WO2014194983A1 - Reaktionsträger, messverfahren und messverfahren zur bestimmung von gas- und partikel-konzentrationen, und optischer strömungssensor - Google Patents

Reaktionsträger, messverfahren und messverfahren zur bestimmung von gas- und partikel-konzentrationen, und optischer strömungssensor Download PDF

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reaction
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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 measuring system for measuring a
  • Gas mixture and a reaction support for such a measuring system with 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 invention further relates to a measuring method for measuring a concentration of gas and / or aerosol components of a gas mixture and an optical
  • 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.
  • reaction carrier for a measuring system for measuring a concentration of gas- and / or aerosol-shaped components of a gas mixture, with at least one flow channel, wherein the flow channel forms a reaction chamber with a reaction substance which is designed to be at least one to be measured component of the gas mixture or a
  • the flow channel is at least partially filled with particles having a starting position before the gas mixture flows through the flow channel, and are acted upon by a gas flow through the flow channel in a flow position, wherein the particles are formed so that the particles in the starting position and the Particles in the flow position can be optically distinguished. In this way, a flow of the gas mixture through the
  • Flow channel to be determined optically! whereby the sensor technology of a measuring device belonging to the measuring device can be simplified by, for example, detecting and determining the optically detectable reaction and the flow of the gas mixture via a common optical sensor. Thus, no separate sensor is needed to determine a mass flow.
  • the particles have different sizes, wherein in the starting position particles of different sizes are mixed and in the
  • the particles of different sizes are at least partially segregated.
  • the gas stream leaches small particles and deposits in low flow areas and larger particles align with the flow.
  • the particles may also have a flow shape to align in a flow of gas in a predetermined orientation in the flow direction in its flow position. In this way, the particles can be aligned in a specific direction and, in particular, an isotropic or chaotic initial position can be distinguished from an aligned flow position. For example, the particles are drop-shaped.
  • the particles are marked in color to provide an optical To facilitate differentiation of the positions of the particles and to reinforce.
  • the particles may be mechanical, electrical and / or magnetic
  • a first ordered distribution of the particles in their return positions can be set against a second ordered distribution of the particles in their flow positions, whereby a determination of the positions of the particles can be simplified.
  • the invention further relates to a measuring system for measuring a concentration of gas and / or aerosol-shaped components of a gas mixture with a reaction carrier according to one of the preceding claims and a measuring device having an optical sensor, which is the flow channel of the reaction carrier detected and formed to the Optically determine the starting position and flow position of the particles.
  • a flow of the gas mixture through the flow channel can be determined optically, whereby the sensor system of a measuring system belonging to the measuring device can be simplified by, for example, the optically detectable reaction and the flow of the gas mixture is detected and determined via a common optical sensor.
  • no separate sensor is needed to determine a mass flow.
  • the measuring device and / or the reaction carrier can be designed to generate an electric or magnetic field in the flow channel of the reaction carrier. In this way, an electrical or magnetic restoring force for corresponding particles can be generated.
  • the restoring force can be dynamically modulated. In this way, the accuracy of the measurement can be improved.
  • the invention further relates to a measuring method for measuring a concentration of gas- and / or aerosol-shaped components of a gas mixture with an above described reaction support or a measuring system described above, comprising the steps of receiving a reference image of the flow channel before conveying a gas flow through the flow channel, wherein the particles are in their initial position, the recording of a flow pattern of the flow channel during a conveyance of a gas flow through the flow channel and of the
  • Determining the flow of gas flowing through the flow channel by evaluating the reference image and the flow pattern. By evaluating the reference image and the flow pattern, a change in the position of the particles and thus a gas flow through the flow channel can be determined, whereby an optical determination of a gas flow through the flow channel is made possible.
  • the measuring method comprises the step of generating a restoring force during the conveyance of the gas flow through the
  • the measuring method may include the step of dynamically modulating the restoring force while conveying the gas flow through the flow channel such that the particles reciprocate between the reset position and the flow position. In this way, a continuous measurement with increased accuracy can be performed.
  • the invention further relates to an optical flow sensor for determining a flow of a fluid, with a transparent flow channel which is at least partially filled with particles.
  • the particles have a flow form for directing to a flow position in a gas flow in a predetermined orientation in the flow direction and have mechanical / electrical and / or magnetic properties to return to a reset position by a mechanical, electrical and / or magnetic restoring force acting on the particles to be acted upon, wherein the particles are formed so that the particles in the reset position and the particles can be optically distinguished in the flow position.
  • a rear part device for generating the mechanical, electrical and / or
  • an optical sensor element which is designed to detect a change in position of the particles from the starting position to the flow position and a control unit provided, which is designed to determine by means of the detected change in position of the particles, the flow of the fluid.
  • a control unit provided, which is designed to determine by means of the detected change in position of the particles, the flow of the fluid.
  • Figure 1 is a schematic view of a first embodiment of a
  • 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
  • FIG. 4a shows a flow channel according to a first embodiment of a
  • Reaction carrier with particles in their starting position shows; 4b shows a flow channel according to the first embodiment of a
  • Reaction carrier with particles in their flow position shows; shows a diagram of an intensity distribution of images of the flow channel according to the first embodiment; shows a flow channel according to a second embodiment of a reaction carrier; shows a portion of the flow channel according to Figure 6 with particles in their starting position; shows a portion of the flow channel according to Figure 6 with particles in its flow position;
  • Figure 8a shows a portion of the flow channel of a reaction carrier according to a third embodiment with particles in their reset position
  • Figure 8b shows a portion of the flow channel of a reaction carrier according to the third embodiment with particles in its flow position
  • Figure 9 shows a portion of the flow channel of a reaction carrier according to a fourth embodiment with particles in their reset position.
  • 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.
  • the reaction substance 48 is designed to enter into an optically detectable reaction with at least one component 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.
  • 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 carry out a weighting of the color channels in the evaluation of the data of the optical sensor 38.
  • the illumination device 37 is arranged on the side of the reaction carrier 14 opposite the optical sensor 38 for the sake of clarity. However, the illumination device may be 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.
  • Measuring system 10 are performed to rule out a measurement error due to a malfunction of the measuring system, for example, due to leakage or clogging of the flow channel.
  • 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
  • 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 Gas mixture inlet opening 20 to the first gas connection 22.
  • the gas outlet channel 18 extends from the second gas connection 24 to a gas mixture outflow opening 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 inlet channel is prevented or reduced.
  • a valve 54 is located upstream of the gas mixture inlet port 20
  • Gas inlet channel 16 is arranged.
  • the valve allows in its first position shown a gas flow through the gas inlet channel 16 and prevented in a second position, a gas flow through the gas inlet channel 16. In the 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. Furthermore, 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 pgsitionssensor 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 undergoes an optically detectable reaction with a gas and / or an aerosol-type component of a gas mixture to be measured. 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.
  • Detection threshold is present, at which a flow through the flow channel can be measured optically via the optical sensor 38 will be described below.
  • FIGS. 4A and 4B each show an enlarged section of a flow channel 42 of a reaction carrier 14 according to a first embodiment.
  • Flow channel 42 is filled with particles 100.
  • the particles 100 have different sizes, wherein in the starting position of the particles 100 shown in FIG. 4A, the particles 100 of different sizes are mixed.
  • FIG. 4A shows the section of the flow channel 42 at a point in time before a gas mixture flows through the flow channel 42, wherein the particles 100 are each in an initial position.
  • FIG. 4B shows the section of the flow channel 42 at a point in time when a gas mixture flows through the flow channel 42. By the gas flow, the particles 100 are acted upon in a flow position. In the first embodiment shown in FIG. 4B, the different sized particles 100 are replaced by the first
  • Gas stream at least partially segregated. For example, fine particles are washed out and settle in places with a lower flow velocity. Large particles can change and complete their orientation in the gas flow
  • the particles are designed such that the particles 100 in the starting position shown in FIG. 4A and the particles 100 in the flow position shown in FIG. 4B can be optically distinguished.
  • FIG. 5 shows a diagram of the intensity profiles of all image pixels, a photograph of a flow channel according to the first embodiment, wherein on the vertical axis a deviation from a mean value is indicated and the time is plotted on the horizontal axis, wherein the time at which the gas mixture through the
  • Flow channel 42 flows, d. H. the start of the gas delivery device 28, indicated by the vertical dashed line.
  • the intensity profiles show a small deviation from the mean.
  • the particles 100 different size at least partially segregate.
  • the change in position of the particles 100 causes a change in the image, wherein the segregation of the particles 100 of different size causes a contrast enhancement and in a significantly increased deviation from the mean in the
  • Intensity distribution is recognizable. From the optically detectable change in position of the particles 100 can thus be checked whether a mass flow through the
  • the size distribution of the particles 100 of different size is selected so that the largest possible change in the deviation of the intensity distribution in the
  • the particles 100 may be formed by the reactant 48 or may be made of another substance and mixed with the reactant 48 or in a separate section of the
  • Flow channel 42 may be arranged.
  • the particles 100 comprise
  • FIG. 6 shows a section of a flow channel 42 of a second embodiment of a reaction carrier 14.
  • the flow channel 42 comprises a first section on the left side, which forms the reaction chamber 46 with the reaction substance 48, and a second section 101 on the right, which contains particles 102 is filled, wherein the particles have a flow shape.
  • the flow shape of the particles 102 causes the particles to orient themselves in a gas flow in a predetermined orientation in the flow direction into a defined flow position.
  • a gas flow is from left to right, as indicated by the arrow, and all particles 102 are aligned in their flow position.
  • FIGS. 7A and 7B each show a detailed view of the second section 101 of the second embodiment.
  • the particles 102 with flow shape have a teardrop shape and have a color marking 103.
  • a rod shape or disc shape For example, a rod shape or disc shape.
  • the color marking 103 can be provided for better differentiation of the particles 102 from other particles in the flow channel 42, for example reaction substance 48.
  • the color marking can be designed so that the color marking is aligned in the flow position so that a better optical distinction between the starting position and flow position of the particles
  • Figure 7A shows a detail view of the second portion 101 of the second
  • FIG. 7B shows a detailed view of the second section 101 with a flow through the flow channel 42 in the direction of the arrow.
  • the particles 102 are acted upon by the flow in their flow position and rotate in their predetermined orientation in the flow direction.
  • the regular arrangement of the particles 102 in their flow position relative to the chaotic random orientation of the particles 102 in the starting position results in a more homogeneous distribution of the color markings 103 in comparison to the distribution in FIG. 7A.
  • the 1 color marking 103 or the particle shape is selected so that the color markings
  • FIGS. 8A and 8B show a flow channel 42 of a reaction carrier 14 according to a third embodiment.
  • the flow channel 42 is at least partially filled with particles 104, which analogous to the previous embodiment a Have flow shape.
  • the particles 104 of the third embodiment have an electrical property to be moved to a reset position by an electric restoring force acting on the particles 104, wherein the particles 104 are formed so that the particles in the reset position and the particles 104 in the reset position Flow position can be visually distinguished.
  • the electrical property is an electric dipole moment, wherein the particles 104 may have a permanent dipole moment or an induced dipole moment.
  • the electrical restoring force is generated by an external electric field, in which align the electric dipoles.
  • the electric field is represented by the field lines 106 in FIG. 8A.
  • the electric field is generated by a reset device 107.
  • the return device 107 may be formed in the measuring device 12 or in the reaction carrier 14, for example by parallel to the flow channel 42 extending capacitor plates.
  • an optical flow sensor 109 is formed.
  • the flow sensor 109 in addition to the application shown in an above
  • measuring system 10 are also used to measure the flow of other fluids.
  • FIG. 8A shows the particles 104 in their reset position, in which the particles 104 in the electric field 106 are aligned.
  • the optical contrast in the positional change of the particles 104 can be improved, for example, by pointing color marks 103 or specific areas of the particles 104 in one position to the observation direction 105 and pointing away in the other position from the observation direction 105.
  • the particles 104 are acted upon by the restoring force in a specific reset position and repeated or continuous measurements can be made.
  • the particles 104 align in their reset position and after subsequent switching off the electric field, the particles 104 align with existing flow in its flow position.
  • a sensitivity of the measurement can be adjusted by applying a small restoring force to the particles 104 in their return position and thus only at a certain flow rate, the particles 104 are acted upon with sufficient force in the direction of the flow position, so that a change in position to
  • a dynamic modulation of the restoring force can be carried out.
  • the dynamic modulation can be carried out, for example, such that the particles 104 move back and forth between the reset position and the flow position, for example with a sinusoidal shape
  • FIG. 9 shows an alternative embodiment of an optical flow sensor 109 with a flow channel 42 of a fourth embodiment of a reaction carrier 14.
  • the particles 110 have a flow form analogous to the second and third embodiments and additionally have magnetic properties in order to be characterized by a magnetic restoring force acting on the particles a reset position to be moved, wherein the particles 110 are formed so that the particles 110 in the reset position and the particles in the flow position can be optically distinguished.
  • a return device 107 generates a magnetic field in which the particles 110 align themselves in their return position, as shown in FIG. The measurement takes place in
  • the particles 110 are, for example, metallic particles.
  • particles 100, 102, 104 or 110 are provided which have mechanical properties in order to be moved into a reset position by a mechanical restoring force acting on the particles, wherein the particles are designed so that the particles in the reset position and the particles in the flow position can be visually distinguished.
  • the particles can be embedded in an elastic matrix or even form an elastic matrix.
  • the particles may also have electrical properties, for example, a magnetization or a permanent electric dipole moment, so that interact with each other, the particles' and a preferred position of the particles is formed, a
  • Resetting position forms. In this way, the particles are deflected only from a threshold value of the flow strength from the preferred position into the flow position.
  • the particles 104 may be embedded in an elastic matrix with electric dipole moment and thus on the one hand an adjustable electrical restoring force and on the other hand a
  • invariable mechanical restoring force acting on the particles 104 As a measure of the flow can be provided on the one hand a determination of a fixed or variable threshold, wherein it is determined that there is a flow above the threshold value of the flow strength.
  • the contrast can be used by the change in position as a measure of the flow strength or a variable restoring force can be used, for example, via the restoring force required to return to determine the flow rate.
  • 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
  • Reaction carrier 14 the recording field 40 of the digital camera 38, wherein the information on the information field 52 are detected by the digital camera 38 and can be evaluated in an evaluation 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.
  • the 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
  • a reference image of the flow channel 42 is recorded, wherein the particles 100, 102, 104 or 110 are in a starting position. Insofar as provided, the particles 104 or 110 may also be through the
  • the gas delivery device 28 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, for example, both for the optical detection of the flow through the Flow channel 42 can be used as well as 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 determined by means of the detected change in position of the particles 100, 102, 104, 110, the flow of gas flowing through the flow channel 42 gas flow.
  • the digital camera 38 continuously takes flow images of
  • Flow channel 42 to allow a continuous optical detection of the flow through the flow channel 42 and the optically detectable reaction.
  • the measurement system 10 generates a restoring force during the delivery of the gas stream, which urges the particles into a return position.
  • a restoring force By adaptation and in particular dynamic modulation of the restoring force, the accuracy of the determination of the flow strength can be increased.
  • the detection assembly 3 detects a flow direction in the
  • Reaction chamber 46 propagating reaction front and 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.
  • a corresponding result of the measurement is provided by the measuring device
  • 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
  • Promoted flow channel 42 of the reaction carrier 14, wherein the gas flow through the gas drainage channel for checking leakage flows is measured. If the system of gas outflow channel and flow channel is gas-tight, substantially no gas flow is measured through the gas outflow channel 18, since the flow channel 42 of the reaction carrier 14 is closed in a gas-tight manner via the second connection element 44 closed 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
  • 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 during the checking of the leakage flows through the gas delivery device 28.
  • a leakage current ie a gas flow beyond the gas flow mentioned in the preceding paragraph
  • 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. It is also possible that already in a first step, 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 Reaktionsträger (14) für ein Messsystem (10) zur Messung einer Konzentration von gas- und/oder aerosolförmigen Komponenten eines Gasgemisches sowie ein derartiges Messsystem (10) und entsprechendes Messverfahren. Der Reaktionsträger (14) umfasst zumindest einen Strömungskanal (42), 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. Der Strömungskanal (42) ist zumindest teilweise mit Partikeln (100, 102, 104, 110) gefüllt, die eine Ausgangsposition aufweisen, bevor das Gasgemisch durch den Strömungskanal (42) strömt, und welche durch einen Gasstrom durch den Strömungskanal (42) in eine Strömungsposition beaufschlagt werden, wobei die Partikel (100, 102, 104, 110) so ausgebildet sind, dass die Partikel (100, 102, 104, 110) in der Ausgangsposition und die Partikel (100, 102, 104, 110) in der Strömungsposition optisch unterschieden werden können. Die Erfindung betrifft ferner einen optischen Strömungssensor (109) zur Bestimmung einer Strömung eines Fluids.

Description

BESCHREIBUNG
REAKTIONSTRÄGER, MESS-SYSTEM UND MESSVERFAHREN ZUR BESTIMMUNG VON GAS- UND PARTIKEL-KONZENTRATIONEN, UND OPTISCHER STRÖMUNGSSENSOR
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Messsystem zur Messung einer
Konzentration von gas- und/oder eine aerosolförmigen Komponenten eines
Gasgemisches und einen Reaktionsträger für ein derartiges Messsystem mit zumindest einem Strömungskanal, 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 Erfindung bezieht sich ferner auf ein Messverfahren zur Messung einer Konzentration von gas- und/oder aerosolförmigen Komponenten eines Gasgemisches und einen optischen
Strömungssensor.
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. 1
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.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Ziel der Erfindung ist es, eine einfache Sensorik für ein derartiges Messsystem und ein entsprechendes Messverfahren bereitzustellen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Reaktionsträger für ein Messsystem zur Messung einer Konzentration von gas- und/oder aerosolförmigen Komponenten eines Gasgemisches gelöst, mit zumindest einem Strömungskanal, 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 Strömungskanal ist zumindest teilweise mit Partikeln gefüllt, die eine Ausgangsposition aufweisen, bevor das Gasgemisch durch den Strömungskanal strömt, und durch einen Gasstrom durch den Strömungskanal in eine Strömungsposition beaufschlagt werden, wobei die Partikel so ausgebildet sind, dass die Partikel in der Ausgangsposition und die Partikel in der Strömungsposition optisch unterschieden werden können. Auf diese Weise kann eine Strömung des Gasgemischs durch den
Strömungskanal optisch bestimmt werden! wodurch die Sensorik einer zum Messsystem gehörigen Messvorrichtung vereinfacht werden kann, indem beispielsweise die optisch detektierbare Reaktion und die Strömung des Gasgemischs über einen gemeinsamen optischen Sensor erfasst und bestimmt wird. Somit wird kein separater Sensor zur Bestimmung eines Massenstroms benötigt.
Es ist möglich, dass die Partikel unterschiedliche Größen aufweisen, wobei in der Ausgangsposition Partikel unterschiedlicher Größe gemischt sind und in der
Strömungsposition die Partikel unterschiedlicher Größe zumindest teilweise entmischt sind. Durch den Gasstrom werden kleine Partikel ausgewaschen und lagern sich in Bereichen mit geringer Strömung ab und größere Partikel richten sich in der Strömung aus. Durch diese Entmischung verändert sich die Intensitätsverteilung des Bilds des Strömungskanals und der Kontrast wird verstärkt. Die Partikel können auch eine Strömungsform aufweisen, um sich in einem Gasstrom in einer vorbestimmten Orientierung in Strömungsrichtung in ihre Strömungsposition auszurichten. Auf diese Weise können die Partikel in eine bestimmte Richtung ausgerichtet werden und insbesondere eine isotrope oder chaotische Ausgangsposition von einer ausgerichteten bzw. geordneten Strömungsposition unterschieden werden Beispielsweise sind die Partikel tropfenförmig ausgebildet.
Es ist auch möglich, dass die Partikel farbig markiert sind, um eine optische Unterscheidung der Positionen der Partikel zu erleichtern und zu verstärken.
Ferner können die Partikel mechanische, elektrische und/oder magnetische
Eigenschaften aufweisen, um durch eine auf die Partikel wirkende mechanische, elektrische und/oder magnetische Rückstellkraft in eine Rückstellposition bewegt zu werden, wobei die Partikel so ausgebildet sind, dass die Partikel in der Rückstellposition und die Partikel in der Strömungsposition optisch unterschieden werden können. Auf diese Weise kann einerseits eine Messung wiederholt werden oder eine kontinuierliche Messung durchgeführt werden, da die durch die Rückstellkraft jeweils in ihre
Rückstellposition beaufschlagt sind und somit bei Verringerung des Gasstroms in ihre Rückstellposition bewegt werden. Andererseits kann eine erste geordnete Verteilung der Partikel in ihren Rückstellpositionen gegenüber einer zweiten geordneten Verteilung der Partikel in ihren Strömungspositionen gestellt werden, wodurch eine Bestimmung der Positionen der Partikel vereinfacht werden kann.
Die Erfindung betrifft ferner ein Messsystem zur Messung einer Konzentration von gas- und/oder aerosolförmigen Komponenten eines Gasgemisches mit einem Reaktionsträger nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einer Messvorrichtung, die einen optischen Sensor aufweist, welcher den Strömungskanäl des Reaktionsträgers erfasst und ausgebildet ist, um die Ausgangsposition und Strömungsposition der Partikel optisch zu bestimmen. Auf diese Weise kann eine Strömung des Gasgemischs durch den Strömungskanal optisch bestimmt werden, wodurch die Sensorik einer zum Messsystem gehörigen Messvorrichtung vereinfacht werden kann, indem beispielsweise die optisch detektierbare Reaktion und die Strömung des Gasgemischs über einen gemeinsamen optischen Sensor erfasst und bestimmt wird. Somit wird kein separater Sensor zur Bestimmung eines Massenstroms benötigt.
Ferner kann die Messvorrichtung und/oder der Reaktionsträger ausgebildet sein, um eine elektrisches oder magnetisches Feld im Strömungskanal des Reaktionsträgers zu erzeugen. Auf diese Weise kann eine elektrische oder magnetische Rückstellkraft für entsprechende Partikel erzeugt werden.
Vorzugsweise kann die Rückstellkraft dynamisch moduliert werden. Auf diese Weise kann die Genauigkeit der Messung verbessert werden.
Die Erfindung betrifft ferner ein Messverfahren zur Messung einer Konzentration von gas- und/oder aerosolförmigen Komponenten eines Gasgemisches mit einem oben beschriebenen Reaktionsträger oder einem oben beschriebenen Messsystem, mit den Verfahrensschritten der Aufnahme eines Referenzbilds des Strömungskanals vor einem Fördern eines Gasstroms durch den Strömungskanal, wobei sich die Partikel in ihrer Ausgangsposition befinden, der Aufnahme eines Strömungsbilds des Strömungskanals während eines Förderns eines Gasstroms durch den Strömungskanal und der
Bestimmung des durch den Strömungskanal strömenden Gasstroms durch Auswertung des Referenzbilds und des Strömungsbilds. Durch Auswertung des Referenzbilds und des Strömungsbilds kann eine Positionsänderung der Partikel und somit ein Gasstrom durch den Strömungskanal bestimmt werden, wodurch eine optische Bestimmung eines Gasstroms durch den Strömungskanal ermöglicht wird.
Gemäß einer Verfahrensvariante umfasst das Messverfahren den Verfahrensschritt des Erzeugens einer Rückstellkraft während des Förderns des Gasstroms durch den
Strömungskanal, welche die Partikel in eine Rückstellposition beaufschlagt. Dies ermöglicht eine wiederholte oder kontinuierliche Messung.
Ferner kann das Messverfahren den Verfahrensschritt einer dynamischen Modulierung der Rückstellkraft während des Förderns des Gasstroms durch den Strömungskanal umfassen, sodass die sich die Partikel zwischen Rückstellposition und Strömungsposition hin und her bewegen. Auf diese Weise kann eine kontinuierliche Messung mit erhöhter Genauigkeit durchgeführt werden.
Die Erfindung betrifft ferner einen optischen Strömungssensor zur Bestimmung einer Strömung eines Fluids, mit einem transparent ausgebildeten Strömungskanal, welcher zumindest teilweise mit Partikeln gefüllt ist. Die Partikel weisen eine Strömungsform, um sich in einem Gasstrom in einer vorbestimmten Orientierung in Strömungsrichtung in eine Strömungsposition auszurichten und mechanische/ elektrische und/oder magnetische Eigenschaften auf, um durch eine auf die Partikel wirkende mechanische, elektrische und/oder magnetische Rückstellkraft in eine Rückstellposition beaufschlagt zu werden, wobei die Partikel so ausgebildet sind, dass die Partikel in der Rückstellposition und die Partikel in der Strömungsposition optisch unterschieden werden können. Ferner ist eine Rücksteilvorrichtung zur Erzeugung der mechanischen, elektrischen und/oder
magnetischen Rückstellkraft, ein optisches Sensorelement, welches ausgebildet ist, um eine Positionsänderung der Partikel von der Ausgangsposition in die Strömungsposition zu erfassen und eine Steuereinheit vorgesehen, welche ausgebildet ist, um mittels der erfassten Positionsänderung der Partikel die Strömung des Fluids zu bestimmen. Ein derartiger Strömungssensor ermöglicht eine optische Bestimmung einer Strömung 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 einem 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 Strömungskanal gemäß einer ersten Ausführungsform eines
Reaktionsträgers mit Partikeln in ihrer Ausgangsposition zeigt; Figur 4b einen Strömungskanal gemäß der ersten Ausführungsform eines
Reaktionsträgers mit Partikeln in ihrer Strömungsposition zeigt; ein Diagramm einer Intensitätsverteilung von Bildern des Strömungskanals gemäß der ersten Ausführungsform zeigt; einen Strömungskanal gemäß einer zweiten Ausführungsform eines Reaktionsträgers zeigt; einen Abschnitt des Strömungskanals gemäß Figur 6 mit Partikeln in ihrer Ausgangsposition zeigt; einen Abschnitt des Strömungskanals gemäß Figur 6 mit Partikeln in ihrer Strömungsposition zeigt;
Figur 8a einen Abschnitt des Strömungskanals eines Reaktionsträgers gemäß einer dritten Ausführungsform mit Partikeln in ihrer Rückstellposition zeigt; Figur 8b einen Abschnitt des Strömungskanals eines Reaktionsträgers gemäß der dritten Ausführungsform mit Partikeln in ihrer Strömungsposition zeigt; und
Figur 9 einen Abschnitt des Strömungskanals eines Reaktionsträgers gemäß einer vierten Ausführungsform mit Partikeln in ihrer Rückstellposition 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.
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. 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
Gäsmesssystem, 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 Pgsitionssensor 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 Strömung durch den Strömungskanal optisch über den optischen Sensor 38 gemessen werden kann wird im Folgenden beschrieben.
In den Figuren 4A und 4B ist jeweils ein vergrößerter Abschnitt eines Strömungskanals 42 eines Reaktionsträgers 14 gemäß einer ersten Ausführungsform gezeigt. Der
Strömungskanal 42 ist mit Partikeln 100 gefüllt. Gemäß der ersten Ausführungsform weisen die Partikel 100 unterschiedliche Größen auf, wobei in der in Figur 4A gezeigten Ausgangsposition der Partikel 100 die Partikel 100 unterschiedlicher Größe gemischt vorliegen. Figur 4A zeigt den Ausschnitt des Strömungskanals 42 zu einem-Zeitpunkt bevor ein Gasgemisch durch den Strömungskanal 42 strömt, wobei die Partikel 100 jeweils in einer Ausgangsposition vorliegen.
Figur 4B zeigt den Ausschnitt des Strömungskanals 42 zu einem Zeitpunkt an dem ein Gasgemisch durch den Strömungskanal 42 strömt. Durch den Gasstrom werden die Partikel 100 in eine Strömungsposition beaufschlagt. In der in Figur 4B gezeigten ersten Ausführungsform werden die Partikel 100 mit unterschiedlicher Größe durch den
Gasstrom zumindest teilweise entmischt. Dabei werden beispielsweise feine Partikel ausgewaschen und lagern sich an Stellen mit geringerer Strömungsgeschwindigkeit ab. Große Partikel können im Gasstrom ihre Orientierung ändern und vollziehen
beispielsweise eine Drehbewegung. Die Partikel sind so ausgebildet, dass die Partikel 100 in der in Figur 4A gezeigten Ausgangsposition und die Partikel 100 in der in Figur 4B gezeigten Strömungsposition optisch unterschieden werden können. Die oben
beschriebenen Positionsänderungen der Partikel unterschiedlicher Größe führen zu einer veränderten Intensitätsverteilung bei Aufnahmen des Strömungskanals 42 vor dem Gasstrom und während des Gasstroms. Figur 5 zeigt ein Diagramm der Intensitätsprofile aller Bildpixel eine Aufnahme eines Strömungskanals gemäß der ersten Ausführungsform, wobei auf der vertikalen Achse eine Abweichung von einem Mittelwert angegeben ist und auf der horizontalen Achse die Zeit aufgetragen ist, wobei der Zeitpunkt, an dem das Gasgemisch durch den
Strömungskanal 42 strömt, d. h. der Start der Gasfördereinrichtung 28, durch die vertikale gestrichelte Linie angegeben ist. Vor dem Fördern eines Gasstroms durch den
Strömungskanal, auf der linken Hälfte des Diagramms, zeigen die Intensitätsprofile eine geringe Abweichung vom Mittelwert. Sobald der Gasstrom durch den Strömungskanal 42 strömt werden die Partikel 100 durch die Strömung in ihre Strömungsposition
beaufschlagt, wobei sich die Partikel 100 unterschiedlicher Größe zumindest teilweise entmischen. Die Positionsänderung der Partikel 100 bewirkt eine Veränderung des Bilds, wobei die Entmischung der Partikel 100 unterschiedlicher Größe eine Kontrastverstärkung hervorruft und in einer deutlich erhöhten Abweichung vom Mittelwert in der
Intensitätsverteilung erkennbar ist. Aus der optisch detektierbaren Positionsänderung der Partikel 100 kann somit überprüft werden, ob ein Massenstrom durch den
Strömungskanal stattgefunden hat. Auf diese Weise kann die Funktion der
Gasförderbaugruppe 2 überprüft werden.
Die Größenverteilung der Partikel 100 unterschiedlicher Größe ist so ausgewählt, dass eine möglichst große Änderung der Abweichung der Intensitätsverteilung bei der
Positionsänderung der Partikel 100 erreicht wird. Die Partikel 100 können durch den Reaktionsstoff 48 gebildet werden oder können aus einem anderen Stoff bestehen und mit dem Reaktionsstoff 48 gemischt sein oder in einem eigenen Abschnitt des
Strömungskanal 42 angeordnet sein. Vorzugsweise umfassen die Partikel 100
unterschiedlicher Größe sehr feinkörnige Partikel, die bei Anliegen einer Gasströmung sofort ausgewaschen werden und zu einer schnellen Positionsänderung der Partikel 100 und einer schnellen Detektion des Gasstroms führen.
Figur 6 zeigt einen Ausschnitt eines Strömungskanals 42 einer zweiten Ausführungsform eines Reaktionsträgers 14. Der Strömungskanal 42 umfasst einen ersten Abschnitt auf der linken Seite, welcher die Reaktionskammer 46 mit dem Reaktionsstoff 48 bildet, und einen zweiten Abschnitt 101 auf der rechten Seite, welcher mit Partikeln 102 gefüllt ist, wobei die Partikel eine Strömungsform aufweisen. Die Strömungsform der Partikel 102 bewirkt, dass sich die Partikel in einem Gasstrom in einer vorbestimmten Orientierung in Strömungsrichtung in eine definierte Strömungsposition ausrichten. In Figur 6 erfolgt ein Gasstrom von links nach rechts, wie durch den Pfeil gekennzeichnet, und alle Partikel 102 sind in ihre Strömungsposition ausgerichtet. Die Figuren 7A und 7B zeigen jeweils eine Detailansicht des zweiten Abschnitts 101 der zweiten Ausführungsform, In der gezeigten Ausführungsform haben die Partikel 102 mit Strömungsform eine Tropfenform und weisen eine Farbmarkierung 103 auf. Es kann, jedoch auch eine andere Strömungsform gewählt werden, welche eine Ausrichtung der Partikel 102 in eine vorbestimmte Orientierung in Strömungsrichtung bewirkt,
beispielsweise eine Stäbchenform oder Scheibenform.
Die Farbmarkierung 103 kann einerseits zur besseren Unterscheidung der Partikel 102 von anderen von anderen Teilchen im Strömungskanal 42, beispielsweise Reaktionsstoff 48, vorgesehen sein. Andererseits kann die Farbmarkierung so ausgebildet sein, dass die Farbmarkierung in der Strömungsposition so ausgerichtet wird, dass eine bessere optische Unterscheidung zwischen Ausgangsposition und Strömungsposition der Partikel
102 mit Strömungsform ermöglicht wird. Figur 7A zeigt eine Detailansicht des zweiten Abschnitts 101 der zweiten
Ausführungsform in der die Partikel 102 mit Strömungsform in einer Ausgangsposition angeordnet sind. In der Ausgangsposition ist die Ausrichtung der verschiedenen Partikel im Wesentlichen zufällig. Figur 7B zeigt die Detailansicht des zweiten Abschnitts 101 mit einer Strömung durch den Strömungskanal 42 in Richtung des Pfeils. Die Partikel 102 werden durch die Strömung in ihre Strömungsposition beaufschlagt und drehen sich in ihre vorbestimmte Orientierung in Strömungsrichtung. In der gezeigten Ausführungsform ergibt sich durch die regelmäßige Anordnung der Partikel 102 in ihrer Strömungsposition gegenüber der chaotischen zufälligen Ausrichtung der Partikel 102 in der Ausgangsposition eine homogenere Verteilung der Farbmarkierungen 103 im Vergleich zu der Verteilung in Figur 7A.
Die1 Farbmarkierung 103 oder die Partikelform ist so gewählt, dass die Farbmarkierungen
103 oder eine Fläche der Partikel 102 in Bezug auf eine bestimmte Beobachtungsrichtung 105 des optischen Sensors 38 in der Strömungsposition zur Beobachtungsrichtung hin ausgerichtet sind, während in der zufälligen Orientierung der Partikel 102 in der
Ausgangsposition die Farbmarkierungen 103 oder die Flächen der Partikel in der Beobachtungsrichtung nur teilweise sichtbar sind. Die Figuren 8A und 8B zeigen einen Strömungskanal 42 eines Reaktionsträgers 14 gemäß einer dritten Ausführungsform. Der Strömungskanal 42 ist zumindest teilweise mit Partikeln 104 gefüllt, welche analog zur vorhergehenden Ausführungsform eine Strömungsform aufweisen. Zusätzlich weisen die Partikel 104 der dritten Ausführungsform eine elektrische Eigenschaft auf, um durch eine auf die Partikel 104 wirkende elektrische Rückstellkraft in eine Rückstellposition bewegt zu werden^ wobei die Partikel 104 so ausgebildet sind, dass die Partikel in der Rückstellposition und die Partikel 104 in der Strömungsposition optisch unterschieden werden können.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die elektrische Eigenschaft ein elektrisches Dipolmoment, wobei die Partikel 104 ein permanentes Dipolmoment oder ein induziertes Dipolmoment aufweisen können. Die elektrische Rückstellkraft wird durch ein äußeres elektrisches Feld erzeugt, in dem sich die elektrischen Dipole ausrichten. In der gezeigten Ausführungsform wird das elektrische Feld durch die Feldlinien 106 in Figur 8A dargestellt. Das elektrische Feld wird durch eine RückStellvorrichtung 107 erzeugt. Die RückStellvorrichtung 107 kann in der Messvorrichtung 12 oder im Reaktionsträger 14 ausgebildet sein, beispielsweise durch parallel zum Strömungskanal 42 verlaufende Kondensatorplatten.
Durch den transparent ausgebildeten Strömungskanal 42 mit den Partikeln 104, die RückStellvorrichtung 107, dem optischen Sensorelement 38 zur Erfassung der
Positionsänderung der Partikel und einer Steuereinheit 108, die ausgebildet ist, um mittels der erfassten Positionsänderung der Partikel 104 die Strömung eines Gases oder eines anderen Fluids zu bestimmen, wird ein optischer Strömungssensor 109 gebildet. Der Strömungssensor 109 kann neben der gezeigten Anwendung in einem oben
beschriebenen Messsystem 10 auch zur Messung der Strömung von anderen Fluiden genutzt werden.
Figur 8A zeigt die Partikel 104 in ihrer Rückstellposition, in der die Partikel 104 im elektrischen Feld 106 ausgerichtet sind. In dieser Ausführungsform ist es auch möglich, die Partikel zu Beginn einer Messung durch die Rückstellkraft in ihre Rückstellposition zu bewegen, in der die Partikel 104 eine definierte Orientierung haben. Auf diese Weise kann der optische Kontrast bei der Positionsveränderung der Partikel 104 verbessert werden, indem beispielsweise Farbmarkierungen 103 oder bestimmte Flächen der Partikel 104 in einer Position zur Beobachtungsrichtung 105 hinweisen und in der anderen Position von der Beobachtungsrichtung 105 wegweisen. Indem die Partikel 104 durch die Rückstellkraft in eine bestimmte Rückstellposition beaufschlagt werden können auch wiederholte oder kontinuierliche Messungen vorgenommen werden. So können zu Beginn einer jeden Messung durch Anlegen eines elektrischen Feldes die Partikel 104 in ihre Rückstellposition ausrichten und nach anschließendem Abschalten des elektrischen Feldes richten sich die Partikel 104 bei vorliegender Strömung in ihre Strömungsposition aus. Außerdem kann eine Empfindlichkeit der Messung eingestellt werden, indem eine geringe Rückstellkraft die Partikel 104 in ihre Rückstellposition beaufschlagt und somit erst bei einer bestimmten Strömungsstärke die Partikel 104 mit ausreichender Kraft in Richtung der Strömungsposition beaufschlagt werden, sodass eine Positionsänderung zur
Strömungsposition auftritt.
Ferner kann durch die die Rücksteilvorrichtung 107 eine dynamische Modulierung der Rückstellkraft vorgenommen werden. Die dynamische Modulierung kann beispielsweise so vorgenommen werden, dass sich die Partikel 104 zwischen Rückstellposition und Strömungsposition hin und her bewegen, beispielsweise mit einer sinusförmigen
, Spannung mit einstellbaren Offset, oder über einen Regelkreis auf einem Kipppunkt gehalten werden, wobei die Messung auf diese Weise weitgehend unabhängig von den mechanischen Eigenschaften der Partikel wird. Die dafür erforderliche Spannung dient dann als Maß der Strömungsgeschwindigkeit. Figur 9 zeigt eine alternative Ausführungsform eines optischen Strömungssensors 109 mit einem Strömungskanal 42 einer vierten Ausführungsform eines Reaktionsträgers 14. Die Partikel 110 weisen analog zur zweiten und dritten Ausführungsform eine Strömungsform auf und besitzen zusätzlich magnetische Eigenschaften, um durch eine auf die Partikel wirkende magnetische Rückstellkraft in eine Rückstellposition bewegt zu werden, wobei die Partikel 110 so ausgebildet sind, dass die Partikel 110 in der Rückstellposition und die Partikel in der Strömungsposition optisch unterschieden werden können.
Eine Rücksteilvorrichtung 107 erzeugt ein magnetisches Feld, in dem sich die Partikel 1 10 in ihre Rückstellposition ausrichten, wie in Figur 9 gezeigt. Die Messung erfolgt im
Wesentlichen analog zur vorhergehenden Ausführungsform, wobei anstelle des elektrischen Feldes das magnetische Feld verändert wird. Die Partikel 110 sind beispielsweise metallische Teilchen.
Es ist aubh möglich, dass Partikel 100, 102, 104 oder 1 10 vorgesehen sind, welche mechanische Eigenschaften aufweisen, um durch eine auf die Partikel wirkenden mechanische Rückstellkraft in eine Rückstellposition bewegt zu werden, wobei die Partikel so ausgebildet sind, dass die Partikel in der Rückstellposition und die Partikel in der Strömungsposition optisch unterschieden werden können. Beispielsweise können die Partikel in eine elastische Matrix eingebettet sind oder selbst eine elastische Matrix bilden. Die Partikel können auch elektrische Eigenschaften aufweisen, beispielsweise durch eine Magnetisierung oder ein permanentes elektrisches Dipolmoment, sodass die Partikel untereinander wechselwirken' und eine Vorzugslage der Partikel entsteht, die eine
Rückstellposition bildet. Auf diese Weise werden die Partikel erst ab einem Schwellwert der Strömungsstärke aus der Vorzugslage in die Strömungsposition umgelenkt.
Es ist insbesondere auch möglich die verschiedenen oben beschriebenen
Ausführungsformen mit einander zu kombinieren. So können beispielsweise die Partikel 104 mit elektrischen Dipolmoment in eine elastische Matrix eingebettet sein und somit einerseits eine verstellbare elektrische Rückstellkraft und andererseits eine
unveränderliche mechanische Rückstellkraft auf die Partikel 104 wirken. Als Maß für die Strömung kann zum einen eine Bestimmung über einen festen oder veränderlichen Schwellwert vorgesehen sein, wobei bestimmt wird, dass eine Strömung über dem Schwellwert der Strömungsstärke vorliegt. Zum anderen kann der Kontrast durch die Positionsveränderung als Maß für die Strömungsstärke verwendet werden oder eine veränderliche Rückstellkraft kann beispielsweise über die zur Rückstellung benötigte Rückstellkraft zur Bestimmung der Strömungsstärke genutzt 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 14 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 sich die Partikel 100, 102, 104 oder 110 in einer Ausgangsposition befinden. Soweit vorgesehen können die Partikel 104 oder 1 10 auch durch die
Rückstellkräfte in ihre Rückstellpositionen beaufschlagt werden bevor das Referenzbild des Strömungskanals 42 aufgenommen wird. In diesem Fall entspricht die
Rückstellposition der Ausgangsposition. 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 Strömung durch den Strömungskanal 42 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 Positionsänderung der Partikel 100, 102, 104, 110 die Strömung des durch den Strömungskanal 42 strömenden Gasstroms.
Vorzugsweise nimmt die Digitalkamera 38 kontinuierlich Strömungsbilder des
Strömungskanals 42 auf, um eine kontinuierliche optische Detektion der Strömung durch den Strömungskanal 42 und der optisch detektierbaren Reaktion zu ermöglichen.
Vorzugsweise erzeugt das Messsystem 10 eine Rückstellkraft während des Förderns des Gasstroms, welche die Partikel in eine Rückstellposition beaufschlagt. Durch Anpassung und insbesondere dynamische Modulation der Rückstellkraft kann die Genauigkeit der Bestimmung der Strömungsstärke erhöht werden.
Die Detektionsbaugruppe 3 erfasst eine sich in Strömungsrichtung in der
Reaktionskammer 46 ausbreitende Reaktionsfront und 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 der Gasstrom durch den Gasabflusskanal zur Überprüfung von Leckageströmen gemessen wird. Ist das System von Gasabflusskanal und Strömungskanal gasdicht, so wird 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 der Gasstrom durch den Gasabflusskanal zu Überprüfung von Leckageströmen gemessen wird. Ist das System von Gasabflusskanal 18, Strömungskanal 42 und Gaszuflusskanal 16 gasdicht, so wird 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 Gasförderbaug ru ppe
3 Detektionsbaugruppe
4 Auswertungseinheit
10 Messsystem
12 Messvorrichtung
14 Reaktionsträger
16 Gaszuflusskanal
18 Gasabflusskanal
20 Gasgemischeinströmöffnung
22 Gasanschluss
24 Gasanschluss
26 Gasgemischausströmöffnung
28 Gasfördereinrichtung
30 Durchflusssensor
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 Partikel
101 Abschnitt
102 Partikel
103 Farbmarkierung
104 Partikel
105 Beobachtungsrichtung
106 elektrisches Feld
107 RückStellvorrichtung
108 Steuereinheit
109 optischer Strömungssensor 110 Partikel

Claims

PATENTANSPRÜCHE
Reaktionsträger (14) für ein Messsystem (10) zur Messung einer Konzentration von gas- und/oder aerosolförmigen Komponenten eines Gasgemisches
mit zumindest einem Strömungskanal (42), 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, dadurch gekennzeichnet, dass
der Strömungskanal (42) zumindest teilweise mit Partikeln (100, 102, 104, 110) gefüllt ist, die eine Ausgangsposition aufweisen, bevor das Gasgemisch durch den Strömungskanal (42) strömt, und welche durch einen Gasstrom durch den
Strömungskanal (42) in eine Strömungsposition beaufschlagt werden, wobei die Partikel (100, 102, 104, 110) so ausgebildet sind, dass die Partikel (100, 102, 104, 110) in der Ausgangsposition und die Partikel (100, 102, 104, 110) in der
Strömungsposition optisch unterschieden werden können.
Reaktionsträger nach Anspruch 1 , wobei die Partikel (100) unterschiedliche Größen aufweisen und wobei in der Ausgangsposition Partikel (100) unterschiedlicher Größe gemischt sind und in der Strömungsposition die Partikel (100) unterschiedlicher Größe zumindest teilweise entmischt sind.
Reaktionsträger nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Partikel (102, 104, 110) eine Strömungsform aufweisen, um sich in einem Gasstrom in einer vorbestimmten Orientierung in Strömungsrichtung in ihre Strömungsposition auszurichten.
Reaktionsträger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Partikel (104, 110) mechanische, elektrische und/oder magnetische Eigenschaften aufweisen, um durch eine auf die Partikel (104, 110) wirkende mechanische, elektrische und/oder magnetische Rückstellkraft in eine Rückstellposition bewegt zu werden, wobei die Partikel ( 04, 110) so ausgebildet sind, dass die Partikel (104, 110) in der
Rückstellposition und die Partikel (104, 110) in der Strömungsposition optisch unterschieden werden können.
5. Messsystem (10) zur Messung einer Konzentration von gas- und/oder
aerosolförmigen Komponenten eines Gasgemisches mit einem Reaktionsträger (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einer Messvorrichtung (12), die einen optischen Sensor (38) aufweist, welcher den Strömungskanal (42) des Reaktionsträgers (14) erfasst und ausgebildet ist, um die Ausgangsposition und Strömungsposition der Partikel (100, 102, 104, 110) optisch zu bestimmen.
Messsystem nach Anspruch 5, wobei die Messvorrichtung (12) und/oder der Reaktionsträger (14) ausgebildet ist, um ein elektrisches oder magnetisches Feld im Strömungskanal (42) des Reaktionsträgers (14) zu erzeugen.
Messverfahren zur Messung einer Konzentration von gas- und/oder aerosolförmigen Komponenten eines Gasgemisches mit einem Reaktionsträger nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder einem Messsystem nach einem der Ansprüche 5 oder 6, mit den Verfahrensschritten:
Aufnahme eines Referenzbilds des Strömungskanals (42) vor einem Fördern eines Gasstroms durch den Strömungskanal (42), wobei sich die Partikel (100, 102, 104, 110) in ihrer Ausgangsposition befinden;
Aufnahme eines Strömungsbilds des Strömungskanals (42) während eines Förderhs eines Gasstroms durch den Strömungskanal (42); und
Bestimmung des durch den Strömungskanal (42) strömenden Gasstroms durch Auswertung des Referenzbilds und des Strömungsbilds.
Messverfahren nach Anspruch 7, mit dem Verfahrensschritt:
Erzeugen einer Rückstellkraft während des Förderns des Gasstroms durch den
Strömungskanal, welche die Partikel (104, 110) in eine Rückstellposition
beaufschlagt.
Messverfahren nach Anspruch 8, mit dem Verfahrensschritt:
dynamische Modulierung der Rückstellkraft während des Förderns des Gasstroms durch den Strömungskanal, sodass die sich die Partikel (104, 110) zwischen Rückstellposition und Strömungsposition hin und her bewegen oder in einer Position zwischen Rückstellposition und Strömungsposition gehalten werden.
Optischer Strömungssensor (109) zur Bestimmung einer Strömung eines Fluids, mit einem transparent ausgebildeten Strömungskanal (42), welcher zumindest teilweise mit Partikeln (104, 110) gefüllt ist, welche eine Strömungsform aufweisen, um sich in einem Gasstrom in einer vorbestimmten Orientierung in Strömungsrichtung in eine Strömungsposition auszurichten und welche mechanische, elektrische und/oder magnetische Eigenschaften aufweisen, um durch eine auf die Partikel (104, 1 10) wirkende mechanische, elektrische und/oder magnetische Rückstellkraft in eine Rückstellposition beaufschlagt zu werden, wobei die Partikel (104, 1 10) so ausgebildet sind, dass die Partikel (104, 110) in der Rückstellposition und die Partikel (104, 110) in der Strömungsposition optisch unterschieden werden können;
einer RückStellvorrichtung (107) zur Erzeugung der mechanischen, elektrischen und/oder magnetischen Rückstellkraft;
einem optischen Sensorelement (38), welches ausgebildet ist, um eine
Positionsänderung der Partikel (104, 110) von der Ausgangsposition in die
Strömungsposition zu erfassen; und
einer Steuereinheit (108), welche ausgebildet ist, um mittels der erfassten
Positionsänderung der Partikel (104, 110) die Strömung des Fluids zu bestimmen.
PCT/EP2014/001351 2013-06-08 2014-05-20 Reaktionsträger, messverfahren und messverfahren zur bestimmung von gas- und partikel-konzentrationen, und optischer strömungssensor WO2014194983A1 (de)

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