DE102022201988A1 - vehicle device and vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugvorrichtung (1,1a) zur Messung eines zu analysierenden Gases mit einem bestimmten Absorptionswellenlängenbereich in der Ausatemluft eines Fahrzeuginsassen in einem Fahrzeuginnenraum (2) eines Fahrzeugs (3), die Fahrzeugvorrichtung (1,1a) aufweisend zumindest ein Lasersensormodul (4) mit einem zumindest den Absorptionswellenlängenbereich emittierenden Wellenlängenbereich zur spektroskopischen Detektion des zu analysierenden Gases in einem zu untersuchenden Teil der Ausatemluft des Fahrzeuginsassen und zur Generierung eines Detektorsignals, sowie eine Auswerteeinheit (5), die dazu ausgebildet ist, das Detektorsignal des Lasersensormoduls (4) zu analysieren und eine Konzentration des zu analysierenden Gases zu bestimmen wobei zumindest ein Filter, welcher dem Lasersensormodul (4) vorgeschaltet ist, vorgesehen ist, wobei der Filter dazu ausgebildet ist, zumindest ein Störgas in der Ausatemluft auf dem oder in dem Filter zu absorbieren oder durch den Filter chemisch zu verändern, wodurch das zumindest eine Störgas aus dem zu untersuchenden Teil der Ausatemluft des Fahrzeuginsassen herausfilterbar ist.Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug.The invention relates to a vehicle device (1,1a) for measuring a gas to be analyzed with a specific absorption wavelength range in the exhaled air of a vehicle occupant in a vehicle interior (2) of a vehicle (3), the vehicle device (1,1a) having at least one laser sensor module (4 ) with a wavelength range that emits at least the absorption wavelength range for spectroscopic detection of the gas to be analyzed in a part of the exhaled air of the vehicle occupant to be examined and for generating a detector signal, and an evaluation unit (5) that is designed to transmit the detector signal of the laser sensor module (4). analyze and determine a concentration of the gas to be analyzed, at least one filter being provided upstream of the laser sensor module (4), the filter being designed to absorb at least one interfering gas in the exhaled air on or in the filter or through it to change the filter chemically, whereby the at least one interfering gas can be filtered out of the part of the exhaled air of the vehicle occupant to be examined. The invention also relates to a vehicle.
Description
Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugvorrichtung zur Messung eines zu analysierenden Gases mit einem bestimmten Absorptionswellenlängenbereich in der Ausatemluft eines Fahrzeuginsassen in einem Fahrzeuginnenraum eines Fahrzeugs, die Fahrzeugvorrichtung aufweisend zumindest ein Lasersensormodul mit einem zumindest den Absorptionswellenlängenbereich emittierenden Wellenlängenbereich zur spektroskopischen Detektion des zu analysierenden Gases in einem zu untersuchenden Teil der Ausatemluft des Fahrzeuginsassen und zur Generierung eines Detektorsignals, sowie eine Auswerteeinheit, die dazu ausgebildet ist, das Detektorsignal des Lasersensormoduls zu analysieren und eine Konzentration des zu analysierenden Gases zu bestimmen. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug.The invention relates to a vehicle device for measuring a gas to be analyzed with a specific absorption wavelength range in the exhaled air of a vehicle occupant in a vehicle interior of a vehicle, the vehicle device having at least one laser sensor module with a wavelength range emitting at least the absorption wavelength range for spectroscopic detection of the gas to be analyzed in a gas to be examined Part of the exhaled air of the vehicle occupant and for generating a detector signal, and an evaluation unit which is designed to analyze the detector signal of the laser sensor module and to determine a concentration of the gas to be analyzed. The invention also relates to a vehicle.
Die Fahrerüberwachung gewinnt für assistiertes und automatisiertes Fahren bis SAE Level 3 immer mehr an Bedeutung. Im Vordergrund steht dabei beispielsweise die frühzeitige Erkennung von Fahruntüchtigkeit durch Einnahme von Alkohol oder anderen Drogen, von Übermüdung oder von erhöhten Stresswerten. Insbesondere die Analyse der Ausatemluft ermöglicht in diesem Kontext ein völlig kontaktfreies, kontinuierliches physiologisches Monitoring des Fahrers und/oder der Fahrzeuginsassen. In diesem Kontext nimmt Infrarot-Laserspektroskopie als Sensortechnologie zur Detektion und Quantifizierung von sich in der Ausatemluft befindlichen volatilen organischen Substanzen (volatile organic compounds, VOCs) eine herausragende Stellung ein und wird beispielsweise bei Atemalkohol-Testgeräten bereits kommerziell genutzt. Grundlage hierfür ist das Lambert-Beer Gesetz.Driver monitoring is becoming increasingly important for assisted and automated driving up to
So kann die Ausatemluft herangezogen werden um beispielsweise die verschiedenen flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) zu bestimmen, anhand derer der Zustand des Fahrers bestimmt werden kann, beispielsweise hinsichtlich Kinetose.For example, the exhaled air can be used to determine the various volatile organic compounds (VOCs), which can be used to determine the driver's condition, for example with regard to motion sickness.
Um beispielsweise festzustellen, ob eine Person durch eine bestimmte Substanz (z. B. Alkohol, Tetrahydrocannabinol (THC), Kokain, usw.) beeinträchtigt ist, werden verschiedene Vorrichtungen zum Erkennen von Beeinträchtigungen eingesetzt. So schätzen beispielsweise Atemanalysegeräte, wie Alkoholtester, die Menge der schädlichen Substanz im Blut des Benutzers. Die Testperson oder der Benutzer bläst in das Gerät, und ein Sensor schätzt den Blutalkoholgehalt des Benutzers aus der Atemprobe. Beaufsichtigte Atemtests nach dem Stand der Technik werden von der Polizei durchgeführt, um Trunkenheit am Steuer vorzubeugen.For example, to determine if an individual is impaired by a particular substance (e.g., alcohol, tetrahydrocannabinol (THC), cocaine, etc.), various impairment detection devices are used. For example, breath analyzers such as breathalyzers estimate the amount of the harmful substance in the user's blood. The test subject or user blows into the device, and a sensor estimates the user's blood alcohol content from the breath sample. State-of-the-art supervised breath tests are used by police to prevent drunk driving.
Ebenfalls werden zunehmend auch unbeaufsichtigte Tests mit Alcolocks in Fahrzeugen eingesetzt. Zu den Sensortechnologien gehören katalytische Halbleiter, sowie Infrarotspektroskopie.Unattended tests with alcolocks in vehicles are also increasingly being used. Sensor technologies include catalytic semiconductors and infrared spectroscopy.
Dabei werden die Atemwege über ein eng anliegendes Mundstück entleert. Solche Geräte enthalten Sensorelemente, die nach einem tiefen Atemzug ein Signal liefern. Um eine korrekte Bestimmung zu gewährleisten, muss der Proband einen tiefen Ausatemzug abgeben. Dies erfordert einen erheblichen Kraftaufwand, insbesondere für Personen mit eingeschränkter Atemkapazität. Die Handhabung von Mundstücken ist kosten- und zeitintensiv und stellt durch Kondenswasser eine unerwünschte Fehlerquelle dar.The airways are emptied through a tight-fitting mouthpiece. Such devices contain sensor elements that provide a signal after a deep breath. In order to ensure a correct determination, the subject must release a deep exhalation. This requires a significant amount of effort, especially for people with limited breathing capacity. The handling of mouthpieces is costly and time-consuming and represents an undesirable source of error due to condensation.
Dabei bleibt die Selektivität der Analyten in komplexen Gasgemischen wie Atem- oder Innenraumluft die größte Herausforderung.The selectivity of the analytes in complex gas mixtures such as breathing or indoor air remains the greatest challenge.
Die
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung eine Fahrzeugvorrichtung zum verbesserten Messen von bestimmten Gasen in der Ausatemluft eines Fahrzeuginsassen in einem Fahrzeug anzugeben. Ferner ist es eine Aufgabe ein solches Fahrzeug mit einer Fahrzeugvorrichtung anzugeben.It is therefore an object of the invention to specify a vehicle device for improved measurement of specific gases in the exhaled air of a vehicle occupant in a vehicle. Furthermore, it is an object to specify such a vehicle with a vehicle device.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Fahrzeugvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 13.The object is achieved by a vehicle device having the features of
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die geeignet miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.Further advantageous measures are listed in the dependent claims, which can be suitably combined with one another in order to achieve further advantages.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Fahrzeugvorrichtung zur Messung eines zu analysierenden Gases mit einem bestimmten Absorptionswellenlängenbereich in der Ausatemluft eines Fahrzeuginsassen in einem Fahrzeuginnenraum eines Fahrzeugs umfassend zumindest ein Lasersensormodul mit einem zumindest den Absorptionswellenlängenbereich emittierenden Wellenlängenbereich zur spektroskopischen Detektion des zu analysierenden Gases in einem zu untersuchenden Teil der Ausatemluft des Fahrzeuginsassen und zur Generierung eines Detektorsignals, sowie eine Auswerteeinheit, die dazu ausgebildet ist, das Detektorsignal des Lasersensormoduls zu analysieren und eine Konzentration des zu analysierenden Gases zu bestimmen,
wobei zumindest ein Filter, welcher dem Lasersensormodul vorgeschaltet ist, vorgesehen ist, wobei der Filter dazu ausgebildet ist, zumindest ein Störgas in der Ausatemluft auf dem oder in dem Filter zu absorbieren oder durch den Filter chemisch zu verändern, wodurch das zumindest eine Störgas aus dem zu untersuchenden Teil der Ausatemluft des Fahrzeuginsassen herausfilterbar ist.The object is achieved by a vehicle device for measuring a gas to be analyzed with a specific absorption wavelength range in the exhaled air of a vehicle occupant in a vehicle interior of a vehicle comprising at least one laser sensor module with a wavelength range emitting at least the absorption wavelength range for spectroscopic detection of the gas to be analyzed in a part to be examined the air exhaled by the vehicle occupant and for generating a detector signal, and an evaluation unit which is designed to analyze the detector signal of the laser sensor module and to determine a concentration of the gas to be analyzed,
wherein at least one filter is provided, which is connected upstream of the laser sensor module, wherein the filter is designed to absorb at least one interfering gas in the exhaled air on or in the filter or to chemically change it through the filter, whereby the at least one interfering gas from the to be examined part of the exhaled air of the vehicle occupant can be filtered out.
Insbesondere umfasst das Lasersensormodul einen Infrarotlaser zur Infrarot-Laserspektroskopie als Sensortechnologie.In particular, the laser sensor module includes an infrared laser for infrared laser spectroscopy as the sensor technology.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass es problematisch in der Laserspektroskopie ist, dass viele der relevanten Absorptionsbereiche/Wellenlängenbereiche nicht substanz-spezifisch sind. So wurde erkannt, dass beispielsweise bei einer Atemalkoholdetektion sich etwa der Bereich um 3.4 Mikrometer Wellenlänge als mögliches Absorptionsband zur Detektion von Ethanol anbietet.According to the invention, it was recognized that it is problematic in laser spectroscopy that many of the relevant absorption ranges/wavelength ranges are not substance-specific. It was recognized that, for example, in the case of breath alcohol detection, the range around 3.4 micrometers in wavelength is a possible absorption band for detecting ethanol.
Es wurde erfindungsgemäß weiter erkannt, dass die Laserstrahlung in diesem Wellenlängenbereich jedoch nicht nur durch Ethanol, sondern auch durch andere Gase wie Methanol oder Isopropanol absorbiert wird. Folglich wird die eigentlich interessierende Konzentrationsmessung von Ethanol durch sich möglicherweise ebenfalls in der zu untersuchenden Ausatemluftprobe befindliche Störgases/Störsubtanzen wie Methanol oder Isopropanol überlagert/verfälscht und es kann keine hinreichend genaue Konzentration des gewünschten Gases in der Ausatemluft erkannt werden. Aufbauend auf dieser Erkenntnis, wird erfindungsgemäß nun vor dem Messgerät, das heißt dem Lasersensormodul ein Filter geschaltet, welches Gase absorbiert/herausfiltert, welche die Messung des zu analysierenden Gases verfälscht/stört.It was further recognized according to the invention that the laser radiation in this wavelength range is not only absorbed by ethanol but also by other gases such as methanol or isopropanol. Consequently, the concentration measurement of ethanol that is actually of interest is superimposed/falsified by interfering gases/interfering substances such as methanol or isopropanol that may also be present in the exhaled air sample to be examined and a sufficiently precise concentration of the desired gas in the exhaled air cannot be detected. Based on this finding, according to the invention, a filter is now connected in front of the measuring device, ie the laser sensor module, which absorbs/filters out gases which falsify/interfere with the measurement of the gas to be analyzed.
Dabei bedeutet vorgeschaltet, dass in dem Teil der zu messenden Ausatemluft diese Störgas/Störsubstanz weitestgehend eliminiert wird, entweder durch herausfiltern aus der zu messenden Ausatemluftprobe oder durch absorbieren/ adsorbieren des Störgases/ der Störsubstanz auf dem Filter. Der Filter kann auch als Katalysator ausgebildet sein, der das Störgases/ die Störsubstanz chemisch so verändert, dass diese von dem Lasersensormodul in dem definierten Wellenlängenbereich nicht mehr detektiert werden kannUpstream means that this interfering gas/interfering substance is largely eliminated from the part of the exhaled air to be measured, either by filtering it out of the exhaled air sample to be measured or by absorbing/adsorbing the interfering gas/interfering substance on the filter. The filter can also be designed as a catalyst that chemically changes the interfering gas/interfering substance in such a way that it can no longer be detected by the laser sensor module in the defined wavelength range
Dabei werden vor allem diejenigen Störgase herausgefiltert, welche einen ähnlichen Absorptionswellenlängenbereich wie das zu analysierende Gas aufweist. Dies bedeutet, dass die störenden Gase gezielt aus der zu analysierenden Ausatemluft vor der Messung durch das Lasersensormodul herausgefiltert werden können. Somit kann eine einfache und hinreichend genaue Konzentration des gewünschten Gases ermittelt werden.In particular, those interfering gases are filtered out that have a similar absorption wavelength range as the gas to be analyzed. This means that the interfering gases can be specifically filtered out of the exhaled air to be analyzed before the measurement by the laser sensor module. A simple and sufficiently accurate concentration of the desired gas can thus be determined.
Durch Platzierung eines oder mehrerer solcher Filter vor dem eigentlichen Lasersensormodul können überlagernde Störgase vor der eigentlichen Konzentrationsmessung aus der zu analysierenden Ausatemluft entfernt werden.By placing one or more such filters in front of the actual laser sensor module, superimposed interference gases can be removed from the exhaled air to be analyzed before the actual concentration measurement.
Mittels der erfindungsgemäßen Fahrzeugvorrichtung kann eine Erhöhung der Substanzselektivität bei Atemgasmessungen von Fahrzeuginsassen erzielt werden, beispielsweise mittels der Infrarot-Laserspektroskopie durch ein entsprechendes Lasersensormodul.The vehicle device according to the invention can be used to increase the substance selectivity when measuring the breath of vehicle occupants, for example by means of infrared laser spectroscopy using a corresponding laser sensor module.
In weiterer Ausbildung weist das zumindest eine Störgas einen zumindest teilweise überlappenden Wellenlängenbereich wie der Absorptionswellenlängenbereich des zu analysierenden Gases auf. Werden mehrere Filter vorgeschaltet, so können mehrere Störgase herausgefiltert werden. Alternativ kann auch ein Filter, welcher mehrere Störgase herausfiltern/absorbieren kann, zum Einsatz kommen.In a further embodiment, the at least one interfering gas has an at least partially overlapping wavelength range like the absorption wavelength range of the gas to be analyzed. If several filters are connected upstream, several interfering gases can be filtered out. Alternatively, a filter that can filter out/absorb several interfering gases can also be used.
In weiterer Ausbildung weist das Lasersensormodul eine Messkammer mit zumindest einem Eingang für die zu analysierende Ausatemluft sowie eine Laser-Detektor-Anordnung auf, mit wenigstens einer Laserlichtquelle zur Erzeugung von Laserlicht mit zumindest derjenigen Wellenlänge, die dem Absorptionsspektrum des vorab zu bestimmenden Gases entspricht und mit wenigstens einem Detektor zum Detektieren des Laserlichts, wobei die Laser-Detektor-Anordnung derart ausgebildet ist, dass die Messkammer sich in einem Strahlengang des Laserlichts zwischen Laserlichtquelle und Detektor befindet.In a further development, the laser sensor module has a measuring chamber with at least one input for the exhaled air to be analyzed and a laser detector arrangement with at least one laser light source for generating laser light with at least the wavelength that corresponds to the absorption spectrum of the gas to be determined in advance and with at least one detector for detecting the laser light, the laser-detector arrangement being designed in such a way that the measuring chamber is located in a beam path of the laser light between the laser light source and the detector.
Insbesondere kann es sich bei dem Laser um einen Infrarotlaser zur Infrarot-Laserspektroskopie als Sensortechnologie zur Detektion und Quantifizierung von Gasen in der Ausatemluft handeln. Grundlage für die Infrarot-Laserspektroskopie ist dabei das Lambert-Beer Gesetz. Vorzugsweise liegt die Wellenlänge der eingesetzten Laserstrahlung im Bereich von 2 bis 12 Micrometer.In particular, the laser can be an infrared laser for infrared laser spectroscopy as sensor technology for detecting and quantifying gases in the exhaled air. This is the basis for infrared laser spectroscopy Lambert-Beer law. The wavelength of the laser radiation used is preferably in the range from 2 to 12 micrometers.
In einer weiteren Ausbildung weist die Messkammer einen Ausgang zum Ausströmen der gemessenen Ausatemluft auf. Dadurch kann die gemessene Ausatemluft wieder ausströmen. Ferner kann beispielsweise das Lasersensormodul in einem Strömungskanal beispielsweise in dem Luftsystem einer Klimaanlage oder Klimaeinrichtung angeordnet sein. Dadurch kann sichergestellt werden, dass jeweils eine frische/aktuelle Ausatemluftprobe zur Messung verwendet wird.In a further embodiment, the measuring chamber has an outlet for the outflow of the measured exhaled air. This allows the measured exhaled air to flow out again. Furthermore, for example, the laser sensor module can be arranged in a flow channel, for example in the air system of an air conditioning system or air conditioning device. This ensures that a fresh/up-to-date exhaled air sample is used for the measurement.
In weiterer Ausbildung ist ein erstes Lasersensormodul und ein zumindest zweites Lasersensormodul vorgesehen, wobei der Filter als Gasfilter ausgebildet ist zum Herausfiltern des zu analysierenden Gases, wobei lediglich dem ersten Lasersensormodul der Gasfilter vorgeschaltet ist, und wobei das erste Lasersensormodul dazu ausgebildet ist, ein erstes Detektorsignal, mit welchem eine Konzentration der verbleibenden Gase mit ähnlichen oder zumindest teilweise überlappenden Absorptionswellenlängenbereich wie das zu analysierenden Gas bestimmbar ist, zu generieren und wobei das zweite Lasersensormodul dazu ausgebildet ist, ein ungefiltertes zweites Detektorsignal, mit welchem eine Konzentration von allen Gasen mit ähnlichen oder zumindest teilweise überlappenden Absorptionswellenlängenbereich bestimmbar ist, zu generieren und wobei die Konzentration des zu analysierenden Gases mittels des ersten und des zweiten Detektorsignals bestimmbar ist.In a further embodiment, a first laser sensor module and at least a second laser sensor module are provided, with the filter being designed as a gas filter for filtering out the gas to be analyzed, with the gas filter only being connected upstream of the first laser sensor module, and with the first laser sensor module being designed to generate a first detector signal , with which a concentration of the remaining gases with a similar or at least partially overlapping absorption wavelength range as the gas to be analyzed can be determined, and wherein the second laser sensor module is designed to generate an unfiltered second detector signal with which a concentration of all gases with a similar or at least partially overlapping absorption wavelength range can be determined, and the concentration of the gas to be analyzed can be determined by means of the first and the second detector signal.
Somit ist das gewünschte zu detektierende Gas quasi das Störgas.The desired gas to be detected is thus the interfering gas.
Dabei ist der Gasfilter als ein Filter ausgebildet, welcher die zu analysierende Substanz, beispielsweise Ethanol, herausfiltert /absorbiert.The gas filter is designed as a filter which filters out/absorbs the substance to be analyzed, for example ethanol.
Dadurch wird einmal die Konzentration derjenigen Gase bestimmt, welche ähnliche Wellenlänge aufweisen beispielsweise sind dies bei Ethanol die Störgase Methanol, Isopropanol etc. ohne Ethanol selber, und einmal die Konzentration aller Gase mit diesem oder ähnlichem Absorptionswellenlängenbereich beispielsweise also die Konzentration von Methanol, Isopropanol als auch Ethanol selber in der Ausatemluft.This determines the concentration of those gases that have a similar wavelength, for example, in the case of ethanol, these are the interfering gases methanol, isopropanol, etc. without ethanol itself, and the concentration of all gases with this or a similar absorption wavelength range, for example the concentration of methanol, isopropanol as well ethanol itself in the exhaled air.
Ferner kann die Auswerteeinheit dazu ausgebildet sein, anhand der Differenz oder dem Quotienten zwischen dem ersten Detektorsignal und dem zweiten Detektorsignal die Konzentration des zu analysierenden Gases in der Ausatemluft zu bestimmen. Das heißt, dass mittels eines solchen Gasfilters das eigentliche Gas (etwa Ethanol) aus der Ausatemluftprobe entfernt werden kann und die Konzentration des zu analysierenden Gases sich dann aus der Differenz oder dem Quotienten der zweifachen Messung mit und ohne Filterung bestimmen lässt.Furthermore, the evaluation unit can be designed to determine the concentration of the gas to be analyzed in the exhaled air based on the difference or the quotient between the first detector signal and the second detector signal. This means that such a gas filter can be used to remove the actual gas (e.g. ethanol) from the exhaled air sample and the concentration of the gas to be analyzed can then be determined from the difference or the quotient of the double measurement with and without filtering.
Somit kann beispielsweise auch auf mehrere Filter verzichtet werden, da hier gezielt das gesuchte Gas durch einen Filter herausgefiltert wird.This means, for example, that several filters can be dispensed with, since the gas sought is specifically filtered out by a filter.
Alternativ ist der Filter als Gasfilter ausgebildet zum Herausfiltern des zu analysierenden Gases, wobei dem zumindest einem Lasersensormodul der Gasfilter verschwenkbar vorschaltbar ist, so dass das zumindest eine Lasersensormodul dazu ausgebildet ist, ein erstes Detektorsignal mit vorgeschalteten Gasfilter, mit welchem eine Konzentration der verbleibenden Gase mit ähnlichen oder zumindest teilweise überlappenden Absorptionswellenlängenbereich wie das zu analysierenden Gas bestimmbar ist, zu generieren und wobei das Lasersensormodul dazu ausgebildet ist, ein zweites ungefiltertes Detektorsignal ohne vorgeschalteten Gasfilter, mit welchem eine Konzentration von allen Gasen mit ähnlichen oder zumindest teilweise überlappenden Absorptionswellenlängenbereich bestimmbar ist, zu generieren und wobei die Konzentration des zu analysierenden Gases mittels des ersten und des zweiten Detektorsignals bestimmbar ist.Alternatively, the filter is designed as a gas filter for filtering out the gas to be analyzed, with the gas filter being pivotably connectable upstream of the at least one laser sensor module, so that the at least one laser sensor module is designed to generate a first detector signal with a gas filter connected upstream, with which a concentration of the remaining gases is determined similar or at least partially overlapping absorption wavelength range as the gas to be analyzed can be generated, and wherein the laser sensor module is designed to generate a second unfiltered detector signal without an upstream gas filter, with which a concentration of all gases with a similar or at least partially overlapping absorption wavelength range can be determined generate and wherein the concentration of the gas to be analyzed can be determined by means of the first and the second detector signal.
Ferner ist die Auswerteeinheit vorzugsweise dazu ausgebildet, anhand der Differenz oder dem Quotienten zwischen dem ersten Detektorsignal und dem zweiten Detektorsignal die Konzentration des zu analysierenden Gases in der Ausatemluft zu bestimmen.Furthermore, the evaluation unit is preferably designed to determine the concentration of the gas to be analyzed in the exhaled air based on the difference or the quotient between the first detector signal and the second detector signal.
Dadurch ist lediglich ein Lasersensormodul notwendig.As a result, only one laser sensor module is required.
Ferner kann das zumindest eine Lasermodul einen Eingang für die zu messende Ausatemluft und einen Ausgang zum Ausströmen der gemessenen Ausatemluft aufweisen, wobei die Fahrzeugvorrichtung zum Ausströmen der gemessenen Ausatemluft durch den Ausgang ausgebildet ist, derart, dass eine Generierung des zweiten Detektorsignals anhand neu eingeströmter ungefilterter Ausatemluft durch das Lasermodul bewerkstelligbar ist.Furthermore, the at least one laser module can have an input for the exhaled air to be measured and an output for the outflow of the measured exhaled air, the vehicle device being designed to outflow the measured exhaled air through the output in such a way that the second detector signal is generated on the basis of newly inflowing unfiltered exhaled air can be accomplished by the laser module.
In einer weiteren Ausbildung ist eine ansteuerbare Vorschaltvorrichtung vorgesehen, in welche der Gasfilter angeordnet ist, zum Vorschalten des Gasfilters vor das zumindest eine Lasersensormodul. Eine solche Vorschaltvorrichtung kann beispielsweise mittels eines einfachen Aktors bewerkstelligt werden; die Vorschaltvorrichtung kann beispielsweise ein Gehäuse sein.
In einer weiteren Ausbildung ist das zu analysierende Gas Ethanol. In weiterer Ausbildung sind ein erster Filter und ein zweiter Filter vorgesehen, welche dem zumindest einem Lasersensormodul vorgeschaltet sind, wobei der erste Filter zum Entfernen von Methanol und der zweite Filter zum Entfernen von Isopropanol ausgebildet ist. Dadurch kann eine Fahruntüchtigkeit des Fahrers festgestellt werden.In a further embodiment, a controllable upstream device is provided, in which the gas filter is arranged, for upstream connection of the gas filter in front of the at least one laser sensor module. Such a ballast can be accomplished, for example, by means of a simple actuator; the ballast can be a housing, for example.
In a further embodiment, the gas to be analyzed is ethanol. In further training are a first Filter and a second filter are provided, which are connected upstream of the at least one laser sensor module, wherein the first filter is designed to remove methanol and the second filter is designed to remove isopropanol. This can be used to determine whether the driver is unfit to drive.
In weiterer Ausbildung ist der Filter als ein katalytischer Filter ausgebildet. Solche katalytischen Filter können beispielsweise die Unterschiede in der chemischen Reaktivität zwischen den verschiedenen Gase nutzen, um die Selektivität nachgeschalteter Sensoren zu verbessern. Dies bedeutet, dass beispielsweise Ethanol den Filter passiert, während Methanol vollständig vom Filter absorbiert oder herausgefiltert wird. Dadurch werden Störgase eliminiert oder ihre Konzentration erheblich reduziert, was zu einer hohen Sensorselektivität führen kann.In a further development, the filter is designed as a catalytic filter. Such catalytic filters can, for example, use the differences in chemical reactivity between different gases to improve the selectivity of downstream sensors. This means that e.g. ethanol passes through the filter while methanol is completely absorbed or filtered out by the filter. This eliminates interfering gases or significantly reduces their concentration, which can lead to high sensor selectivity.
Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Fahrzeug mit einem Lenkrad und einem Cockpit und einer wie oben beschriebenen Fahrzeugvorrichtung, wobei die Fahrzeugvorrichtung im Lenkrad oder im Cockpit im Bereich des Fahrers angeordnet ist. Dadurch lässt sich die Ausatemluft des Fahrers gut erfassen.The object is also achieved by a vehicle with a steering wheel and a cockpit and a vehicle device as described above, the vehicle device being arranged in the steering wheel or in the cockpit in the area of the driver. As a result, the exhaled air of the driver can be easily detected.
Ferner können mehrere wie oben beschriebene Fahrzeugvorrichtungen im Bereich des Fahrers zur Bestimmung der Konzentration des zu analysierenden Gases durch die Ausatemluft angeordnet sein, und die jeweils ermittelten Konzentrationen können miteinander verglichen werden, zur Bestimmung einer Endkonzentration. Dadurch kann die gemessene Konzentration des zu analysierenden Gases besser auf den Fahrer eingegrenzt werden.Furthermore, several vehicle devices as described above can be arranged in the area of the driver for determining the concentration of the gas to be analyzed through the exhaled air, and the respectively determined concentrations can be compared with one another to determine a final concentration. As a result, the measured concentration of the gas to be analyzed can be better limited to the driver.
Ferner kann das Fahrzeug dazu ausgebildet sein, bei einer ermittelten Konzentration des zu analysierenden Gases über einem Schwellenwert eine akustische und/oder optische und/oder haptische Warnung auszugeben. Insbesondere ist dies vorteilhaft, wenn das zu analysierende Gas ein Alkohol bzw. Ethanol ist. Dadurch kann der Fahrer vor unvorsichtigem Fahren oder Betreiben des Fahrzeugs gewarnt werden. Furthermore, the vehicle can be designed to output an acoustic and/or visual and/or haptic warning if the concentration of the gas to be analyzed is determined to be above a threshold value. This is particularly advantageous when the gas to be analyzed is an alcohol or ethanol. This can warn the driver against careless driving or operating the vehicle.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren. Variationen hiervon können vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung, wie er durch die nachfolgenden Patentansprüche definiert wird, zu verlassen.Further properties and advantages of the present invention emerge from the following description with reference to the attached figures. Variations may be devised by those skilled in the art without departing from the scope of the invention as defined by the following claims.
Die Figuren zeigen schematisch:
-
1 : ein erfindungsgemäßes Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Fahrzeugvorrichtung in einer ersten Ausgestaltung, -
2 zeigt verschiedene Absorptionsbereiche verschiedener Gase. -
3 : ein erfindungsgemäßes Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Fahrzeugvorrichtung in einer zweiten Ausgestaltung.
-
1 : a vehicle according to the invention with a vehicle device according to the invention in a first embodiment, -
2 shows different absorption ranges of different gases. -
3 1: a vehicle according to the invention with a vehicle device according to the invention in a second embodiment.
Dabei ist in diesem Beispiel das zu messende Gas Ethanol (Alkohol). Dieses hat einen Absorptionswellenlängenbereich von ca. 3.3 bis 3.5 µm (Absorptionswellenlängenband um die 3,4 µm) bezogen auf eine IR-Spektroskopie (Infrarot-Laserspektroskopie als Sensortechnologie). Wird dem Ethanol Molekül in einem Gasgemisch durch eine Lichtwelle, welche beispielsweise durch einen Infrarot -Laser erzeugt wird, ein Lichtquant passender Energie / Absorptionswellenlänge angeboten, wird dieses absorbiert und das Ethanol -Molekül geht vom Schwingungsgrundzustand in einen angeregten Zustand über.In this example, the gas to be measured is ethanol (alcohol). This has an absorption wavelength range of approx. 3.3 to 3.5 µm (absorption wavelength band around 3.4 µm) based on IR spectroscopy (infrared laser spectroscopy as sensor technology). If the ethanol molecule in a gas mixture is offered a light quantum of suitable energy / absorption wavelength by a light wave, which is generated for example by an infrared laser, this is absorbed and the ethanol molecule changes from the vibrational ground state to an excited state.
Ferner ist ein Lasersensormodul 4 umfassend dem Infrarot -Laser, vorhanden, zur Aussendung der Lichtwelle in einem Wellenlängenbereich zur spektroskopischen Detektion des zu analysierenden Gases, hier Ethanol, in einem zu untersuchenden Teil der Ausatemluft des Fahrzeuginsassen und zur Erzeugung eines Detektorsignals anhand des ausgesendeten Laserlichtes.There is also a
Dabei kann das Lasersensormodul 4 eine Messkammer mit zumindest einem Eingang für die zu analysierende Ausatemluftprobe aufweisen.The
Auch weist das Lasersensormodul 4 eine Laser-Detektor-Anordnung auf. Diese umfasst eine Laserlichtquelle, hier der Infrarot -Laser, zur Erzeugung von Laserlicht mit zumindest derjenigen Wellenlänge die zumindest dem Absorptionsspektrum des vorab zu bestimmenden Gases entspricht und mit einen Detektor zum Detektieren des entsprechenden Gases. Die Wellenlänge der eingesetzten Laserstrahlung liegt vorzugsweise im Bereich von 2 bis 12 Micrometer.The
Dabei ist die Laser-Detektor-Anordnung derart ausgebildet, dass die Messkammer sich in einem Strahlengang des Laserlichts zwischen Laserlichtquelle und Detektor befindet.The laser-detector arrangement is designed in such a way that the measuring chamber is located in a beam path of the laser light between the laser light source and the detector.
Somit kann mittels Infrarot-Laserspektroskopie als Sensortechnologie eine Detektion und Quantifizierung von sich in der Ausatemluft befindlichen zu analysierenden Gas bewerkstelligt werden. Grundlage hierfür ist das Lambert-Beer Gesetz. Dieses beschreibt die Abschwächung der Intensität einer Strahlung in Bezug zu deren Anfangsintensität bei dem Durchgang durch ein Medium mit einer absorbierenden Substanz in Abhängigkeit von der Konzentration der absorbierenden Substanz.Thus, using infrared laser spectroscopy as the sensor technology, a detection and quantification of the gas to be analyzed that is in the exhaled air can be accomplished. The basis for this is the Lambert-Beer law. This describes the attenuation of the intensity of a radiation in relation to its initial intensity when passing through a medium with an absorbing substance as a function of the concentration of the absorbing substance.
Wie
Dieses zeigt die Absorptionsbereiche als Absorptionskoeffizient verschiedener Gase aufgetragen über die Wellenlänge in µm. So wurde erkannt, dass beispielsweise bei einer Atemalkoholdetektion sich etwa der Bereich um 3.4 µm Wellenlänge als mögliches Absorptionsband zur Detektion von Ethanol anbietet. Dies liegt vor allem darin begründet, dass im Atemgas in hoher Konzentration vorkommende Störsubstanzen wie Wasser(dampf) und Kohlendioxid in diesem Wellenlängenbereich nicht absorbieren.This shows the absorption ranges as absorption coefficients of various gases plotted against the wavelength in µm. It was thus recognized that, for example, in the case of breath alcohol detection, the range around 3.4 μm wavelength is a possible absorption band for the detection of ethanol. This is mainly due to the fact that interfering substances such as water (vapour) and carbon dioxide occurring in high concentrations in the breathing gas do not absorb in this wavelength range.
Jedoch wird die Laserstrahlung in diesem Wellenlängenbereich nicht nur durch Ethanol, sondern auch durch andere Alkohole wie Methanol oder Isopropanol absorbiert.However, the laser radiation in this wavelength range is not only absorbed by ethanol, but also by other alcohols such as methanol or isopropanol.
So weist sowohl Isopropanol als auch Methanol einen sich teilweise überlappenden Absorptionsbereich zwischen 3.3-3.5 µm auf. Diese Gase wirken somit als Störgase oder Störsubstanzen. Folglich wird die eigentlich interessierende Konzentrationsmessung von Ethanol durch sich möglicherweise ebenfalls in der Ausatemluftprobe befindliche Gase wie Methanol-Störgas als auch Isopropanol- Störgas überlagert/verfälscht und es kann keine hinreichend genaue Konzentration des gewünschten Ethanol-Gases in der Ausatemluft erkannt werden.Both isopropanol and methanol have a partially overlapping absorption range between 3.3-3.5 µm. These gases thus act as interfering gases or interfering substances. Consequently, the concentration measurement of ethanol that is actually of interest is overlaid/falsified by gases possibly also present in the exhaled air sample, such as methanol interfering gas and isopropanol interfering gas, and a sufficiently precise concentration of the desired ethanol gas in the exhaled air cannot be detected.
Um diese Herauszufiltern wird vor dem Lasersensormodul 4 nun ein Filter geschaltet, welches das/die Störgase absorbieren oder herausfiltern, welche die Messung des zu analysierenden Gases verfälscht/stört.In order to filter these out, a filter is now connected in front of the
Dabei bedeutet vorgeschaltet, dass in dem Teil der zu messenden Ausatemluft das Methanol-Störgas als auch oder Isopropanol- Störgas weitestgehend eliminiert sind, entweder durch herausfiltern aus der zu messenden Ausatemluftprobe oder durch absorbieren des Methanol- Störgases und des Isopropanol- Störgases auf dem Filter. Dadurch detektiert das Lasersensormodul 4 lediglich das Ethanol als Detektorsignal.Upstream means that in the part of the exhaled air to be measured the methanol interfering gas as well as the isopropanol interfering gas are largely eliminated, either by filtering them out of the exhaled air sample to be measured or by absorbing the methanol interfering gas and the isopropanol interfering gas on the filter. As a result, the
Anhand einer Auswerteeinheit 5, welche auch in dem Lasersensormodul 4 integriert sein kann, kann anschließend die Konzentration des Ethanols in der Ausatemluft bestimmt werden.Using an
Dabei kann es sich um einen oder mehrere vorgeschaltete Filter handeln, welche zum einen Methanol- Störgas als auch oder Isopropanol- Störgas auf dem jeweiligen Filter abscheiden oder herausfiltern.This can involve one or more upstream filters, which on the one hand separate or filter out methanol interfering gas or isopropanol interfering gas on the respective filter.
Dadurch wird dieses Selektivitätsproblem durch Vorschalten geeigneter substanzspezifischer Filter gelöst. Die ausgewählte Substanz, hier Ethanol kann gezielt aus der zu analysierenden Ausatemluftprobe ermittelt werden.As a result, this selectivity problem is solved by connecting suitable substance-specific filters upstream. The selected substance, here ethanol, can be specifically determined from the exhaled air sample to be analyzed.
Dadurch kann die Konzentration von Ethanol in der Ausatemluft hinreichend genau bestimmt werden.This allows the concentration of ethanol in the exhaled air to be determined with sufficient accuracy.
Dabei kann eine solche Fahrzeugvorrichtung 1 in Nähe des Fahrers, beispielsweise im oder am Lenkrad oder im Bereich der Kopfstütze angeordnet sein, um fremde Ausatemluft von anderen Fahrzeuginsassen weitestgehend auszuschließen.Such a
Ferner kann das Fahrzeug 3 zur Ausgabe einer optischen und/oder haptischen und / oder akustischen Warnung 6 ausgebildet sein, falls die durch die Fahrzeugvorrichtung 1 erkannte Ethanolkonzentration einen vorab definierten Wert überschreitet.Furthermore, the
Auch können mehrere solcher Fahrzeugvorrichtungen 1 in Nähe des Fahrers angeordnet sein. Die jeweilige ermittelten Konzentrationswerte können somit abgeglichen oder validiert werden und anhand dessen ein endgültiger Konzentrationswert ermittelt werden in welchem die einzelnen Konzentrationswerte ggf. gewichtet miteinflie-ßen. So kann beispielsweise einer derartigen Fahrzeugvorrichtung 1, welche am Lenkrad angeordnet ist, ein höheres Gewicht zugesprochen werden, als anderen Fahrzeugvorrichtungen 1. Ebenso ist es möglich, andere einzelne Konzentrationswerte gewichtet in die Bestimmung des endgültigen Konzentrationswertes miteinfließen zu lassen.A plurality of
Dieses Gas ist in diesem Beispiel ebenfalls das zu messende Gas Ethanol (Alkohol) mit einem Absorptionswellenlängenbereich von ca. 3.3 bis 3.5 µm bezogen auf eine IR-Spektroskopie (Infrarot-Laserspektroskopie als Sensortechnologie).In this example, this gas is also the gas to be measured, ethanol (alcohol) with an absorption wavelength range of approx. 3.3 to 3.5 μm based on IR spectroscopy (infrared laser spectroscopy as sensor technology).
Ferner ist ein erstes Lasersensormodul 4 und ein zweites Lasersensormodul 4a vorhanden, zur Aussendung eines Lichtes in einem Wellenlängenbereich des Ethanols zur spektroskopischen Detektion des zu analysierenden Ethanols in einem zu untersuchenden Teil der Ausatemluft des Fahrzeuginsassen und zur Erzeugung eines ersten Detektorsignals und eines zweiten Detektorsignals.There is also a first
Dabei ist dem ersten Lasersensormodul 4 ein Gasfilter vorgeschaltet, welches das zu analysierende Gas, hier Ethanol herausfiltert.In this case, the first
Das erste Lasersensormodul 4 generiert somit ein erstes Detektorsignal, anhand dessen im Wesentlichen die Konzentration des Methanol- Störgas als auch des Isopropanol- Störgas als auch alle anderen, in diesem Wellenlängenbereich absorbierenden Störgase gemessen werden können und zwar ohne die Konzentration von Ethanol.The first
Dem zweiten Lasersensormodul 4a ist jedoch kein Gasfilter vorgeschaltet. Damit wird anhand des zweiten Lasersensormoduls 4a ein zweites Detektorsignal generiert, welches alle Substanzen / Gase in diesem Wellenlängenbereich detektiert, das heißt sowohl Ethanol, als auch die Störgase Isopropanol sowie Methanol sowie andere Störgase.However, no gas filter is connected upstream of the second
Anhand des ersten Detektorsignals und des zweiten Detektorsignals kann mittels Differenz- oder Quotientenbildung nun die Konzentration von dem gewünschten Ethanol bestimmt werden.The concentration of the desired ethanol can now be determined on the basis of the first detector signal and the second detector signal by means of difference or quotient formation.
Dabei ist es beispielsweise vorteilhaft, wenn die beiden Lasersensormodule 4,4a nebeneinander oder in der Nähe voneinander angeordnet sind, um die Messung des Ethanols in der Ausatemluft nicht durch Vermischung mit der Ausatemluft anderer Fahrzeuginsassen zu verfälschen.It is advantageous here, for example, if the two
Das heißt mittels einen solchen Gasfilters kann auch die eigentliche Markersubstanz, wie etwa Ethanol aus dem Ausatemluftprobe entfernt werden. Die Konzentration der Markersubstanz, hier Ethanol, lässt sich dann aus der Differenz oder dem Quotienten der zweifachen Messung vor und nach der Filterung bestimmen (Differenzmessung).This means that such a gas filter can also be used to remove the actual marker substance, such as ethanol, from the exhaled air sample. The concentration of the marker substance, here ethanol, can then be determined from the difference or the quotient of the double measurement before and after filtering (difference measurement).
Alternativ kann ein einzelnes Lasersensormodul 4 vorgesehen sein, welchem ein Gasfilter zum Herausfiltern des zu analysierenden Gases verschwenkbar vorschaltbar ist. Dabei kann eine erste Messung mit vorgeschalteten verschwenkbaren Gasfilter zum Generieren des ersten Detektorsignals bewerkstelligt werden.Alternatively, a single
Dabei kann die Vorschaltung beispielsweise mittels eines Gehäuses in dem der Gasfilter eingebaut ist und einem verstellbaren Aktor automatisiert bewerkstelligt werden. Anschließend kann der vorgeschaltete Gasfilter entfernt und eine zweite Messung zum Generieren des zweiten Detektorsignals durchgeführt werden.The upstream connection can be accomplished automatically, for example, by means of a housing in which the gas filter is installed and an adjustable actuator. The upstream gas filter can then be removed and a second measurement can be carried out to generate the second detector signal.
Anschließend kann die Auswerteeinheit 5 anhand der Differenz oder dem Quotienten zwischen dem ersten Detektorsignal und dem zweiten Detektorsignal die Konzentration des Ethanols in der Ausatemluft bestimmen.The
Dabei kann das Lasermodul 4 einen Eingang für die zu messende Ausatemluft und einen Ausgang zum Ausströmen der gemessenen Ausatemluft aufweisen, wobei die Fahrzeugvorrichtung 1a zum Ausströmen der gemessenen Ausatemluft durch den Ausgang ausgebildet ist, derart, dass eine Generierung des zweiten Detektorsignals anhand neu eingeströmter ungefilterter Ausatemluft durch das Lasermodul 4 bewerkstelligbar ist. Dies kann beispielsweise durch Anordnung in einem Luftpfad, wie der Klimaanlage bewerkstelligt werden.The
Durch die verschwenkbare Vorschaltung ist lediglich ein Lasersensormodul 4 notwendig.Only one
BezugszeichenlisteReference List
- 1,1a1:1a
- Fahrzeugvorrichtungvehicle device
- 22
- Fahrzeuginnenraumvehicle interior
- 33
- Fahrzeugvehicle
- 4,4a4.4a
- Lasersensormodullaser sensor module
- 55
-
Auswerteeinheit6 akustische und/oder optische und/oder haptische Warnung
Evaluation unit 6 acoustic and/or visual and/or haptic warning
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- EP 2669660 B1 [0008]EP 2669660 B1 [0008]
Claims (15)
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