WO2014194982A2 - Drucksensor, messvorrichtung, reaktionsträger und messverfahren - Google Patents

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measuring
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Hans-Ullrich Hansmann
Philipp Rostalski
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Dräger Safety AG & Co. KGaA
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Definitions

  • the present invention relates to a pressure sensor for a measuring system for measuring a concentration of gas and / or an aerosol-shaped components of a gas mixture by means of a reactant which is adapted to a component to be measured of the gas mixture or a reaction product of the component to be measured to undergo optically detectable reaction.
  • the invention further relates to a measuring device, a reaction carrier and a measuring method for such a measuring system.
  • Gas test tubes are known from the prior art, which are filled with a reactant which undergoes an optically recognizable reaction with a particular chemical compound. In this case, for example, with a hand pump, a defined amount of a gas mixture is pumped through the gas test tube.
  • a concentration of the chemical compound to be measured is determined by means of a discoloration of the reaction substance.
  • chip-based measuring systems in which the reaction substance arranged in a plurality of on a reaction support
  • Reaction chambers each of which can be used for a measurement is provided.
  • the reaction carrier can be introduced into a measuring device which recognizes the reaction carrier and carries out a corresponding measuring method for measuring a concentration of the corresponding component of the gas mixture. For measurements in which no concentration is measured because the component to be measured is not present or below a detection threshold in the gas mixture, a functional test of the measuring system is required to rule out a malfunction.
  • the aim of the invention is to provide a simple sensor system for such a measuring system and a corresponding measuring method.
  • the invention relates to a pressure sensor for a measuring system for measuring a
  • the pressure sensor is designed to measure a pressure difference of a gas mixture flowing through the gas delivery assembly and / or flow channel of the reaction carrier and has an elastic element, which is designed to deform in dependence on the pressure difference. This allows a simple and compact and lightweight construction of a pressure sensor for a measuring system, which is particularly advantageous for portable mobile measuring systems.
  • the pressure sensor is arranged in the measuring system and is adapted to the pressure of the through the gas delivery assembly and / or flow channel of the
  • the pressure sensor is arranged in the measuring system and designed to control the pressure of the gas connection assembly of the measuring device and / or the
  • the pressure sensor can be arranged flexibly in the measuring system at any point in the gas connection module or the flow channel.
  • the pressure sensor comprises an optical display element, which is designed to be detected by an optical sensor of the measuring device.
  • the visual display element may be realized by a change in brightness, contrast, and / or color, by a movable device, such as a pointer, or by a combination thereof.
  • the optical sensor is a color sensor, which allows a distinction of different colors, and the optical display element comprises a color coding, wherein the from
  • Color sensor detected colors change the optical display element with a change in the pressure difference.
  • the elastic element is formed by a diffusely reflecting transparent membrane and a contact surface is provided, which are formed so that the membrane increases in response to increasing pressure difference
  • a viewing window is provided, which is arranged to be detected by the optical sensor, and a display body is provided, which is increasingly visible in the viewing window depending on the pressure difference with increasing pressure difference.
  • the elastic element may be formed as a volume element, which changes its volume depending on the pressure difference and in dependence of
  • Volume change makes an optically detectable translational or rotational movement.
  • the pressure sensor may comprise an electrical or magnetic measuring element which detects an electrical conductivity, an electrical capacitance or a magnetic conductivity as a function of the deformation of the elastic element. In this way, the pressure difference can take place via a measurement of the electrical capacitance or magnetic conductivity.
  • the invention further relates to a measuring device for a measuring system for measuring a concentration of gas and / or aerosol-shaped components of a gas mixture with a reaction carrier having at least one flow channel, wherein the
  • Flow channel forms a reaction chamber with a reactant, which is designed to enter into an optically detectable reaction with at least one component to be measured of the gas mixture or a reaction product of the component to be measured.
  • the measuring device comprises a gas connection module for connecting a gas inlet channel and a gas outlet channel to the flow channel of the reaction carrier, a gas conveying device for conveying the gas mixture through the flow channel of the reaction carrier and a pressure sensor according to one of the preceding claims, wherein the pressure sensor
  • Gas connection assembly and preferably at a gas connection of
  • Gas delivery assembly is provided for connection to the flow channel of the reaction carrier.
  • the pressure difference in the gas delivery assembly can be measured and, for example, leakage currents can be checked.
  • the pressure sensor is provided at the downstream side gas port.
  • the invention further relates to a reaction carrier for a measuring system for measuring a concentration of gas and / or aerosol-shaped components of a gas mixture with a measuring device, which comprises a gas connection assembly for connecting a
  • Reaction carrier and a gas conveying device for conveying the gas mixture through the flow channel of the reaction carrier comprises.
  • the reaction carrier has at least one flow channel, the flow channel forming a reaction chamber with a reaction substance which is designed to enter into an optically detectable reaction with at least one component of the gas mixture to be measured or a reaction product of the component to be measured.
  • the reaction carrier comprises at least one pressure sensor described above, wherein the pressure sensor is formed on the at least one flow channel (42). That way is the
  • Pressure sensor is not placed on the reusable measuring device but on the replaceable reaction carrier. Since a flow channel is usually used only once or a few times, a simple construction of the pressure sensor is possible because the pressure sensor is not exposed so many different chemicals in particular so over a long time.
  • the pressure sensor is downstream, in one
  • the elastic element of the pressure sensor prefferably be provided in a transparent section of the flow channel and / or the gas delivery module and to be optically detectable as a function of the pressure difference
  • the invention further relates to a measuring method for a measuring system for measuring a concentration of gas- and / or aerosol-shaped components of a gas mixture with a reaction carrier, which has at least one flow channel, wherein the flow channel forms a reaction chamber with a reactant, which is designed to be at least a component to be measured of the gas mixture or a reaction product of the component to be measured to enter into an optically detectable reaction, and a measuring device.
  • the measuring method comprises the method steps of measuring a reference pressure difference in one
  • Reaction carrier relative to the ambient pressure or a restriction in the flow, the conveying of a gas flow through the flow channel of the
  • Reaction carrier and measuring a pressure difference in a gas connection assembly of the measuring device or a flow channel of the reaction carrier relative to the ambient pressure or a restriction in the flow during the conveyance of the gas flow through the flow channel.
  • Figure 1 is a schematic view of a first embodiment of a
  • inventive measuring system with a measuring device and reaction carrier according to the invention shows;
  • Figure 2 shows a detailed view of the measuring system of Figure 1;
  • Figure 3 is a detailed view of the measuring system of Figure 1 with inserted
  • Figure 4a shows a pressure sensor according to a first embodiment in sectional view and plan view at a first pressure difference
  • Figure 4b shows the pressure sensor of Figure 4a at a second pressure difference
  • Figure 5 shows a pressure sensor according to a second embodiment in sectional view
  • Figure 6 shows a pressure sensor according to a third embodiment in sectional view
  • Figure 7 shows a pressure sensor according to a fourth embodiment in sectional view
  • Figure 8 shows a pressure sensor according to a fifth embodiment in sectional view
  • FIG. 9 shows a pressure sensor according to a sixth embodiment in FIG.
  • Section view shows.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a gas measuring system, also referred to below as measuring system 10.
  • the measuring system 10 comprises a measuring device 12 and a reaction carrier 14.
  • the reaction carrier 14 has at least one flow channel 42, which forms a reaction chamber 46 with a reagent 48.
  • Reactant 48 is designed to enter into an optically detectable reaction with at least one component to be measured of a gas mixture or a reaction product of the component to be measured. In this way, either the component to be measured can react directly with the reactant or an intermediate reaction can be provided, in which the component to be measured reacts with an intermediate reaction substance and the resulting
  • Reaction product then enters into the optically detectable reaction with the reactant.
  • the measuring device 12 comprises a gas delivery assembly 2 with a
  • Gas conveying device 28 for conveying the gas mixture through the flow channel 42 of the reaction carrier 14.
  • the gas delivery assembly 2 further includes a gas feed channel 16 having a
  • the gas delivery assembly 2 comprises a gas outflow channel 18 with a gas connection 24, which can be connected to the flow channel 42 of the reaction support 14.
  • the gas delivery device 28 is arranged in the gas discharge channel 18 and allows a conveying of the gas mixture in a flow direction indicated by arrows in FIG.
  • a control / regulation unit 31 is provided, which is designed to control or regulate a flow of the gas mixture through the flow channel as a function of at least one reaction rate parameter.
  • Reaction rate parameters can, for example, the
  • Propagation speed of a reaction front of the optically detectable reaction or a temperature of the flowing through the flow channel 42 gas mixture For measuring the temperature of the flowing through the flow channel 42
  • Gas mixture are temperature measuring elements 84 are provided, which measure the temperature of the gas mixture directly in the flow channel 42 of the reaction carrier 14, or indirectly via a measurement of the temperature of the reaction carrier 14 and / or the measuring device 12th
  • the measuring device 12 further comprises a detection assembly 3 with a lighting device 37 for illuminating the reaction chamber 46 of the
  • the illumination device 37 is designed to illuminate the reaction chamber with a broadband spectrum.
  • the broadband spectrum corresponds to white light.
  • adjacent spectral regions as well as infrared spectral regions or ultraviolet spectral regions can also be encompassed by the broadband spectrum.
  • the detection subassembly 3 further comprises an optical sensor 38 for detecting the optically detectable reaction in the reaction chamber 36 of the reaction carrier 14, and an evaluation unit 4 for evaluating the data of the optically detectable reaction detected by the optical sensor and determining a concentration of the component of the gas mixture.
  • the optical sensor 38 is a multi-channel sensor that can detect multiple color channels. In the embodiment shown, the optical sensor 38 is designed as a digital camera, and is also referred to below as the digital camera 38.
  • the evaluation unit 4 is designed to be used in the evaluation of the data of the
  • the illumination device 37 is arranged on the side of the reaction carrier 14 opposite the optical sensor 38 for the sake of clarity.
  • the 'lighting device can, however, at different positions on the
  • Measuring device 12 may be arranged and allow a corresponding illumination.
  • the illumination and the observation by the optical sensor 38 can take place from the same direction and thus on the same side of the reaction carrier 14.
  • the detection module 3 further comprises an evaluation unit 4, which is designed to determine the concentration of the component to be measured in the gas mixture exclusively from optically determinable parameters of the reaction front. For this purpose, upon detection of a propagating in the reaction chamber 46 reaction front, for example, the front speed and an intensity gradient of in
  • Flow direction in the reaction chamber 46 propagating reaction front measured and determines the concentration of the component to be measured.
  • a functional test of the measuring system 10 must be carried out in order to rule out a measuring error due to a malfunction of the measuring system, for example due to leakage or clogging of the flow channel ,
  • pressure sensors 100 are provided, which in FIG. 1 are respectively connected to the two gas connections 22, 24 and to a flow channel 42 with the
  • Reaction chamber 46 arranged on both-sided connection elements 44.
  • Gas connections 22, 24 or the flow channel 42 of the reaction carrier 14 are arranged.
  • the pressure sensors 100 are each arranged in the field of view of the optical sensor 38 shown by the broken lines and can thus be optically detected and evaluated. In this way, no complex separate sensors for Detecting the pressure necessary and the pressure sensors can be easily formed.
  • the field of view of the optical sensor 38 covers substantially the entire width of the reaction carrier. However, it is also possible that the field of view of the optical sensor detects only certain areas of the reaction carrier, for example only the right, downstream half of the reaction carrier. In this case, the pressure sensors 100 are arranged correspondingly in this area.
  • Figures 2 and 3 show a more detailed view of the measuring system 10 for measuring or detecting the concentration of gas and / or aerosol-shaped components.
  • the measuring device 12 also referred to as a gas measuring arrangement or the rest
  • Gas detection system a replaceable reaction support 14, also referred to as reaction support unit, manually manually introduced by a user.
  • the measuring system 10 or the measuring device 12 is a small, portable device that can be used mobile and is provided with a battery as a power supply.
  • Figure 2 shows the measuring device 12 and the reaction carrier 14 separated and Figure 3 shows the
  • the gas conveying device 28 is arranged, which is realized by a pump designed as a suction pump.
  • the housing also forms a bearing, in particular slide bearing, for the sliding
  • Reaction carrier 14 By means of a reaction carrier conveyor 34 with a motor, for. B. a trained as a servomotor electric motor and a displaceable by the servo motor in a rotational movement gear, in particular drive roller, the reaction carrier can be moved within the housing of the measuring device, as a mechanical contact or connection between the drive roller and the
  • the measuring system 10 comprises the measuring device 12 and at least one
  • the gas inlet channel 16 extends from the
  • the gas outflow channel 18 extends from the second gas port 24 to a Gasgemischausströmö réelle 26.
  • the gas inlet channel 16 is made of glass, whereby a chemical reaction or deposition of gas components on the wall of the gas flow channel is prevented or reduced.
  • a valve 54 is disposed on the gas mixture inflow port 20 upstream of the gas inflow channel 16. The valve allows in its first shown
  • the valve 54 is designed as a 2/2-way valve.
  • the measuring device 12 is formed without a valve 54 at the gas mixture inlet opening 20. In this way, the number of components through which the gas mixture flows before the reaction chamber 46 can be reduced and thus a chemical reaction or a deposition of gas components on the components can be prevented or reduced.
  • a buffer 32 is arranged in the gas drainage channel 18, which allows a uniform gas flow through the gas drainage channel 18.
  • the measuring device 12 furthermore comprises a reaction carrier conveying device 34, which allows the reaction carrier 14 to be moved relative to the gas feed channel 16 and the gas discharge channel 18.
  • a position sensor 36 serves to detect a relative position of reaction carrier 14 and the gas ports 22,24.
  • the optical sensor 38 for detecting an optically detectable reaction is provided in the form of a digital camera 38 and makes it possible to record the recording field 40 shown in FIG. 1 by the dotted rectangle.
  • a central control unit 41 is provided, which can process the data detected by the optical sensor and controls the measuring method.
  • the central control unit comprises the evaluation unit 4.
  • the reaction carrier 14 has a plurality of flow channels 42 which each extend between two connection elements 44. In the shown
  • Embodiment forms each of the flow channels 42, a reaction chamber 46 which is filled with reagent 48.
  • the reaction substance 48 is a chemical compound which is combined with a gas to be measured and / or an aerosol-like component of a Gas mixture enters an optically detectable reaction. This is, for example, a colorimetric reaction.
  • the flow channels 42 are each filled on their right side with the reagent 48.
  • another gas treatment element is provided, for example a
  • Each flow channel 42 is associated with a display pin 50, which forms a coding 51, which is detected by the position sensor 36 and allows independent positioning of the reaction carrier 14 in each of the flow channels 42 associated relative positions. It is also possible to provide another type of coding 51, for example an electrical, electronic or magnetic coding, which can be detected by a corresponding position sensor 36. Preferably, however, at least in addition an optical coding 51 is provided so that a user of the measuring system 10 can determine at a glance by viewing the reaction carrier 14 whether the reaction carrier still has unused reaction chambers.
  • the reaction carrier 14 also has an information field 52 on which
  • the information field 52 is formed as an optical information field on which information is stored, which can be read by the digital camera 38.
  • the digital camera 38 can be read by the digital camera 38.
  • Information field 52 may be provided as an electronic memory for information and be designed for example as an RFID chip or SROM chip that can be read out and / or described via radio or via electrical contacts.
  • the recording field of the digital camera 38 is formed in the embodiment shown so that the reaction chambers 46, the indicator pins 50, and the
  • Information field 52 are detected in each case at least one relative position of the reaction carrier 14 in the measuring device 12 by the digital camera 38.
  • the digital camera 38 on the one hand for detecting the optically detectable reaction of the reaction substance 48 in the reaction chambers 46 of the reaction carrier 14 and on the other hand for reading the information in the information field 52 and as
  • Position sensor 36 for detecting the relative position of the reaction carrier and the gas ports 22, 24 are used. However, it is also possible that
  • Position sensor 36 and a read-out device for reading the information field 52 are formed as one or two separate devices.
  • Gas mixture does not contain the component to be measured or this under a
  • Detection threshold is present, at which a pressure difference in the flow channel 42 and / or in the gas connection assembly 5 in particular can be measured optically by the pressure sensors 100 will be described below.
  • FIGS. 4a and 4b show a pressure sensor 100 according to a first embodiment, in each case on the left in a sectional view on the right in a plan view.
  • Pressure sensor 100 is adapted to a pressure difference of a through the
  • the pressure sensor 100 has an elastic element 102 which is designed to deform in dependence on the pressure difference.
  • the first embodiment shows a pressure sensor 100 configured to detect a pressure difference between an internal pressure P1 or P2 within the pressure range
  • the pressure sensor 100 has a fixed sensor housing 104, which with the elastic element 102 in the form of a membrane
  • FIG. 4a shows the sensor at a pressure difference at which the internal pressure in the
  • the elastic member 102 is substantially in a relaxed central position. In this central position, the elastic element 102 is spaced from the contact surfaces 106 of the sensor housing 104.
  • the membrane of the elastic element 102 is of transparent, transparent, transparent design, so that in the central position of the membrane in the plan view of the sensor only one coherent surface of diffusely reflected light can be seen.
  • FIG. 4 b shows the pressure sensor 100 at a pressure difference in which
  • a negative pressure relative to the ambient pressure prevails.
  • the elastic element is pulled toward the abutment surfaces 106 and comes with increasing pressure difference to increasing surface areas comes to the contact surface to the plant, wherein the applied to the contact surface surface portions of the non-adjoining surface portions are optically distinguishable.
  • the elastic element is located on the inner two of the three annular abutment surfaces 106 completely and has a small distance from the outer annular abutment surface 106.
  • the surface areas can be applied to the two inner abutment surface 106 by Dark rings recognize because no or a smaller proportion of light is reflected through the membrane at these areas.
  • the surface portions at which the elastic element 102 comes to rest can be detected by the digital camera 38 and a corresponding pressure difference can be determined.
  • the number of visible rings is a measure of the pressure difference.
  • the elastic element 102 thus forms an optical together with the contact surface 106
  • Display element 108 which is designed to be detected by the optical sensor in the form of the digital camera 38 of the measuring device 12.
  • the abutment surfaces 106 are color coded, for example, by differently colored rings in the present embodiment, and thus form a color coding, so that the color information detected by the camera 38 forms a measure of the pressure difference, with the different rings in different colors with increasing pressure difference become visible.
  • the pressure sensor 100 may be formed, for example, in a simple manner directly on the flow channel 42 of the reaction carrier, wherein the evaluation and processing of the measurement results by the measuring device by means of the digital camera 38 is possible.
  • the pressure sensor 100 can thus be provided on the reaction carrier 14 in a simple, compact and cost-effective manner.
  • FIG. 5 shows a second embodiment of a pressure sensor 100.
  • the pressure sensor 100 is arranged on a gas connection 22 or 24.
  • the pressure sensor 100 may be arranged at another location of the measuring system as described above.
  • the pressure sensor 100 of FIG. 5 measures a differential pressure over a restriction 1 10 within the
  • the pressure sensor 100 has a sensor housing 104, in which a first and a second chamber 112, 114 are formed, which is formed by an elastic element 102 in the form of a membrane, which is analogous to the previous embodiment.
  • the first chamber 112 is connected to the gas-conducting channel of the gas connection 22, 24 downstream of the restriction 110, while the second chamber 1 14 is connected to the gas-conducting channel of the gas connection 22, 24 upstream of the restriction 110.
  • the sensor housing 104 forms an annular contact surface 106, on which the elastic element 102 at a corresponding
  • the elastic element 102 and the abutment surface 106 thus form an optical display element 108 analogous to the previous embodiment.
  • the sensor housing is designed to be transparent in the region of the second chamber 114 in order to ensure that the optical display element 108 is within the field of view of the digital camera 38.
  • FIG. 6 shows a third embodiment of a pressure sensor 100.
  • a transparent viewing window 116 is provided in the wall of a gas-conducting channel, for example the flow channel 42 of the reaction carrier 14 or a channel of the gas connection module 5.
  • An optical display element 108 is formed by a display body 1 18, which is movably mounted and is increasingly visible in the viewing window 116 as a function of a pressure difference with increasing pressure difference. It is also possible that the entire channel is transparent and thus the entire channel forms the viewing window 116. In this case, the display body 118 must be arranged so that its position is visually distinct as a function of the pressure difference.
  • the display body 118 is connected via elastic member 102 to a wall of the channel.
  • FIGS. 7 and 8 each show a pressure sensor 100 with an elastic element 102 designed as a volume element which changes the volume as a function of the pressure difference between the internal pressure P1 and the ambient pressure PA.
  • the elastic member 102 is a
  • the elastic member 102 is a
  • FIG. 9 shows a sixth embodiment of a pressure sensor 100, wherein the
  • Gas connection assembly 5 which itself forms a restriction 110 for the gas stream.
  • the elastic member 102 is crescent-shaped and is shown on the left side of FIG. 9 in a relaxed central position with no flow through the channel and, correspondingly, the pressure difference across the restriction 110 formed by the resilient member 102 is substantially zero. In the relaxed central position, the elastic element extends substantially perpendicular to
  • the elastic member 102 is shown at a gas flow through the channel, wherein a pressure difference across the restriction 1 10 is formed and the elastic member is deformed.
  • the tip of the elastic member 102 moves in the direction of flow, wherein the movement of the tip can be determined by a scale or a comparison image and can be used as a measure of the pressure difference.
  • the elastic deforms Element so that the width of the elastic member from an observation direction from above increases with increasing deformation.
  • the elastic element 102 is color-coded, so that the width of the elastic element forms an optical display element 108, which is detected by the digital camera 38 and evaluated to determine the pressure difference.
  • the pressure sensors 100 can each be read out via the optical sensor 38 of the measuring device.
  • the pressure sensors 100 can comprise electrical or magnetic measuring elements which detect an electrical conductivity, an electrical capacitance or a magnetic conductivity as a function of the deformation of the elastic element.
  • the detection of the magnetic conductivity can be done by induction.
  • the magnetic resistance can take place as a coil or as a solid material with high electrical conductivity.
  • the magnetic fields induced by a fixed coil are attenuated, depending on the distance and area, by the eddy currents induced in the coil or bulk material.
  • the extracted energy can be in a resonant circuit and the resulting reduced
  • Magnetic conductivity detection can be measured for high permeability materials by means of magnetic coupling.
  • the membrane to be measured is arranged in an air gap of a magnetic circuit and, for example, by means of a Hall sensor as a modified function of current strength to field strength or permanent magnets directly as
  • the reaction carrier 14 is inserted into an insertion opening 80 in a housing 82 of the
  • Measuring device 12 introduced.
  • the reaction carrier 14 is manually in the
  • the reaction carrier 1 When transporting the reaction carrier 1, the information field 52 of the reaction carrier 14 passes through the recording field 40 of the digital camera 38, the information on the information field 52 being detected by the digital camera 38 and being able to be evaluated in an evaluation device of the central control unit 41. It is also possible for the reaction carrier to be positioned in a read-out position in which read-out of the information field 52 is made possible. In the shown
  • the information on the information field 52 is optically stored and thus can be easily read from the digital camera 38.
  • an electronic information field 52 is provided, which is designed for example as an active or passive RFID chip or SRAM chip and can be read out via radio or via electrical contacts.
  • the electrical contacts are preferably made via data lines to the inlet and outlet openings of the flow channels 42 and gas nozzle made of an electrically conductive material, so that a power or data connection between the SRAM chip and a corresponding read-out device is made while the gas nozzles in the A - and outflow openings are located.
  • the information of the reaction carrier 14 contained on the information field 52 in particular with respect to the component of the gas mixture to be measured and a corresponding concentration range, are read out.
  • reaction carrier 14 is positioned in a relative position to the gas ports 22, 24 of the measuring device 12, wherein a flow channel 42 is selected, which has an unused reaction chamber 46, in the example shown in Figure 3, the first flow channel 42 of the reaction carrier 14 in the insertion direction.
  • a connection between the gas ports 22, 24 is through the second
  • Gas connection board 5 in the field of view of the digital camera 38 are. From the recording on the one hand, an instantaneous pressure ratio can be measured. On the other hand, the shot may be for comparison with shots while promoting the
  • Gas mixture can be used. After receiving the reference image, the gas delivery device 28 conveys a gas mixture to be measured through the outflow channel 18, the second flow channel 42 and the gas supply channel 16, the digital camera 38 providing a possible optical
  • the digital camera 38 takes on a flow pattern of the flow channel 42.
  • This flow pattern can be used, for example, both for the optical detection of the pressure sensors 100 and for the detection of the optically detectable reaction.
  • the control unit 108 evaluates the reference image and the flow image of the digital camera 38 and determines by means of the detected optical display elements 108
  • the digital camera 38 continuously takes flow images of
  • Flow channel 42 to allow a continuous optical detection of the pressure differences and the optically detectable reaction.
  • the detection assembly 3 detects a flow direction in the
  • Reaction chamber 46 propagating reaction front u d their speed during the conveyance of the gas mixture and determines a preliminary measurement of the
  • a final measurement result of the concentration of the component of the gas mixture is determined and output after completion of the feeding of the mixed gas.
  • the gas connection 24 of the gas discharge channel 18 is connected to the associated connection element 44 of the reaction carrier 14.
  • gas is passed through the gas drainage channel 18 and the associated
  • Prompted flow channel 42 of the reaction carrier 14 wherein the pressure difference relative to the ambient pressure or a pressure difference across a restriction 110 and thus a gas flow through the gas drainage channel through the pressure sensors 100 is measured. Is the system of gas drainage channel and flow channel gas-tight, so a corresponding negative pressure and substantially no gas flow through the
  • Gas outlet channel 18 is measured, since the flow channel 42 of the reaction carrier 14 is closed in a gas-tight manner via the second connection element 44 sealed by the sealing device 62.
  • the gas inlet channel 16 is closed upstream by the valve 54 and the gas port 22 of the gas supply channel 16 is connected to the
  • connection element 44 of the reaction carrier 14 is connected. Subsequently, gas is passed through the gas delivery device 28 through the gas drainage channel 18, the
  • Vacuum and substantially no gas flow through the gas outlet channel 18 is measured, since the gas inlet channel 16 is closed by the valve 54 gas-tight.
  • the measured gas flow in a gas-tight measuring system 10 corresponds to the amount of gas present in the channels 16, 18, 42 at the beginning of the measurement, which is pumped out by the gas delivery device 28 when checking the leakage flows.
  • a leakage current, d. H. a gas flow beyond the gas outflow channel 18 exceeding the gas flow mentioned in the preceding paragraph is measured, then a corresponding error message is output by the measuring device 12.
  • the flow channel 42 on the reaction support 14 or gas drainage channel 18 and gas flow channel 16 of the measuring device 12 can then be checked, for example, by the user.
  • both gas connections 22, 24 of the gas discharge channel 18 and the gas supply channel 16 with the corresponding
  • Connection elements 44 of the flow channel 42 are connected and carried out in accordance with a single check of leakage currents.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor (100) für ein Messsystem (10) zur Messung einer Konzentration von gas- und/oder aerosolförmigen Komponenten eines Gasgemisches mit einem Reaktionsträger (14), der zumindest einen Strömungskanal (42) aufweist, wobei der Strömungskanal (42) eine Reaktionskammer (46) mit einem Reaktionsstoff (48) bildet, welcher ausgebildet ist, um mit zumindest einer zu messenden Komponente des Gasgemisches oder einem Reaktionsprodukt der zu messenden Komponente eine optisch detektierbare Reaktion einzugehen, und einer Messvorrichtung (12), die eine Gasanschlussbaugruppe (5) zum Anschluss eines Gaszuflusskanals (16) und eines Gasabflusskanals (18) an den Strömungskanal (42) des Reaktionsträgers und eine Gasfördereinrichtung (28) zur Förderung des Gasgemisches durch den Strömungskanal (42) des Reaktionsträgers (14) umfasst. Der Drucksensor (100) ist ausgebildet, um eine Druckdifferenz eines durch die Gasförderbaugruppe (5) und/oder Strömungskanal (42) des Reaktionsträgers (14) strömenden Gasgemisches zu messen und ein elastisches Element (102) aufweist, welches ausgebildet ist, um sich in Abhängigkeit der Druckdifferenz zu verformen. Die Erfindung betrifft ferner ein Messverfahren, eine Messvorrichtung und einen Reaktionsträger für ein derartiges Messsystem.

Description

BESCHREIBUNG
Drucksensor, Messvorrichtung, Reaktionsträger und Messverfahren
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Drucksensor für ein Messsystem zur Messung einer Konzentration von gas- und/oder eine aerosolförmigen Komponenten eines Gasgemisches mittels eines Reaktionsstoffs, der ausgebildet ist, um mit einer zu messenden Komponente des Gasgemischs oder einem Reaktionsprodukt der zu messenden Komponente eine optisch detektierbare Reaktion einzugehen. Die Erfindung betrifft ferner eine Messvorrichtung, einen Reaktionsträger und ein Messverfahren für ein derartiges Messsystem.
Aus dem Stand der Technik sind Gasprüfröhrchen bekannt, die mit einem Reaktionsstoff gefüllt sind, welcher mit einer bestimmten chemischen Verbindung eine optisch erkennbare Reaktion eingeht. Dabei wird beispielsweise mit einer Handpumpe eine definierte Menge eines Gasgemisches durch das Gasprüfröhrchen gepumpt.
Anschließend wird mittels einer Verfärbung des Reaktionsstoffs eine Konzentration der zu messenden chemischen Verbindung bestimmt.
Darüber hinaus sind so genannte Chip-basierte Messsysteme bekannt, bei welchen der Reaktionsstoff in einer Mehrzahl von auf einem Reaktionsträger angeordneten
Reaktionskammern, die jeweils für eine Messung gebraucht werden können, vorgesehen ist. Der Reaktionsträger kann in eine Messvorrichtung eingeführt werden, welche den Reaktionsträger erkennt und ein entsprechendes Messverfahren zur Messung einer Konzentration der entsprechenden Komponente des Gasgemisches durchführt. Bei Messungen, bei denen keine Konzentration gemessen wird, weil die zu messende Komponente nicht oder unter einer Detektionsschwelle im Gasgemisch vorliegt, ist eine Funktionsprüfung des Messsystem erforderlich, um eine Fehlfunktion auszuschließen.
Ziel der Erfindung ist es, eine einfache Sensorik für ein derartiges Messsystem und ein entsprechendes Messverfahren bereitzustellen.
Die Erfindung betrifft einen Drucksensor für ein Messsystem zur Messung einer
Konzentration von gas- und/oder aerosolförmigen Komponenten eines Gasgemisches mit einem Reaktionsträger, der zumindest einen Strömungskanal aufweist, wobei der Strömungskanal eine Reaktionskammer mit einem Reaktionsstoff bildet, welcher ausgebildet ist, um mit zumindest einer zu messenden Komponente des Gasgemisches oder einem Reaktionsprodukt der zu messenden Komponente eine optisch detektierbare Reaktion einzugehen, und einer Messvorrichtung, die eine Gasanschlussbaugruppe zum Anschluss eines Gaszuflusskanals und eines Gasabflusskanals an den Strömungskanal des Reaktionsträgers und eine Gasfördereinrichtung zur Förderung des Gasgemisches durch den Strömungskanal des Reaktionsträgers umfasst. Der Drucksensor ist ausgebildet, um eine Druckdifferenz eines durch die Gasförderbaugruppe und/oder Strömungskanal des Reaktionsträgers strömenden Gasgemisches zu messen und weist ein elastisches Element auf, welches ausgebildet ist, um sich in Abhängigkeit der Druckdifferenz zu verformen. Dies ermöglicht eine einfache und kompakte und leichte Bauweise eines Drucksensors für ein Messsystem, welche insbesondere für tragbare mobile Messsysteme vorteilhaft ist.
Beispielsweise ist der Drucksensor im Messsystem angeordnet und ist ausgebildet, um den Druck des durch die Gasförderbaugruppe und/oder Strömungskanal des
Reaktionsträgers strömenden Gases gegenüber einem Umgebungsdruck zu messen. Dies ermöglicht eine einfache Bauweise des Drucksensors mit minimaler
Beeinträchtigung der Strömung durch den Strömungskanal und die
Gasanschlussbaugruppe.
Alternativ ist der Drucksensor im Messsystem angeordnet und ausgebildet, um den Druck des durch die Gasanschlussbaugruppe der Messvorrichtung und/oder den
Strömungskanal des Reaktionsträgers strömenden Gases als Druckabfall über einer
Restriktion in der Strömung zu messen. Auf diese Weise kann der Drucksensors flexibel im Messsystem an einer beliebigen Stelle in der Gasanschlussbaugruppe oder dem Strömungskanal angeordnet werden. Vorzugsweise umfasst Drucksensor ein optisches Anzeigeelement, welches ausgebildet ist, um durch einen optischen Sensor der Messvorrichtung erfasst zu werden. Auf diese Weise ist keine komplexe separate Sensorik zur Bestimmung des Drucks notwendig, da vorteilhafterweise der Drucksensor so angeordnet und ausgebildet sein kann, dass eine gleichzeitige Erfassung der optisch detektierbaren Reaktion durch einen gemeinsamen optischen Sensor möglich ist. Das optische Anzeigeelement kann durch eine Änderung der Helligkeit, des Kontrasts und/oder der Farbe, durch ein bewegliches Bauelement, beispielsweise einem Zeiger, oder durch eine Kombination davon realisiert werden. Vorzugsweise ist der optische Sensor ein Farbsensor, welcher eine Unterscheidung verschiedener Farben ermöglicht, und das optische Anzeigeelement umfasst eine Farbcodierung, wobei sich die vom
Farbsensors erfassten Farben des optischen Anzeigeelements mit einer Veränderung der Druckdifferenz verändern.
Beispielsweise ist das elastische Element durch eine diffus reflektierende transparente Membran gebildet und eine Anlagefläche ist vorgesehen, welche ausgebildet sind, sodass die Membran in Abhängigkeit mit zunehmender Druckdifferenz zu zunehmenden
Flächenanteilen an der Anlagefläche zur Anlage kommt, wobei die an der Anlagefläche anliegenden Flächenanteile von den nicht-anliegenden Flächenanteilen der Membran optisch unterscheidbar sind. Dies ermöglicht eine einfache Bestimmung unterschiedlicher Druckdifferenzen durch den optischen Sensor. Insbesondere ist auch eine farbliche Unterscheidung durch verschieden farbige Anlageflächen möglich.
Es ist auch möglich, dass ein Sichtfenster vorgesehen ist, welches angeordnet ist, um durch den optischen Sensor erfasst zu werden, und ein Anzeigekörper vorgesehen ist, welcher in Abhängigkeit von der Druckdifferenz mit zunehmender Druckdifferenz zunehmend im Sichtfenster sichtbar ist.
Ferner kann das elastische Element als Volumenelement ausgebildet sein, welches in Abhängigkeit der Druckdifferenz sein Volumen ändert und in Abhängigkeit der
Volumenänderung eine optisch detektierbare Translations- oder Rotationsbewegung vollzieht.
Alternativ kann der Drucksensor ein elektrisches oder magnetisches Messelement umfassen, welches eine elektrische Leitfähigkeit, eine elektrische Kapazität oder eine magnetische Leitfähigkeit in Abhängigkeit der Verformung des elastischen Elements erfasst. Auf diese Weise kann die Druckdifferenz über eine Messung der elektrischen Kapazität oder magnetischen Leitfähigkeit erfolgen.
Die Erfindung betrifft ferner eine Messvorrichtung für ein Messsystem zur Messung einer Konzentration von gas- und/oder aerosolförmigen Komponenten eines Gasgemisches mit einem Reaktionsträger, der zumindest einen Strömungskanal aufweist, wobei der
Strömungskanal eine Reaktionskammer mit einem Reaktionsstoff bildet, welcher ausgebildet ist, um mit zumindest einer zu messenden Komponente des Gasgemisches oder einem Reaktionsprodukt der zu messenden Komponente eine optisch detektierbare Reaktion einzugehen. Die Messvorrichtung umfasst eine Gasanschlussbaugruppe zum Anschluss eines Gaszuflusskanals und eines Gasabflusskanals an den Strömungskanal des Reaktionsträgers, eine Gasfördereinrichtung zur Förderung des Gasgemisches durch den Strömungskanal des Reaktionsträgers und einen Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüchen aufweist, wobei der Drucksensor an
Gasanschlussbaugruppe und vorzugsweise an einem Gasanschluss der
Gasförderbaugruppe zum Anschluss an Strömungskanal des Reaktionsträgers vorgesehen ist. Auf diese Weise kann die Druckdifferenz in der Gasförderbaugruppe gemessen werden und beispielweise Leckageströme überprüft werden. Vorzugsweise ist der Drucksensor am stromabwärtsseitigen Gasanschluss vorgesehen.
Die Erfindung betrifft ferner einen Reaktionsträger für ein Messsystem zur Messung einer Konzentration von gas- und/oder aerosolförmigen Komponenten eines Gasgemisches mit einer Messvorrichtung, die eine Gasanschlussbaugruppe zum Anschluss eines
Gaszuflusskanals und eines Gasabflusskanals an einen Strömungskanal des
Reaktionsträgers und eine Gasfördereinrichtung zur Förderung des Gasgemisches durch den Strömungskanal des Reaktionsträgers umfasst. Der Reaktionsträger weist zumindest einen Strömungskanal auf, wobei der Strömungskanal eine Reaktionskammer mit einem Reaktionsstoff bildet, welcher ausgebildet ist, um mit zumindest einer zu messenden Komponente des Gasgemisches oder einem Reaktionsprodukt der zu messenden Komponente eine optisch detektierbare Reaktion einzugehen. Der Reaktionsträger umfasst zumindest einen oben beschriebenen Drucksensor, wobei der Drucksensor am zumindest einen Strömungskanal (42) ausgebildet ist. Auf diese Weise ist der
Drucksensor nicht an der wiederverwendbaren Messvorrichtung angeordnet sondern an dem austauschbaren Reaktionsträger. Da ein Strömungskanal üblicherweise nur einmal oder wenige Male genutzt wird, ist eine einfache Bauweise des Drucksensors möglich, da der Drucksensor insbesondere so nicht über lange Zeit vielen verschiedenen Chemikalien ausgesetzt ist. Vorzugsweise ist der Drucksensor stromabwärtsseitig, in einem
Anschlusselement des Reaktionsträgers vorgesehen.
Es ist auch möglich, dass das elastische Element des Drucksensors in einem transparent ausgebildeten Abschnitt des Strömungskanal und/oder der Gasförderbaugruppe vorgesehen ist und in Abhängigkeit der Druckdifferenz eine optisch detektierbare
Translations- oder Rotationsbewegung vollzieht. Die Erfindung betrifft ferner ein Messverfahren für ein Messsystem zur Messung einer Konzentration von gas- und/oder aerosolförmigen Komponenten eines Gasgemisches mit einem Reaktionsträger, der zumindest einen Strömungskanal aufweist, wobei der Strömungskanal eine Reaktionskammer mit einem Reaktionsstoff bildet, welcher ausgebildet ist, um mit zumindest einer zu messenden Komponente des Gasgemisches oder einem Reaktionsprodukt der zu messenden Komponente eine optisch detektierbare Reaktion einzugehen, und einer Messvorrichtung. Das Messverfahren umfasst die Verfahrensschritte des Messens einer Referenz-Druckdifferenz in einer
Gasanschlussbaugruppe der Messvorrichtung oder einem Strömungskanal des
Reaktionsträgers gegenüber dem Umgebungsdruck oder über einer Restriktion in der Strömung, des Förderns eines Gasstroms durch den Strömungskanal des
Reaktionsträgers und des Messens einer Druckdifferenz in einer Gasanschlussbaugruppe der Messvorrichtung oder einem Strömungskanal des Reaktionsträgers gegenüber dem Umgebungsdruck oder über einer Restriktion in der Strömung während des Förderns des Gasstroms durch den Strömungskanal.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können beliebig miteinander und mit den vorstehend beschriebenen Aspekten kombiniert werden, um erfindungsgemäße Vorteile zu erreichen. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen, wobei:
Figur 1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Messsystems mit einer Messvorrichtung und erfindungsgemäßen Reaktionsträger zeigt;
Figur 2 eine detaillierte Ansicht des Messsystems aus Figur 1 zeigt;
Figur 3 eine detaillierte Ansicht des Messsystems aus Figur 1 mit eingeführtem
Reaktionsträger zeigt;
Figur 4a einen Drucksensor gemäß einer ersten Ausführungsform in Schnittansicht und Draufsicht bei einer ersten Druckdifferenz zeigt;
Figur 4b den Drucksensor aus Figur 4a bei einer zweiten Druckdifferenz zeigt; Figur 5 einen Drucksensor gemäß einer zweiten Ausführungsform in Schnittansicht zeigt;
Figur 6 einen Drucksensor gemäß einer dritten Ausführungsform in Schnittansicht zeigt;
Figur 7 einen Drucksensor gemäß einer vierten Ausführungsform in Schnittansicht zeigt;
Figur 8 einen Drucksensor gemäß einer fünften Ausführungsform in Schnittansicht zeigt; und
Figur 9 einen Drucksensor gemäß einer sechsten Ausführungsform in
Schnittansicht zeigt.
Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Gasmesssystems, im Folgenden auch Messsystem 10 bezeichnet. Das Messsystem 10 umfasst eine Messvorrichtung 12 und einen Reaktionsträger 14. Der Reaktionsträger 14 weist zumindest einen Strömungskanal 42 auf, welcher eine Reaktionskammer 46 mit einem Reaktionsstoff 48 bildet. Der
Reaktionsstoff 48 ist ausgebildet, um mit zumindest einer zu messenden Komponente eines Gasgemisches oder einem Reaktionsprodukt der zu messenden Komponente eine optisch detektierbare Reaktion einzugehen. Auf diese Weise kann entweder die zu messende Komponente direkt eine Reaktion mit dem Reaktionsstoff eingehen oder es kann eine Zwischenreaktion vorgesehen sein, in der die zu messende Komponente mit einem Zwischenreaktionsstoff eine Reaktion eingeht und das dabei entstehende
Reaktionsprodukt anschließend mit dem Reaktionsstoff die optisch detektierbare Reaktion eingeht.
Die Messvorrichtung 12 umfasst eine Gasförderbaugruppe 2 mit einer
Gasfördereinrichtung 28 zur Förderung des Gasgemisches durch den Strömungskanal 42 des Reaktionsträgers 14.
Die Gasförderbaugruppe 2 umfasst ferner einen Gaszuflusskanal 16 mit einer
Gasgemischeinströmöffnung 20, durch die das Gasgemisch in den Gaszuflusskanal 16 einströmen kann, und einem Gasanschluss 22, welcher mit dem Strömungskanal 42 des Reaktionsträgers 14 verbunden werden kann. Des Weiteren umfasst die Gasförderbaugruppe 2 einen Gasabflusskanal 18 mit einem Gasanschluss 24, welcher mit dem Strömungskanal 42 des Reaktionsträgers 14 verbunden werden kann. Die Gasfördereinrichtung 28 ist im Gasabflusskanal 18 angeordnet und ermöglicht ein Fördern des Gasgemischs in einer in Figur 1 durch Pfeile gekennzeichneten Strömungsrichtung. Die gasleitenden Bauteile der Gasförderbaugruppe 2, insbesondere die Gasanschlüsse 22, 24 und den Gaszuflusskanal 16 und
Gasabflusskanal 18, bilden eine Gasanschlussbaugruppe 5.
Eine Steuerung-/Regelungseinheit 31 ist vorgesehen, die ausgebildet ist, um einen Durchfluss des Gasgemischs durch den Strömungskanal in Abhängigkeit zumindest eines Reaktionsgeschwindigkeitsparameters zu steuern oder zu regeln.
Reaktionsgeschwindigkeitsparameter können beispielsweise die
Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Reaktionsfront der optisch detektierbaren Reaktion oder eine Temperatur des durch den Strömungskanal 42 strömenden Gasgemischs sein. Zur Messung der Temperatur des durch den Strömungskanal 42 strömenden
Gasgemischs sind Temperaturmesselemente 84 vorgesehen, die eine Messung der Temperatur des Gasgemisches direkt im Strömungskanal 42 des Reaktionsträgers 14, oder indirekt über eine Messung der Temperatur des Reaktionsträgers 14 und/oder der Messvorrichtung 12.
Die Messvorrichtung 12 umfasst darüber hinaus eine Detektionsbaugruppe 3 mit einer Beleuchtungseinrichtung 37 zur Beleuchtung der Reaktionskammer 46 des
Reaktionsträgers 14. In der gezeigten Ausführungsform ist die Beleuchtungseinrichtung 37 ausgebildet, um die Reaktionskammer mit einem Breitbandspektrum zu beleuchten. Beispielsweise entspricht das Breitbandspektrum weißem Licht. Es können jedoch auch benachbarte Spektralbereiche, sowie Infrarot-Spektralbereiche oder Ultraviolett- Spektralbereiche durch das Breitbandspektrum umfasst sein.
Die Detektionsbaugruppe 3 umfasst ferner einen optischen Sensor 38 zur Erfassung der optisch detektierbaren Reaktion in der Reaktionskammer 36 des Reaktionsträgers 14, sowie eine Auswertungseinheit 4 zur Auswertung der vom optischen Sensor erfassten Daten der optisch detektierbaren Reaktion und Bestimmung einer Konzentration der Komponente des Gasgemischs. Der optische Sensor 38 ist ein Mehrkanalsensor, welcher mehrere Farbkanäle erfassen kann. In der gezeigten Ausführungsform ist der optische Sensor 38 als Digitalkamera ausgebildet, und wird im Folgenden auch Digitalkamera 38 bezeichnet. Die Auswertungseinheit 4 ist ausgebildet, um bei der Auswertung der Daten des
optischen Sensors 38 eine Gewichtung der Farbkanäle vorzunehmen. In Figur 1 ist die Beleuchtungseinrichtung 37 der Übersichtlichkeit halber auf der dem optischen Sensor 38 gegenüberliegenden Seite des Reaktionsträgers 14 angeordnet. Die ' Beleuchtungseinrichtung kann jedoch an verschiedenen Positionen an der
Messvorrichtung 12 angeordnet sein und eine entsprechende Beleuchtung ermöglichen. Beispielsweise kann die Beleuchtung und die Beobachtung durch den optischen Sensors 38 aus der gleichen Richtung und somit auf der gleichen Seite des Reaktionsträgers 14 erfolgen.
Die Detektionsbaugruppe 3 umfasst ferner eine Auswertungseinheit 4, welche ausgebildet ist, um die Konzentration der zu messenden Komponente im Gasgemisch ausschließlich aus optisch bestimmbaren Parametern der Reaktionsfront zu bestimmen. Dazu wird bei einer Detektion einer sich in der Reaktionskammer 46 ausbreitenden Reaktionsfront beispielsweise die Frontgeschwindigkeit und ein Intensitätsgradient der sich in
Strömungsrichtung in der Reaktionskammer 46 ausbreitenden Reaktionsfront gemessen und daraus die Konzentration der zu messenden Komponente bestimmt.
In dem Fall, indem das Gasgemisch jedoch die zu messende Komponente nicht enthält oder diese unter einer Detektionsschwelle vorliegt, muss eine Funktionsprüfung des Messsystems 10 durchgeführt werden, um einen Messfehler aufgrund einer Fehlfunktion des Messsystems, beispielsweise aufgrund einer Leckage oder einer Verstopfung des Strömungskanals, auszuschließen.
Zur Funktionsprüfung sind Drucksensoren 100 vorgesehen, die in Figur 1 jeweils an den beiden Gasanschlüssen 22, 24 und an einem Strömungskanal 42 mit der
Reaktionskammer 46 an beidseitigen Anschlusselementen 44 angeordnet. Es ist jedoch auch möglich, dass beispielsweise nur ein Drucksensor 100 an einem der beiden
Gasanschlüsse 22, 24 oder dem Strömungskanal 42 des Reaktionsträgers 14 angeordnet sind.
Die Drucksensoren 100 sind jeweils im durch die unterbrochenen Linien dargestellten Blickfeld des optischen Sensors 38 angeordnet und können somit optisch erfasst und ausgewertet werden. Auf diese Weise ist keine komplexe separate Sensorik zur Erfassung des Drucks notwendig und die Drucksensoren können einfach ausgebildet sein.
In der gezeigten Ausführungsform erfasst das Blickfeld des optischen Sensors 38 im Wesentlichen die gesamte Breite des Reaktionsträgers. Es ist jedoch auch möglich, dass das Blickfeld des optischen Sensors nur bestimmte Bereiche des Reaktionsträgers, beispielsweise nur die rechte, stromabwärtsseitige Hälfte des Reaktionsträgers erfasst. In diesem Fall sind die Drucksensoren 100 entsprechend in diesem Bereich angeordnet. Die Figuren 2 und 3 zeigen eine detailliertere Ansicht des Messsystems 10 zur Messung bzw. Erfassung der Konzentration von gas- und/oder aerosolförmigen Komponenten. In die Messvorrichtung 12, auch bezeichnet als Gasmessanordnung oder übriges
Gasmesssystem, wird ein austauschbarer Reaktionsträger 14, auch bezeichnet als Reaktionsträgereinheit, manuell von Hand von einem Benutzer eingeführt. Dabei ist das Messsystem 10 bzw. die Messvorrichtung 12 eine kleine, tragbare Vorrichtung, die mobil einsetzbar ist und mit einer Batterie als Energieversorgung versehen ist. Figur 2 zeigt die Messvorrichtung 12 und den Reaktionsträger 14 getrennt und Figur 3 zeigt die
Messvorrichtung 12 mit darin eingeführtem Reaktionsträger 14. An einem Gehäuse der Messvorrichtung 12 ist die Gasfördereinrichtung 28 angeordnet, die durch eine als Saugpumpe ausgebildete Pumpe realisiert ist. Das Gehäuse bildet außerdem eine Lagerung, insbesondere Gleitlagerung, für den verschieblichen
Reaktionsträger 14. Mittels einer Reaktionsträgerfördereinrichtung 34 mit einem Motor, z. B. einem als Servomotor ausgebildeten Elektromotor und einer von dem Servomotor in eine Rotationsbewegung versetzbares Getriebe, insbesondere Antriebsrolle, kann der Reaktionsträger innerhalb des Gehäuses der Messvorrichtung bewegt werden, da ein mechanischer Kontakt bzw. eine Verbindung zwischen der Antriebsrolle und dem
Reaktionsträger besteht. Das Messsystem 10 umfasst die Messvorrichtung 12 und zumindest einen
Reaktionsträger 14. Der Gaszuflusskanal 16 erstreckt sich von der
Gasgemischeinströmöffnung 20 zum ersten Gasanschluss 22. Der Gasabflusskanal 18 erstreckt sich vom zweiten Gasanschluss 24 zu einer Gasgemischausströmöffnung 26. Der Gaszuflusskanal 16 ist aus Glas gefertigt, wodurch eine chemische Reaktion oder eine Ablagerung von Gaskomponenten an der Wand des Gaszuflusskanals verhindert oder reduziert wird. Ein Ventil 54 ist an der Gasgemischeinströmöffnung 20 stromaufwärts des Gaszuflusskanals 16 angeordnet. Das Ventil ermöglicht in seiner gezeigten ersten
Stellung einen Gasstrom durch den Gaszuflusskanal 16 und verhindert in einer zweiten Stellung einem Gasstrom durch den Gaszuflusskanal 16. In der gezeigten
Ausführungsform ist das Ventil 54 als 2/2-Wegeventil ausgebildet.
Es ist jedoch auch möglich, dass die Messvorrichtung 12 ohne ein Ventil 54 an der Gasgemischeinströmöffnung 20 ausgebildet ist. Auf diese Weise kann die Anzahl der vom Gasgemisch durchströmten Bauteile vor der Reaktionskammer 46 reduziert werden und somit eine chemische Reaktion oder eine Ablagerung von Gaskomponenten an den Bauteilen verhindert oder reduziert werden.
Ferner ist im Gasabflusskanal 18 ein Puffer 32 angeordnet, welcher einen gleichförmigen Gasstrom durch den Gasabflusskanal 18 ermöglicht.
Die Messvorrichtung 12 umfasst darüber hinaus eine Reaktionsträgerfördereinrichtung 34, welche ein Bewegen des Reaktionsträgers 14 relativ zum Gaszuflusskanal 16 und dem Gasabflusskanal 18 ermöglicht.
Ein Positionssensor 36 dient zum Erfassen einer Relativposition von Reaktionsträger 14 und den Gasanschlüssen 22,24.
Der optische Sensor 38 zur Erfassung einer optisch detektierbaren Reaktion ist in Form einer Digitalkamera 38 vorgesehen und ermöglicht eine Aufnahme des in Figur 1 durch das gepunktete Rechteck gezeigten Aufnahmefeldes 40.
Eine zentrale Steuerungseinheit 41 ist vorgesehen, welche die von dem optischen Sensor erfassten Daten verarbeiten kann und das Messverfahren steuert. In der gezeigten Ausführungsform umfasst die zentrale Steuerungseinheit die Auswertungseinheit 4.
Der Reaktionsträger 14 weist eine Mehrzahl von Strömungskanälen 42 auf, die sich jeweils zwischen zwei Anschlusselementen 44 erstrecken. In der gezeigten
Ausführungsform bildet jeder der Strömungskanäle 42 eine Reaktionskammer 46, welche mit Reaktionsstoff 48 gefüllt ist. Der Reaktionsstoff 48 ist eine chemische Verbindung, welche mit einer zu messenden Gas und/oder ein aerosolförmigen Komponente eines Gasgemisches eine optisch detektierbare Reaktion eingeht. Dies ist beispielsweise eine kolorimetrische Reaktion.
In der gezeigten Ausführungsform sind die Strömungskanäle 42 jeweils auf ihrer rechten Seite mit dem Reaktionsstoff 48 gefüllt. Auf der linken Seite der Strömungskanäle 42 ist ein anderes Gasbehandlungselement vorgesehen, beispielsweise eine
Trocknungssubstanz.
Jedem Strömungskanal 42 ist ein Anzeigestift 50 zugeordnet, welcher eine Codierung 51 bildet, die vom Positionssensor 36 erfasst wird und eine unabhängige Positionierung des Reaktionsträgers 14 in jeweils den Strömungskanälen 42 zugeordneten Relativpositionen ermöglicht. Es kann auch eine andere Art der Codierung 51 , beispielsweise eine elektrische, elektronische oder magnetische Codierung vorgesehen sein, welche von einen entsprechenden Positionssensor 36 erfasst werden kann. Vorzugsweise ist jedoch zumindest zusätzlich eine optische Codierung 51 vorgesehen, damit ein Benutzer des Messsystems 10 durch Betrachten des Reaktionsträgers 14 auf einen Blick feststellen kann, ob der Reaktionsträger noch unbenutzte Reaktionskammern aufweist.
Der Reaktionsträger 14 weist ferner ein Informationsfeld 52 auf, auf welchen
Informationen gespeichert sind. In der gezeigten Ausführungsform ist das Informationsfeld 52 als optisches Informationsfeld ausgebildet, auf dem Informationen gespeichert sind, die durch die Digitalkamera 38 ausgelesen werden können. Alternativ kann das
Informationsfeld 52 als elektronischer Speicher für Informationen vorgesehen sein und beispielsweise als RFID-Chip oder SROM-Chip ausgebildet sein, die über Funk oder über elektrische Kontakte ausgelesen und/oder beschrieben werden können.
Das Aufnahmefeld der Digitalkamera 38 ist in der gezeigten Ausführungsform so ausgebildet, dass die Reaktionskammern 46, die Anzeigestifte 50, und das
Informationsfeld 52 in jeweils zumindest einer Relativposition des Reaktionsträgers 14 in der Messvorrichtung 12 durch die Digitalkamera 38 erfasst werden. Auf diese Weise kann die Digitalkamera 38 einerseits für die Erfassung der optisch detektierbaren Reaktion des Reaktionsstoffes 48 in den Reaktionskammern 46 des Reaktionsträgers 14 und andererseits für das Auslesen der Information im Informationsfeld 52 und als
Positionssensor 36 zum Erfassen der Relativposition von Reaktionsträger und den Gasanschlüssen 22, 24 verwendet werden. Es ist jedoch auch möglich, dass
Positionssensor 36 und eine Auslesevorrichtung zum Auslesen des Informationsfeldes 52 als ein oder zwei separate Vorrichtungen ausgebildet sind. Eine Funktionsprüfung des Messsystems 10, insbesondere für den Fall, dass das
Gasgemisch die zu messende Komponente nicht enthält oder diese unter einer
Detektionsschwelle vorliegt, bei der eine Druckdifferenz im Strömungskanal 42 und/oder in der Gasanschlussbaugruppe 5 insbesondere optisch durch die Drucksensoren 100 gemessen werden kann wird im Folgenden beschrieben.
In den Figuren 4a und 4b ist ein Drucksensor 100 gemäß einer ersten Ausführungsform jeweils links in einer Schnittansicht in rechts in einer Draufsicht dargestellt. Der
Drucksensor 100 ist ausgebildet, um eine Druckdifferenz eines durch die
Gasanschlussbaugruppe 5 der Messvorrichtung und/oder den Strömungskanal 42 des Reaktionsträgers 14 strömenden Gasgemischs zu messen. Der Drucksensor 100 weist ein elastisches Element 102 auf, welches ausgebildet ist, um sich in Abhängigkeit von der Druckdifferenz zu verformen.
Die erste Ausführungsform zeigt einen Drucksensor 100 der ausgebildet ist, um eine Druckdifferenz zwischen einem Innendruck P1 oder P2 innerhalb der
Gasförderbaugruppe 5 oder des Strömungskanals 42 zu messen und einem
Umgebungsdruck PA zu messen. Der Drucksensor 100 weist ein festes Sensorgehäuse 104 auf, welche mit dem elastischen Element 102 in Form einer Membran einen
Innenraum bildet, welcher mit der den gasleitenden Räumen der Gasanschlussbaugruppe 5 oder dem Strömungskanal 42 verbunden ist oder Teil dieser ist. Ferner bildet das Sensorgehäuse 104 Anlageflächen 106. Figur 4a zeigt den Sensor bei einer Druckdifferenz, bei der der Innendruck im
Wesentlichen dem Umgebungsdruck entspricht und das elastische Element 102 im Wesentlichen in einer entspannten Mittellage ist. In dieser Mittellage ist das elastische Element 102 von den Anlageflächen 106 des Sensorgehäuses 104 beabstandet. Die Membran des elastischen Elements 102 ist diffus reflektierend transparent ausgebildet, sodass in der Mittellage der Membran in der Draufsicht auf den Sensor nur eine zusammenhängende Fläche von diffus reflektiertem Licht zu erkennen ist.
Figur 4b zeigt hingegen den Drucksensor 100 bei einer Druckdifferenz, in der im
Innenraum des Drucksensors 100 ein Unterdruck gegenüber dem Umgebungsdruck herrscht. In diesem Fall wird das elastische Element zu den Anlageflächen 106 hin gezogen und kommt mit zunehmender Druckdifferenz zu zunehmenden Flächenanteilen an der Anlagefläche zur Anlage kommt, wobei die an der Anlagefläche anliegenden Flächenanteile von den nicht anliegenden Flächenanteilen optisch unterscheidbar sind.
Bei der in Figur 4b gezeigten Druckdifferenz liegt das elastische Element an den inneren beiden der drei ringförmigen Anlageflächen 106 vollständig an und hat einen geringen Abstand zur äußeren ringförmigen Anlagefläche 106. In der Draufsicht lassen sich somit die Flächenbereiche die an den beiden inneren Anlagefläche 106 anliegen durch dunkle Ringe erkennen, da an diesen Flächenanteilen kein oder ein geringerer Anteil von Licht durch die Membran reflektiert wird. Die Flächenanteile an denen das elastische Element 102 zur Anlage kommt können durch die Digitalkamera 38 erfasst werden und eine entsprechende Druckdifferenz kann bestimmt werden. In der gezeigten Ausführungsform ist die Anzahl der sichtbaren Ringe ein Maß für die Druckdifferenz. Das elastische Element 102 bildet somit gemeinsam mit den Anlagefläche 106 ein optisches
Anzeigeelement 108, welches ausgebildet ist, um durch den optischen Sensor in Form der Digitalkamera 38 der Messvorrichtung 12 erfasst zu werden.
Vorzugsweise sind die Anlageflächen 106 farblich gekennzeichnet, beispielsweise durch verschieden farbige Ringe in der vorliegenden Ausführungsform, und bilden somit eine Farbcodierung, so dass die durch die Kamera 38 erfasste Farbinformation ein Maß für die Druckdifferenz bildet, wobei mit zunehmender Druckdifferenz die verschiedenen Ringe in verschiedenen Farben sichtbar werden.
Der Drucksensor 100 nach der ersten Ausführungsform kann beispielsweise auf einfache Art direkt am Strömungskanal 42 des Reaktionsträgers ausgebildet sein, wobei die Auswertung und Verarbeitung der Messergebnisse durch die Messvorrichtung mittels der Digitalkamera 38 möglich ist. Der Drucksensor 100 kann somit einfach, kompakt und kostengünstig am Reaktionsträger 14 vorgesehen werden.
Figur 5 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Drucksensors 100. Der Drucksensor 100 ist an einem Gasanschluss 22 oder 24 angeordnet. Alternativ kann der Drucksensor 100 wie oben beschrieben auch an einer anderen Stelle des Messsystems angeordnet sein.
Im Gegensatz zum Drucksensor 100 der ersten Ausführungsform, misst der Drucksensor 100 aus Figur 5 einen Differenzdruck über einer Restriktion 1 10 innerhalb des
gasleitenden Kanals des Gasanschlusses 22, 24, wobei vor der Restriktion ein Druck P1 und nach der Restriktion ein Druck P2 vorliegt. Der Drucksensor 100 weist ein Sensorgehäuse 104 auf, in dem eine erste und eine zweite Kammer 112, 114 ausgebildet sind, welche durch ein elastisches Element 102 in Form einer Membran, welche analog zur vorhergehenden Ausbildungsform ausgebildet ist.
Die erste Kammer 112 ist mit dem gasleitenden Kanal des Gasanschlusses 22, 24 stromabwärts der Restriktion 110 verbunden, während die zweite Kammer 1 14 mit dem gasleitenden Kanal des Gasanschlusses 22, 24 stromaufwärts der Restriktion 110 verbunden ist. In der ersten Kammer 1 12 bildet das Sensorgehäuse 104 eine ringförmige Anlagefläche 106, an der das elastische Element 102 bei einer entsprechenden
Druckdifferenz zu Anlage kommt. Das elastische Element 102 und die Anlagefläche 106 bilden somit analog zur vorhergehenden Ausführungsform ein optisches Anzeigeelement 108. Das Sensorgehäuse ist im Bereich der zweiten Kammer 114 transparent ausgebildet, um zu gewährleisten, dass das optische Anzeigeelement 108 im Sichtfeld der Digitalkamera 38 liegt.
Figur 6 zeigt eine dritte Ausführungsform eines Drucksensors 100. In der Wand eines gasleitenden Kanals, beispielsweise dem Strömungskanal 42 des Reaktionsträgers 14 oder der einem Kanal der Gasanschlussbaugruppe 5, ist ein transparentes Sichtfenster 116 vorgesehen. Ein optisches Anzeigeelement 108 wird durch einen Anzeigekörper 1 18 gebildet, welcher beweglich gelagert ist und in Abhängigkeit von einer Druckdifferenz bei zunehmender Druckdifferenz zunehmend im Sichtfenster 116 sichtbar ist. Es ist auch möglich, dass der gesamte Kanal transparent ausgebildet ist und somit der gesamte Kanal das Sichtfenster 116 bildet. In diesem Fall muss der Anzeigekörper 118 so angeordnet werden, dass seine Position in Abhängigkeit der Druckdifferenz optisch eindeutig zu erkennen ist. Der Anzeigekörper 118 ist über elastisches Element 102 mit einer Wand des Kanals verbunden. Der Anzeigekörper 1 18 sieht somit auf der einen Seite den Umgebungsdruck PA und auf der anderen Seite den Innendruck P1. Bei steigendem Unterdruck wird der Anzeigekörper 118 zunehmen gegen die Federkraft des elastischen Elements 102 in den Kanal gezogen und wird somit durch das Sichtfenster 116 zunehmend sichtbar. In den Figuren 7 und 8 ist jeweils ein Drucksensor 100 mit einem als Volumenelement ausgebildeten elastischen Element 102, welches in Abhängigkeit von der Druckdifferenz des Innendrucks P1 zum Umgebungsdruck PA das Volumen ändert. In der vierten Ausführungsform in Figur 7 ist das elastische Element 102 ein
sichelförmiges Volumenelement, welches in Abhängigkeit von der Volumenänderung eine Translationsbewegung vollzieht, wobei sich die Spitze des sichelförmigen elastischen Elements 102 bei steigendem Unterdruck P1 gegenüber dem Umgebungsdruck PA in Richtung des eingezeichneten Pfeils bewegt. Über eine Skala oder ein Vergleichsbild kann die Druckdifferenz bestimmt werden.
In der fünften Ausführungsform in Figur 8 ist das elastische Element 102 ein
spiralförmiges Volumenelement, welches in Abhängigkeit von der Volumenänderung eine Rotationsbewegung vollzieht, wobei sich das Zentrum des spiralförmigen elastischen Elements 102 bei steigendem Unterdruck P1 gegenüber dem Umgebungsdruck PA um die Spiralachse dreht. Am Zentrum des spiralförmigen Elements 102 ist ein Zeiger als optisches Anzeigeelement befestigt. Über eine Skala oder ein Vergleichsbild und die Rotationsbewegung kann die Druckdifferenz bestimmt werden. Figur 9 zeigt eine sechste Ausführungsform eines Drucksensors 100, wobei der
Drucksensor durch eine elastisches Element 102 innerhalb eines transparent
ausgebildeten gasleitenden Kanals des Strömungskanals 42 oder der
Gasanschlussbaugruppe 5, welches selbst eine Restriktion 110 für den Gasstrom bildet. Das elastische Element 102 ist sichelförmig ausgebildet und ist auf der linken Seite von Figur 9 in einer entspannten Mittellage gezeigt, wobei kein Strom durch den Kanal gefördert wird und entsprechend die Druckdifferenz über der durch das elastische Element 102 gebildeten Restriktion 110 im Wesentlichen Null ist. In der entspannten Mittellage erstreckt sich das elastische Element im Wesentlichen senkrecht zur
Strömungsrichtung, wobei die Spitze des sichelförmigen elastischen Elements an einer ersten Position an der Kanalwand angeordnet ist.
Auf der rechten Seite der Figur 9 ist das elastische Element 102 bei einem Gasstrom durch den Kanal gezeigt, wobei sich eine Druckdifferenz über der Restriktion 1 10 ausbildet und das elastische Element verformt wird. Dabei bewegt sich einerseits die Spitze des elastischen Elements 102 in Richtung der Strömung, wobei die Bewegung der Spitze durch eine Skala oder ein Vergleichsbild bestimmt werden kann und als Maß für den Druckunterschied genutzt werden kann. Andererseits verformt sich das elastische Element so, dass die Breite des elastischen Elements aus einer Beobachtungsrichtung von oben mit zunehmender Verformung sich vergrößert. Vorzugsweise ist das elastische Element 102 farblich gekennzeichnet, so dass die Breite des elastischen Elements ein optisches Anzeigeelement 108 bildet, welches von der Digitalkamera 38 erfasst wird und zur Bestimmung der Druckdifferenz ausgewertet wird.
In den gezeigten Ausführungsformen sind die Drucksensoren 100 jeweils über den optischen Sensor 38 der Messvorrichtung auslesbar. Es ist jedoch auch möglich, dass die Drucksensoren 100 elektrische oder magnetische Messelemente umfassen, welche eine elektrische Leitfähigkeit, eine elektrische Kapazität oder eine magnetische Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der Verformung des elastischen Elements erfassen. Beispielsweise kann die Membran des elastischen Elements 102 der ersten und zweiten
Ausführungsform leitfähig beschichtet sein, um einen elektrischen Kontakt (und dessen Leitfähigkeit) oder eine veränderliche Kapazität (durch veränderlichen Abstand oder veränderliche Fläche) mit entsprechenden leitfähig beschichteten Anlageflächen 106 des Sensorgehäuses 104 zu bilden.
Die Erfassung der magnetischen Leitfähigkeit kann durch Induktion erfolgen. Der magnetische Widerstand kann als Spule oder als massives Material mit großer elektrischen Leitfähigkeit erfolgen. Die durch eine fest eingebaute Spule induzierten magnetischen Felder werden je nach Abstand und Fläche durch die Wirbelströme, die in der Spule oder dem massiven Material induziert werden, gedämpft. Die entnommene Energie kann in einem Schwingkreis und der daraus entstehenden reduzierten
Resonanzüberhöhung gemessen werden. Die Erfassung der magnetischen Leitfähigkeit kann bei Materialien mit hoher Permeabilität mittels der magnetischen Kopplung gemessen werden. Die zu messende Membran ist in einem Luftspalt eines magnetischen Kreises angeordnet und kann beispielsweise mittels eines Hallsensors als veränderte Funktion von Stromstärke zu Feldstärke oder bei Permanentmagneten direkt als
Feldstärke gemessen werden.
Im Folgenden wird ein Messverfahren unter Bezugnahme auf die Figuren 2 und 3 beschrieben.
Der Reaktionsträger 14 wird in eine Einführöffnung 80 in einem Gehäuse 82 der
Messvorrichtung 12 eingeführt. Der Reaktionsträger 14 wird von Hand in die
Einführöffnung gesteckt, von der Reaktionsträgerfördereinrichtung 34 erfasst und in Einfuhrrichtung vorwärts transportiert. Beim Transportieren des Reaktionsträgers 1 durchläuft das Informationsfeld 52 des Reaktionsträgers 14 das Aufnahmefeld 40 der Digitalkamera 38, wobei die Informationen auf dem Informationsfeld 52 von der Digitalkamera 38 erfasst werden und in einer Auswerteeinrichtung der zentralen Steuerungseinheit 41 ausgewertet werden können. Es ist auch möglich, dass der Reaktionsträger in einer Ausleseposition positioniert wird, in der ein Auslesen des Informationsfelds 52 ermöglicht wird. In der gezeigten
Ausführungsform ist die Information auf dem Informationsfeld 52 optisch gespeichert und kann somit auf einfache Weise von der Digitalkamera 38 ausgelesen werden. Alternativ ist es auch möglich, dass ein elektronisches Informationsfeld 52 vorgesehen ist, welches beispielsweise als aktiver oder passiver RFID-Chip oder SRAM-Chip ausgebildet ist und über Funk oder über elektrische Kontakte ausgelesen werden kann. Die elektrischen Kontakte sind vorzugsweise über Datenleitungen zu den Ein- und Ausströmöffnungen der Strömungskanäle 42 und Gasstutzen aus einem stromleitenden Material hergestellt, sodass eine Strom- bzw. Datenverbindung zwischen dem SRAM-Chip und einer entsprechenden Auslesevorrichtung hergestellt wird, während sich die Gasstutzen in den Ein- und Ausströmöffnungen befinden.
In einem ersten Verfahrensschritte werden die auf dem Informationsfeld 52 enthaltenen Informationen des Reaktionsträgers 14, insbesondere in Bezug auf die zu messende Komponente des Gasgemisches und einen entsprechenden Konzentrationsbereich, ausgelesen.
Anschließend wird der Reaktionsträger 14 in einer Relativposition zu den Gasanschlüssen 22, 24 der Messvorrichtung 12 positioniert, wobei ein Strömungskanal 42 ausgewählt wird, welcher eine unbenutzte Reaktionskammer 46 aufweist, in dem in Figur 3 gezeigten Beispiel der in Einführrichtung erste Strömungskanal 42 des Reaktionsträgers 14.
Eine Verbindung zwischen den Gasanschlüssen 22, 24 wird durch den zweiten
Strömungskanal 42 hergestellt.
Vor dem Start der Gasfördereinrichtung 28 wird ein Referenzbild des Strömungskanals 42 aufgenommen, wobei die Drucksensoren 100 am Reaktionsträger 14 und an der
Gasanschlussbaugruppe 5 im Sichtfeld der Digitalkamera 38 liegen. Aus der Aufnahme kann einerseits ein momentanes Druckverhältnis gemessen werden. Andererseits kann die Aufnahme für einen Vergleich mit Aufnahmen während des Förderns des
Gasgemischs genutzt werden. Nach der Aufnahme des Referenzbilds fördert die Gasfördereinrichtung 28 ein zu messendes Gasgemisch durch den Abflusskanal 18, den zweiten Strömungskanal 42 und den Gaszuflusskanal 16, wobei die Digitalkamera 38 eine eventuelle optische
detektierbare Reaktion in der Reaktionskammer 46 erkennt.
Während des Förderns des Gasgemischs durch die Gasfördereinrichtung 28 nimmt die Digitalkamera 38 ein Strömungsbild des Strömungskanals 42 auf. Dieses Strömungsbild kann beispielsweise sowohl für die optische Detektion der Drucksensoren 100 als auch für die Detektion der optisch detektierbaren Reaktion verwendet werden.
Die Steuereinheit 108 wertet das Referenzbild und das Strömungsbild der Digitalkamera 38 aus und bestimmt mittels der erfassten optischen Anzeigeelementen 108 die
Druckdifferenzen an den Positionen der Drucksensoren 100. Auf diese Weise kann überprüft werden, ob die Gasfördereinrichtung 28 einen Gasstrom durch den
Strömungskanal 42 bzw. die Gasanschlussbaugruppe 5 fördert.
Vorzugsweise nimmt die Digitalkamera 38 kontinuierlich Strömungsbilder des
Strömungskanals 42 auf, um eine kontinuierliche optische Detektion der Druckdifferenzen und der optisch detektierbaren Reaktion zu ermöglichen.
Die Detektionsbaugruppe 3 erfasst eine sich in Strömungsrichtung in der
Reaktionskammer 46 ausbreitende Reaktionsfront u d deren Geschwindigkeit während des Förderns des Gasgemischs und bestimmt ein vorläufiges Messergebnis der
Konzentration der zu messenden Komponente des Gasgemischs aus der
Geschwindigkeit der Reaktionsfront.
Ein Endmessergebnisses der Konzentration der Komponente des Gasgemischs wird bestimmt und nach Beendigung des Förderns des Gasgemischs ausgegeben.
Ist die zu bestimmende Komponente des Gasgemisches nicht im Gasgemisch enthalten oder liegt in einer Konzentration unter einer Detektionsschwelle des
Konzentrationsbereichs des vorliegenden Reaktionsträgers 14 vor, so wird keine optisch detektierbare Reaktion in der Reaktionskammer 46 festgestellt, es bildet sich also keine Reaktionsfront in der Reaktionskammer 46 aus. Ein entsprechendes Ergebnis der Messung wird durch die Messvorrichtung
beispielsweise optisch oder akustisch angezeigt.
Vorzugsweise findet bei jedem Herstellen einer Verbindung zwischen den
Gasanschlüssen 22, 24 über einen Strömungskanal 42 eine Überprüfung von
Leckageströmen statt.
In einem ersten Schritt wird der Gasanschluss 24 des Gasabflusskanals 18 mit dem zugehörigen Anschlusselement 44 des Reaktionsträgers 14 verbunden. In einem zweiten Schritt wird Gas durch den Gasabflusskanal 18 und den damit verbundenen
Strömungskanal 42 des Reaktionsträgers 14 gefördert, wobei die Druckdifferenz gegenüber dem Umgebungsdruck oder eine Druckdifferenz über einer Restriktion 110 und somit ein Gasstrom durch den Gasabflusskanal durch die Drucksensoren 100 gemessen wird. Ist das System von Gasabflusskanal und Strömungskanal gasdicht, so wird ein entsprechender Unterdruck sowie im Wesentlichen kein Gasstrom durch den
Gasabflusskanal 18 gemessen, da der Strömungskanal 42 des Reaktionsträgers 14 über das von der Dichtungsvorrichtung 62 verschlossene zweite Anschlusselement 44 gasdicht verschlossen ist. In einem weiteren Schritt wird der Gaszuflusskanal 16 stromaufwärts durch das Ventil 54 verschlossen und der Gasanschluss 22 des Gaszuflusskanals 16 wird mit dem
entsprechenden Anschlusselement 44 des Reaktionsträgers 14 verbunden. Anschließend wird Gas durch die Gasfördereinrichtung 28 durch den Gasabflusskanal 18, den
Strömungskanal 42 und den Gaszuflusskanal 16 gefördert, wobei analog wieder die Druckdifferenzen an den Positionen der Drucksensoren 100 zur Überprüfung von
Leckageströmen gemessen werden. Ist das System von Gasabflusskanal 18, \
Strömungskanal 42 und Gaszuflusskanal 16 gasdicht, so wird ein entsprechender
Unterdruck sowie im Wesentlichen kein Gasstrom durch den Gasabflusskanal 18 gemessen, da der Gaszuflusskanal 16 durch das Ventil 54 gasdicht verschlossen ist.
Bei einem gasdichten Messsystem 10, bei dem vor Überprüfung der Leckageströme Normaldruck in Gasabflusskanal 18, Strömungskanal 42 und/oder Gaszuflusskanal 16 vorliegt, ist die in den vorhergehenden Absätzen beschriebene Messung von im
Wesentlichen keinem Gasstrom dahingehend zu verstehen, dass ein im Wesentlichen exponentiell abnehmender, dem Unterdruck folgendem Gasfluss gemessen wird. In anderen Worten entspricht der gemessene Gasstrom bei einem gasdichten Messsystem 10 der zu Beginn der Messung in den Kanälen 16, 18, 42 vorliegenden Gasmenge, welche bei der Überprüfung der Leckageströme durch die Gasfördereinrichtung 28 abgepumpt wird.
Wird bei der Überprüfung ein Leckagestrom, d. h. ein über den im vorhergehenden Absatz genannten Gasstrom hinausgehender Gasstrom durch den Gasabflusskanal 18, gemessen, so wird eine entsprechende Fehlermeldung durch die Messvorrichtung 12 ausgegeben. Der Strömungskanal 42 auf dem Reaktionsträger 14 oder Gasabflusskanal 18 und Gaszuflusskanal 16 der Messvorrichtung 12 können dann beispielweise durch den Benutzer überprüft werden.
Es ist auch möglich, dass bereits in einem ersten Schritt beide Gasanschlüsse 22, 24 des Gasabflusskanals 18 und des Gaszuflusskanals 16 mit den entsprechenden
Anschlusselementen 44 des Strömungskanals 42 verbunden werden und entsprechend eine einzige Überprüfung von Leckageströmen durchgeführt wird.
BEZUGSZEICHENLISTE
2 Gasförderbaugruppe
3 Detektionsbaugruppe
4 Auswertungseinheit
5 Gasanschlussbaugruppe
10 Messsystem
12 Messvorrichtung
14 Reaktionsträger
16 Gaszuflusskanal
18 Gasabflusskanal
20 Gasgemischeinströmöffnung
22 Gasanschluss
24 Gasanschluss
26 Gasgemischausströmöffnung
28 Gasfördereinrichtung
31 Steuerungs-/Regelungseinheit
32 Puffer
34 Reaktionsträgerfördereinrichtung
36 Positionssensor
37 Beleuchtungseinrichtung
38 Digitalkamera/optischer Sensor
40 Aufnahmefeld
41 zentrale Steuerungseinheit
42 Strömungskanal
44 Anschlusselemente
46 Reaktionskammer
48 Reaktionsstoff
50 Anzeigestift
51 Codierung
52 Informationsfeld
54 Ventil
76 Bewertungseinrichtung
78 Speichereinrichtung
80 Einführöffnung
82 Gehäuse (der Messvorrichtung)
100 Drucksensor elastisches Element Sensorgehäuse
Anlagefläche
optisches Anzeigeelement Restriktion
Kammer
Kammer
Sichtfenster
Anzeigekörper

Claims

PATENTANSPRÜCHE
Drucksensor (100) für ein Messsystem (10) zur Messung einer Konzentration von gas- und/oder aerosolförmigen Komponenten eines Gasgemisches mit
einem Reaktionsträger (14), der zumindest einen Strömungskanal (42) aufweist, wobei der Strömungskanal (42) eine Reaktionskammer (46) mit einem Reaktionsstoff (48) bildet, welcher ausgebildet ist, um mit zumindest einer zu messenden Komponente des Gasgemisches oder einem Reaktionsprodukt der zu messenden Komponente eine optisch detektierbare Reaktion einzugehen,
und einer Messvorrichtung (12), die eine Gasanschlussbaugruppe (5) zum Anschluss eines Gaszuflusskanals (16) und eines Gasabflusskanals (18) an den Strömungskanal (42) des Reaktionsträgers und eine Gasfördereinrichtung (28) zur Förderung des Gasgemisches durch den Strömungskanal (42) des Reaktionsträgers (14) umfasst;
wobei der Drucksensor (100) ausgebildet ist, um eine Druckdifferenz eines durch die Gasförderbaugruppe (5) und/oder Strömungskanal (42) des Reaktionsträgers (14) strömenden Gasgemisches zu messen und ein elastisches Element (102) aufweist, welches ausgebildet ist, um sich in Abhängigkeit der Druckdifferenz zu verformen.
Drucksensor nach Anspruch 1 , wobei der Drucksensor (100) ein optisches Anzeigeelement (108) umfasst, welches ausgebildet ist, um durch einen optischen Sensor (38) der Messvorrichtung (12) erfasst zu werden.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei das elastische Element (102) durch eine diffus reflektierende transparente Membran gebildet wird und eine Anlagefläche (106) vorgesehen ist, welche ausgebildet sind, sodass die Membran in Abhängigkeit mit zunehmender Druckdifferenz zu zunehmenden Flächenanteilen an der Anlagefläche (106) zu Anlage kommt, wobei die an der Anlagefläche (106) anliegenden Flächenanteile von den nicht-anliegenden Flächenanteilen der Membran optisch unterscheidbar sind.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei ein Sichtfenster (116) vorgesehen ist, welches angeordnet ist, um durch den optischen Sensor (38) erfasst zu werden, und ein Anzeigekörper (118) vorgesehen ist, welcher in Abhängigkeit von der Druckdifferenz mit zunehmender Druckdifferenz zunehmend im Sichtfenster (116) sichtbar ist.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei das elastische Element (102) als Volumenelement ausgebildet ist, welches in Abhängigkeit der Druckdifferenz sein Volumen ändert und in Abhängigkeit der Volumenänderung eine optisch detektierbare Translations- oder Rotationsbewegung vollzieht.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei der Drucksensor (100) ein elektrisches oder magnetisches Messelement umfasst, welches eine elektrische Leitfähigkeit, eine elektrische Kapazität oder eine magnetische Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der Verformung des elastischen Elements (102) erfasst.
Messvorrichtung (12) für ein Messsystem (10) zur Messung einer Konzentration von gas- und/oder aerosolförmigen Komponenten eines Gasgemisches mit
einem Reaktionsträger (14), der zumindest einen Strömungskanal (42) aufweist, wobei der Strömungskanal (42) eine Reaktionskammer (46) mit einem Reaktionsstoff (48) bildet, welcher ausgebildet ist, um mit zumindest einer zu messenden Komponente des Gasgemisches oder einem Reaktionsprodukt der zu messenden Komponente eine optisch detektierbare Reaktion einzugehen,
wobei die Messvorrichtung (12) eine Gasanschlussbaugruppe (5) zum Anschluss eines Gaszuflusskanals (16) und eines Gasabflusskanals (18) an den Strömungskanal (42) des Reaktionsträgers (14) und eine Gasfördereinrichtung (28) zur Förderung des Gasgemisches durch den Strömungskanal (42) des Reaktionsträgers (14) umfasst;
und einen Drucksensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen aufweist, wobei der Drucksensor (100) an der Gasanschlussbaugruppe (5) vorgesehen ist.
Reaktionsträger (14) für ein Messsystem zur Messung einer Konzentration von gas- und/oder aerosolförmigen Komponenten eines Gasgemisches mit einer Messvorrichtung (12), die eine Gasanschlussbaugruppe (5) zum Anschluss eines Gaszuflusskanals (16) und eines Gasabflusskanals (18) an einen Strömungskanal (42) des Reaktionsträgers (14) und eine Gasfördereinrichtung (28) zur Förderung des Gasgemisches durch den Strömungskanal (42) des Reaktionsträgers (14) umfasst; wobei der Reaktionsträger (14) zumindest einen Strömungskanal (42) aufweist, wobei der Strömungskanal (42) eine Reaktionskammer (46) mit einem Reaktionsstoff (48) bildet, welcher ausgebildet ist, um mit zumindest einer zu messenden Komponente des Gasgemisches oder einem Reaktionsprodukt der zu messenden Komponente eine optisch detektierbare Reaktion einzugehen, wobei der Reaktionsträger zumindest einen Drucksensor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 umfasst, wobei der Drucksensor (100) am zumindest einen Strömungskanal (42) ausgebildet ist.
9. Messverfahren für ein Messsystem zur Messung einer Konzentration von gas- und/oder aerosolförmigen Komponenten eines Gasgemisches mit einem
Reaktionsträger (14), der zumindest einen Strömungskanal (42) aufweist, wobei der Strömungskanal (42) eine Reaktionskammer (46) mit einem Reaktionsstoff (48) bildet, welcher ausgebildet ist, um mit zumindest einer zu messenden Komponente des Gasgemisches oder einem Reaktionsprodukt der zu messenden Komponente eine optisch detektierbare Reaktion einzugehen, und einer Messvorrichtung (12); mit den Verfahrensschritten:
Messung einer Referenz-Druckdifferenz in einer Gasanschlussbaugruppe (5) der Messvorrichtung (12) oder einem Strömungskanal (42) des Reaktionsträgers (14) gegenüber dem Umgebungsdruck oder über einer Restriktion in der Strömung;
Fördern eines Gasstroms durch den Strömungskanal (42) des Reaktionsträgers (14); ' Messung einer Druckdifferenz in einer Gasanschlussbaugruppe (5) der Messvorrichtung (12) oder einem Strömungskanal (42) des Reaktionsträgers (14) gegenüber dem Umgebungsdruck oder über einer Restriktion in der Strömung.
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