung betrifft kolorimetrische Gassensoren, bei welchen ein gassensitives Element zumindest ein gassensitives Material aufweist, welches seine optischen Eigenschaften abhängig von dem Kontakt mit einem Zielgas ändert. Solche kolorimetrischen Gassensoren werden insbesondere eingesetzt, wenn nur eine begrenzte Energieversorgung zur Verfügung steht und/oder kostengünstige Sensoren zur Verfügung gestellt werden sollen.
Es sind kolorimetrische Gassensoren bekannt, bei welchen mittels Analyse von Umgebungslicht, welches das gassensitive Element des Gassensors durchdringt, die Detektion des Zielgases erfolgt. Ein solcher Gassensor ist aus EP 3 783 341 A1 bekannt.
Es besteht ein Bedarf an kostengünstigen Gassensoren, welche von Benutzern verwendet werden können, die nicht über eine professionelle Ausstattung von speziell zur Gassensorik entwickelten Messgeräten verfügen. Insbesondere im privaten Bereich steigt die Nachfrage nach Sensoren zur Kontrolle von umweltkritischen und gesundheitsschädlichen Gasen stark an. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige Möglichkeit zur Gasdetektion zur Verfügung zu stellen. Gelöst ist diese Aufgabe durch eine Detektionseinheit für einen Gassensor gemäß Anspruch 1 , einen Gassensor mit solch einer Detektionseinheit gemäß Anspruch 8, ein System zur Detektion einer Mehrzahl unterschiedlicher Zielgase gemäß Anspruch 9 sowie einem Verfahren zur Detektion eines Zielgases gemäß Anspruch 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Die erfindungsgemäße Detektionseinheit, der erfindungsgemäße Gassensor sowie das erfindungsgemäße System zur Detektion einer Mehrzahl unterschiedlicher Zielgase sind bevorzugt zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere eine bevorzugten Ausführungsform hiervon ausgebildet.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist bevorzugt zur Durchführung mittels einer erfindungsgemäßen Detektionseinheit, mittels eines erfindungsgemäßen Gassensors oder mittels eines erfindungsgemäßen Systems zur Detektion einer Mehrzahl unterschiedlicher Zielgase, insbesondere mittels bevorzugter Ausführungsformen dieser Vorrichtungen, ausgebildet.
Die vorliegende Erfindung ist auf der Erkenntnis begründet, dass mobile Geräte mit einer Bilderfassungseinheit weit verbreitet sind und in kostengünstiger Weise zur Detektion eines Zielgases verwendet werden können. Insbesondere Mobiltelefone weisen typischerweise nicht nur Bilderfassungseinheiten auf, welche eine Bilderfassung in hoher Qualität, insbesondere guter Farbwiedergabe ermöglichen. Darüber hinaus weisen solche Geräte Rechnereinheiten und Datenspeicher auf, welche eine ausreichende Rechenleistung zur Analyse der Bilddaten der Bilderfassungseinheit mittels bereitgestellter Fremdprogramme (Applikationen, „App“) zur Verfügung stellen.
Bei der vorliegenden Erfindung werden solche Geräte verwendet und mit einer Detektionseinheit ergänzt, um ein oder mehrere Zielgase zu detektieren.
Die eingangs gestellte Aufgabe ist daher durch eine Detektionseinheit gemäß
Anspruch 1 gelöst: Die erfindungsgemäße Detektionseinheit für einen Gassensor weist zumindest ein gassensitives Element mit zumindest einem gassensitiven Material auf, dessen optische Eigenschaften sich abhängig von dem Kontakt mit einem Zielgas ändern.
Solche gassensitiven Materialien sind aus dem Stand der Technik und insbesondere aus EP 3 783 341 A1 bekannt.
Wesentlich ist, dass die Detektionseinheit zum lösbaren Anordnen an eine mobile Auswerteeinheit mit einer Bilderfassungseinheit ausgebildet ist, um einen Gassensor auszubilden. Die Bilderfassungseinheit der mobilen Auswerteeinheit wird somit verwendet, um Umgebungslicht, welches das gassensitive Element der Detektionseinheit durchdringt, zu analysieren und derart eine Änderung der optischen Eigenschaft des gassensitiven Materials und somit die Präsenz des Zielgases detektiert.
Die erfindungsgemäße Detektionseinheit weist zumindest eine optische Linse auf und das gassensitive Element und die optische Linse sind derart angeordnet, dass Umgebungslicht, welches das gassensitive Element durchdringt, mittels der optischen Linse abbildbar ist. Hierdurch wird eine hochwertige und fehlerunanfällige Analyse des Umgebungslichts, welches das gassensitive Element durchdringt, ermöglicht. Das gassensitive Element und die optische Linse sind daher bevorzugt derart ausgebildet, dass das gassensitive Element, welches an der mobilen Auswerteeinheit angeordnet ist, vom Umgebungslicht durchdrungen wird und die Information mittels optischer Linse auf die Bilderfassungseinheit abbildbar ist.
Die optische Linse ist bevorzugt als Sammellinse ausgebildet.
Die erfindungsgemäße Detektionseinheit ermöglicht somit eine kostengünstige Detektion eines Zielgases, da auf bereits vorhandene mobile Geräte wie beispielsweise ein Mobiltelefon oder ein Tabletcomputer (Flachrechner) als mobile Auswerteeinheit zurückgegriffen wird und somit zusätzlich lediglich die Detektionseinheit, welche bevorzugt keine elektrischen oder elektronischen Komponenten aufweist, notwendig ist. Verglichen mit vorbekannten Gassensoren kann eine solche Detektionseinheit erheblich kostengünstiger hergestellt werden, so dass in Kombination mit der mobilen Auswerteeinheit mit Bilderfassungseinheit eine kostengünstige Detektion eines Zielgases auch für private Anwender ermöglicht wird.
Die eingangs erwähnte Aufgabe ist daher ebenso durch einen Gassensor gemäß Anspruch 8 gelöst. Der Gassensor weist eine erfindungsgemäße Detektionseinheit, insbesondere eine vorteilhafte Ausgestaltung hiervon, auf und eine mobile Auswerteeinheit mit einer Bilderfassungseinheit, wobei die mobile Auswerteeinheit als Mobiltelefon oder Tabletcomputer (Flachrechner) ausgebildet ist.
Die Bilderfassungseinheit ist zur ortsaufgelösten Bilderfassung ausgebildet, bevorzugt mittels eines an sich bekannten Bilderfassungselements, insbesondere mittels zumindest eines CCD-Chips.
Die mobile Auswerteeinheit weist eine Rechnereinheit und eine Speichereinheit (Datenspeichereinheit) auf, um Programme auszuführen. Insbesondere ist die mobile Auswerteeinheit dazu ausgebildet, Programme auszuführen, um mittels der Bilderfassungseinheit erfasste Bilddaten auszuwerten.
Hierdurch wird die zuvor beschriebene kostengünstige Gasdetektion ermöglicht.
Die eingangs erwähnte Aufgabe ist ebenso durch ein erfindungsgemäßes Verfahren nach Anspruch 10 gelöst. Das Verfahren weist die folgenden Verfahrensschritte auf:
A. Anordnen einer erfindungsgemäßen Detektionseinheit, insbesondere einer vorteilhaften Ausgestaltung, an einer mobilen Auswerteeinheit
(5) mit einer Bilderfassungseinheit (6), insbesondere an einem Mobiltelefon;
B. Analysieren des Umgebungslichts, welches das gassensitive Element (1) der Detektionseinheit durchdringt mittels der Bilderfassungseinheit
(6), um das Zielgas zu detektieren;
C. Ablösen der Detektionseinheit von der mobilen Auswerteeinheit (5). Hierdurch wir ein kostengünstiges, für den Benutzer unaufwendiges Verfahren zur Detektion eines Zielgases zur Verfügung gestellt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Detektionseinheit weist die Detektionseinheit eine Mehrzahl an optischen Linsen auf, welche in einer Linsenmatrix angeordnet sind, um einen flächigen Bereich in einer Mehrzahl von Fokussierungsstrahlen abzubilden, insbesondere bei, an der mobilen Auswerteeinheit angeordneter Detektionseinheit, einer Mehrzahl von Fokussierungsstrahlen auf eine Mehrzahl ortsverschiedener Punkte der Bilderfassungseinheit abzubilden.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine größere Fläche auf unterschiedliche Detektionsbereiche der Bilderfassungseinheit abgebildet werden kann.
Die Detektionseinheit wird bevorzugt durch den Benutzer lösbar an der mobilen Auswerteeinheit, bevorzugt unmittelbar an der Bilderfassungseinheit angeordnet. Typischerweise kann hierbei nicht sicher vorgegeben werden, an welcher Position, insbesondere in welchem Detektionsbereich der Bilderfassungseinheit das gassensitive Element der Detektionseinheit angeordnet wird. In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Detektionseinheit daher zumindest eine Positionsmarke auf, um bei an der mobilen Auswerteeinheit angeordneter Detektionseinheit die Position der Detektionseinheit relativ zu der Bilderfassungseinheit zu bestimmen. Hierdurch kann in einfacher Weise die Position des gassensitiven Elements relativ zu der Bilderfassungseinheit bestimmt werden und somit auch die Bildpunkte der Bilderfassungseinheit bestimmt werden, auf welche das Umgebungslicht, welches das gassensitive Element durchdringt, mittels der optischen Linse oder der Mehrzahl an optischen Linsen fokussiert wird, um das gassensitive Element auf die Bilderfassungseinheit abzubilden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Positionsmarke als geometrische Form ausgebildet. Hierdurch lässt sich die Position des gassensitiven Elements bestimmen.
Vorteilhafterweise ist die Position des gassensitiven Elements, insbesondere bevorzugt aller gassensitiver Elemente, wenn die Detektionseinheit mehrere gassensitive Elemente aufweist, vorgegeben, insbesondere bevorzugt in der zu- vor beschriebenen Datenspeichereinheit der mobilen Auswerteeinheit gespeichert. Mittels der Bilderfassungseinheit wird die Positionsmarke erfasst und hierdurch die Position des gassensitiven Elements, insbesondere bevorzugt aller gassensitiver Elemente, wenn die Detektionseinheit mehrere gassensitive Elemente aufweist, bestimmt. Bevorzugt wird die Lage und Ausrichtung (Drehung) der Detektionseinheit relativ zu der mobilen Auswerteeinheit bestimmt.
Es ist daher vorteilhaft, dass die Positionsmarke als geometrische Figur mit einer Drehsymmetrie kleiner gleich 2, bevorzugt ohne Drehsymmetrie ausgebildet ist, um eine Mehrdeutigkeit bei Bestimmung der Lage zu verringern, insbesondere auszuschließen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Positionsmarke mit Abstand zu dem gassensitiven Element angeordnet, insbesondere als Figur und/oder Muster, welches zumindest für Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich, bevorzugt im Wellenlängenbereich von 380 nm bis 780 nm, undurchlässig ist, insbesondere absorbierend oder reflektierend ausgebildet ist.
In einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung ist die Positionsmarke in dem gassensitiven Element integriert, insbesondere bevorzugt aus dem gassensitiven Material des gassensitiven Elements ausgebildet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das gassensitive Element zumindest teilweise, bevorzugt umlaufend von einem optisch transparenten Bereich, bevorzugt im sichtbaren Wellenlängenbereich, insbesondere im Wellenlängenbereich von 380 nm bis 780 nm transparenten Bereich umgeben. Bei dieser vorteilhaften Ausgestaltung kann somit durch Detektion des gassensitiven Elements, insbesondere des oder der Ränder des gassensitiven Elements, die Position und Lage, insbesondere Drehung des gassensitiven Elements relativ zu der Bilderfassungseinheit bestimmt werden. Die transparenten Bereiche werden bevorzugt zusätzlich als Referenzbereich zur Messung einer Intensitätsänderung des Umgebungslichts und/oder für einen Weißlichtabgleich verwendet, wie jeweils an anderer Stelle beschrieben. Vorteilhafterweise ist daher das gassensitive Element als Positionsmarke ausgebildet, insbesondere bevorzugt mit einer Form ausgebildet, welche eine Drehsymmetrie kleiner gleich 2, bevorzugt keine Drehsymmetrie aufweist, um eine Mehrdeutigkeit bei Bestimmung der Lage zu verringern, insbesondere auszuschließen.
Für die Detektion unterschiedlicher Zielgase ist es vorteilhaft, Detektionseinheiten mit unterschiedlichen gassensitiven Materialien, die zur Detektion unterschiedlicher Zielgase geeignet sind, zur Verfügung zu stellen.
Typischerweise weisen gassensitive Materialien für unterschiedliche Zielgase auch eine unterschiedliche Änderung der optischen Eigenschaft bei Kontakt mit dem Zielgas auf.
Es ist daher vorteilhaft, die Auswertung der mittels der Bilderfassungseinheit erfassten Daten spezifisch für das jeweils verwendete gassensitive Material vorzugeben.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Detektionseinheit daher zumindest eine Identifikationsmarke auf, um die, an der mobilen Auswerteeinheit angeordneten Detektionseinheit, die Detektionseinheit mittels der Bilderfassungseinheit zu identifizieren.
Durch die Identifikation der Detektionseinheit und entsprechend die hierdurch gewonnene Kenntnis des gassensitiven Materials der an der mobilen Auswerteeinheit angeordneten Detektionseinheit, kann die für dieses gassensitive Material spezifisch abgestimmte Auswertung der Daten mittels der Bilderfassungseinheit der mobilen Auswerteeinheit erfolgen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird daher eine Detektionseinheit mit einer Identifikationsmarke verwendet. Weiterhin wird mittels der Bilderfassungseinheit und Identifikationsmarke die Detektionseinheit identifiziert und abhängig von der Identifizierung wird eines von mehreren in der mobilen Auswerteeinheit gespeicherten Auswerteverfahren für die Analyse des Umgebungslichts, welches das gassensitive Licht durchdringt, verwendet. Typische gassensitive Materialien unterscheiden sich bereits im Ausgangszustand ohne Kontakt mit dem Zielgas in ihren optischen Eigenschaften, insbesondere ihrer Farbe. In einer kostengünstigen alternativen vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt die Identifikation der Detektionseinheit über eine Analyse des Umgebungslichts, welches das gassensitive Element durchdringt, mittels der Bilderfassungseinheit. Anhand von Kenndaten, insbesondere anhand von spezifischen Spektraldaten für die unterschiedlichen gassensitiven Materialen, kann so eine Identifikation der Detektionseinheit erfolgen, ohne dass eine Identifikationsmarke notwendig ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das gassensitive Element als Identifikationsmarke ausgebildet. Hierzu weist das gassensitive Element eine spezifische Form auf, welche mittels der Bilderfassungseinheit detektiert wird, um die Detektionseinheit zu identifizieren. Insbesondere können mehrere Detektionseinheiten mit gassensitiven Elementen für unterschiedliche Zielgase voneinander unterschieden werden, indem in einer vorteilhaften Ausgestaltung die gassensitiven Elemente unterschiedliche Formen aufweisen.
Die Identifikationsmarke ist bevorzugt als Figurencode ausgebildet, insbesondere bevorzugt als optoelektronisch lesbare Schrift, bevorzugt als Strichcode (Barcode) oder zweidimensionaler Code (Matrix Barcode), insbesondere QR- Code oder DataMatrix-Code.
Aufgrund der Verwendung von Umgebungslicht als Lichtquelle liegen typischerweise Messbedingungen mit unterschiedlicher Lichtstärke und unterschiedlichen Spektren des Lichts vor, welches die Detektionseinheit durchdringt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Detektionseinheit daher zumindest einen für das Zielgas nicht gassensitiven Referenzbereich auf, welcher derart angeordnet ist, dass das Umgebungslicht, welches den Referenzbereich durchdringt, mittels der optischen Linse oder einer weiteren optischen Linse der Detektionseinheit abbildbar ist, insbesondere, sodass die an der mobilen Auswerteeinheit angeordnete Detektionseinheit auf die Bilderfassungseinheit abbildbar ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass mittels der Bilderfassungseinheit separat das den Referenzbereich durchdringende Umgebungslicht erfasst werden kann und durch Auswertung dieser Bilddaten auf die Intensität und/oder das Spektrum des Umgebungslichts rückgeschlossen werden kann und diese Daten bei der Auswertung der Bilddaten, welche dem Umgebungslicht zugeordnet sind, welches das gassensitive Element durchdringt, verwendet werden.
Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, dass die optischen Eigenschaften des Referenzbereichs im Wesentlichen den optischen Eigenschaften des gassensitiven Elements ohne Kontakt mit dem Zielgas entsprechen. Hierdurch ist in einfacher Weise ein Vergleich der mittels der Bilderfassungseinheit ermittelten Daten des Umgebungslichts, welches den Referenzbereich durchdringt, mit dem Umgebungslicht, welches das gassensitive Element durchdringt, möglich und in einfacher Weise kann eine Abweichung, welche auf eine Änderung der optischen Eigenschaften des gassensitiven Elements und somit ein Vorliegen des Zielgases indiziert, detektiert werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird daher eine Detektionseinheit mit einem für das Zielgas nicht gassensitiven Referenzbereich verwendet und mittels der Bilderfassungseinheit wird Umgebungslicht analysiert, welches den Referenzbereich durchdringt.
In einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung ist der Referenzbereich optisch transparent ausgebildet, bevorzugt im sichtbaren Wellenlängenbereich, insbesondere im Wellenlängenbereich von 380 nm bis 780 nm transparent ausgebildet. Auch in dieser Ausgestaltung wird eine Intensitätsänderung des Umgebungslichts, welches den Referenzbereich durchdringt, erfasst und bei der Auswertung wie zuvor berücksichtigt. Bevorzugt wird daher zusätzlich die Intensität des mittels der Bilderfassungseinheit erfassten Umgebungslichts, welches den Referenzbereich durchdringt, erfasst und ein Verhältnis gebildet, vorliegend als Quotient dieser Referenzintensität mit der Lichtintensität des Umgebungslichts, welches das gassensitive Element durchdringt. Durch die Berücksichtigung dieser Referenzintensität können Fehldetektionen bei einer sich ändernden Intensität des Umgebungslichts vermieden werden. In einer vorteilhaften Weiterbildung wird das Umgebungslicht, welches den Referenzbereich durchdringt, zusätzlich für einen Weißlichtabgleich verwendet, wie weiter unten beschrieben.
Zur Erhöhung der Genauigkeit beim Erfassen einer Farbänderung des gassensitiven Elements mittels der Bilderfassungseinheit ist es vorteilhaft, eine Farbkalibrierung durchzuführen, bevorzugt vor Verfahrensschritt B. Vorteilhafterweise weist die Detektionseinheit daher eine Kalibrierskala auf, welche mehrere farbige Flächen aufweist, insbesondere bevorzugt ein kalibriertes Farbmuster, bevorzugt eine RGB- oder CMYK-Farbskala. Mittels der Bilderfassungseinheit wird das Umgebungslicht, welches die Kalibrierskala durchdringt, erfasst. Weiterhin sind die Kalibrierdaten, insbesondere die Farbdaten der Kalibrierskala vorgegeben, insbesondere in einer Speichereinheit der mobilen Auswerteeinheit gespeichert. Mittels dieser Daten wird bevorzugt vor Durchführen der Gasdetektion eine Farbkalibrierung der Bilderfassungseinheit durchgeführt.
Vorteilhafterweise weist die Detektionseinheit eine flexible Folie als Trägersubstrat auf und das gassensitive Element und die optische Linse sind in dem Trägersubstrat ausgebildet und/oder an dem Trägersubstrat angeordnet. Hierdurch wird eine einfache Handhabung der Detektionseinheit ermöglicht.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass das gassensitive Material des gassensitiven Elements auf dem Trägersubstrat angeordnet ist, bevorzugt auf der Vorderseite des Trägersubstrats, welche der an der mobilen Auswerteeinheit angeordneten Detektionseinheit der Auswerteeinheit abgewandt ist.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die optische Linse an einer dem gassensitiven Element gegenüberliegenden Seite des Trägersubstrats angeordnet ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind optische Linse und gassensitives Element an einer gemeinsamen Seite des Trägersubstrates angeordnet. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass die optische Linse zwischen gassensitivem Element und Trägersubstrat angeordnet ist. Hierdurch ist kein unmittelbarer Kontakt zwischen optischer Linse und mobiler Auswerteeinheit notwendig. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, dass das gassensitive Element in dem Trägersubstrat ausgebildet ist, indem das gassensitive Material in das Trägersubstrat eingebettet ist. Hierdurch ergibt sich ein robuster Aufbau.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die optische Linse in dem Trägersubstrat ausgebildet. Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die optische Linse durch Modifikation des Brechungsindex im Trägersubstrat ausgebildet wird. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, dass die optische Linse durch Prägen oder Stanzen ausgebildet wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die optische Linse als Fresnellinse ausgebildet. Hierdurch wird eine kostengünstige Herstellung und eine geringe Gesamtdicke der Detektionseinheit ermöglicht.
Vorteilhafterweise weist das Trägersubstrat eine Klebeschicht auf, um die Detektionseinheit lösbar an der mobilen Auswerteeinheit anzuordnen. Hierdurch ist eine für den Benutzer einfache Handhabung gewährleistet. Als Klebstoff für ein rückstanzfreies lösbares Anordnen des Trägersubstrats an der mobilen Auswerteinheit wird bevorzugt ein Kautschuk- oder Acrylat-basierter Klebstoff verwendet.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die Detektionseinheit genau ein gassensitives Element mit genau einem gassensitiven Material aufweist. Hierdurch kann in kostengünstiger Weise die Detektion eines Zielgases erfolgen.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die Detektionseinheit mehrere nebeneinanderliegende gassensitive Elemente aufweist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen diese gassensitiven Elemente dasselbe gassensitive Material auf. Hierdurch können redundante Messungen durchgeführt werden, um die Genauigkeit der Messung zu erhöhen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Detektionseinheit mehrere nebeneinander liegende gassensitive Elemente mit unterschiedlichen gassensitiven Materialien auf, so dass mehrere Zielgase detektiert werden können, ohne dass die Detektionseinheit ausgetauscht werden muss. Die vorliegende Erfindung ermöglicht darüber hinaus die kostengünstige Bereitstellung eines Systems, welches zur Detektion unterschiedlicher Zielgase geeignet ist:
Das erfindungsgemäße System zur Detektion einer Mehrzahl unterschiedlicher Zielgase weist eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen Detektionseinheiten, insbesondere gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung auf, wobei jede Detektionseinheit zur Detektion eines zu den anderen Detektionseinheiten unterschiedlichen Zielgase ausgebildet ist und eine zu den anderen Detektionseinheiten unterschiedliche Identifikationsmarke und/oder einen unterschiedlichen Referenzbereich aufweist.
Das System weist weiterhin eine mobile Auswerteeinheit mit einer Bilderfassungseinheit auf, insbesondere ein Mobiltelefon oder ein Tabletcomputer, wobei die mobile Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, die Detektionseinheit abhängig von den mittels der Bilderfassungseinheit erfassten optischen Daten der Identifikationsmarke und/oder des Referenzbereichs der Detektionseinheit zu identifizieren.
Der Benutzer kann somit je nach gewünschten Zielgas die entsprechende Detektionseinheit auswählen und an der mobilen Auswerteeinheit anordnen. Anhand der Identifikationsmarke der Detektionseinheit und/oder des Referenzbereichs identifiziert die mobile Auswerteeinheit automatisch die an der Auswerteeinheit angeordnete Detektionseinheit und wählt entsprechend die passende Auswertung der, mittels der Bilderfassungseinheit ermittelten, Bilddaten des Umgebungslichts aus, welches das gassensitive Element der Detektionseinheit durchdringt.
Vorteilhafterweise ist daher in einem Datenspeicher der mobilen Auswerteeinheit eine Mehrzahl von Auswerteverfahren gespeichert und eine Auswahl des Auswerteverfahrens zur Detektion eines Zielgases erfolgt, abhängig von der Identifikation der Detektionseinheit.
Hierbei liegt es im Rahmen der Erfindung, dass die Auswerteverfahren für unterschiedliche Zielgase sich lediglich in Parametern des Auswerteverfahrens, welche für ein jeweiliges Zielgas spezifisch sind, unterscheiden. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, für unterschiedliche Zielgase unterschiedliche Auswerteverfahren mit unterschiedlichen Auswerteschritten vorzusehen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Position des gassensitiven Elementes relativ zu der Bilderfassungseinheit bestimmt, um einen Analysebereich des von der Bilderfassungseinheit erfassten Bildes zu lokalisieren, auf welchem das Umgebungslicht auftrifft, welches das gassensitive Element durchdringt. Hierdurch wird wie zuvor beschrieben sichergestellt, dass zur Detektion des Zielgases lediglich die relevanten Bereiche, insbesondere die relevanten Bildpunkte der Bilderfassungseinheit verwendet werden, auf welche das, das gassensitive Element durchdingende, Umgebungslicht auftrifft.
Vorteilhafterweise wird die Position des gassensitiven Elements anhand eines oder mehrerer der folgenden Merkmale
- ein umlaufender Rand des gassensitiven Elements, welcher unterschiedliche optische Eigenschaften zu dem gassensitiven Element aufweist;
- die Position einer Positionsmarke der Detektionseinheit;
- die Position einer Referenzmarke der Detektionseinheit, insbesondere einer als Farbfilter ausgebildeten Referenzmarke;
- die Position einer Identifikationsmarke der Detektionseinheit; bestimmt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt zwischen den Verfahrensschritten A und B ein Weißlichtabgleich (AWB - automatic white balance) der Bilderfassungseinheit, um das Risiko einer Fehldetektion zu verringern. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass die Detektionseinheit zumindest einen Referenzbereich aufweist, welcher kein gassensitives Element aufweist, insbesondere, welcher zumindest im sichtbaren Wellenlängenbereich, bevorzugt im Wellenlängenbereich 380 nm bis 780 nm optisch transparent ausgebildet ist. Das mittels der Bilderfassungseinheit detektierte Umgebungslicht, welches den Weißlichtabgleichbereich durchdringt, ist somit nicht durch Absorption eines gassensitiven Elements verändert und wird zur Durchführung des Weißlichtabgleichs verwendet. Gasochrome Farbstoffe besitzen die Fähigkeit, bei der Reaktion mit einem Zielgas ihre Farbe im sichtbaren Spektralbereich zu ändern. Idealerweise passen Farbstoff und Gas wie „Schlüssel und Schloss“ zusammen, so dass nur ein bestimmtes Gas selektiv die Farbänderung auslöst. Die Farbänderung des gassensitiven Materials entspricht direkt der Absorptionsänderung des Lichts, welches das gassensitive Material durchdringt und ist für den jeweiligen Farbstoff spezifisch. Diese Änderung kann mit der Bilderfassungseinheit der mobilen Auswerteeinheit, insbesondere mittels eines Kamerachips detektiert werden.
Beispiele für farbsensitive Farbstoffe und die detektierbaren Zielgase sind in nachfolgender Tabelle 1 angegeben.
Tabelle 1
Um fehlerhafte Messungen zu vermeiden ist es vorteilhaft, vor Verfahrensschritt B, bevorzugt zwischen Verfahrensschritt A und B zumindest einen Selbsttest durchzuführen, bei welchem zumindest eine der folgenden Prüfungen durchgeführt wird: a) Vergleich der Form des gassensitiven Elements mit einer vorgegebenen Form, insbesondere Vergleich der Kontur des gassensitiven Elements mit einer vorgegebenen Kontur; b) Vergleich eines vorgegebenen Farbtons für das gassensitive Element mit dem mittels der Bilderfassungseinheit detektierten Farbton des Umgebungslichts, welches das gassensitive Element durchdrungen hat.
Solche Prüfungen ermöglichen das Erkennen fehlerhafter Detektionseinheiten. Mit dem vorgenannten Prüfkriterium a) können beispielsweise falsche Detekti- onseinheiten erkannt werden, ebenso beschädigte Detektionseinheiten, bei welchen das gassensitive Element beschädigt ist und daher eine andere Form aufweist. Mit Prüfkriterium b) können beispielsweise falsche Detektionseinheiten ohne oder mit unbekanntem gassensitivem Material erkannt werden. Ebenso kann erkannt werden, wenn die verwendete Detektionseinheit bereits in Kontakt mit dem Zielgas kam und ein Farbumschlag bereits erfolgte.
Bevorzugt wird bei Nichterfüllen des oder der Prüfkriterien eine Warnung an den Benutzer ausgegeben, insbesondere eine optische und/oder akustische Warnung mittels einer Anzeigeeinheit und/oder einer Lautsprechereinheit der mobilen Auswerteeinheit.
Die optische Linse ist bevorzugt als Sammellinse ausgebildet und weist bevorzugt eine Brennweite im Bereich 1 mm bis 2 cm auf.
Weitere vorteilhafte Merkmale und Ausgestaltungen werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 Eine Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Detektionseinheit;
Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gassensors mit einer Detektionseinheit gemäß Fig. 1 ;
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Detektionseinheit;
Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gassensors mit einer Detektionseinheit gemäß Fig. 3;
Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Detektionseinheit in Schnittdarstellung;
Fig. 6 eine Draufsicht von vorne auf das dritte Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5;
Fig. 7 eine Draufsicht von hinten auf das dritte Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5;
Fig. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gassensors mit einer Detektionseinheit, die ein als Identifikations- und Positionsmarke ausgebildetes gassensitives Element aufweist. Sämtliche Figuren zeigen schematische, nicht maßstabsgetreue Darstellungen. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleich oder gleichwirkende Elemente.
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Detektionseinheit für einen Gassensor.
Die Detektionseinheit weist ein gassensitives Element 1 mit einem gassensitiven Material auf. Das gassensitive Element ist an sich bekannter Weise als gaso- chrome Schicht ausgebildet, so dass sich die optischen Absorptionseigenschaften abhängig von dem Kontakt mit einem Zielgas ändern. Vorliegend ist das gassensitive Material des gassensitiven Elements als Bromphenolblau ausgebildet, um Ammoniak (NH3) als Zielgas zu detektieren.
Beispiele für alternative Ausgestaltungen mit alternativen Farbstoffen und den damit detektierbaren Zielgasen sind in der zuvor aufgeführten Tabelle 1 angegeben.
Die Detektionseinheit weist eine als Sammellinse ausgebildete optische Linse 2 auf, welche an einem optisch transparenten Linsenträgerelement 3 angeordnet ist. Die optische Linse und das Linsenträgerelement 3 sind vorliegend aus Polymeren ausgebildet.
Auf dem Linsenträgerelement 3 ist das gassensitive Element 3 angeordnet.
Die Detektionseinheit ist zum lösbaren Anordnen an eine mobile Auswerteeinheit mit einer Bilderfassungseinheit ausgebildet, um einen Gassensor auszubilden.
Hierzu weist die Detektionseinheit gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ein als flexible Folie ausgebildetes Trägersubstrat 4 auf, welches optisch transparent ist und aus Polymeren ausgebildet ist. Das gassensitive Element 1 und die optische Linse 2 sind derart angeordnet, dass das Umgebungslicht, welches das gassensitive Element 1 durchdringt, mittels der optischen Linse 2 fokussiert wird.
In Figur 1 ist schematisch ein Teilbereich einer mobilen Auswerteeinheit 5, welche vorliegen als Mobiltelefon ausgebildet ist, mit einer Bilderfassungseinheit dargestellt.
Mittels dem Trägersubstrat 4 ist die Detektionseinheit an der mobilen Auswerteeinheit angeordnet, so dass das Umgebungslicht, welches das gassensitive Element 1 durchdringt, mittels der optischen Linse 2 auf die Bilderfassungseinheit der mobilen Auswerteeinheit 5 abbildbar ist, wie nachfolgend in Figur 2 näher erläutert.
Aufgrund des geringen Gewichts der Detektionseinheit ist eine ausreichende Haftung an der mobilen Auswerteeinheit bereits durch den Luftdruck der Umgebung vorhanden.
In einer Weiterbildung des ersten Ausführungsbeispiels ist das Trägersubstrat 4 als Adhäsionsfolie ausgebildet, um eine bessere Haftung zu erzielen.
In einer alternativen Weiterbildung weist das Trägersubstrat 4 an der der optischen Linse 2 abgewandten Seite vorliegend eine Kautschuk-basierte Klebeschicht auf, um die Detektionseinheit lösbar an der mobilen Auswerteeinheit anzuordnen. In einer alternativen Ausgestaltung ist die Klebeschicht eine oder Ac- rylat-basierte Klebeschichten. Ebenso liegt die Verwendung anderer Klebeschichten im Rahmen der Erfindung
In Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gassensors dargestellt. Der Gassensor weist die in Figur 1 gezeigte Detektionseinheit gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel auf sowie eine mobile Auswerteeinheit mit Bilderfassungseinheit, welche vorliegend als Mobiltelefon ausgebildet ist. In einer alternativen Ausgestaltung ist die mobile Auswerteeinheit als Tabletcomputer ausgebildet. Die Bilderfassungseinheit 6 der mobilen Auswerteeinheit 5 weist eine in Figur 2 obenliegende dargestellte erste Kamera und eine darunterliegende zweite Kamera für das übliche Farbspektrum im sichtbaren Bereich zur Aufnahme von Fo- tographien auf. Die Detektionseinheit wird vorliegend an einer der beiden Kameras, vorliegend an der unteren Kamera der Bilderfassungseinheit 6 der mobilen Auswerteeinheit 5 angeordnet, um einen Farbumschlag des gassensitiven Elements 1 der Detektionseinheit mittels dieser Kamera zu detektieren.
Die Ränder des Linsenträgerelementes 3 sind gestrichelt dargestellt.
Das Umgebungslicht durchdringt sowohl das gassensitive Element 1 , als auch den das gassensitive Element 1 umgebenden Bereich und wird mittels der optischen Linse 2 auf die Bilderfassungseinheit 6 der mobilen Auswerteeinheit 5 fokussiert, so dass das gassensitive Element auf die Bilderfassungseinheit 6 abgebildet wird.
Die mobile Auswerteeinheit 5 weist eine Recheneinheit und eine Datenspeichereinheit auf. In der Datenspeichereinheit ist ein Auswerteprogramm gespeichert, um mittels der Rechnereinheit die Bilddaten der Bilderfassungseinheit 6 zu analysieren.
Auch wenn kein Kontakt zwischen einem Zielgas und dem gassensitiven Element 1 besteht, kann mittels Analyse der ortsaufgelösten Bilddaten der Bilderfassungseinheit 6 die Position des gassensitiven Elements ermittelt werden, da das gassensitive Element auch ohne Kontakt mit dem Zielgas eine Absorption und somit eine charakteristische Farbe aufweist und daher in den Bilddaten der Bilderfassungseinheit 6 lokalisiert werden kann, beispielsweise durch Filtern auf Bildpunkte mit den entsprechenden Farbwerten.
Bei der Auswertung erfolgt zunächst wie zuvor beschrieben eine Lokalisierung derjenigen Bildpunkte, welche Umgebungslicht erfassen, das das gassensitive Element durchdringt. Da das verwendete gassensitive Material und dessen optische Eigenschaften bekannt sind, ist in dem Auswerteprogramm weiterhin ein Farbspektrum vorgegeben, welches der Farbe des gassensitiven Elements bei Kontakt mit dem Zielgas entspricht.
Mittels des Auswerteprogramms wird nun sich wiederholend geprüft, ob ein Farbumschlag in das vorgegebene Spektrum an den Bildpunkten der Bilderfassungseinheit 6, welche dem gassensitiven Element zugeordnet sind, erfolgt. Bei Vorliegen eines Farbumschlags wird dem Benutzer auf einer Anzeigeeinheit der mobilen Auswerteeinheit 5, welche auf der Bilderfassungseinheit 6 gegenüberliegenden Seite der mobilen Auswerteeinheit 5 angeordnet ist, eine Warnmeldung ausgegeben, dass das Zielgas detektiert wurde.
In einer alternativen Ausgestaltung wird mittels des Auswerteprogramms und der Bilderfassungseinheit 6 lediglich die Lichtintensität als Indikator verwendet, um eine Änderung der optischen Eigenschaften des gassensitiven Elements und somit ein Vorliegen des Zielgases zu detektieren. Bei einer solchen Auswertung besteht das Risiko, dass eine Änderung der Intensität des Umgebungslichts zu einer Fehldetektion führt. In einer Weiterbildung des Ausführungsbeispiels wird daher zusätzlich die Intensität des mittels der Bilderfassungseinheit 6 erfassten Umgebungslicht, welches nicht das gassensitive Element durchdringt, erfasst und ein Verhältnis gebildet, vorliegend als Quotient dieser Referenzintensität mit der Lichtintensität des Umgebungslichts, welches das gassensitive Element durchdringt. Durch die Berücksichtigung dieser Referenzintensität können Fehldetektionen bei einer sich ändernden Intensität des Umgebungslichts vermieden werden.
In einer Abwandlung des in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiels sind an der in Figur 1 obenliegende Seite des Linsenträgerelementes 3 mehrere gassensitive Elemente angeordnet, insbesondere ist bevorzugt eine Matrix mit einer Vielzahl gassensitiver Elemente, vorliegend eine 5x5 Matrix mit somit insgesamt 25 gassensitiven Elementen ausgebildet. Die gassensitiven Elemente weisen zueinander verschiedene gassensitive Materialien auf, so dass eine Detektion einer Vielzahl von Zielgasen möglich ist. In Figur 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Detektionseinheit in Schnittdarstellung gezeigt. In Figur 4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gassensors mit einer Detektionseinheit gemäß Figur 3. Die zweiten Ausführungsbeispiele von Detektionseinheit und Gassensor sind weitgehend gleich den ersten Ausführungsbeispielen gemäß der Figuren 1 und 2 aufgebaut. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird nachfolgend auf die wesentlichen Unterschiede eingegangen.
Die Detektionseinheit gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel weist insgesamt neun gassensitive Elemente mit verschiedenen gassensitiven Materialien auf, so dass 9 verschiedene Zielgase detektiert werden können. Die neun gassensitiven Elemente sind in einer quadratischen 3x3 Matrix auf dem Linsenträgerelement 3 angeordnet. In der Schnittdarstellung gemäß Figur 3 sind daher 3 gassensitive Elemente ersichtlich, wobei das rechtsliegende gassensitive Element exemplarisch mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnet ist. In einer Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels weist dieses lediglich 3 unterschiedliche gassensitive Materialien auf, wobei jeweils 3 gassensitive Elemente das gleiche gassensitive Material aufweisen. In dieser Abwandlung können somit 3 unterschiedliche Zielgase detektiert werden und es besteht bei den Messungen darüber hinaus Redundanz, so dass die Messgenauigkeit verbessert wird.
Bei der in Figur 4 gezeigten Draufsicht von oben ist, wie auch in Figur 2, eine Umrandung des Linsenträgerelementes 3 durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Die 9 gassensitiven Elemente sind durch unterschiedliche Schraffierungen gekennzeichnet. Die 9 gassensitiven Elemente sind im Abstand voneinander angeordnet, sodass zwischen den gassensitiven Elementen die Detektionseinheit durchdringendes Umgebungslicht nicht oder nur in geringem Umfang absorbiert und nicht im Spektrum verändert wird.
Mittels des Bildsensors 6a der Bilderfassungseinheit 6 kann somit das rechtwinklige Gitter, welches die Abstände zwischen den gassensitiven Elementen ausbilden, detektiert werden. Anhand der Lage des rechtwinkligen Gitters kann auf die Position der Detektionseinheit relativ zu der mobilen Auswerteeinheit 5 rückgeschlossen werden. Insbesondere erfolgt eine Prüfung, ob alle 9 Felder des rechtwinkligen Gitters mittels der Bilderfassungseinheit 6 erfasst werden. Ist dies nicht der Fall, so wird dem Benutzer über die optische Anzeige der mobilen Auswerteeinheit 5 eine Fehlermeldung ausgegeben, sodass er die Detektionseinheit korrekt positionieren kann.
In Figur 5 ist ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Detektionseinheit in Schnittdarstellung gezeigt. Die Detektionseinheit weist eine Matrix von insgesamt 49 Detektionsfeldern auf, welche in einer quadratischen 7x7 Matrix angeordnet sind. Jedes Detektionsfeld weist 9 gassensitive Elemente auf, welche in einer quadratischen 3x3 Matrix wie bei dem 2. Ausführungsbeispiel zu den Figuren 3 und 4 beschrieben angeordnet sind.
Das in Figur 5 gezeigte dritte Ausführungsbeispiel weist somit eine große Anzahl von gassensitiven Elementen auf, wobei für jedes der 9 Zielgase, eine große Redundanz der Detektion vorliegt, da für jedes der 9 Zielgase jeweils 49 Detektionseinheiten auf dem Linsenträgerelement 3 angeordnet sind.
Im Unterschied zu dem 1. und dem 2. Ausführungsbeispiel einer Detektionseinheit weist die in Figur 5 dargestellte Detektionseinheit eine Mehrzahl von optischen Linsen auf, welche aus dem Material des Linsenträgerelementes 3 ausgebildet sind und als halbkugelförmige Fortsätze an der den gassensitiven Elementen gegenüberliegenden Seite des Linsenträgerelementes 3 angeordnet sind. Exemplarisch ist in Figur 5 die rechtsliegende optische Linse mit dem Bezugszeichen 2 gekennzeichnet. Für jedes Detektionsfeld ist eine optische Linse ausgebildet, sodass entsprechend auch die optischen Linsen in einer quadratischen 7x7 Matrix angeordnet sind.
Die optischen Linsen 2 weisen eine Klebeschicht auf, um die Detektionseinheit an der mobilen Auswerteeinheit 5 anzuordnen. Zur Verdeutlichung ist in Figur 5 ein Teilausschnitt der Bilderfassungseinheit 6 der mobilen Auswerteeinheit 5 dargestellt. Die mobile Auswerteeinheit 5 ist vorliegend als Tabletcomputer ausgebildet.
In Figur 6 ist eine Draufsicht auf die in Figur 5 gezeigte Detektionseinheit dargestellt, wobei schematisch die in der 7x7 Matrix angeordneten Detektionsfelder als Quadrate dargestellt sind. Das links obenliegende Detektionsfeld ist mit einer Ausschnittsvergrößerung gezeigt, wobei in der Ausschnittsvergrößerung die einzelnen gassensitiven Elemente ersichtlich sind, welche in einer 3x3 Matrix angeordnet sind.
Figur 7 zeigt eine Draufsicht auf die Rückseite der in Figur 5 gezeigten Detektionseinheit, wobei schematisch die optischen Sammellinsen, welche in einer 7x7 Matrix angeordnet sind, jeweils als Kreis dargestellt sind.
In Figur 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gassensors mit einem weiteren Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Detektionseinheit dargestellt. Der Aufbau gleicht weitgehend dem in Figur 2 gezeigten Aufbau, mit mobiler Auswerteeinheit 5, welche die Bilderfassungseinheit 6 aufweist, an welcher die Detektionseinheit mit Trägersubstrat 4 und durch gestrichelte Linien gekennzeichnetem Linsenträgerelement 3 und gassensitivem Element 1 angeordnet ist.
Ein wesentlicher Unterschied zu dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist, dass das gassensitive Element 1 als geometrische Figur ausgebildet ist und somit sowohl eine Positionsmarke als auch eine Identifikationsmarke darstellt.
Das gassensitive Element weist mehrere winkelförmige Elemente auf. Mittels des Bildsensors wird die Position der Winkelelemente erfasst, sodass die Position und Drehung des gassensitiven Elementes relativ zu dem Bildsensor erfasst werden kann. Darüber hinaus kann die Detektionseinheit von anderen Detektionseinheiten unterschieden werden, welche ein gassensitives Element aufweisen, dessen Form und/oder Einzelelemente unterschiedlich zu dem in Figur 8 gezeigten ausgebildet sind. Dem Nutzer kann somit eine Mehrzahl von Detektionseinheiten zur Verfügung gestellt werden, die unterschiedliche gassensitive Farbstoffe aufweisen und somit zur Detektion unterschiedlicher Zielgase geeignet sind.
Anhand der Form des gassensitiven Elements wird die Detektionseinheit identifiziert, sodass die Auswertung spezifisch für das an der mobilen Auswerteeinheit angebrachte gassensitive Element erfolgt und dem Benutzer das mit dieser gassensitiven Detektionseinheit detektierte Zielgas im Klartext auf einer optischen Anzeige der mobilen Auswerteeinheit 5 angezeigt werden kann. Die Zwischenräume zwischen den winkelförmigen Elementen des gassensitiven Elementes sind für Licht im sichtbaren Bereich optisch transparent, sodass mittels der Bildpunkte des Bildsensors der Bilderfassungseinheit 6, welche Urnge- bungslicht erfassen, das diese Zwischenräume durchdringt, die Intensität des Umgebungslichts gemessen werden kann und eine Schwankung der Intensität des Umgebungslichts wie zuvor beschrieben durch Quotientenbildung bei der Auswertung berücksichtigt werden kann.
Bezugszeichenliste
1 gassensitives Element 2 optische Linse
3 Linsenträgerelement
4 Trägersubstrat
5 mobile Auswerteeinheit
6 Bilderfassungseinheit 6a Bildsensor
7 Klebeelement
U Umgebungslicht

Claims

Ansprüche
1. Detektionseinheit für einen Gassensor, mit zumindest einem gassensitiven Element (1) mit zumindest einem gassensitiven Material, dessen optische Eigenschaften sich abhängig von dem Kontakt mit einem Zielgas ändern, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit zum lösbaren Anordnen an eine mobile Auswerteeinheit (5) mit einer Bilderfassungseinheit (6) ausgebildet ist, um einen Gassensor auszubilden, wobei die Detektionseinheit zumindest eine optische Linse (2) aufweist und das gassensitive Element (1) und die optische Linse (2) derart angeordnet sind, dass das Umgebungslicht, welches das gassensitive Element (1) durchdringt, mittels der optische Linse (2) abbildbar ist, insbesondere bei der an der mobilen Auswerteeinheit (5) angeordneten Detektionseinheit auf die Bilderfassungseinheit (6) abbildbar ist.
2. Detektionseinheit nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit eine Mehrzahl an optischen Linsen (2) aufweist, welche in einer Linsenmatrix angeordnet sind, um einen flächigen Bereich in einer Mehrzahl von Fokussierungsstrahlen abzubilden, insbesondere bei der an der mobilen Auswerteeinheit (5) angeordneten Detektionseinheit eine Mehrzahl von Fokussierungsstrahlen auf eine Mehrzahl ortsverschiedener Punkte der Bilderfassungseinheit (6) abzubilden.
3. Detektionseinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit zumindest eine Positionsmarke aufweist, um bei der an der mobilen Auswerteeinheit (5) angeordneten Detektionseinheit die Position der Detektionseinheit relativ zu der Bilderfassungseinheit (6) zu bestimmen,
25 insbesondere, dass das gassensitive Element als Positionsmarke ausgebildet ist.
4. Detektionseinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit zumindest eine Identifikationsmarke aufweist, um bei der an der mobilen Auswerteeinheit (5) angeordneten Detektionseinheit die Detektionseinheit mittels der Bilderfassungseinheit (6) zu identifizieren, insbesondere, dass das gassensitive Element als Identifikationsmarke ausgebildet ist.
5. Detektionseinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit zumindest einen für das Zielgas nicht gassensitiven Referenzbereich aufweist, welcher derart angeordnet ist, dass das Umgebungslicht, welches den Referenzbereich durchdringt, mittels der optische Linse (2) oder einer weiteren optischen Linse (2) der Detektionseinheit abbildbar ist, insbesondere bei der an der mobilen Auswerteeinheit (5) angeordneten Detektionseinheit auf die Bilderfassungseinheit (6) abbildbar ist, insbesondere, dass die optischen Eigenschaften des Referenzbereichs im Wesentlichen den optischen Eigenschaften des gassensitiven Elements (1) ohne Kontakt mit dem Zielgas entsprechen.
6. Detektionseinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit eine flexible Folie als Trägersubstrat (4) aufweist und gassensitives Element (1) und optische Linse (2) in dem Trägersubstrat (4) ausgebildet und/oder an dem Trägersubstrat (4) angeordnet sind.
7. Detektionseinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (4) eine Klebeschicht aufweist, um die Detektionseinheit lösbar an der mobilen Auswerteeinheit (5) anzuordnen.
8. Gassensor, mit einer Detektionseinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche und einer mobilen Auswerteeinheit (5) mit einer Bilderfassungseinheit (6), wobei die mobile Auswerteeinheit (5) als Mobiltelefon oder Tabletcomputer ausgebildet ist.
9. System zur Detektion einer Mehrzahl unterschiedlicher Zielgase, mit einer Mehrzahl von Detektionseinheiten gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei jede Detektionseinheit zur Detektion eines zu den anderen Detektionseinheiten unterschiedlichen Zielgasen ausgebildet ist und eine zu den anderen Detektionseinheiten unterschiedliche Identifikationsmarke und/oder unterschiedliches Referenzbereich aufweist, und mit einer mobilen Auswerteeinheit (5) mit einer Bilderfassungseinheit (6), wobei die mobile Auswerteeinheit (5) dazu ausgebildet ist, die Detektionseinheit abhängig von den mittels der Bilderfassungseinheit (6) erfassten optischen Daten der Identifikationsmarke und/oder des Referenzbereichs der Detektionseinheit zu identifizieren, insbesondere, dass in einem Datenspeicher der mobilen Auswerteeinheit (5) eine Mehrzahl von Auswerteverfahren gespeichert sind und eine Auswahl des Auswerteverfahrens zur Detektion eines Zielgases abhängig von der Identifikation der Detektionseinheit erfolgt.
10. Verfahren zur Detektion eines Zielgases, mit den Verfahrensschritten
A. Anordnen einer Detektionseinheit gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 an einer mobilen Auswerteeinheit (5) mit einer Bilderfassungseinheit (6), insbesondere an einem Mobiltelefon;
B. Analysieren des Umgebungslichts, welches das gassensitive Element (1) der Detektionseinheit durchdringt mittels der Bilderfassungseinheit (6), um das Zielgas zu detektieren;
C. Ablösen der Detektionseinheit von der mobilen Auswerteeinheit (5).
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des gassensitiven Elements (1) relativ zu der Bilderfassungseinheit (6) bestimmt wird, um einen Analysebereich des von der Bilderfassungseinheit (6) erfassten Bildes zu lokalisieren, auf welchen das Umgebungslicht auftrifft, welches das gassensitive Element (1) durchdringt, insbesondere, dass die Position des gassensitiven Elements (1) anhand eines oder mehrere der folgenden Merkmale
- ein umlaufender Rand des gassensitiven Elements (1), welcher unterschiedliche optische Eigenschaften zu dem gassensitiven Element (1) aufweist;
- die Position einer Positionsmarke der Detektionseinheit;
- die Position einer Referenzmarke der Detektionseinheit, insbesondere einer als Farbfilter ausgebildeten Referenzmarke;
- die Position einer Identifikationsmarke der Detektionseinheit; bestimmt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Detektionseinheit mit einem für das Zielgas nicht gassensitiven Referenzbereich verwendet wird und mittels der Bilderfassungseinheit (6) Umgebungslicht, welches den Referenzbereich durchdringt, analysiert wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Detektionseinheit mit einer Identifikationsmarke verwendet wird, dass mittels der Bilderfassungseinheit (6) und Identifikationsmarke die Detektionseinheit identifiziert wird und abhängig von der Identifizierung eines von mehreren in der mobilen Auswerteinheit gespeicherten Auswerteverfahren für die Analyse des Umgebungslicht, welches das gassensitive Element (1) durchdringt, verwendet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Verfahrensschritten A und B ein Weißlichtabgleich der Bilderfassungseinheit (6) erfolgt.
28
15. Verfahren nach einem der Anspruch 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass vor Verfahrensschritt B, bevorzugt zwischen Verfahrensschritt A und B zumindest ein Selbsttest durchgeführt wird, bei welchem zumindest eine der us folgenden Prüfungen durchgeführt wird:
A. Vergleich der Form des gassensitiven Elements mit einer vorgegebenen Form, insbesondere Vergleich der Kontur des gassensitiven Elements mit einer vorgegebenen Kontur; iso B. Vergleich eines vorgegebenen Farbtons für das gassensitive Element mit dem mittels der Bilderfassungseinheit detektierten Farbton des Umgebungslichts, welches das gassensitive Element durchdrungen hat.
155
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