WO2017207249A1 - Bestimmung einer gaskonzentration - Google Patents

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WO2017207249A1
WO2017207249A1 PCT/EP2017/061456 EP2017061456W WO2017207249A1 WO 2017207249 A1 WO2017207249 A1 WO 2017207249A1 EP 2017061456 W EP2017061456 W EP 2017061456W WO 2017207249 A1 WO2017207249 A1 WO 2017207249A1
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sensor
medium
determination
gas concentration
quality
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PCT/EP2017/061456
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Philipp NOLTE
Richard Fix
Christoph VON JUTRZENKA TRZEBIATOWSKI
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Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • A61B2010/0087—Breath samples

Definitions

  • the invention relates to the determination of a gas concentration.
  • the invention relates to the determination of a gas concentration by means of a free-jet measuring device.
  • a mobile device includes a sensor for determining a gas concentration.
  • the mobile device can be set up, for example, to determine the concentration of gaseous alcohol in respiratory air.
  • a high-quality analyzer usually comprises a mechanical device, by means of which a predetermined flow of the gas sensor is caused by the breathing air, for example a mouthpiece or a pump.
  • a cheaper analyzer often operates on the free-jet measurement principle, in which a predetermined on-flow of the gas sensor can not be enforced.
  • the gas sensor usually has to be brought to a certain operating state or to a sequence of predetermined operating conditions during a measuring operation that requires a predetermined measurement period to successfully complete the measurement. If there is no predetermined power supply of the gas sensor through the measuring element during this measurement period
  • the invention is therefore based on the object of specifying a technique by means of which an improved determination of a gas concentration can be carried out in particular by means of a free-jet gas sensor.
  • the invention solves this object by means of the subjects of the independent claims. Subclaims give preferred embodiments again.
  • a device for determining the concentration of a predetermined gas in a medium comprises a first sensor for determining the gas concentration in a flow of the medium, a second sensor for determining a physical parameter of the medium in the flow of the medium, and a processing device for this purpose is set up on the
  • the sensor is usually attached to the device without a pump, a fan or a closed tube system is provided to effect a volume flow of the medium past the sensor.
  • the medium is usually gaseous and the predetermined gas is preferably homogeneously mixed with the medium.
  • the predetermined gas comprises a volatile organic compound (VOC). This can be used to detect solvents such as formaldehyde, which can be contained in paints, paint removers, cleaning agents, furniture, office equipment, adhesives or alcoholic substances.
  • solvents such as formaldehyde
  • compounds can be detected that are contained in spent breath and that can give an indication of a person's illness or metabolism.
  • the physical parameter may in particular relate to a humidity, a pressure or a temperature of the medium.
  • the first and second sensors are preferably arranged spatially close to one another and, in particular, can be integrated with one another in a common housing.
  • a suitable sensor is available under the name BME680 in a housing of 3 x 3 x 0.95 mm 3 .
  • it can be monitored by determining the measurement quality whether, during a required measurement period, there was an incident flow of the first sensor, which leads to a usable result.
  • the determined quality can be used to interpret a certain gas concentration, for example by also indicating a measurement uncertainty, or already making a statement about the quality of determination during the measurement, so that an operator can immediately be enabled to measure the conditions influence.
  • the device can be arranged in a mobile device which is either designed specifically for determining the gas concentration or is mounted in another mobile device such as a smartphone or a tablet computer.
  • the second sensor can either already be provided in the mobile device or be released for other purposes within the mobile device, so that overall an increased device benefit can result.
  • processing device is further configured to control the determination of the gas concentration by means of the first sensor depending on the determined quality.
  • the first sensor must be operated in a certain way to allow the determination of the gas concentration. For example, it may be necessary to heat the first sensor sequentially to a series of predetermined temperatures. This is also called one
  • the measuring profile which is usually controlled externally and preferably by the processing device.
  • the measuring profile can preferably be started only when the determined quality is above a predetermined threshold value.
  • the measurement can be terminated as successful if, during the measurement period, a threshold of at least required quality is undershot.
  • a plurality of second sensors are provided which are set up to determine different physical parameters of the medium in the stream, wherein the processing device is designed to determine the quality of the determination on the basis of the signals of the second sensors.
  • Other possible parameters may include, for example, a dew point or a viscosity.
  • a third sensor for determining a physical parameter in the environment of the device is provided.
  • the processing device is set up to additionally determine the quality of the determination on the basis of the signal of the third sensor.
  • the third sensor can in particular give information about a handling of the device. For example, it can be determined by means of an acceleration sensor, a rotation rate sensor or a magnetic sensor whether the mobile device is kept still during the measurement period. If the third sensor comprises a microphone, then a flow noise of the medium can be evaluated. Alternatively or additionally, background noise may be evaluated to determine if an insufficiently quiet environment may have been selected for the measurement. If there are several microphones, the direction of an incoming flow can be determined by means of three-way suspension. An optical sensor, such as a proximity sensor or a light sensor, may be used to further review the handling of the device. For example, it can be determined whether a distance between a user and the device is changed in a breathing air analysis.
  • the processing device is set up to output an indication of the specific quality.
  • an output can be made if the certain quality is not sufficient to complete a meaningful determination of the gas concentration.
  • a further measurement can be carried out with a shortened measurement profile.
  • a reduced quality of determination can be provided together with the determined gas concentration.
  • the processing device may be configured to provide an indication of an improved handling of the device on the basis of the determined quality and a signal of the second and / or the above-described third sensor.
  • the hint relates to only one or a combination of multiple handling parameters.
  • the handling parameters may include, for example, a location of the device in space or relative to the user.
  • a method for determining the concentration of a predetermined gas in a medium comprises steps of determining the gas concentration in a flow of the medium by means of a first sensor, determining a physical parameter of the medium in the flow of the medium by means of a second
  • the method can be carried out in particular by means of the device described above.
  • the determination of the gas concentration is found to be successful if a physical parameter of the medium during a measurement operation by means of the first sensor is within a predetermined range.
  • a lower limit and / or an upper limit for the physical parameter can be specified.
  • the measurement process requires a predetermined measurement duration during which one of the limits of the predetermined range can be adjusted.
  • a derivative of the physical parameter of the medium after the time is considered. For the derivation, an area can be provided in a corresponding manner and range limits can be variable over the duration of the measurement.
  • a higher derivative of a physical parameter of the medium over time is considered. Again, one can Range must be predetermined in which the higher derivative of the parameter must be in order to find the determination of the gas concentration as successful.
  • Fig. 1 shows a device for determining a gas concentration in a medium
  • FIG. 2 shows graphs of physical parameters on the device of FIG. 1;
  • FIG. FIG. 3 shows a measuring profile of a sensor on the device of FIG. 1;
  • FIG. 4 shows a flow chart of a method for determining a gas concentration by means of the device of FIG. 1.
  • FIG. 1 shows a device 100 for determining a gas concentration in a medium 105.
  • the device 100 may in particular be part of a mobile
  • the device 100 comprises a processing device 110, a first sensor 15, which is set up to determine a concentration of a gas in the medium 105, one or more second sensors 120, which are set up, different physical parameters of the medium 105 to determine and preferably one or more third sensors 125 which are adapted to each detect a physical parameter in the environment of the device 100 and in the vicinity of the first sensor 1 15.
  • the third sensor 125 may include, for example, an acceleration sensor, a rotation rate sensor, a magnetic field sensor or a position sensor.
  • the first sensor 1 15 and up to three second sensors 120 are integrated in a common sensor arrangement 130.
  • the second sensors 120 relate to a temperature, pressure and relative humidity of the medium 105.
  • the first sensor 15 is preferably a free-jet sensor, that is to say that it does not have any active means, such as a pump or a fan, which ensures a flow of medium 105 in a predetermined manner. Usually also no passive means such as a tube, a hose or a throttle is provided to form the flow of medium.
  • the first sensor 15 can therefore be illuminated from different directions and in different ways with medium 105, so that measurement conditions can be difficult to control or determine.
  • the third sensors 125 are preferably arranged directly on the device 100, but need not necessarily be very close to the sensors 15 and 120.
  • the third sensors 125 may in particular determine a handling of the device 100 with respect to a position in space, a vibration, an orientation or an acceleration.
  • an environment of the device 100 can be characterized. For example, it can be determined at least approximately whether there are one or more persons 135 in the area of the device 100, whether the device 100 is located in a closed room and what time of day exists.
  • a flow behavior of the medium 105 by means of one or more of the third sensors 125.
  • the flow of the medium 105 can be followed, for example, by means of a microphone 125.
  • the device 100 may also have one or more output means 140.
  • a screen as an optical output means and a speaker as an acoustic output means are shown in the illustration of FIG.
  • a haptic output means such as a vibration motor, or other output means 140 may be provided.
  • the output means 140 may be used to provide the result of determining the gas concentration in the medium 105.
  • an indication of a quality of determination can be output by means of an output means 140, during or after the determination.
  • operating instructions for the device 100 can be output in order to guide a user as far as possible to ensure optimum measuring conditions.
  • the device 100 can be used for a number of different purposes.
  • the first sensor 15 comprises a sensor for volatile organic compounds, it can be used, for example, for analyzing the person's breathing air 135.
  • an alcohol content in the exhaled air 105 of the individual 135 is analyzed.
  • it can be determined whether the person 135 is roadworthy.
  • halitosis may be determined or an indicator of fat burning (ketosis), an asthma indicator (FeNO), an indicator of fructose tolerance (Hb), or another parameter of the subject 135.
  • Vapors of a food or beverage 145 to determine content components. Again, the determination of an alcohol content can be made on the basis of the exhalations.
  • the respiratory air of the person 135 is analyzed, it is usually necessary to ensure that the largest possible proportion of the inflatable lung volume is passed uniformly and at a predetermined angle past the first sensor 15. In the determination of exhalations of the food or drink 145 usually uniform as possible convection between the beverage 145 and the first sensor 1 15 is desired.
  • FIG. 2 shows exemplary courses of physical parameters on the device 100 of FIG. 1. It is assumed in an exemplary manner that the illustrated courses are based on a respiratory air analysis of the person 135 by means of the device 100.
  • a first course 205 relates to the temperature of the medium 105. Due to the
  • Exhaling the person 135 increases the specific temperature of the medium 105 at.
  • a minimum temperature can be predetermined.
  • a second course 210 relates to a pressure of the medium 105.
  • the pressure initially increases sharply, but falls back to the initial level after a short time.
  • the individual 135 has exhaled only a short time in the direction of the associated second sensor 120, but with sufficiently high intensity to enrich a volume surrounding the first sensor 15 with breathing air. This is followed by the courses 215 and 220 considered below.
  • a third profile 215 relates to a relative humidity of the medium 105.
  • the relative humidity already begins to rise before the pressure of the second profile 210 has reached its maximum.
  • the course 215 shown points to an early, less intense exhalation of the person 135 or a diffusion of the moist breathing air into the gas space, in which the associated second sensor 120 is located.
  • the moisture values shown lie within a predetermined expectancy range. Exhaled air is usually saturated, so it contains high relative humidity. If the relative humidity exceeds a predetermined threshold value, it can be concluded that the medium 105 in the region of the second sensor 120 comprises exhaled air of the person 135.
  • a fourth course 220 relates to the gas concentration determined by means of the first sensor 15.
  • the fourth curve 220 is similar to the third curve 215 and can therefore be considered plausible.
  • FIG. 3 shows a measuring profile 300 of the first sensor 1 15 on the device 100 of FIG. 1.
  • the measurement profile 300 shows an exemplary parameter to which the first sensor 15 must be brought to perform a predetermined measurement.
  • this parameter comprises a temperature which can be in the range of up to several 100 ° C.
  • the first sensor 15 is sequentially brought to different measuring points 305 in order to be able to carry out the required determinations.
  • the determination of a gas concentration can be performed.
  • the type of gas determined may be dependent on the temperature being controlled.
  • FIG. 4 shows a flow diagram of a method 400 for determining a gas concentration by means of the device 100 of FIG. 1.
  • the method 400 is set up in particular for running on the device 100 or the processing device 110.
  • one or more first physical parameters of the medium 105 are determined by means of one or more second sensors 120.
  • a determination quality is determined in a step 415.
  • the quality indicates whether traces 205 to 220 of output signals of the sensors 15, 120, 125 are plausible to perform a measurement. Under plausibility can be understood that a sensor signal, its simple or its multiple time derivative is within a predetermined range. Alternatively or additionally, the signals may be contextualized to ensure consistency.
  • a step 420 it is determined that the quality is sufficient, so that in a step 425 the measurement can be started.
  • the gas concentration is determined by means of the first sensor 15.
  • the first sensor 1 15 at a predetermined measuring point 305 of a measuring profile 300th are brought (see Figure 3).
  • a step 435 it is checked whether the measurement has already ended. If not, then method 400 may return to the beginning and go through again. Otherwise, it is determined in a step 440 that the measurement has been successfully completed, and in a step 450, the determination result may be output.
  • a certain measurement quality can be output or an interpretation of the measurement based on the determined quality.
  • the method 400 may proceed to a state 445 in which the Measurement is judged as failed. From state 445, an analysis of individual signals from sensors 15 to 125 may be made to determine why the validation was negative. For example, a misalignment of the device 100, a wrong angle blow with respect to the device 100 in the breath analysis, or a dirty filter in front of any one of the sensors 15, 125, 125 may be detected. Thereupon, indications of the failed measurement or how the measurement conditions would be improved to allow a valid measurement can be output by means of the output means 140. In particular, a graphical indication can be output, also animated, in order to clarify the correct handling of the device 100. Next can be asked to repeat the measurement.
  • the quality determined in step 415, the first physical parameters determined in step 405 and / or the second physical parameters determined in step 410 may be used in step 455 to determine an indication of the quality of determination. This can be done during the
  • the hint may be output in step 455, optionally together with a suggestion to improve the quality of determination.

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Abstract

Eine Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration eines vorbestimmten Gases in einem Medium umfasst einen ersten Sensor zur Bestimmung der Gaskonzentration in einem Strom des Mediums; einen zweiten Sensor zur Bestimmung eines physikalischen Parameters des Mediums im Strom des Mediums; und eine Verarbeitungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, auf der Basis eines Signals des zweiten Sensors die Qualität der Bestimmung mittels des ersten Sensors zu bestimmen.

Description

Beschreibung
Titel
Bestimmung einer Gaskonzentration Stand der Technik
Die Erfindung betrifft die Bestimmung einer Gaskonzentration. Insbesondere betrifft die Erfindung die Bestimmung einer Gaskonzentration mittels eines Freistrahl-Messgeräts.
Stand der Technik
Ein mobiles Gerät umfasst einen Sensor zur Bestimmung einer Gaskonzentration. Das mobile Gerät kann beispielsweise zur Bestimmung der Konzentration von gasförmigem Alkohol in Atemluft eingerichtet sein. Ein höherwertiges Analysegerät umfasst üblicherweise eine mechanische Vorrichtung, mittels derer eine vorbestimmte Anstromung des Gassensors durch die Atemluft bewirkt wird, beispielsweise ein Mundstück oder eine Pumpe. Ein preiswerteres Analysegerät arbeitet häufig nach dem Freistrahl-Messprinzip, bei dem eine vorbestimmte An- Strömung des Gassensors nicht erzwungen werden kann. Zur Bestimmung der
Gaskonzentration muss der Gassensor üblicherweise während eines Messvorgangs, der eine vorbestimmte Messdauer erfordert, auf einen bestimmen Betriebszustand oder auf eine Sequenz vorbestimmter Betriebszustände gebracht werden, um die Messung erfolgreich zu beenden. Erfolgt während dieser Mess- dauer keine vorbestimmte Anstromung des Gassensors durch das zu messende
Medium, so kann die Messung ungenau oder unbrauchbar sein.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Technik anzugeben, mittels derer eine verbesserte Bestimmung einer Gaskonzentration insbesondere mittels eines Freistrahl-Gassensors durchgeführt werden kann. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
Offenbarung der Erfindung
Eine Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration eines vorbestimmten Gases in einem Medium (Gaskonzentration) umfasst einen ersten Sensor zur Bestimmung der Gaskonzentration in einem Strom des Mediums, einen zweiten Sensor zur Bestimmung eines physikalischen Parameters des Mediums im Strom des Mediums, und eine Verarbeitungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, auf der
Basis eines Signals des zweiten Sensors die Qualität der Bestimmung mittels des ersten Sensors zu bestimmen.
Es wird ausgegangen von einem Freistrahl-Sensor, dessen Lage im Strom des Mediums nicht durch zusätzliche Maßnahmen erzwungen ist. Dazu ist der Sensor üblicherweise an der Vorrichtung befestigt, ohne dass eine Pumpe, ein Ventilator oder ein geschlossenes Röhrensystem zur Bewirkung eines Volumenstroms des Mediums am Sensor vorbei vorgesehen ist. Das Medium ist üblicherweise gasförmig und das vorbestimmte Gas ist mit dem Medium bevorzugterweise homogen vermischt. Bevorzugterweise umfasst das vorbestimmte Gas eine flüchtige organische Verbindung (volatile organic Compound, VOC). Damit können Lösungsmittel wie Formaldehyd nachgewiesen werden, die in Lacken, Farbentfer- nern, Reinigungsmitteln, Möbeln, Büroausrüstung, Klebstoffen oder alkoholischen Substanzen enthalten sein können. Außerdem können Verbindungen nachgewiesen werden, die in verbrauchter Atemluft enthalten sind und die einen Hinweis auf eine Krankheit oder einen Stoffwechsel einer Person geben können.
Der physikalische Parameter kann insbesondere eine Feuchtigkeit, einen Druck oder eine Temperatur des Mediums betreffen. Dadurch kann insbesondere das Anströmverhalten des Mediums an den ersten Sensor überwacht werden. Der erste und der zweite Sensor sind hierfür bevorzugterweise räumlich eng zueinander angeordnet und können insbesondere in einem gemeinsamen Gehäuse miteinander integriert sein. Ein passender Sensor ist unter der Bezeichnung BME680 in einem Gehäuse von 3 x 3 x 0,95 mm3 erhältlich. Durch die Bestimmung der Messqualität kann einerseits überwacht werden, ob während einer erforderlichen Messdauer eine Anströmung des ersten Sensors vorgelegen hat, die zu einem brauchbaren Ergebnis führt. Andererseits kann die bestimmte Qualität dazu verwendet werden, eine bestimmte Gaskonzentration zu interpretieren, beispielsweise indem eine Messunsicherheit mit angegeben wird, oder bereits während der Messung eine Aussage über die Bestimmungsqualität zu machen, sodass eine Bedienperson unmittelbar in die Lage versetzt werden kann, die Messbedingungen zu beeinflussen.
Die Vorrichtung kann insbesondere in einem mobilen Gerät angeordnet sein, das entweder spezifisch zur Bestimmung der Gaskonzentration eingerichtet ist oder in einem anderen mobilen Gerät wie einem Smartphone oder einem Tablet- Computer angebracht ist. Insbesondere der zweite Sensor kann entweder im mobilen Gerät bereits vorgesehen sein oder auch für andere Zwecke innerhalb des mobilen Geräts freigegeben werden, sodass sich insgesamt ein vergrößerter Gerätenutzen ergeben kann.
Es ist bevorzugt, dass die Verarbeitungseinrichtung ferner dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit der bestimmten Qualität die Bestimmung der Gaskonzentration mittels des ersten Sensors zu steuern.
Üblicherweise muss der erste Sensor auf eine bestimmte Weise betrieben werden, um die Bestimmung der Gaskonzentration zu erlauben. Beispielsweise kann es erforderlich sein, den ersten Sensor nacheinander auf eine Serie von vorbe- stimmten Temperaturen aufzuheizen. Man spricht hierbei auch von einem
Messprofil, das üblicherweise extern und bevorzugt durch die Verarbeitungseinrichtung gesteuert wird. Dabei kann das Messprofil bevorzugt erst dann begonnen werden, wenn die bestimmte Qualität über einem vorbestimmen Schwellenwert liegt. Außerdem kann die Messung als erfolgreich abgebrochen werden, wenn während der Messdauer ein Schwellenwert einer mindestens erforderlichen Qualität unterschritten wird.
Es ist besonders bevorzugt, dass mehrere zweite Sensoren vorgesehen sind, die zur Bestimmung unterschiedlicher physikalischer Parameter des Mediums im Strom eingerichtet sind, wobei die Verarbeitungseinrichtung dazu eingerichtet ist, die Qualität der Bestimmung auf der Basis der Signale der zweiten Sensoren zu bestimmen.
Je mehr physikalische Parameter des Mediums im Strom erfasst werden, desto genauer kann das Anströmverhalten des Mediums nachvollzogen oder beurteilt werden. Weitere mögliche Parameter können beispielsweise einen Taupunkt o- der eine Viskosität umfassen.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein dritter Sensor zur Bestimmung eines physikalischen Parameters im Umfeld der Vorrichtung vorgesehen. Dabei ist die Verarbeitungseinrichtung dazu eingerichtet, die Qualität der Bestimmung zusätzlich auf der Basis des Signals des dritten Sensors zu bestimmen.
Der dritte Sensor kann insbesondere Aufschluss über eine Handhabung der Vorrichtung geben. Beispielsweise kann mittels eines Beschleunigungssensors, eines Drehratensensors oder eines Magnetsensors bestimmt werden, ob das mobile Gerät während der Messdauer ruhig gehalten wird. Umfasst der dritte Sensor ein Mikrofon, so kann ein Strömungsgeräusch des Mediums ausgewertet werden. Alternativ oder zusätzlich können Hintergrundgeräusche ausgewertet werden, um zu bestimmen, ob eventuell eine nicht ausreichend ruhige Umgebung für die Messung gewählt wurde. Sind mehrere Mikrofone vorhanden, so kann die Richtung einer Anströmung mittels Drehangulation bestimmt werden. Ein optischer Sensor, beispielsweise ein Näherungssensor oder ein Lichtsensor, kann verwendet werden, um die Handhabung der Vorrichtung näher zu überprüfen. So kann beispielsweise festgestellt werden, ob bei einer Atemluftanalyse ein Abstand zwischen einem Benutzer und der Vorrichtung verändert wird.
Es ist weiter bevorzugt, dass die Verarbeitungseinrichtung dazu eingerichtet ist, einen Hinweis auf die bestimmte Qualität auszugeben. Insbesondere kann eine Ausgabe erfolgen, wenn die bestimmte Qualität nicht ausreicht, um eine sinnvolle Bestimmung der Gaskonzentration vollständig durchzuführen. Insbesondere dann, wenn mehrere Bestimmungsversuche nacheinander zu geringe Qualitäten aufweisen, kann eine weitere Messung mit einem verkürzten Messprofil durchgeführt werden. Eine dadurch reduzierte Bestimmungsqualität kann zusammen mit der bestimmten Gaskonzentration bereitgestellt werden. Weiterhin kann die Verarbeitungseinrichtung dazu eingerichtet sein, auf der Basis der bestimmten Qualität und eines Signals des zweiten und/oder des oben beschriebenen dritten Sensors einen Hinweis auf eine verbesserte Handhabung der Vorrichtung bereitzustellen.
Dieser Hinweis kann beispielsweise akustisch, optisch oder auch haptisch ausgegeben werden. In einer Ausführungsform betrifft der Hinweis nur einen oder eine Kombination mehrerer Handhabungsparameter. Die Handhabungsparameter können beispielsweise eine Lage der Vorrichtung im Raum oder relativ zum Benutzer umfassen.
Ein Verfahren zum Bestimmen der Konzentration eines vorbestimmten Gases in einem Medium umfasst Schritte des Bestimmens der Gaskonzentration in einem Strom des Mediums mittels eines ersten Sensors, des Bestimmens eines physi- kalischen Parameters des Mediums im Strom des Mediums mittels eines zweiten
Sensors, und des Bestimmens, auf der Basis eines Signals des zweiten Sensors, der Qualität der Bestimmung mittels des ersten Sensors.
Das Verfahren kann insbesondere mittels der oben beschriebenen Vorrichtung durchgeführt werden.
In einer Ausführungsform wird die Bestimmung der Gaskonzentration als erfolgreich befunden, wenn ein physikalischer Parameter des Mediums während eines Messvorgangs mittels des ersten Sensors innerhalb eines vorbestimmten Be- reichs liegt. Dazu können eine Untergrenze und/oder eine Obergrenze für den physikalischen Parameter angegeben sein. Der Messvorgang erfordert eine vorbestimmte Messdauer, während derer eine der Grenzen des vorbestimmten Bereichs angepasst werden kann. In einer weiteren Ausführungsform wird zusätzlich oder alternativ eine Ableitung des physikalischen Parameters des Mediums nach der Zeit betrachtet. Für die Ableitung kann in entsprechender Weise ein Bereich vorgesehen sein und Bereichsgrenzen können über die Messdauer veränderlich sein.
In noch einer weiteren Ausführungsform wird eine höhere Ableitung eines physikalischen Parameters des Medium nach der Zeit betrachtet. Auch hier kann ein Bereich vorbestimmt sein, in dem die höhere Ableitung des Parameters liegen muss, um die Bestimmung der Gaskonzentration als erfolgreich befinden zu können. Kurze Beschreibung der Figuren
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen: Fig. 1 eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Gaskonzentration in einem Medium;
Fig. 2 Verläufe von physikalischen Parametern an der Vorrichtung von Fig. 1 ; Fig. 3 ein Messprofil eines Sensors an der Vorrichtung von Fig. 1 ; und
Fig. 4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen einer Gaskon- zentration mittels der Vorrichtung von Fig. 1 darstellt.
Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 100 zur Bestimmung einer Gaskonzentration in ei- nem Medium 105. Die Vorrichtung 100 kann insbesondere Teil eines mobilen
Geräts sein, beispielsweise eines Smartphones. Die Vorrichtung 100 umfasst eine Verarbeitungseinrichtung 1 10, einen ersten Sensor 1 15, der dazu eingerichtet ist, eine Konzentration eines Gases im Medium 105 zu bestimmen, einen oder mehrere zweite Sensoren 120, die dazu eingerichtet sind, unterschiedliche phy- sikalische Parameter des Mediums 105 zu bestimmen sowie bevorzugt einen oder mehrere dritte Sensoren 125, die dazu eingerichtet sind, jeweils einen physikalischen Parameter im Umfeld der Vorrichtung 100 bzw. im Umfeld des ersten Sensors 1 15 zu erfassen. Der dritte Sensor 125 kann beispielsweise einen Beschleunigungssensor, einen Drehratensensor, einen Magnetfeldsensor oder ei- nen Positionssensor umfassen. In der dargestellten, bevorzugten Ausführungsform sind der erste Sensor 1 15 und bis zu drei zweite Sensoren 120 in einer gemeinsamen Sensoranordnung 130 integriert. Im vorliegenden Beispiel betreffen die zweiten Sensoren 120 eine Temperatur, einen Druck und eine relative Feuchtigkeit des Mediums 105. Der erste Sensor 1 15 ist bevorzugt ein Freistrahl-Sensor, das heißt, dass er über keine aktiven Einrichtungen wie eine Pumpe oder einen Ventilator verfügt, der einen Strom von Medium 105 auf eine vorbestimmte Weise sicher stellt. Üblicherweise ist auch keine passive Einrichtung wie eine Röhre, ein Schlauch oder eine Drossel vorgesehen, um den Strom von Medium zu formen. Der erste Sensor 1 15 kann daher aus unterschiedlichen Richtungen und in unterschiedlichen Weisen mit Medium 105 angestrahlt werden, sodass Messbedingungen nur schwer zu kontrollieren bzw. zu bestimmen sein können.
Die dritten Sensoren 125 sind bevorzugt unmittelbar an der Vorrichtung 100 angeordnet, müssen aber nicht notwendigerweise sehr eng an den Sensoren 1 15 und 120 liegen. Die dritten Sensoren 125 können insbesondere eine Handhabung der Vorrichtung 100 bezüglich einer Lage im Raum, einer Vibration, einer Ausrichtung oder eine Beschleunigung bestimmen. Außerdem kann mittels der dritten Sensoren 125 ein Umfeld der Vorrichtung 100 charakterisiert werden. Beispielsweise kann zumindest ungefähr bestimmt werden, ob sich im Bereich der Vorrichtung 100 eine oder mehrere Personen 135 aufhalten, ob sich die Vorrichtung 100 in einem geschlossenen Raum befindet und welche Tageszeit vorliegt.
In einer weiteren Ausführungsform kann mittels eines oder mehrerer der dritten Sensoren 125 auf ein Strömungsverhalten des Mediums 105 geschlossen werden. Die Strömung des Mediums 105 kann beispielsweise mittels eines Mikrofons 125 nachvollzogen werden.
Die Vorrichtung 100 kann auch über eines oder mehrere Ausgabemittel 140 verfügen. Rein exemplarisch sind in der Darstellung von Figur 1 ein Bildschirm als optisches Ausgabemittel und ein Lautsprecher als akustisches Ausgabemittel dargestellt. Ferner kann ein haptisches Ausgabemittel, etwa ein Vibrationsmotor, oder auch ein anderes Ausgabemittel 140 vorgesehen sein. Das Ausgabemittel 140 kann dazu verwendet werden, das Ergebnis der Bestimmung der Gaskonzentration im Medium 105 bereitzustellen. Außerdem kann mittels eines Ausgabemittels 140 ein Hinweis auf eine Bestimmungsqualität ausgegeben werden, und zwar während oder nach der Bestimmung. Ferner können Bedienungshinweise für die Vorrichtung 100 ausgegeben werden, um einen Benutzer möglichst dazu anzuleiten, für optimale Messbedingungen zu sorgen. Die Vorrichtung 100 kann für eine Reihe unterschiedlicher Zwecke verwendet werden. Umfasst der erste Sensor 1 15 einen Sensor für flüchtige organische Verbindungen, so kann er beispielsweise zur Atemluftanalyse der Person 135 verwendet werden. In einer Ausführungsform wird ein Alkoholgehalt in der ausgeatmeten Luft 105 der Person 135 analysiert. In der Folge kann bestimmt werden, ob die Person 135 fahrtüchtig ist. In anderen Ausführungsformen kann eine Halitose (Mundgeruch) bestimmt werden oder ein Indikator für eine Fettverbrennung (Ketose), ein Asthmaindikator (FeNO), ein Indikator auf Fructose-Toleranz (Hb) oder ein anderer Parameter der Person 135. In noch einer weiteren Ausführungsform können Ausdünstungen einer Speise oder eines Getränks 145 analysiert werden, um Inhaltsbestandteile zu bestimmen. Auch hier kann die Bestimmung eines Alkoholgehalts anhand der Ausdünstungen vorgenommen werden.
Wird die Atemluft der Person 135 analysiert, so ist üblicherweise darauf zu achten, dass ein möglichst großer Anteil des abblasbaren Lungenvolumens gleichmäßig und in einem vorbestimmten Winkel am ersten Sensor 1 15 vorbeigeführt wird. Bei der Bestimmung von Ausdünstungen der Speise oder des Getränks 145 wird üblicherweise eine möglichst gleichmäßige Konvektion zwischen dem Getränk 145 und dem ersten Sensor 1 15 angestrebt.
Es wird vorgeschlagen, die Verarbeitungseinrichtung 1 10 dazu einzurichten, auf der Basis des oder der zweiten Sensoren 120 und ggf. des oder der dritten Sensoren 125 eine Qualität der Bestimmung der Gaskonzentration mittels des ersten Sensors 1 15 zu bestimmen. In einer Ausführungsform kann die Bestimmungsqualität ausgegeben oder zur Interpretation der bestimmten Gaskonzentration verwendet werden. In einer weiteren Ausführungsform kann die Verarbeitungseinrichtung 1 10 die Bestimmung der Gaskonzentration mittels des ersten Sensors 1 15 auf der Basis der bestimmten Qualität steuern. Figur 2 zeigt beispielhafte Verläufe von physikalischen Parametern an der Vorrichtung 100 von Figur 1. In exemplarischer Weise wird davon ausgegangen, dass den dargestellten Verläufen eine Atemluftanalyse der Person 135 mittels der Vorrichtung 100 zugrunde liegt. Ein erster Verlauf 205 betrifft die Temperatur des Mediums 105. Aufgrund des
Ausatmens der Person 135 steigt die bestimmte Temperatur des Mediums 105 an. Als Startbedingung für die Messung der Gaskonzentration mittels des ersten Sensors 1 15 kann eine Mindesttemperatur vorbestimmt sein. Außerdem kann gefordert werden, dass die Temperatur während der Messung in einem vorbestimmten Bereich liegt. Eine zu niedrige Temperatur kann zu einer Kondensation von Bestandteilen des Mediums 105 und dadurch zu einer Verfälschung des Messergebnisses führen.
Ein zweiter Verlauf 210 betrifft einen Druck des Mediums 105. Durch das Ausatmen der Person 135 steigt der Druck zunächst stark an, fällt aber nach kurzer Zeit wieder auf das Ausgangsniveau zurück. Möglicherweise hat die Person 135 nur kurze Zeit in Richtung des zugeordneten zweiten Sensors 120 ausgeatmet, dies jedoch mit ausreichend hoher Intensität, um eine Volumen, das den ersten Sensor 1 15 umgibt, mit Atemluft anzureichern. Darauf lassen die im Folgenden betrachteten Verläufe 215 und 220 schließen.
Ein dritter Verlauf 215 betrifft eine relative Feuchtigkeit des Mediums 105. Die relative Feuchte beginnt bereits anzusteigen, bevor der Druck des zweiten Verlaufs 210 sein Maximum erreicht hat. Der gezeigte Verlauf 215 deutet auf ein frühes, wenig intensives Ausatmen der Person 135 oder eine Diffusion der feuchten Atemluft in den Gasraum hin, in dem sich der zugeordnete zweite Sensor 120 befindet. Die dargestellten Feuchtewerte liegen in einem vorbestimmten Erwartungsbereich. Ausgeatmete Luft ist in der Regel gesättigt, enthält also eine hohe relative Feuchtigkeit. Übersteigt die relative Feuchte einen vorbestimmten Schwellenwert, so kann darauf geschlossen werden, dass das Medium 105 im Bereich des zweiten Sensors 120 ausgeatmete Luft der Person 135 umfasst.
Ein vierter Verlauf 220 betrifft die mittels des ersten Sensors 1 15 bestimmte Gaskonzentration. Der vierte Verlauf 220 ähnelt dem dritten Verlauf 215 und kann daher als plausibel gelten.
Innerhalb eines Zeitabschnitts 225 liegen Bedingungen vor, die eine Bestimmung der Gaskonzentration sinnvoll erscheinen lassen. Dementsprechend kann der erste Sensor 1 15 dazu angesteuert werden, die Bestimmung der Gaskonzentration durchzuführen. Figur 3 zeigt eine Messprofil 300 des ersten Sensors 1 15 an der Vorrichtung 100 von Figur 1 . Das Messprofil 300 zeigt einen exemplarischen Parameter, auf den der erste Sensor 1 15 gebracht werden muss, um eine vorbestimmte Messung durchzuführen. Dieser Parameter umfasst vorliegend eine Temperatur, die im Bereich von bis zu mehreren 100 °C liegen kann. Innerhalb des auf der Basis der zweiten Sensoren 120 - und ggf. eines oder mehrerer dritter Sensoren 125 - bestimmten Zeitabschnitts 225, wird der erste Sensor 1 15 nacheinander auf unterschiedliche Messpunkte 305 gebracht, um die erforderlichen Bestimmungen vornehmen zu können. An jedem der Messpunkte 305 kann die Bestimmung einer Gaskonzentration durchgeführt werden. Die Art des bestimmten Gases kann abhängig von der angesteuerten Temperatur sein.
Figur 4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 zum Bestimmen einer Gaskonzentration mittels der Vorrichtung 100 von Figur 1. Das Verfahren 400 ist insbesondere zum Ablaufen auf der Vorrichtung 100 bzw. der Verarbeitungseinrichtung 1 10 eingerichtet.
In einem Schritt 405 werden einer oder mehrere erste physikalische Parameter des Mediums 105 mittels eines oder mehrerer zweiter Sensoren 120 bestimmt. Parallel dazu kann in einem Schritt 410 eine Bestimmung zweiter physikalischer
Parameter im Bereich der Vorrichtung 100 mittels eines oder mehrerer dritter Sensoren 125 erfolgen.
Auf der Basis der bestimmten Parameter wird in einem Schritt 415 eine Bestim- mungsqualität bestimmt. Die Qualität weist darauf hin, ob Verläufe 205 bis 220 von Ausgangssignalen der Sensoren 1 15, 120, 125 plausibel sind, um eine Messung durchzuführen. Unter Plausibilität kann verstanden werden, dass ein Sensorsignal, seine einfache oder seine mehrfache zeitliche Ableitung innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt. Alternativ oder zusätzlich können die Signale miteinander in Kontext gesetzt werden, um eine Widerspruchsfreiheit sicherzustellen.
In einem Schritt 420 wird bestimmt, dass die Qualität ausreichend ist, sodass in einem Schritt 425 die Messung begonnen werden kann. In einem Schritt 430 wird die Gaskonzentration mittels des ersten Sensors 1 15 bestimmt. Dazu kann der erste Sensor 1 15 auf einen vorbestimmten Messpunkt 305 eines Messprofils 300 gebracht werden (vgl. Figur 3). In einem Schritt 435 wird überprüft, ob die Messung bereits beendet ist. Ist dies nicht der Fall, so kann das Verfahren 400 zum Anfang zurückkehren und erneut durchlaufen. Andernfalls wird in einem Schritt 440 bestimmt, dass die Messung erfolgreich absolviert wurde und in einem Schritt 450 kann das Bestimmungsergebnis ausgegeben werden. Zusätzlich kann eine bestimmte Messqualität ausgegeben werden oder eine Interpretation der Messung auf der Basis der bestimmten Qualität erfolgen.
Wird während der Messung im Schritt 420 bestimmt, dass wenigstens ein Sen- sorsignal oder seine Ableitung außerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt o- der zwei oder mehr Signale nicht gegeneinander plausibilisiert werden können, so kann das Verfahren 400 in einen Zustand 445 übergehen, in dem die Messung als fehlgeschlagen beurteilt wird. Aus dem Zustand 445 heraus kann eine Analyse von Einzelsignalen der Sensoren 1 15 bis 125 durchgeführt werden, um zu bestimmen, warum die Gültigkeitsprüfung negativ war. So können zum Beispiel eine falsche Haltung der Vorrichtung 100, ein Pusten in einem falschen Winkel bezüglich der Vorrichtung 100 bei der Atemanalyse oder ein verschmutzter Filter vor einem der Sensoren 1 15 bis 125 erfasst werden. Daraufhin können Hinweise auf die fehlgeschlagene Messung oder darauf, wie die Messbedingungen zu verbessern wären, um eine gültige Messung zu ermöglichen, mittels der Ausgabemittel 140 ausgegeben werden. Insbesondere kann eine graphische Angabe ausgegeben werden, auch animiert, um die korrekte Handhabung der Vorrichtung 100 zu verdeutlichen. Weiter kann zur Wiederholung der Messung aufgefordert werden.
Die im Schritt 415 bestimmte Qualität, die im Schritt 405 bestimmten ersten physikalischen Parameter und/oder die im Schritt 410 bestimmten zweiten physikalischen Parameter können in einem Schritt 455 zur Bestimmung eines Hinweises auf die Bestimmungsqualität herangezogen werden. Dadurch kann während der
Messung, insbesondere während des Zeitabschnitts 225, ein Hinweis auf die bestimmte Qualität ausgegeben werden. Der Hinweis kann, ggf. zusammen mit einem Vorschlag zur Verbesserung der Bestimmungsqualität, im Schritt 455 ausgegeben werden.

Claims

Ansprüche
1 . Vorrichtung (100) zur Bestimmung der Konzentration eines vorbestimmten Gases in einem Medium (105), wobei die Vorrichtung (100) folgendes um- fasst:
- einen ersten Sensor (1 15) zur Bestimmung der Gaskonzentration in einem Strom des Mediums (105);
- einen zweiten Sensor (120) zur Bestimmung eines physikalischen Parameters des Mediums (105) im Strom des Mediums (105); und
- eine Verarbeitungseinrichtung (1 10), die dazu eingerichtet ist, auf der Basis eines Signals des zweiten Sensors (120) die Qualität der Bestimmung mittels des ersten Sensors (1 15) zu bestimmen.
2. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 , wobei die Verarbeitungseinrichtung (1 10) ferner dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit der bestimmten Qualität die Bestimmung der Gaskonzentration mittels des ersten Sensors (1 15) zu steuern.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei mehrere zweite Sensoren (120) vorgesehen sind, die zur Bestimmung unterschiedlicher physikalischer Parameter des Mediums (105) im Strom eingerichtet sind und die Verarbeitungseinrichtung (1 10) dazu eingerichtet ist, die Qualität der Bestimmung auf der Basis der Signale der zweiten Sensoren (120) zu bestimmen.
4. Vorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein dritter Sensor (125) zur Bestimmung eines physikalischen Parameters im Umfeld der Vorrichtung (100) vorgesehen und die Verarbeitungseinrichtung (1 10) dazu eingerichtet ist, die Qualität der Bestimmung zusätzlich auf der Basis des Signals des dritten Sensors (125) zu bestimmen.
5. Vorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Verarbeitungseinrichtung (1 10) dazu eingerichtet ist, einen Hinweis auf die bestimmte Qualität auszugeben.
6. Vorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Verarbeitungseinrichtung (1 10) dazu eingerichtet ist, auf der Basis der bestimmten Qualität und eines Signals des zweiten und/oder eines dritten Sensors (120, 125), der zur Bestimmung eines physikalischen Parameters im Umfeld der Vorrichtung (100) eingerichtet ist, einen Hinweis auf eine verbesserte Handhabung der Vorrichtung (100) bereitzustellen.
7. Verfahren (400) zum Bestimmen der Konzentration eines vorbestimmten Gases in einem Medium (105), wobei das Verfahren (400) folgende Schritte umfasst:
- Bestimmen (430) der Gaskonzentration in einem Strom des Mediums (105) mittels eines ersten Sensors (1 15);
- Bestimmen (405) eines physikalischen Parameters des Mediums (105) im Strom des Mediums (105) mittels eines zweiten Sensors (120); und
- Bestimmen (415), auf der Basis eines Signals des zweiten Sensors (120), der Qualität der Bestimmung mittels des ersten Sensors (1 15).
8. Verfahren (400) nach Anspruch 7, wobei die Bestimmung der Gaskonzentration (430) als erfolgreich befunden (440) wird, wenn ein physikalischer Parameter des Mediums (105) während eines Messvorgangs (225) mittels des ersten Sensors (1 15) innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt.
9. Verfahren (400) nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Bestimmung der Gaskonzentration (430) als erfolgreich befunden (440) wird, wenn eine Ableitung eines physikalischen Parameters des Mediums (105) nach der Zeit während eines Messvorgangs (225) mittels des ersten Sensors (1 15) innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt.
Verfahren (400) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Bestimmung der Gaskonzentration (430) als erfolgreich befunden (440) wird, wenn eine höhere Ableitung eines physikalischen Parameters des Mediums (105) nach der Zeit während eines Messvorgangs (225) mittels des ersten Sensors (1 15) innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt.
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