JP2020517951A - ガス混合物中のガス状物質を検出する方法、制御装置および装置 - Google Patents

ガス混合物中のガス状物質を検出する方法、制御装置および装置 Download PDF

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Abstract

ガス混合物中のガス状物質を検出する方法(100)であって、ガス混合物の第1の化学的および/または物理的パラメータを表す1つの第1の測定量(K1)が、検出され、第1のパラメータとは異なるガス混合物の第2の化学的および/または物理的パラメータを表す少なくとも1つの第2の測定量(M)が、検出され、第1の測定量(K1)の時間微分の値が第1の所定の閾値(SW1)を超えるか、および第2の測定量(M)の時間微分の値が第2の所定の閾値(SW2)を超える場合、第1のパラメータの開始時刻(ts)と、開始時刻(ts)に対応する開始測定量(Kstart)とが設定され、少なくとも1つのさらなる第1の測定量(K2)が検出され、少なくとも1つのさらなる第1の測定量(K2)が開始測定量(Kstart)に対応する場合、終了時刻(tE)が設定され、終了時刻(tE)と開始時刻(ts)との差の値が、所定の最小時間幅(tmin)よりも大きい場合、出力信号(10)が生成される。

Description

本発明は、独立形式請求項の上位概念に記載の方法、制御装置および装置に関する。
呼吸ガス分析器は、化学センサまたは物理センサを介して、呼吸ガスの組成物、特に臭いを分析できる。呼吸ガス分析器では、とりわけ、呼吸ガスのアルコール含有量に関心がもたれている。
米国特許出願公開第2004/0081582号明細書から、携帯電話のユーザに、自分の呼吸の質を表示するための呼吸ガスセンサを備えた携帯電話が知られている。
米国特許出願公開第2014/0357963号明細書は、呼吸ガスのアルコール濃度を検出できる視覚センサを備えた携帯用電子機器を開示している。
独国特許出願公開第102015203719号明細書から、呼吸ガス凝縮量内の少なくとも1つの分析物を検出するためのセンサ素子を備えた呼吸ガス分析装置が知られている。
米国特許出願公開第2004/0081582号明細書 米国特許出願公開第2014/0357963号明細書 独国特許出願公開第102015203719号明細書
この背景に対して、ガス混合物中のガス状物質、特にエタノールをガスセンサを用いて検出する方法、この方法を実行するための制御装置、およびガスセンサが、ここに提示されるアプローチによって提示される。ここで、ガスセンサは、ユーザが自分の呼吸のアルコール濃度またはエタノール濃度を測定できる携帯型の手持ち機器として構成することができる。このために、ガスセンサは、好ましくはユーザが息を吹き込んだり吐いたりすることができる開口部を有することができる。
ここで、この方法では、最初に少なくとも1つの第1の測定量が第1のセンサ素子によって検出され、少なくとも1つの第2の測定量が第2のセンサ素子によって検出される。ここで、第1の測定量は、ガス混合物の第1の化学的および/または物理的パラメータ、特にエタノール濃度を表す。ここで、第1のセンサ素子は、ガスセンサ、特に抵抗性ガスセンサ、容量性ガスセンサ、電位差ガスセンサおよび/または電流測定ガスセンサとして実施することができる。第2の測定量は、ガス混合物の第1の化学的および/または物理的パラメータとは異なる第2の化学的および/または物理的パラメータ、特に温度、湿度または圧力を表す。ここで、第2のセンサ素子は、温度センサ、湿度センサおよび/または圧力センサとして構成することができる。代替的または付加的に、第1および/または第2のセンサ素子を、少なくとも2つの異なる測定量を検出するように構成することが可能であり、2つの異なる測定量は、それぞれガス混合物の2つの異なる化学的および/または物理的パラメータを表す。
測定の開始時刻を決定するために、検出された第1の測定量の時間微分を形成し、第1の所定の閾値と比較することができる。検出された第2の測定量の時間微分を形成し、第2の所定の閾値と比較することにより、測定の開始時刻を決定する精度を有利な方法で高めることができる。これにより、測定が全体として、例えば混合ガスの組成変化など外部の影響因子に対してより確実で信頼できるものになる。
開始時刻の決定および保存と同時に、開始時刻に検出された第1の測定量が保存される。続いて、さらなる第1の測定量が、好ましくは連続して検出される。検出されたさらなる第1の測定量の1つが、開始時刻に保存された第1の測定量に略対応する時、さらなる第1の測定量に対応する終了時刻を保存することにより、測定は終了する。
ここで、終了時刻と開始時刻との差が形成され、この差の値が所定の最小時間幅と比較される。ここで、差は、第1の測定量によって表される混合ガスの化学的および/または物理的パラメータの定量的表示に対応する。差が所定の最小時間幅に対応する場合、または差が最小時間幅を超える場合、ガス混合物の第1の化学的および/または物理的パラメータを表す第1の測定量が所定の閾値を超えていることを警告する出力信号が生成される。
任意で第3の測定量が、または付加的に第4の測定量が検出される場合、第3の測定量および第4の測定量はそれぞれ、ガス混合物のさらなる化学的および/または物理的パラメータ、特に温度、湿度または圧力を表し、第1の測定量、第2の測定量、第3の測定量、第4の測定量によって表されるパラメータが区別され、付加的に検出された測定量ごとに時間微分が形成され、時間微分はそれぞれのさらに所定の閾値と比較され、それによって測定の開始時刻を決定する正確性をさらに高めることができる。
任意で、少なくとも1つのさらなる第1の測定量と開始時刻に検出される第1の測定量との間の値の相対偏差が所定の閾値よりも小さく、好ましくは5%未満、特に好ましくは1%未満、非常に特に好ましくは0.1%未満である場合に、測定を終了することを企図することもできる。
前述の利点は、方法を実行するための制御装置およびガスセンサにも対応して当てはまる。
さらなる利点は、実施例の以下の説明または引用形式請求項から明らかになる。
制御装置のブロック図を概略的に示す。 ガスセンサの概略図を示す。 フローチャートを用いて方法を説明する。 ガス混合物の温度、湿度、およびエタノール濃度を表す測定量の時間経過をグラフで表す。 図3に示された測定量の時間微分の時間経過をグラフで表す。 ユーザが事前にアルコールを消費しなかった場合の呼吸ガス中のエタノール濃度の測定を経時的にグラフで表す。 ユーザが事前にアルコールを消費した場合の呼吸ガス中のエタノール濃度の測定を経時的にグラフで表す。
既に上述したように、本発明は、ガス混合物、特にエタノール中の少なくとも1つのガス状物質の測定時に開始時刻を決定する際の精度を高め、それによって測定精度を全体的に改善する方法、制御装置、および装置を説明する。この方法を実行するために、図1に概略的に示されるように、制御装置1が設けられている。この制御装置1は、第1のセンサ素子4により呼吸ガス中のエタノール濃度を表す第1の測定量Kを検出し、第2のセンサ素子5により呼吸ガスのさらなる物理的および/または化学的パラメータ、例えば温度を表す第2の測定量Mを検出する。
任意選択で、制御装置1は、第3のセンサ素子6により呼吸ガスのさらなる物理的および/または化学的パラメータ、例えば湿度を表す第3の測定量N、および/または第4のセンサ素子7により呼吸ガスのさらなる物理的および/または化学的パラメータ、例えば圧力を表す第4の測定量Oを検出することを企図することができる。
検出された測定量K、M、N、およびOは、必要に応じて、装置1のメモリユニット3に保存できる。
ここで、第1のセンサ素子4は、ガスセンサとして、特に抵抗性ガスセンサ、容量性ガスセンサ、電位差ガスセンサおよび/または電流測定ガスセンサとして実施することができる。ここで、第2のセンサ素子5は、温度センサとして構成することができる。ここで、第3のセンサ素子6は、湿度センサとして実施することができる。ここで、第4のセンサ素子7は、圧力センサとして構成することができる。代替的または付加的に、センサ素子4,5,6,7の1つは、少なくとも2つの異なる測定量を検出するように設定することが可能であり、2つの異なる測定量はそれぞれ、ガス混合物の2つの異なる化学的および/または物理的パラメータを表す。
ここで、図2に概略的に示されるように、制御装置1ならびに第1のセンサ素子4および第2のセンサ素子5はガスセンサ20を形成することができる。任意で、ガスセンサが第3のセンサ素子6および/または第4のセンサ素子7をさらに有することもできる。さらに、センサ素子4,5,6,7をガスセンサに配置または組み込むことを企図することができる。
検出された測定量KおよびM、および任意に検出された測定量NおよびOを踏まえて、制御装置1の演算装置2は、以下に説明する方法100を実行し、検出された測定量K、M、NおよびOに応じて、例えば音響信号発生器8を駆動制御する出力信号10を生成する。任意で、視覚信号発生器9を駆動制御するさらなる出力信号11を生成することができる。ここで、音響信号発生器8は、スピーカーとして実施することができる。視覚信号発生器9は、発光ダイオードおよび/またはディスプレイとして構成することができる。
好ましい実施例における方法100は、図3のフローチャートを参照して説明される。最初に、第1の検出ステップ101において、呼吸ガス中のエタノール濃度を表す第1の測定量Kが検出される。
検出ステップ101の前、最中または後に、呼吸ガスの温度が第2の測定量Mとして検出される第2の検出ステップ102が行われる。任意で、検出ステップ101において、呼吸ガスの湿度を第3の測定量Nとして、および/または圧力を第4の測定量Oとして付加的に検出することができる。
ここで、続く第1の比較ステップ103において、検出された第1の測定量Kの時間微分の値が閾値SWと比較され、検出された第2の測定量Mの時間微分の値が閾値SWと比較される。
任意で、比較ステップ103において、検出された第3の測定量Nの時間微分の値が閾値SWと付加的に比較される。任意選択で、比較ステップ103において、検出された第4の測定量Oの時間微分の値が閾値SWと付加的に比較される。
第1の測定量Kの時間微分の値が第1の閾値SWを超え、第2の測定量Mの時間微分の値が第2の閾値SWを超える場合、第1の設定ステップ104で、開始時刻tおよび開始時刻tsに対応する開始測定量Kstartが設定される。
任意で、付加的に第3の測定量Nの時間微分の値が第3の閾値SWを上回り、かつ/または第4の測定量Oの時間微分の値が第4の閾値SWを上回ると、第1の設定ステップ104を行うことを企図することができる。
第1の測定量Kの時間微分の値が第1の閾値SWを超えない場合、または第2の測定量Mの時間微分の値が第2の閾値SWを超えない場合、第1の検出ステップ101が再び行われる。
任意で、代替的にまたは付加的に第3の測定量Nの時間微分の値が第3の閾値SWを超えない場合、または第4の測定量Oの時間微分の値が第4の閾値SWを超えない場合、第1の検出ステップ101を行うことができる。
第1の設定ステップ104後、少なくとも1つのさらなる第1の測定量Kが検出される第3の検出ステップ105が行われ、第2の比較ステップ106において、少なくとも1つのさらなる第1の測定量Kが開始測定量Kstartに略対応するかどうか比較される。この場合、終了時刻tは、後続の第2の設定ステップ107で設定される。少なくとも1つのさらなる第1の測定量Kと開始測定量Kstartとの間の値の相対偏差が第5の所定閾値SWより小さく、特に5%未満である場合、任意で終了時刻tを設定することができる。本発明の代替的な実施形態では、終了時刻tを、開始時刻t後の所定時間幅後に設定することを企図することができる。第2の比較ステップ106での比較が負である場合、再度第3の検出ステップ105が行われる。
第2の設定ステップ107の後、第3の比較ステップ108が行われ、このステップでは、終了時刻tと開始時刻tとの差の値が所定の最小時間幅tminよりも大きいかどうか比較される。代替的または付加的に、第3の比較ステップ108において、開始時刻tからの既に経過した時間の値が所定の最小時間幅tminよりも大きいかどうかを比較することを企図することができる。また、代替的または付加的に、第3の比較ステップ108において、所定の最小時間幅tminの後、少なくとも1つのさらなる第1の測定量Kが開始測定量Kstartより小さいかどうか比較される。そうでない場合、測定は終了し、任意で新しい測定を実行できる。しかしながら、比較ステップ108が正である場合、例えばスピーカーによって信号音に変換できる出力信号10が後続の信号生成ステップ109で生成される。任意選択で、例えばLEDによって視覚信号に変換されるさらなる出力信号11を生成することを企図することができる。この音響または視覚信号は、ガスセンサ20のユーザに、呼吸ガス混合物中の、すなわちユーザの呼気中のエタノール濃度が、所定の設定値以上であることを指示する。
図4は、様々な測定量の時間経過のグラフを示す。ここで、上の図は呼吸ガスの温度を表す測定量Mの時間経過tを表す。中央の図は呼吸ガスの湿度を表す測定量Nの時間経過tを表す。下の図は呼吸ガス中のエタノール濃度を表す測定量Kの時間経過tを表す。
時間tにおいて、測定量M、NおよびKの時間経過における変化が略同時であることがわかる。この変化は、ユーザがガスセンサに息を吹き込むことに起因する。測定量M、NおよびKの時間経過における変化の正確な開始時刻tstartを決定するために、すなわち、測定の開始を算出するために、測定量M、NおよびKの時間微分
Figure 2020517951
Figure 2020517951
および
Figure 2020517951
が形成される。
測定量M、NおよびKのこれらの時間微分
Figure 2020517951
Figure 2020517951
および
Figure 2020517951
は、図5にグラフで示されている。測定量M、N、Kの3つの時間微分
Figure 2020517951
Figure 2020517951
および
Figure 2020517951
の全てで、時間経過の変化がほぼ同時に起こることが明確にわかる。したがって、呼吸ガスのさらなる化学的および/または物理的パラメータを表すさらなる測定量を含めることにより、測定の開始時刻tstartの決定を著しく改善することができる。
図6では、ユーザが事前にアルコールを消費しなかった場合の呼吸ガス中のエタノール濃度を表す測定量Kの測定を経時的にグラフで表す。測定量Kの時間微分
Figure 2020517951
と、例えば呼吸ガスの温度を表す測定量Mの少なくとも1つのさらなる時間微分を形成することにより、測定の開始時刻tstartは、図5を参照して説明したように正確に決定することができる。この開始時刻tstartに検出された測定量Kは、対応する開始測定量Kstartとしてメモリユニット3に保存される。測定量Mは最小値Kまで減少し、その後再び上昇することがわかる。ここで、最小値Kは、ユーザがもはやガスセンサに息を吹き込まなくなる時点であって、その時点から呼吸ガス混合物中のエタノール濃度を検知するセンサ素子4が再生する時点での測定量Kの1つの値のみを表す。センサ素子4は、さらなる第1の測定量Kが開始測定量Kstartに略対応する場合に完全に生成される。さらなる第1の測定量K2に対応する終了時刻tが設定され、メモリユニット3に保存される。tとtstartとの時間差は、ユーザの呼吸ガス中のエタノール濃度の程度である。
比較のために、図7では、さらにユーザが事前にアルコールを消費した場合の呼吸ガス中のエタノール濃度を表す測定量Kの測定を経時的に同じ尺度で、グラフで表す。ここで、tとtstartとの間の時間差は、図6のユーザが事前にアルコール消費しない場合の測定よりも大きいことが明確にわかる。メモリユニット3に事前に保存された所定の最小時間幅tminに応じて、ガスセンサ20がユーザに信号10,11を出力して、これによってユーザの呼気中のエタノール濃度が最小時間幅tminで表される閾値を超えていることをユーザに知らせることを企図することができる。

Claims (9)

  1. ガスセンサを用いたガス混合物中のガス状物質、特にエタノールを検出する方法(100)であって、
    ガス混合物の第1の化学的および/または物理的パラメータ、特にエタノール濃度を表す少なくとも1つの第1の測定量(K)が、第1のセンサ素子(4)によって検出される第1の検出ステップ(101)と、
    前記第1の化学的および/または物理的パラメータとは異なるガス混合物の第2の化学的および/または物理的パラメータ、特に温度、圧力または湿度を表す少なくとも1つの第2の測定量(M)が、第2のセンサ素子(5)によって検出される第2の検出ステップ(102)と、
    前記第1の測定量(K)の時間微分の値が第1の所定の閾値(SW)を超えるか、および前記第2の測定量(M)の時間微分の値が第2の所定の閾値(SW)を超えるかが比較される第1の比較ステップ(103)と、
    前記比較(103)が正である場合、前記第1の化学的および/または物理的パラメータの開始時刻(t)と、前記開始時刻(t)に対応する開始測定量(Kstart)とが設定される第1の設定ステップ(104)と、
    少なくとも1つのさらなる第1の測定量(K)が検出される第3の検出ステップ(105)と、
    前記少なくとも1つのさらなる第1の測定量(K)が前記開始測定量(Kstart)に対応するかどうか比較される第2の比較ステップ(106)と、
    前記第2の比較(106)が正である場合、終了時刻(t)が設定される第2の設定ステップ(107)と、
    前記終了時刻(t)と前記開始時刻(t)との差の値が、所定の最小時間幅(tmin)よりも大きいかどうか比較される第3の比較ステップ(108)と、
    前記第3の比較(108)が正である場合、出力信号(10)が生成される信号生成ステップ(109)と、を有する方法(100)。
  2. 前記第2の検出ステップ(102)では、さらに、前記第1および第2の化学的および/または物理的パラメータとは異なるガス混合物の化学的および/または物理的パラメータを表す少なくとも1つの第3の測定量(N)が、第3のセンサ要素(6)によって検出され、
    前記第1の比較ステップ(103)では、前記第3の測定量(N)の時間微分の値が第3の所定の閾値(SW)を超えるかさらに比較されることを特徴とする、請求項1に記載の方法(100)。
  3. 前記第2の検出ステップ(102)では、さらに、前記第1、第2および第3の化学的および/または物理的パラメータとは異なるガス混合物の化学的および/または物理的パラメータを表す少なくとも1つの第4の測定量(O)が、第4センサ素子(7)によって検出され、
    前記第1の比較ステップ(103)では、前記第4の測定量(O)の時間微分の値が第4の所定の閾値(SW)を超えるかどうかさらに比較されることを特徴とする請求項2に記載の方法(100)。
  4. 前記少なくとも1つの第1の測定量(K)と開始測定量(Kstart)との間の値の相対偏差が第5の所定の閾値(SW5)よりも小さく、特に5%未満である場合、前記第2の比較ステップ(106)は正であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法(100)。
  5. ガスセンサを用いたガス混合物中のガス状物質、特にエタノールを検出する請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法(100)を実行する制御装置(1)であって、演算装置(2)と、メモリユニット(3)とを備えるものにおいて、前記演算装置(2)は、
    第1の検出ステップ(101)において、ガス混合物の第1の化学的および/または物理的パラメータ、特にエタノール濃度を表す少なくとも1つの第1の測定量(K)が、第1のセンサ素子(4)によって検出され、
    第2の検出ステップ(102)において、前記第1の化学的および/または物理的パラメータとは異なるガス混合物の第2の化学的および/または物理的パラメータ、特に温度、圧力または湿度を表す少なくとも1つの第2の測定量(M)が、第2のセンサ素子(5)によって検出され、
    第1の比較ステップ(103)において、前記第1の測定量(K)の時間微分の値が第1の所定の閾値(SW)を超えるか、および前記第2の測定量(M)の時間微分の値が第2の所定の閾値(SW)を超えるかどうか比較され、
    第1の設定ステップ(104)において、前記比較(103)が正である場合、前記第1の化学的および/または物理的パラメータの開始時刻(t)と、前記開始時刻(t)に対応する開始測定量(Kstart)とが設定され、
    第3の検出ステップ(105)において、少なくとも1つのさらなる第1の測定量(K)が検出され、
    第2の比較ステップ(106)において、前記少なくとも1つのさらなる第1の測定量(K)が前記開始測定量(Kstart)に対応するかどうか比較され、
    第2の設定ステップ(107)において、前記第2の比較(106)が正である場合、終了時刻(t)が設定され、
    第3の比較ステップ(108)において、前記終了時刻(t)と前記開始時刻(t)との差の値が、所定の最小時間幅(tmin)よりも大きいかどうか比較され、
    信号生成ステップ(109)において、前記第3の比較(108)が正である場合、出力信号(10)が生成されるために構成されている制御装置(1)。
  6. 前記演算装置(2)は、
    前記第2の検出ステップ(102)において、さらに、前記第1および第2の化学的および/または物理的パラメータとは異なるガス混合物の化学的および/または物理的パラメータを表す少なくとも1つの第3の測定量(N)が、第3のセンサ要素(6)によって検出され、
    前記第1の比較ステップ(103)において、前記第3の測定量(N)の時間微分の値が第3の所定の閾値(SW)を超えるかどうかさらに比較されるために構成されていることを特徴とする、請求項5に記載の制御装置(1)。
  7. 前記演算装置(2)は、
    前記第2の検出ステップ(102)において、さらに、前記第1、第2および第3の化学的および/または物理的パラメータとは異なるガス混合物の化学的および/または物理的パラメータを表す少なくとも1つの第4の測定量(O)が、第4センサ素子(7)によって検出され、
    前記第1の比較ステップ(103)において、前記第4の測定量(O)の時間微分の値が第4の所定の閾値(SW)を超えるかどうかさらに比較されるために構成されていることを特徴とする、請求項6に記載の制御装置(1)。
  8. 前記演算装置(2)は、
    前記少なくとも1つの第1の測定量(K)と開始測定量(Kstart)との間の値の相対偏差が第5の所定の閾値(SW5)よりも小さく、特に5%未満である場合、前記第2の比較ステップ(106)において正の比較であると判断するために構成されていることを特徴とする、請求項5〜7のいずれか一項に記載の制御装置(1)。
  9. 請求項5〜8のいずれか一項に記載の制御装置(1)、ならびに第1のセンサ素子(4)および第2のセンサ素子(5)を有するガスセンサ、特に呼吸ガスセンサ。
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