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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Messsystem und eine Messvorrichtung zur Messung einer Konzentration von gas- und/oder aerosolförmigen Komponenten eines Gasgemisches für einen Reaktionsträger, der zumindest zwei Strömungskanäle aufweist, wobei zumindest ein Strömungskanal eine Reaktionskammer mit einem Reaktionsstoff bildet und der Reaktionsstoff mit zumindest einer zu messenden Komponente des Gasgemisches eine optisch detektierbare Reaktion eingeht. Die Erfindung bezieht sich ferner auf einen Reaktionsträger für eine derartige Messvorrichtung sowie ein Messverfahren zur Messung einer Konzentration von gas- und/oder eine aerosolförmigen Komponenten eines Gasgemisches.
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Aus dem Stand der Technik sind Gasprüfröhrchen bekannt, die mit einem Reaktionsstoff gefüllt sind, welcher mit einer bestimmten chemischen Verbindung eine optisch erkennbare Reaktion eingeht. Dabei wird beispielsweise mit einer Handpumpe eine definierte Menge eines Gasgemisches durch das Gasprüfröhrchen gepumpt. Anschließend wird mittels einer Verfärbung des Reaktionsstoffs eine Konzentration der zu messenden chemischen Verbindung bestimmt.
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Darüber hinaus sind so genannte Chip-basierte Messsysteme bekannt, bei welchen der Reaktionsstoff in Reaktionskammern auf einem Reaktionsträger angeordnet ist, welcher in eine Messvorrichtung eingeführt werden kann. Die Messvorrichtung erkennt den Reaktionsträger und führt ein entsprechendes Messverfahren zur Messung einer Konzentration der entsprechenden Komponente des Gasgemisches durch. Beispielsweise weist der Reaktionsträger eine Mehrzahl von Reaktionskammern auf, die jeweils für eine Messung gebraucht werden können. Für jede Reaktionskammer ist ein mechanischer Arretierzapfen vorgesehen, welcher bei unbenutzten Reaktionskammern hervorsteht, sodass er an der Messvorrichtung mechanisch einrasten kann. Bei einer Messung mit einer Reaktionskammer wird der zugehörige Arretierzapfen eingedrückt. Bei Einführen des Reaktionsträgers in die Messvorrichtung wird der Reaktionsträger jeweils soweit in die Messvorrichtung eingezogen, bis der erste hervorstehende Arretierzapfen mechanisch in der Messvorrichtung einrastet und somit jeweils die erste unbenutzte Reaktionskammer für die jeweilige Messung verwendet wird. Nach Abschluss der Messung wird der Reaktionsträger jeweils vollständig aus der Messvorrichtung ausgestoßen. Eine unabhängige Positionierung des Reaktionsträgers in der Messvorrichtung in einer beliebigen Relativposition ist nicht möglich.
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Es ist ferner beispielsweise aus der
DE 27 18 218 A1 bekannt, mehrere unterschiedliche Gasbehandlungselemente in einer Reaktionskammer vorzusehen, beispielsweise den Reaktionsstoff für eine optisch detektierbare Reaktion und ein Trocknungsmittel, welches dem Gasgemisch in der Reaktionskammer Feuchtigkeit entzieht. Die Abmessungen der Reaktionskammer sind jedoch durch die Größe des Reaktionsträgers begrenzt, wodurch nur eine begrenzte Menge verschiedener Gasbehandlungselemente in einer Reaktionskammer angeordnet werden kann. Ferner können nur solche Gasbehandlungselemente in einer gemeinsamen Reaktionskammer angeordnet werden, welche auch bei längerer Lagerung des Reaktionsträgers keine wechselseitigen Reaktionen in der Reaktionskammer eingehen. Ferner ist es mit einem solchen System nur möglich solche Komponenten eines Gasgemisches zu messenden, welche eine optisch detektierbare Reaktion mit einem Reaktionsstoff eingehen.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Messvorrichtung sowie einen entsprechenden Reaktionsträger und ein verbessertes Messverfahren bereitzustellen, welches eine erhöhte Flexibilität im Messverfahren und eine akkurate Konzentrationsbestimmung einer Vielzahl von chemischen Verbindungen ermöglicht.
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In einem Aspekt bezieht sich die Erfindung auf einen Reaktionsträger für eine Messvorrichtung zur Messung einer Konzentration von gas- und/oder aerosolförmigen Komponenten eines Gasgemisches mittels eines Reaktionsstoffs, der mit zumindest einer zu messenden Komponente des Gasgemisches oder einem Reaktionsprodukt der zu messenden Komponente eine optisch detektierbare Reaktion eingeht. Der Reaktionsträger weist zumindest einen in zumindest zwei Teilstrecken aufgeteilten Strömungskanal auf, der sich zwischen zwei Anschlusselementen erstreckt, und in den zumindest zwei Teilstrecken ist jeweils zumindest ein Gasbehandlungselement vorgesehen, welches die chemischen oder physikalischen Eigenschaften des durchströmenden Gasgemisches verändert oder in Abhängigkeit der chemischen oder physikalischen Eigenschaften reagiert. Zumindest zwei Teilstrecken des zumindest einen Strömungskanals sind durch ein Trennelement gasdicht von einander getrennt und es ist zumindest ein Kopplungselement vorgesehen, welches ausgebildet ist, um bei einer Aktivierung des Kopplungselements das Trennelement zu öffnen und eine Verbindung zwischen den Teilstrecken herzustellen.
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Auf diese Weise kann eine Vielzahl von verschiedenen Gasbehandlungselementen in den verschiedenen Teilstrecken des Strömungskanals angeordnet werden. Insbesondere können auch zwei oder mehrere Gasbehandlungselemente in getrennten Teilstrecken angeordnet werden, so dass diese während einer Lagerung des Reaktionsträgers durch das Trennelement gasdicht getrennt sind und somit keine chemische Reaktion zwischen Bestandteilen der jeweiligen Gasbehandlungselemente stattfinden kann. Die Aufteilung des Strömungskanals in mehrere Teilstrecken ermöglicht zudem das Vorsehen einer Zwischenreaktion in einer ersten Teilstrecke, in der eine zu messende Komponente eine chemische Reaktion mit einem Reaktionsstoff (Zwischenreaktionsstoff) eingeht und das dabei entstehende Reaktionsprodukt in einer nachfolgenden Teilstrecke die optisch detektierbare Reaktion mit dem Reaktionsstoff (Detektionsreaktionsstoff) eingeht. Auf diese Weise können auch Komponenten eines Gasgemisches gemessen werden, für die keine geeignete optisch detektierbare Reaktion mit einem geeigneten Reaktionsstoff bekannt ist.
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Gemäß einer Ausbildungsform werden die Teilstrecken durch Röhrchen, vorzugsweise Glaskapillaren, und das Trennelement durch zumindest ein verschlossenes Rohrende gebildet und das Kopplungselement ist ausgebildet, um das Trennelement durch Abbrechen des Rohrendes zu öffnen. Dies ermöglicht eine einfache Ausbildung des Trennelements, sowie eine einfache Art und Weise das Trennelement zu öffnen.
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Beispielsweise ist das zumindest eine verschlossene Rohrende in einem Hohlraum im Reaktionsträger angeordnet und das Kopplungselement weist ein Dichtungselement auf, welches den Hohlraum gasdicht verschließt und welches bei Aktivierung des Kopplungselement verformbar ist, um das im Hohlraum angeordnete zumindest eine verschlossene Rohrende abzubrechen. Die Ausbildung des Dichtungselement ermöglicht einerseits eine Abdichtung des Hohlraums, indem das zumindest eine verschlossene Rohrende angeordnet ist und andererseits einen einfachen Mechanismus zum Öffnen des Trennelements durch Abbrechen des Rohrendes.
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Vorzugsweise weist der Reaktionsträger eine axiale Richtung auf, die einer Bewegungsrichtung des Reaktionsträgers in der Messvorrichtung entspricht, und die beiden Anschlusselemente sind auf gleicher Position in axialer Richtung angeordnet. Auf diese Weise sind die Anschlusselemente analog zu den Anschlusselementen von Reaktionsträger mit einteiligen Strömungskanälen angeordnet und der Reaktionsträger mit mehreren Teilstrecken ist kompatibel zu Messvorrichtungen ausgebildet, welche für Reaktionsträger mit einteiligen Strömungskanälen ausgelegt sind. Bei einer solchen Messvorrichtung können beispielsweise die Kopplungselemente von einem Benutzer manuell aktiviert werden, bevor der Reaktionsträger in die Messvorrichtung eingeführt wird.
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Es ist möglich, dass zumindest eine Teilstrecke des Strömungskanals eine andere Teilstrecke des gleichen oder eines anderen Strömungskanals kreuzt. Auf diese Weise wird eine flexible Anordnung der verschiedenen Teilstrecken des Strömungskanals auf dem Reaktionsträger ermöglicht. Insbesondere kann eine der sich kreuzenden Teilstrecken des Strömungskanals als eine Rückführungsstrecke ausgebildet sein, in der kein eigenes Gasbehandlungselement vorgesehen ist. Um eine geringe Bauhöhe des Reaktionsträgers zu ermöglichen kann zumindest eine der sich kreuzenden Teilstrecken als Flachkanal ausgebildet sein.
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Die Gasbehandlungselemente umfassen beispielsweise zumindest zwei der folgenden Gasbehandlungselemente: Trocknungsstoffe, Reaktionsstoffe zur Erzeugung eines chemischen Zwischenprodukts, chemische oder physikalische Filter, temperatur- und/oder feuchteempfindliche Stoffe, Reaktionsstoffe für optisch detektierbare Reaktionen. Derartige Gasbehandlungselemente ermöglichen eine Optimierung der optisch detektierbaren Reaktion durch eine entsprechende Vorbehandlung des Gasgemisches, wobei beispielsweise die Anzahl der messbaren Komponenten des Gasgemisches und/oder die Genauigkeit der Konzentrationsbestimmung erhöht wird.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Messvorrichtung zur Messung einer Konzentration von gas- und/oder aerosolförmigen Komponenten eines Gasgemisches mit einem in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Reaktionsträger. Die Messvorrichtung umfasst einen Gaszuflusskanal und einen Gasabflusskanal mit jeweils einem Gasanschluss zur Verbindung mit den Anschlusselementen des Strömungskanals des Reaktionsträgers, und zumindest ein Aktivierungselement, welches ausgebildet ist, um das zumindest eine Kopplungselement des Reaktionsträgers zu aktivieren. Auf diese Weise kann die Messvorrichtung die Kopplungselemente des Reaktionsträgers aktivieren und somit die Teilstrecken des Strömungskanals miteinander verbinden sowie eine Verbindung zu den Anschlusselementen des Strömungskanals über die Gasanschlüsse von Gaszuflusskanal und Gasabflusskanal herstellen.
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Vorzugsweise ist ein optischer Sensor vorgesehen, welcher ausgebildet ist, um zumindest zwei verschiedene optisch detektierbare Reaktionen in zumindest zwei verschiedenen Teilstrecken gleichzeitig zu erkennen. Auf diese Weise können in einer Messung verschiedene Komponenten des Gasgemisches unabhängig voneinander gemessen werden und/oder es können weitere Parameter, beispielsweise eine Temperatur oder Feuchtigkeit des Gasgemisches oder andere chemische oder physikalische Eigenschaften des Gasgemisches, gemessen werden, welche eine Verbesserung der Genauigkeit der Konzentrationsmessung der Komponente des Gasgemisches ermöglichen. Beispielsweise ist der optische Sensor eine Digitalkamera, die ein entsprechend großes Aufnahmefeld zur gleichzeitigen Erfassung von zumindest zwei Gasbehandlungselementen in zumindest zwei Teilstrecken aufweist.
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Vorzugsweise wird das Aufnahmefeld mit breitbandigem Licht, insbesondere weißem Licht, beleuchtet und der optische Sensor nimmt ein Farbbild mit mehreren Farbkanälen auf. Um für unterschiedliche Farbveränderungen bei unterschiedlichen Arten von optisch detektierbaren Reaktionen eine optimale Auswertung zu ermöglichen, können die Farbkanäle mit jeweils verschiedenen Gewichtungen ausgewertet werden.
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Beispielsweise weist das zumindest eine Aktivierungselement einen Überbrückungskanal auf, welcher bei Aktivierung des Kopplungselements eine Verbindung der Teilstrecken des Reaktionsträgers herstellt. Auf diese Weise kann die Verbindung der Teilstrecken des Strömungskanals des Reaktionsträgers durch den Überbrückungskanal des Aktivierungselement innerhalb der Messvorrichtung hergestellt werden.
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Um eine Kompatibilität der Messvorrichtung für Reaktionsträgern mit einem einteiligen Strömungskanal zu ermöglichen, sind die Gasanschlüsse des Gaszuflusskanals und des Gasabflusskanals vorzugsweise auf gegenüberliegenden Seiten des Reaktionsträgers an einer gleichen axialen Position in der Bewegungsrichtung des Reaktionsträgers in der Messvorrichtung angeordnet.
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Vorzugsweise bilden die Gasanschlüsse des Gaszuflusskanals und/oder des Gasabflusskanals die Aktivierungselemente zur Aktivierung des zumindest einen Kopplungselements des Reaktionsträgers. Auf diese Weise werden keine zusätzlichen Bauteile für die Erfüllung der Funktion der Aktivierungselemente benötigt. Vorteilhafterweise können die Gasanschlüsse unabhängig voneinander als Aktivierungselement eingesetzt werden. Somit können bestimmte Kopplungselemente des Reaktionsträgers selektiv aktiviert werden.
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Es ist möglich, dass zumindest ein Gasanschluss oder zumindest ein Aktivierungselement entlang einer axialen Richtung, welcher der Bewegungsrichtung des Reaktionsträgers in der Messvorrichtung entspricht, in der Messvorrichtung beweglich angeordnet ist und ausgebildet ist, um relativ zu einem anderen Gasanschluss oder einem anderen Aktivierungselement axial versetzt positioniert zu werden. Auf diese Weise kann sich die Messvorrichtung auf Reaktionsträger mit unterschiedlichen Anordnungen der Teilstrecken des Strömungskanals und insbesondere mit unterschiedlicher Anzahl von Teilstrecken anpassen.
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Die Messvorrichtung ist vorzugsweise ausgebildet, um auf dem Reaktionsträger gespeicherte Anweisungen oder Hinweise auf in der Messvorrichtung gespeicherte Anweisungen zur Positionierung der Gasanschlüsse und/oder Aktivierungselemente und/oder zur Durchführung des Messverfahrens auszulesen.
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Es ist möglich, dass ein zusätzlicher Gaszuflusskanal und/oder Gasabflusskanal mit entsprechenden Gasanschlüssen vorgesehen ist. Die verschiedenen Gaszuflusskanäle bzw. Gasabflusskanäle können jeweils bei verschieden ausgebildeten Reaktionsträgern mit unterschiedlicher Anordnung der Strömungskanäle verwendet werden. Beispielsweise ist es möglich, dass jeweils zwei Gasanschlüsse eines Gaszuflusskanals oder zwei Gasanschlüsse eines Gasabflusskanals auf verschiedenen Seiten des Reaktionsträgers in der Messvorrichtung angeordnet sind. Alternativ ist es möglich, dass die entsprechenden Gasanschlüsse auf der gleichen Seite des Reaktionsträgers in der Messvorrichtung angeordnet sind. Die mehreren Gaszuflusskanäle oder die mehreren Gasabflusskanäle können über ein Ventil mit einem gemeinsamen Abschnitt eines Gaszuflusskanals bzw. Gasabflusskanals verbunden sein, wobei das Ventil wahlweise einen der mehreren Gaszufluss Kanäle oder mehreren Gasabflusskanäle mit dem gemeinsamen Abschnitt des Gaszuflusskanals bzw. des Gasabflusskanals verbindet.
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Vorzugsweise sind die Teilstrecken des Strömungskanals in einem rechten Winkel zur axiale Richtung des Reaktionsträgers angeordnet. Dies entspricht der Anordnung der Strömungskanäle bei Reaktionsträger mit einteiligen Strömungskanal, wodurch eine einheitliche Anordnung insbesondere von Teilstrecken mit Gasbehandlungselemente mit optisch detektierbare Reaktion ermöglicht wird. Dies ermöglicht einerseits eine einheitliche Produktionsweise der Reaktionsträger und andererseits eine einheitliche Auswertung der Bilddaten des optischen Sensors.
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Beispielsweise umfasst die Messvorrichtung einen Positionssensor, welcher ausgebildet ist, um eine Relativposition von Reaktionsträger und Gasanschlüssen zu erfassen, sowie eine Reaktionsträgerfördereinrichtung zum Bewegen des Reaktionsträgers in einer axialen Richtung relativ zu Gaszuflusskanal und Gasabflusskanal, wobei die Reaktionsträgerfördereinrichtung so ausgebildet ist, um den Reaktionsträger in einer ersten Relativposition zur Aktivierung des zumindest einem Kopplungselements und in einer zweiten Relativposition zur Verbindung der Gasanschlüsse mit den Anschlusselementen des Strömungskanals des Reaktionsträgers zu positionieren.
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Die Erfindung betrifft auch ein Messverfahren zur Messung einer Konzentration von gas- und/oder aerosolförmigen Komponenten eines Gasgemisches mit einem Reaktionsträger, welcher einen sich zwischen zwei Anschlusselementen erstreckenden Strömungskanal aufweist, wobei der Strömungskanal in zwei Teilstrecken aufgeteilt ist, die zumindest durch ein Trennelement gasdicht von einander getrennt sind und in denen jeweils ein Gasbehandlungselement vorgesehen ist, welches die chemischen oder physikalischen Eigenschaften des durchströmendes Gasgemisches verändert oder in Abhängigkeit der chemischen oder physikalischen Eigenschaften reagiert, und einer Messvorrichtung, welche eine Gasfördereinrichtung und Gasanschlüsse umfasst. Das Messverfahren umfasst die Verfahrensschritte des Herstellens einer Verbindung zwischen den Teilstrecken durch Öffnen des Trennelements; des Herstellens einer Verbindung der Gasanschlüsse der Messvorrichtung mit den Anschlusselementen des Strömungskanals der Reaktionsträgers; des Förderns von zu messendem Gasgemisch durch den Strömungskanal des Reaktionsträgers; und der Bestimmung einer Konzentration der zumindest einen Komponente mittels einer optisch detektierbaren Reaktion in zumindest einer der Teilstrecken des Strömungskanals. Dieses Messverfahren ermöglicht es, Reaktionsträger, in denen Gasbehandlungselemente in gasdicht getrennten Teilstrecken eines Strömungskanals angeordnet sind, durch Verbinden der Teilstrecken des Strömungskanals zu aktivieren und eine anschließende Messung der Konzentration einer Komponente des Gasgemischs durchzuführen. Auf diese Weise können auch verschiedene Gasbehandlungselemente verwendet werden, nicht auf längere Zeit in einem gemeinsamen Behältnis gelagert werden können, beispielsweise weil sie eine chemische Reaktion miteinander eingehen.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Messsytem mit einem in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Reaktionsträger und/oder einer in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Messvorrichtung, welches zur Durchführung des in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Verfahrens geeignet ist.
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Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können beliebig miteinander und mit den vorstehend beschriebenen Aspekten kombiniert werden, um erfindungsgemäße Vorteile zu erreichen. Im Folgenden werden bevorzugte Kombinationen von vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft beschrieben, wobei:
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1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messsystems zeigt;
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2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reaktionsträgers zeigt;
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3 eine Detailansicht des Reaktionsträgers aus 2 und einer Reaktionsträgerfördereinrichtung zeigt;
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4 eine Detailansicht einer Ausbildungsform des Gasanschlusses und des Anschlusselement des Reaktionsträgers in einer ersten Stellung zeigt;
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5 eine Detailansicht einer Ausbildungsform des Gasanschlusses und des Anschlusselement des Reaktionsträgers in einer zweiten Stellung zeigt;
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6 eine Detailansicht einer Ausbildungsform des Kopplungselements des Reaktionsträgers und des Aktivierungselement der Messvorrichtung in einer ersten Stellung zeigt;
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7 eine Detailansicht einer Ausbildungsform des Kopplungselements des Reaktionsträgers und des Aktivierungselement der Messvorrichtung in einer zweiten Stellung zeigt;
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8 eine Seitenansicht der Digitalkamera, der des Reaktionsträger mit einem Anzeigestift in einer ersten Stellung und dem Reaktionsträger mit dem Anzeigestift in einer zweiten Stellung zeigt;
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9 eine perspektivische Ansicht des Anzeigestift in der ersten Stellung und Anzeigestiftes in einer zweiten Stellung zeigt;
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10 eine schematische Ansicht eines Messsystems mit einem Reaktionsträger gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt;
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11 eine schematische Ansicht eines Messsystems mit einem Reaktionsträger gemäß einer vierten Ausführungsform zeigt;
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12 eine Schnittansicht des Reaktionsträger aus 11 zeigt;
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13 eine schematische Ansicht eines Messsystems mit einem Reaktionsträger gemäß einer fünften Ausführungsform und einer Messvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt;
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14 eine schematische Ansicht eines Messsytems mit einem Reaktionsträger gemäß einer sechsten Ausführungsform und einer Messvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt;
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15 eine schematische Ansicht eines Messsystems mit einem Reaktionsträger gemäß einer siebten Ausführungsform und einer Messvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform zeigt.
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1 illustriert eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Gasmesssystem, im Folgenden auch Messsystem 10 bezeichnet, dient zur Messung bzw. Erfassung der Konzentration von gas- und/oder aerosolförmigen Komponenten. In eine Messvorrichtung 12, auch bezeichnet als Gasmessanordnung oder übriges Gasmesssystem, wird ein austauschbarer Reaktionsträger 14, auch bezeichnet als Reaktionsträgereinheit, manuell von Hand von einem Benutzer eingeführt. Dabei ist das Messsystem 10 bzw. die Messvorrichtung 12 eine kleine, tragbare Vorrichtung, die mobil einsetzbar ist und eine Batterie als Energieversorgung aufweist.
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An einem Gehäuse der Messvorrichtung 12 ist eine Gasfördereinrichtung 28 angeordnet, die durch eine als Saugpumpe ausgebildete Pumpe realisiert ist. Das Gehäuse bildet außerdem eine Lagerung, insbesondere Gleitlagerung, für den verschieblichen Reaktionsträger 14. Mittels einer Reaktionsträgerfördereinrichtung 34 mit einem Motor, z. B. einem als Servomotor ausgebildeten Elektromotor und einer von dem Servomotor in eine Rotationsbewegung versetzbares Getriebe, insbesondere Antriebsrolle, kann der Reaktionsträger innerhalb des Gehäuses der Messvorrichtung bewegt werden, da ein mechanischer Kontakt bzw. eine Verbindung zwischen der Antriebsrolle und dem Reaktionsträger besteht.
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Das Messsystem 10 umfasst die Messvorrichtung 12 und zumindest einen Reaktionsträger 14. Die Messvorrichtung 12 weist einen Gaszuflusskanal 16 und einen Gasabflusskanal 18 auf. Der Gaszuflusskanal 16 erstreckt sich von einer Gasgemischeinströmöffnung 20 zu einem ersten Gasanschluss 22. Der Gasabflusskanal 18 erstreckt sich von einem zweiten Gasanschluss 24 zu einer Gasgemischausströmöffnung 26. Im Gasabflusskanal 18 ist ferner die Gasfördereinrichtung 28, beispielsweise eine Saugpumpe, zur Förderung eines Gases oder Gasgemisches durch den Gasabflusskanal 18 vorgesehen.
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Der Gaszuflusskanal 16 ist aus Glas gefertigt, wodurch eine chemische Reaktion oder eine Ablagerung von Gaskomponenten an der Wand des Gaszuflusskanals verhindert oder reduziert wird.
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Ein Durchflusssensor 30, der in der gezeigten Ausführungsform als Massenstromsensor ausgebildet ist, ermöglicht die Messung eines durch den Gasabflusskanal 18 strömenden Gases. Als Durchfluss- oder Massenstromsensor können sowohl Vorrichtungen verwendet werden, welche den Durchfluss bzw. den Massenstrom direkt messen, als auch solche, die andere Messwerte erfassen und mittels dieser Messwerte den Durchfluss bzw. Massenstrom bestimmen.
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Ferner ist im Gasabflusskanal 18 ein Puffer 32 angeordnet, welcher einen gleichförmigen Gasstrom durch den Gasabflusskanal 18 ermöglicht.
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Die Messvorrichtung 12 umfasst darüber hinaus eine Reaktionsträgerfördereinrichtung 34, welche ein Bewegen des Reaktionsträgers 14 relativ zum Gaszuflusskanal 16 und dem Gasabflusskanal 18 ermöglicht.
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Ein Positionssensor 36 dient zum Erfassen einer Relativposition von Reaktionsträger 14 und den Gasanschlüssen 22, 24.
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Ein optischer Sensor zur Erfassung einer optisch detektierbaren Reaktion ist in Form einer Digitalkamera 38 vorgesehen und ermöglicht eine Aufnahme des in 1 durch das gepunktete Rechteck gezeigten Aufnahmefeldes 40.
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Eine zentrale Steuerungseinheit 41 ist vorgesehen, welche die von dem optischen Sensor erfassten Daten verarbeiten kann und das Messverfahren steuert.
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An der Gasgemischeinströmöffnung 20 ist ein Ventil 54 stromaufwärts des Gaszuflusskanals 16 angeordnet. Das Ventil ermöglicht in seiner gezeigten ersten Stellung einen Gasstrom durch den Gaszuflusskanal 16 und verhindert in einer zweiten Stellung einem Gasstrom durch den Gaszuflusskanal 16. In der gezeigten Ausführungsform ist das Ventil 54 als 2/2-Wegeventil ausgebildet.
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Der in 1 gezeigte Reaktionsträger 14 weist einen Strömungskanal 42 auf, der sich zwischen zwei Anschlusselementen 44 erstreckt. Der Strömungskanal 42 ist in drei Teilstrecken 43 aufgeteilt. Der Reaktionsträger 14 hat eine axiale Richtung, die der Bewegungsrichtung des Reaktionsträgers 14 in der Messvorrichtung 12 entspricht. An der linken und rechten Seite des Reaktionsträgers 14 sind jeweils drei nummerierte Positionen vorgesehen, die über eine Codierung 51 codiert sind, so dass sie vom Positionssensor 36 der Messvorrichtung 12 erkannt werden können. Die linken und rechten Positionen mit der gleichen Nummer befinden sich auf gleicher Höhe in der axialen Richtung. Die erste Teilstrecke 43 erstreckt sich von einem Anschlusselement 44 bei Nummer zwei auf der linken Seite zu einem Kopplungselement 45 bei Nummer drei auf der rechten Seite des Reaktionsträgers 14. Die zweite Teilstrecke 43 erstreckt sich von dem Kopplungselement 45 bei Nummer drei rechts du einem zweiten Kopplungselement 45 bei Nummer eins links und die dritte Teilstrecke 43 erstreckt sich von dem Kopplungselement 45 bei Nummer eins links zum Anschlusselement 44 bei Nummer zwei rechts.
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In der gezeigten Ausführungsform bildet der die dritte Teilstrecke 43 des Strömungskanals 42 eine Reaktionskammer 46, welche mit einem Reaktionsstoff 48 gefüllt ist. Der Reaktionsstoff 48 ist eine chemische Verbindung, welche mit einer zu messenden Komponente des Gasgemisches oder einem Reaktionsprodukt der zu messenden Komponente eine optisch detektierbare Reaktion eingeht. Dies ist beispielsweise eine kolorimetrische Reaktion.
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Jeder Position in axialer Richtung ist ein Anzeigestift 50 zugeordnet, welcher eine Codierung 51 bildet, die vom Positionssensor 36 erfasst wird und eine unabhängige Positionierung des Reaktionsträgers 14 in entsprechenden Relativpositionen ermöglicht. In den Relativpositionen ist der Reaktionsträger 14 jeweils so positioniert, dass die Gasanschlüsse 22, 24 des Gaszuflusskanals 16 bzw. des Gasabflusskanals 18 an den entsprechenden nummerierten Positionen des Reaktionsträgers 14 anliegen.
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Es kann auch eine andere Art der Codierung 51, beispielsweise eine elektrische, elektronische oder magnetische Codierung vorgesehen sein, welche von einen entsprechenden Positionssensor 36 erfasst werden kann. Vorzugsweise ist jedoch zumindest zusätzlich eine optische Codierung 51 vorgesehen, die einem Benutzer des Messsystems 10 durch Betrachten des Reaktionsträgers 14 ermöglicht, feststellen, ob der Reaktionsträger 14 einen unbenutzten Strömungskanal mit einer unbenutzten Reaktionskammer 46 aufweist.
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Der Reaktionsträger 14 weist ferner ein Informationsfeld 52 auf, auf welchem Informationen gespeichert sind. In der gezeigten Ausführungsform ist das Informationsfeld 52 als optisches Informationsfeld ausgebildet, auf dem Informationen gespeichert sind, die durch die Digitalkamera 38 ausgelesen werden können. Alternativ kann das Informationsfeld 52 als elektronischer Speicher für Informationen vorgesehen sein und beispielsweise als RFID-Chip oder SROM-Chip ausgebildet sein, die über Funk oder über elektrische Kontakte ausgelesen und/oder beschrieben werden können.
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Das Aufnahmefeld der Digitalkamera 38 ist in der gezeigten Ausführungsform so ausgebildet, dass die Reaktionskammer 46, die Anzeigestifte 50, und das Informationsfeld 52 in jeweils zumindest einer Relativposition des Reaktionsträgers 14 in der Messvorrichtung 12 durch die Digitalkamera 38 erfasst werden. Auf diese Weise kann die Digitalkamera 38 einerseits für die Erfassung der optisch detektierbaren Reaktion des Reaktionsstoffes 48 in der Reaktionskammer 46 des Reaktionsträgers 14 und andererseits für das Auslesen der Information im Informationsfeld 52 und als Positionssensor 36 zum Erfassen der Relativposition von Reaktionsträger und den Gasanschlüssen 22, 24 verwendet werden. Es ist jedoch auch möglich, dass Positionssensor 36 und eine Auslesevorrichtung zum Auslesen des Informationsfeldes 52 als ein oder zwei separate Vorrichtungen ausgebildet sind.
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2 zeigt ein Messsystem 10 mit einer Messvorrichtung 12, die lediglich schematisch durch die Gasanschlüsse 22, 24 der Gaszuflusskanals und des Gasabflusskanals gezeigt ist und einer zweiten Ausführungsform eines Reaktionsträgers 14. Der Reaktionsträger 14 weist drei Strömungskanäle 42 auf, die jeweils identisch ausgebildet sind. Der Übersichtlichkeit halber ist lediglich der mittlere Strömungskanal 42 mit durchgezogenen Linien gezeigt, während anderen beiden Strömungskanäle 42 mit gestrichelten Linien gezeigt sind. Analog zum in 1 gezeigten Reaktionsträger 14 weist der Reaktionsträger 14 jeweils links und rechts sieben nummerierte Positionen entlang seiner axialen Richtung auf. Der mittlere Strömungskanal 42 erstreckt sich von dem Anschlusselement 44 bei Position vier links über ein erstes Kopplungselement 45 bei Position fünf rechts und ein zweites Kopplungselement 45 bei Position drei links zum zweiten Anschlusselement 44 bei Position vier rechts. Beide Anschlusselemente 44 des Strömungskanals 42 sind somit auf gleicher Position in axialer Richtung angeordnet. Der Reaktionsträger 14 kann somit bei Messvorrichtungen 12 verwendet werden, deren Gasanschlüsse 22, 24 auf gleicher Position in einer Bewegungsrichtung des Reaktionsträgers 14 innerhalb der Messvorrichtung 10 angeordnet sind.
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In den drei Teilstrecken ist jeweils ein Gasbehandlungselement 47 vorgesehen, welches die chemischen oder physikalischen Eigenschaften des durchströmendes Gasgemisches verändert oder in Abhängigkeit der chemischen oder physikalischen Eigenschaften reagiert. Beispielsweise ist in der ersten Teilstrecke 43 ein Trocknungsmittel oder ein Filtrierungsmittel als Gasbehandlungselement 47 vorgesehen. In der zweiten Teilstrecke 43 ist ein Reaktionsstoff zur Erzeugung eines chemischen Zwischenprodukts, im folgenden Zwischenreaktionsstoff genannt, wobei die zu messende Komponente des Gasgemisches mit den Zwischenreaktionsstoff eine chemische Reaktion eingeht und ein Reaktionsprodukt erzeugt vorgesehen. In der dritten Teilstrecke 43 ist ein Reaktionsstoff 48 als Gasbehandlungselement 47 vorgesehen, welcher mit dem Reaktionsprodukt der zu messenden Komponente eine optisch detektierbare Reaktion eingeht.
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Drei Teilstrecken 43 des Strömungskanals 42 sind jeweils durch Trennelemente 49 gasdicht von einander getrennt. In der gezeigten Ausführungsform sind die Teilstrecken 43 des Strömungskanals 42 jeweils durch Röhrchen 70, insbesondere Glaskapillaren, gebildet, die an zumindest einem und vorzugsweise beiden Enden verschlossen sind. Die Trennelemente 49 werden somit durch die verschlossenen Rohrenden der die Teilstrecken 43 des Strömungskanals 42 bildenden Röhrchen 70 gebildet.
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Die Kopplungselemente 45 sind ausgebildet, um bei einer Aktivierung des jeweiligen Kopplungselement 45 die zugeordneten Trennelement 49 zu öffnen und eine Verbindung zwischen den Teilstrecken 43 des Strömungskanals 42 herzustellen. In der gezeigten Ausführungsform sind die Kopplungselement 45 ausgebildet, um die zugeordneten Trennelement 49 durch Abbrechen der Rohrenden zu öffnen.
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Die Strömungsrichtung des Gasgemisches durch Gaszuflusskanal 16, Gasabflusskanal 18 und den Strömungskanal 42 des Reaktionsträgers 14 ist in den Figuren jeweils durch Pfeile eingezeichnet.
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3 zeigt eine perspektivische Detailansicht des Reaktionsträgers 14 gemäß 2 und der Reaktionsträgerfördereinrichtung 34 der Messvorrichtung 12. Die Reaktionsträgerfördereinrichtung 34 umfasst einen Servomotor 56 und ein Getriebe 58. Das Getriebe 58 umfasst beispielsweise ein Zahnrad, welches in eine entsprechende Verzahnung 59 am Reaktionsträger 14 eingreift. Die Verzahnung 59 ist an einem Gehäuse 60 des Reaktionsträgers 14 ausgebildet.
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Die Reaktionsträgerfördereinrichtung 34 ermöglicht eine Relativbewegung des Reaktionsträgers 14 in zwei entgegengesetzte Richtungen, wodurch ein beliebiges Positionieren des Reaktionsträgers 14 in der Messvorrichtung 12 ermöglicht wird. Vorzugsweise erfolgt die Einfuhr und Ausfuhr des Reaktionsträgers 14 in bzw. aus der Messvorrichtung 12 heraus durch eine einzige Zuführöffnung in einem Gehäuse der Messvorrichtung 12.
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Die Positionierung des Reaktionsträgers 14 in der Messvorrichtung 12 erfolgt über eine Codierung 51 auf dem Reaktionsträger 14, welche von einem Positionssensor 36 der Messvorrichtung 12 erkannt werden kann, wobei die Reaktionsträgerfördereinrichtung 34 entsprechend gesteuert oder geregelt werden kann, um den Reaktionsträger 14 unabhängig in den verschiedenen Relativpositionen zu positionieren. Auf diese Weise kann der Reaktionsträger 14 nach Einführen in die Messvorrichtung 12 so positioniert werden, dass die Aktivierungselemente 25 der Messvorrichtung 12 die Kopplungselemente 45 aktivieren können. Nach Aktivierung der Kopplungselemente 45 durch die Aktivierungselemente 25 der Messvorrichtung 12 und somit der Verbindung zwischen den Teilstrecken 43 des Strömungskanals 42 wird der Reaktionsträger 14 so positioniert, dass die Gasanschlüsse 22, 24 der Messvorrichtung 12 mit den Anschlusselementen 44 des Strömungskanals 42 des Reaktionsträgers 14 verbunden werden können. Nach der Herstellung der Verbindung der Gasanschlüsse 22, 24 und der Anschlusselemente 44 des Strömungskanals 42 kann mittels der Gasfördereinrichtung 28 ein zu messendes Gasgemisch durch den Strömungskanal 42 des Reaktionsträgers 14 gefördert werden und anhand des Ablaufs der optisch detektierbaren Reaktion in der Reaktionskammer 46 der dritten Teilstrecke 43 des Strömungskanals 42 eine Konzentration der zu messenden Komponente des Gasgemisches bestimmt werden.
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Die Gasanschlüsse 22 und 24 des Gaszuflusskanals 16 bzw. des Gasabflusskanals 18 sowie die zugehörigen Anschlusselemente 44 des Reaktionsträgers 14 werden im Folgenden anhand der 4 und 5 beschrieben. Die Anschlusselemente 44 des Reaktionsträgers 14 umfassen eine Dichtungsvorrichtung 62 mit einer ersten Abdichtung 64 und einer zweiten Abdichtung 66, welche ein Eindringen von Gas in den Strömungskanal 42 verhindern.
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Der Strömungskanal 42 wird durch ein Röhrchen 70, in der gezeigten Ausführungsform durch ein Glasröhrchen, gebildet, welches in das Gehäuse 60 des Reaktionsträgers 14 eingebettet ist. Das Glasröhrchen endet in einer Ausnehmung 72 im Gehäuse 60. Die Ausnehmung 72 im Gehäuse 60 ist durch die erste Abdichtung 64 verschlossen. Die erste Abdichtung 64 ist beispielsweise durch ein Glasplättchen oder einen Film gebildet. Die zweite Abdichtung 66 ist durch ein verschlossenes Ende des Glasröhrchens gebildet. Das geschlossene Ende des Glasröhrchen des Strömungskanals 42 ragt frei in die Ausnehmung 72 im Gehäuse 60 hinein.
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Die Gasanschlüsse 22, 24 sind am Ende des Gaszuflusskanals 16 bzw. am Anfang des Gasabflusskanals 18 ausgebildet. Der Gasanschluss 22, 24 umfasst eine Dichtung 68 und einen Gasstutzen. 6 zeigt den Gasanschluss 22, 24 in einer Ausgangsposition, in der der Gasanschluss 22, 24 vom Anschlusselement 44 des Reaktionsträgers 14 getrennt ist. Der Gasanschluss 22, 24 kann in Richtung des Reaktionsträgers 14 abgesenkt oder alternativ der Reaktionsträger 14 in Richtung des Gasanschlusses bewegt werden. Beim Absenken des Gasanschlusses 22, 24 stößt das untere Ende des Gasstutzens gegen die erste Abdichtung 64 und durchstößt diese. Anschließend kommt die Dichtung 68 des Gasanschlusses 22, 24 am Gehäuse 60 des Reaktionsträgers 14 zum Anliegen und bildet eine gasdichte Abdichtung der Ausnehmungen 72 des Anschlusselement 44.
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Beim weiteren Absenken des Gasanschlusses 22, 24 bricht der Gasstutzen das verschlossene Ende des Glasröhrchen 70 des Strömungskanals 42 ab und öffnet auf diese Weise die zweite Abdichtung 66 des Anschlusselements 44. 7 zeigt die Endstellung des Gasanschlusses 22, 24, in der die Verbindung zwischen dem Gasanschluss 22, 24 und dem Anschlusselement 44 des Strömungskanals 42 hergestellt ist.
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Alternativ ist es möglich, dass die erste Abdichtung 64 beispielsweise flexibel ausgebildet ist, so dass ein Durchstoßen der ersten Abdichtung 64 erst geschieht, wenn die Dichtung 68 des Gasanschlusses 22, 24 bereits abdichtend am Gehäuses 60 des Reaktionsträgers 14 anliegt. Es ist auch möglich, dass die Dichtung 68 so ausgebildet ist, dass diese beim Absenken des Gasanschlusses 22, 24 zuerst zur Abdichtung der Ausnehmung 72 am Gehäuse 60 des Reaktionsträgers 14 zur Anlage kommt. Ferner ist es auch möglich, dass nur eine der Abdichtungen 64 oder 66 der Dichtungsvorrichtung 62 an den Anschlusselementen 44 des Reaktionsträgers 14 vorgesehen sind.
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Ein Aktivierungselement 25 der Messvorrichtung 12 sowie ein Kopplungselement 45 und ein zugehöriges Trennelement 49 des Reaktionsträgers 14 werden im Folgenden anhand der 6 und 7 beschrieben. Das Aktivierungselement 25 der Messvorrichtung 12 wird in der gezeigten Ausführungsform durch einen der Gasanschlüsse 22, 24 der Messvorrichtung 12 gebildet. Alternativ ist es auch möglich, dass zumindest ein Aktivierungselement 25 als separates unabhängiges Bauteil der Messvorrichtung 12 ausgebildet ist, welches die gleiche, im folgenden beschriebene Funktion erfüllt.
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Das Kopplungselement 45 umfasst einen Hohlraum 73 im Gehäuse 60 des Reaktionsträgers 14, der im Wesentlichen analog zu dem in 4 gezeigten Ausnehmung 72 des Anschlusselements 44 ausgebildet ist. Das Trennelement 49 ist ein verschlossenes Rohrende einer Glaskapillare, die eine Teilstrecke 43 des Strömungskanals 42 bildet, und ragt frei in den Hohlraum 73 des Kopplungselements 45 hinein.
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Das Kopplungselement 45 umfasst ferner ein Dichtungselement 71, welches den Hohlraum 73 gasdicht verschließt und welches bei Aktivierung des Kopplungselements 45 verformbar ist, um das im Hohlraum 73 angeordnete zumindest eine verschlossene Rohrende abzubrechen. Das Dichtungselement 71 des Kopplungselements 45 ist, im Gegensatz zur ersten Abdichtung 64 der Dichtungsvorrichtung 62 des Anschlusselements 44, so ausgebildet, dass es nicht durch den Gasstutzen des Gasanschlusses 22, 24 durchstoßen wird und somit der Hohlraum 73 auch nach der Aktivierung des Kopplungselement 45 durch das Dichtungselement 71 gasdicht verschlossen ist.
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6 zeigt den als Aktivierungselement 25 fungierenden Gasanschluss 22, 24 in einer teilweise abgesenkten Position, wobei das Dichtungselement 71 bereits teilweise verformt ist. Bei einem weiteren Absenken des Gasanschlusses 22, 24 bricht das verschlossene Rohrende des Röhrchen 70 ab, wodurch das Trennelement 49 geöffnet wird.
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Wie in der Darstellung in 2 zu erkennen ist, enden jeweils zwei Röhrchen 70 in einem Hohlraum 73 eines Kopplungselements 45. Nach Abbrechen der beiden Rohrenden, welche die Trennelement 49 der beiden zugehörigen Teilstrecken 43 des Strömungskanals 42 bilden, sind die beiden Teilstrecken 43 des Strömungskanals 42 über den Hohlraum 73 des Kopplungselements 45 miteinander verbunden. 7 zeigt das Kopplungselement 45 nachdem der als Aktivierungselement 25 fungierenden Gasanschluss 22, 24 wieder angehoben wurde. Das Dichtungselement 71 ist dabei in seine ursprüngliche Ausgangsposition zurückgegangen und verschließt weiterhin den Hohlraum 73 im Gehäuse 60 des Reaktionsträgers 14 gasdicht.
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Das Trennelement 49 und das Kopplungselement 45 können auch auf andere Art und Weise ausgebildet sein. Beispielsweise können Trenn- und Kopplungselement als gemeinsamen Trenn- und Kopplungselement ausgebildet sein, welches ventilartig in einer Ausgangstellung die Teilstrecken 43 des Strömungskanals 42 trennt und in einer Aktivierungsstellung die Teilstrecken 43 des Strömungskanals 42 miteinander verbindet. Ein solches gemeinsames Trenn- und Kopplungselement kann beispielsweise durch einer Ausnehmung im Gehäuse 60 des Reaktionsträgers angeordnet sein und von einem Aktivierungselement einer Messvorrichtung durch Drehen oder Absenken von der Ausgangsstellung in die Aktivierungsstellung bewegt werden.
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Die Codierung 51 des Reaktionsträgers 14 zur unabhängigen Positionierung des Reaktionsträgers 14 in einer Vielzahl von verschiedenen Relativpositionen in der Messvorrichtung 12 wird im Folgenden anhand der 8 und 9 beschrieben.
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Der Positionssensor 36 zum Erfassen der Relativposition von Reaktionsträger 14 und den Gasanschlüssen 22, 24 ist in der gezeigten Ausführungsform gemeinsam mit dem optischen Sensor zur Erfassung der optisch detektierbare Reaktion des Reaktionsstoffes 48 durch die Digitalkamera 38 realisiert. Auf diese Weise wird kein separates Bauelement für die Funktion des Positionssensor benötigt. Es ist jedoch auch möglich, dass ein nicht-optischer Positionssensor vorgesehen ist, beispielsweise ein elektrischer oder magnetischer Positionssensor, der eine entsprechende Codierung 51 des Reaktionsträgers 14 erkennen kann.
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Die Erfassung der Position des Reaktionsträgers 14 erfolgt dabei ebenfalls in einfacher Weise mittels der Digitalkamera 38, da die Auswerteeinrichtung über eine entsprechende optische Software verfügt, mittels der die Position des Reaktionsträgers 14 aufgrund der von der Digitalkamera erfassten Daten bestimmbar ist. Anschließend wird der Gasanschluss 22, 24 nach unten bewegt, so dass dadurch von dem Gasstutzen die Abdichtung durchbrochen und das Gasgemisch durch die Ausströmöffnung angesaugt werden kann. Dabei wird von einer nicht dargestellten Erweiterung bzw. Anzeigestiftbewegungselement des Auflageringes 69 zusätzlich der Anzeigestift 50 von einer ersten Stellung gemäß dem oberen Reaktionsträger 14 in 8 in eine zweite Stellung gemäß dem unteren Reaktionsträger 14 in 8 bewegt. In der ersten Stellung des Anzeigestiftes 50 steht dieser aus dem Gehäuse 60 des Reaktionsträgers weiter heraus als in der zweiten Stellung. Die Stellung des Anzeigestiftes 50 kann auch mit der Digitalkamera erfasst werden und der Anzeigestift weist eine andere Farbe, zum Beispiel orange, auf, als der übrige Reaktionsträger 14, beispielsweise ist das Gehäuse 60 zumindest teilweise blau gefärbt. Die Digitalkamera 38 weist dabei zwei getrennte ROIs (regions of interest), d h. Teilbereiche 74 des Aufnahmefeldes 40 der Digitalkamera 38, auf, so dass in der in 9 oberen Teilbereich 74 in der ersten Stellung an dem oberen Teilbereich 74 die Farbe orange auftritt und in der zweiten Stellung an dem oberen Teilbereich 74 keine oder eine wesentlich geringere Menge der Farbe des Anzeigestiftes 50 an dem oberen Teilbereich 74 auftritt. Dadurch kann durch die optische Auswertesoftware der Auswerteeinrichtung der zentralen Steuerungseinheit 41 erfasst werden, ob ein Anzeigestift 50 in der ersten oder zweiten Stellung sich befindet. Aufgrund dieser Erfassung der ersten oder zweiten Stellung des Anzeigestiftes 50 wird ferner selbsttätig und automatisch von dem Servomotor 56 die Reaktionsträgerfördereinheit 34 in eine derartige Stellung bewegt, so dass das erste bisher nicht benutzte Glasröhrchen, durch welches bisher kein Gasgemisch geleitet worden ist, mit der Ausströmöffnung oberhalb des Gasstutzens des Gasanschlusses 22, 24 liegt und erst anschließend wird der Gasanschluss 22, 24, insbesondere die Saugpumpe und der Gasstutzen entsprechend 4 und 5, nach unten bewegt.
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Der Anzeigestift 50 ist in der gezeigten Ausführungsform jeweils benachbart zu den Anschlusselementen 44 bzw. Kopplungselementen 45 am Rande des Reaktionsträgers 14 angeordnet. Somit liegt der Anzeigestift 50 im Randbereich des Aufnahmefeldes 40 der Digitalkamera 38 und wird somit von der Digitalkamera 38 in einem Winkel schräg erfasst, wodurch die Höhe des Anzeigestiftes erfasst werden kann.
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Auf diese Weise kann die Digitalkamera 38 bzw. die optische Auswertesoftware einerseits eine Position eines Anzeigestifts 50 erfassen, und somit jede beliebige Relativposition des Reaktionsträgers 14 in der Messvorrichtung 12 über die Reaktionsträgerfördereinrichtung 34 ansteuern. Andererseits kann über die Höhe des Anzeigestifts 50 die Information ausgelesenen werden, ob der entsprechende Strömungskanal 42 bereits benutzt wurde oder nicht. Die Codierung 51 codiert darüber hinaus, ob alle Kopplungselemente 45 eines Strömungskanals 42 aktiviert wurden und somit alle Teilstrecken 43 miteinander verbunden sind. Es kann dazu beispielsweise auch ein Anzeigestift 50 an jedem Anschlusselement 44 und Kopplungselement 45 vorgesehen sein.
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Anstelle einer optischen Codierung 51 kann beispielsweise auch eine elektrische oder magnetische Codierung 51 vorgesehen sein, die beispielsweise über ein elektrisch leitfähiges Feld auf der Oberfläche des Gehäuses 60 realisiert werden kann.
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10 zeigt eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines Messsystems 10. Der Reaktionsträger 14 weist zwei Strömungskanäle 42 mit jeweils drei Teilstrecken 43 auf, wobei der obere Strömungskanal 42 mit durchgezogene Linien gezeichnet ist und der zweite, untere Strömungskanal 42 mit gestrichelten Linien gezeichnet ist. Die drei Teilstrecken 43 des Strömungskanals 42 erstrecken sich jeweils in axialer Richtung diagonal versetzt zwischen zwei Anschluss/Kopplungselementen 44, 45, wobei das Anschlusselement 44 an Position drei links und das Anschlusselement 44 an Position drei rechts jeweils die Anschlusselemente 44 für die Gasanschlüsse 22, 24 des Gaszuflusskanals 16 bzw. des Gasabflusskanals 18 der Messvorrichtung 12 bilden. Die Anschluss/Kopplungselemente 44, 45 der Positionen fünf rechts, vier rechts, zwei links und eins links sind jeweils einem Trennelement 49 zugeordnet, welche die Teilstrecken 43 des Strömungskanals 42 gasdicht voneinander trennen.
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Die Messvorrichtung 12 umfasst zwei Aktivierungselemente 25, die als separate Bauelemente der Messvorrichtung 12 ausgebildet sind und ich jeweils einen Überbrückungskanal 84 aufweisen. Die Enden des Überbrückungskanals 84 können abgesenkt werden, um jeweils eine Verbindung des Überbrückungskanals 84 mit den zugeordneten Anschluss/Kopplungselementen 44, 45 der zu verbindenden Teilstrecken 43 des Strömungskanals 42 herzustellen.
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Eine vierte Ausführungsform eines Reaktionsträgers 14 ist in den 11 und 12 dargestellt. Der Reaktionsträger 14 weist drei Strömungskanäle 42 auf, die jeweils drei Teilstrecken 43 umfassen. Der mittlere der Strömungskanäle 42 ist mit durchgezogenen Linien gezeichnet während der obere und untere Strömungskanal 42 mit gestrichelten Linien gezeichnet ist. Der mittlere Strömungskanal 42 erstreckt sich von einem Anschlusselement 44 bei Position vier links über die erste Teilstrecken 43 zu einem Kopplungselement 45 bei Position drei rechts, über eine zweite Teilstrecke 43 zu einem zweiten Kopplungselement 45 bei Position drei links und über eine dritte Teilstrecke 43 zu einem zweiten Anschlusselement 44 bei Position vier rechts. Die erste Teilstrecke 43 und die dritte Teilstrecke 43 kreuzen sich im Gehäuse 60 des Reaktionsträgers 14.
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Wie in der Schnittansicht des Reaktionsträgers 14 in 12 gezeigt ist, kreuzen sich die beiden Teilstrecken 43 auf unterschiedlichen Höhen im Gehäuse 60 des Reaktionsträgers 14.
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In der gezeigten Ausführungsform ist die dritte Teilstrecke 43 lediglich als eine Rückführungsstrecke vorgesehen, in der kein eigenes Gasbehandlungselement 47 angeordnet ist. Somit kann der Querschnitt und die Streckenführung der Teilstrecke 43 flexibel gewählt werden, wodurch beispielsweise wie in der in 12 gezeigten Ausführungsform, die rückführende Teilstrecke 43 als flacher Kanal ausgebildet ist, wodurch der Reaktionsträger 14 mit einer geringen Bauhöhe realisiert werden kann.
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Die Anschlusselemente 44 und die Kopplungselemente 45 sind analog zur in 2 gezeigten Ausführung ausgebildet.
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In der in 11 gezeigten Ausführungsform sind an gleichen Positionen in axialer Richtung jeweils rechts und links gegenüberliegende Kopplungselemente 45 oder Anschlusselemente 44 jeweils des gleichen Strömungskanals angeordnet. Auf diese Weise können jeweils die Gasanschlüsse 22, 24 bzw. die Aktivierungselemente 25 auf beiden Seiten des Reaktionsträgers gleichzeitig abgesenkt werden, sodass eine einfache Steuerung der Gasanschlüsse 22, 24 bzw. der Aktivierungselemente 25 möglich ist.
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13 zeigt ein Messsystem 10 mit einer fünften Ausführungsform eines Reaktionsträgers 14 und einer schematisch gezeichneten Messvorrichtung 12 gemäß einer dritten Ausführungsform. Der Reaktionsträger 14 weist drei Strömungskanäle 42 auf, von denen der mittlere Strömungskanal mit durchgezogenen Linien gezeigt ist und der obere und untere Strömungskanal 42 jeweils mit gestrichelten Linien gezeigt sind. Der mittlere Strömungskanal 42 umfasst zwei Teilstrecken 43, die jeweils orthogonal zur axialen Richtung des Reaktionsträgers 14 ausgerichtet sind. Der Strömungskanal 42 erstreckt sich von einem Anschlusselement 44 an Position drei links über die erste Teilstrecke 43 zu einem Kopplungselement 45, welches sich über die Positionen drei rechts und vier rechts erstreckt. Die zweite Teilstrecke 43 des Strömungskanals 42 erstreckt sich von Position vier rechts zu einem zweiten Anschlusselement 44 an Position vier links.
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Das Kopplungselement 45 ist durch zwei Hohlräume 73, welche jeweils analog zu denen des in den 6 und 7 gezeigten Kopplungselements 45 ausgebildet sind, wobei die Hohlräume 73 über einen Zwischenkanal 86 miteinander verbunden sind.
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Die schematisch gezeigte Messvorrichtung 12 umfasst einen Gaszuflusskanal 16 mit einem Gasanschluss 22 und jeweils zwei Gasabflusskanäle 18 mit entsprechenden Gasanschlüssen 24. Der Gasanschluss 24 des ersten Gasabflusskanals 18 ist in der Bewegungsrichtung des Reaktionsträgers 14 in der Messvorrichtung 12 gegenüberliegend des Gasanschlusses 22 des Gaszuflusskanals 16 an gleicher Position angeordnet. Der Gasanschluss 24 des zweiten Gasabflusskanals 18 ist auf der gleichen Seite des Reaktionsträgers 14 wie der Gasanschluss 22 des Gaszuflusskanals 16 angeordnet und in der Bewegungsrichtung des Reaktionsträgers 14 um eine Position versetzt angeordnet. Eine solche Messvorrichtung 12 kann verschieden ausgebildete Reaktionsträger 14 auf flexible Weise mit den jeweiligen Gasanschlüssen 24 der beiden Gasabflusskanäle 18 verbinden.
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In der gezeigten Ausführungsform ist ein gemeinsamer Abschnitt eines Gasabflusskanals 18 vorgesehen, indem Durchflusssensor 30, Puffer 32 und die Gasfördereinrichtung 28 angeordnet ist. Ein Ventil 88 ist vorgesehen, welches wahlweise den ersten oder zweiten Gasabflusskanal 18 mit dem gemeinsamen Abschnitt des Gasabflusskanals 18 verbindet. Es ist möglich, dass der nicht zum Gasfördern benutzte Gasanschluss 24 als Aktivierungselement 25 zum Aktivieren des Kopplungselements 45 genutzt wird.
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14 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Messsystems 10, welches im wesentlichen analog zum vorhergehenden Messsystem ausgebildet ist. Der Reaktion Träger 14 unterscheidet sich vom vorhergehenden Reaktionsträger 14 dadurch, dass eine weitere Teilstrecke 43 vorgesehen ist, welche sich von einem Kopplungselement 45 an den Positionen vier links und fünf links zu einem Anschlusselement 44 an Position fünf rechts erstreckt. Die Messvorrichtung 12 unterscheidet sich von der Messvorrichtung 12 der vorhergehenden Ausführungsform dadurch, dass die beiden Gasanschlüsse 24 der beiden Gasabflusskanäle 18 beide auf der rechten Seite des Reaktionsträgers 14 und somit beide gegenüberliegend des Gasanschlusses 22 des Gaszuflusskanals 16 angeordnet sind. In der gezeigten Ausführungsform sind die beiden Gasanschlüsse 24 der beiden Gasabflusskanäle 18 in der Bewegungsrichtung des Reaktionsträgers 14 um zwei Positionen versetzt. Es ist jedoch auch möglich, dass ein anderer Versatz in axialer Richtung vorgesehen ist oder, dass zumindest einer der Gasanschlüsse 24 in der Messvorrichtung 12 in axialer Richtung beweglich angeordnet ist und somit der Versatz in axialer Richtung verändert werden kann und an den jeweils verwendeten Reaktionsträger angepasst werden kann.
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15 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Messsystems 10. Der Reaktionsträger 14 ist analog zum Reaktionsträger 14 aus 13 aufgebaut und unterscheidet sich dadurch, dass die Anschlusselemente 44 und Kopplungselement 45 und somit die Strömungsrichtung durch die Teilstrecken 34 spiegelverkehrt angeordnet sind.
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Die Messvorrichtung 12 weist zwei Gaszuflusskanäle 16 mit jeweils einem Gasanschluss 22 auf. Ein erster Gasanschluss 22 eines ersten Gaszuflusskanals 16 liegt auf der linken Seite des Reaktionsträgers 14 auf gleicher axialen Position gegenüber dem Gasanschluss 24 des Gasabflusskanals 16. Der zweite Gasanschluss 22 des zweiten Gaszuflusskanals 16 liegt auf der rechten Seite des Reaktionsträger und somit auf der gleichen Seite des Reaktionsträgers 14 wie der Gasanschluss 24 des Gasabflusskanals 18.
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Es ist auch möglich, dass der zweite Gasanschluss 22 des zweiten Gaszuflusskanals 16 in axialer Richtung beweglich angeordnet ist, wodurch der Gasanschluss 22 unterschiedliche axialer Versatzstrecken gegenüber dem Gasanschluss 24 des Gasabflusskanals 18 annehmen kann, und/oder auf der gleichen Seite des Reaktionsträgers 14 wie der erste Gasanschluss 22 des ersten Gaszuflusskanals 16 axial versetzt zum ersten Gasanschluss 22 angeordnet ist.
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Es ist auch möglich, dass die beiden Gaszuflusskanäle 16 einen gemeinsamen Abschnitt aufweisen, der über ein Ventil wahlweise mit dem ersten oder zweiten Gaszuflusskanal 16 verbunden werden kann, wobei das Ventil in dieser Ausführungsform mit dem Ventil 54 an der Gasgemischeinströmöffnung 20 kombiniert ausgebildet ist.
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Im Folgenden wird ein Messverfahren unter Bezugnahme auf die in 1 gezeigte Messvorrichtung 12 und den in 2 gezeigten Reaktionsträger 14 beschrieben.
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Der Reaktionsträger 14 wird in eine Einführöffnung 80 in einem Gehäuse 82 der Messvorrichtung 12 eingeführt. Der Reaktionsträger 14 wird beispielsweise von Hand in die Einführöffnung gesteckt, von der Reaktionsträgerfördereinrichtung 34 erfasst und in Einfuhrrichtung vorwärts transportiert.
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Beim Transportieren des Reaktionsträgers 14 durchläuft das Informationsfeld 52 des Reaktionsträgers 14 das Aufnahmefeld 40 der Digitalkamera 38, wobei die Informationen auf dem Informationsfeld 52 von der Digitalkamera 38 erfasst werden und in einer Auswerteeinrichtung der zentralen Steuerungseinheit 41 ausgewertet werden können. Es ist auch möglich, dass der Reaktionsträger in einer Ausleseposition positioniert wird, in der ein Auslesen des Informationsfelds 52 ermöglicht wird. In der gezeigten Ausführungsform ist die Information auf dem Informationsfeld 52 optisch gespeichert und kann somit auf einfache Weise von der Digitalkamera 38 ausgelesen werden. Alternativ ist es auch möglich, dass ein elektronisches Informationsfeld 52 vorgesehen ist, welches beispielsweise als aktiver oder passiver RFID-Chip oder SRAM-Chip ausgebildet ist und über Funk oder über elektrische Kontakte ausgelesen werden kann. Die elektrischen Kontakte sind vorzugsweise über Datenleitungen zu den Ein- und Ausströmöffnungen der Strömungskanäle 42 und Gasstutzen aus einem stromleitenden Material hergestellt, sodass eine Strom- bzw. Datenverbindung zwischen dem SRAM-Chip und einer entsprechenden Auslesevorrichtung hergestellt wird, während sich die Gasstutzen in den Ein- und Ausströmöffnungen befinden.
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In einem ersten Verfahrensschritte werden die auf dem Informationsfeld 52 enthaltenen Informationen des Reaktionsträgers 14, insbesondere in Bezug auf die zu messende Komponente des Gasgemisches und einen entsprechenden Konzentrationsbereich, ausgelesen. Die ausgelesenen Informationen enthalten Anweisungen für das durchzuführende Messverfahren oder enthalten einen Hinweis auf Anweisungen, die auf der Messvorrichtung 12, insbesondere in der zentralen Steuerungseinheit 41 gespeichert sind.
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Auf dem Reaktionsträger 14 sind drei unabhängige Strömungskanäle 42 vorgesehen, die jeweils eine Messung ermöglichen. Im Folgenden wird eine Messung mit dem mittleren, mit durchgezogenen Linien gezeichneten Strömungskanal 42 beschrieben. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn bereits eine Messung mit dem in Bewegungsrichtung vordersten Strömungskanal durchgeführt wurde und der vorderste Strömungskanal somit keine unbenutzte Reaktionskammer 46 aufweist. Benutzte und unbenutzte Strömungskanäle 42 sind durch die Codierung 51 gekennzeichnet, die durch die Digitalkamera 38 ausgelesen wird.
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In einem darauf folgendem Verfahrensschritt wird der Reaktionsträger 14 durch die Reaktionsträgerfördereinrichtung 34 so positioniert, dass sich der Gasanschluss 22 des Gaszuflusskanals 16 an Position drei des Reaktionsträgers 14 angeordnet ist, und der Gasanschluss 22 wird abgesenkt, um als Aktivierungselement 25 das Kopplungselement 45 des Reaktionsträgers zu aktivieren. Anschließend wird der Reaktionsträger so positioniert, dass sich der Gasanschluss 24 des Gasabflusskanals 18 an Position fünf des Reaktionsträgers 14 angeordnet ist, und der Gasanschluss 24 wird abgesenkt, um als Aktivierungselement 25 das Kopplungselement 45 des Reaktionsträgers 14 zu aktivieren.
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In einem weiteren Verfahrenschritt wird der Reaktionsträger so positioniert, dass die Gasanschlüsse 22, 24 an Position vier des Reaktionsträgers 14 angeordnet sind (siehe 2). Die Gasanschlüsse 22, 24 werden jeweils durch Absenken mit den Anschlusselementen 44 des Strömungskanals 42 verbunden.
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Nachdem die Verbindung zwischen den Gasanschlüssen 22, 24 durch den Strömungskanal 42 hergestellt ist, fördert die Gasfördereinrichtung 28 ein zu messendes Gasgemisch durch den Abflusskanal 18, den zweiten Strömungskanal 42 und den Gaszuflusskanal 16. Das Gasgemisch durchströmt die drei Teilstrecken 43 des Strömungskanals, wobei die zu messende Komponente des Gasgemisches im Gasbehandlungselement 47 der zweiten Teilstrecke 43 mit dem Zwischenreaktionsstoff reagiert und ein Reaktionsprodukt freigesetzt wird. Das Reaktionsprodukt geht in der dritten Teilstrecke 43 mit dem Reaktionsstoff 48 in der Reaktionskammer 46 eine optisch detektierbare Reaktion ein.
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Die Digitalkamera 38 erkennt bei einem Vorliegen der zu messenden Komponente im Gasgemisch eine optisch detektierbare Reaktion in der Reaktionskammer 46. Mittels des zeitlichen Verlaufs oder des Grads einer Verfärbung bei der optisch detektierbaren Reaktion wird durch die zentrale Steuerungseinheit 41 eine Konzentration der zu bestimmenden Komponente des Gasgemisches bestimmt. Ist die zu bestimmende Komponente des Gasgemisches nicht im Gasgemisch enthalten oder liegt in einer Konzentration unter einer Detektionsschwelle des Konzentrationsbereichs des vorliegenden Reaktionsträgers 14 vor, so wird keine optisch detektierbare Reaktion in der Reaktionskammer 46 festgestellt. Ein entsprechendes Ergebnis der Messung wird durch die Messvorrichtung 12 beispielsweise optisch oder akustisch angezeigt.
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Es ist auch möglich, das mehrere der Gasbehandlungselemente 47 durch verschiedene Reaktionsstoffe 48 gebildet werden, welche jeweils optisch detektierbare Reaktionen mit verschiedenen Komponenten oder mit Reaktionsprodukte von Komponenten eines Gasgemisches eingehen. Es ist auch möglich, dass Gasbehandlungselemente 47 eine optisch detektierbare Veränderung in Abhängigkeit von chemischen oder physikalischen Eigenschaften des Gasgemisches zeigen, beispielsweise in Abhängigkeit der Temperatur des Gasgemisches oder der Feuchtigkeit. Das Aufnahmefeld der Digitalkamera 38 ist so ausgelegt, dass mehrere verschiedene Gasbehandlungselemente 47, insbesondere in verschiedenen Teilstrecken 43 des Strömungskanals 42 gleichzeitig beobachtet und ausgewertet werden können. Somit können mehrere Komponenten gleichzeitig gemessen oder die Messung der Konzentration einer Komponente durch die Bestimmung von Zusatzparametern, wie der Temperatur und der Feuchtigkeit, verbessert werden.
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Vorzugsweise findet bei jedem Herstellen einer Verbindung zwischen den Gasanschlüssen 22, 24 über einen Strömungskanal 42 eine Überprüfung von Leckageströmen statt.
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In einem ersten Schritt wird der Gasanschluss 24 des Gasabflusskanals 18 mit dem zugehörigen Anschlusselement 44 des Reaktionsträgers 14 verbunden. In einem zweiten Schritt wird Gas durch den Gasabflusskanal 18 und den damit verbundenen Strömungskanal 42 des Reaktionsträgers 14 gefördert, wobei der Gasstrom durch den Gasabflusskanal zur Überprüfung von Leckageströmen gemessen wird. Ist das System von Gasabflusskanal und Strömungskanal gasdicht, so wird im Wesentlichen kein Gasstrom durch den Gasabflusskanal 18 gemessen, da der Strömungskanal 42 des Reaktionsträgers 14 über das von der Dichtungsvorrichtung 62 verschlossene zweite Anschlusselement 44 gasdicht verschlossen ist.
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In einem weiteren Schritt wird der Gaszuflusskanal 16 stromaufwärts durch das Ventil 54 verschlossen und der Gasanschluss 22 des Gaszuflusskanals 16 wird mit dem entsprechenden Anschlusselement 44 des Reaktionsträgers 14 verbunden. Anschließend wird Gas durch die Gasfördereinrichtung 28 durch den Gasabflusskanal 18, den Strömungskanal 42 und den Gaszuflusskanal 16 gefördert, wobei der Gasstrom durch den Gasabflusskanal zu Überprüfung von Leckageströmen gemessen wird. Ist das System von Gasabflusskanal 18, Strömungskanal 42 und Gaszuflusskanal 16 gasdicht, so wird im Wesentlichen kein Gasstrom durch den Gasabflusskanal 18 gemessen, da der Gaszuflusskanal 16 durch das Ventil 54 gasdicht verschlossen ist.
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Bei einem gasdichten Messsystem 10, bei dem vor Überprüfung der Leckageströme Normaldruck in Gasabflusskanal 18, Strömungskanal 42 und/oder Gaszuflusskanal 16 vorliegt, ist die in den vorhergehenden Absätzen beschriebene Messung von im Wesentlichen keinem Gasstrom dahingehend zu verstehen, dass ein im Wesentlichen exponentiell abnehmender, dem Unterdruck folgendem Gasfluss gemessen wird. In anderen Worten entspricht der gemessene Gasstrom bei einem gasdichten Messsystem 10 dem zu Beginn der Messung in den Kanälen 16, 18, 42 vorliegendem Gasvolumen, welches bei der Überprüfung der Leckageströme durch die Gasfördereinrichtung 28 abgepumpt wird.
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Wird ein Leckagestrom durch den Gasabflusskanal 18, d. h. ein über den im vorhergehenden Absatz genannten Gasstrom hinausgehender Gasstrom, bei der Überprüfung gemessen, so wird eine entsprechende Fehlermeldung durch die Messvorrichtung 12 ausgegeben. Der Strömungskanal 42 auf dem Reaktionsträger 14 oder Gasabflusskanal 18 und Gaszuflusskanal 16 der Messvorrichtung 12 können dann beispielweise durch den Benutzer überprüft werden.
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Es ist auch möglich, dass bereits in einem ersten Schritt beide Gasanschlüsse 22, 24 des Gasabflusskanals 18 und des Gaszuflusskanals 16 mit den entsprechenden Anschlusselementen 44 des Strömungskanals 42 verbunden werden und entsprechend eine einzige Überprüfung von Leckageströmen durchgeführt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Messsystem
- 12
- Messvorrichtung
- 14
- Reaktionsträger
- 16
- Gaszuflusskanal
- 18
- Gasabflusskanal
- 20
- Gasgemischeinströmöffnung
- 22
- Gasanschluss
- 24
- Gasanschluss
- 25
- Aktivierungselement
- 26
- Gasgemischausströmöffnung
- 28
- Gasfördereinrichtung
- 30
- Durchflusssensor
- 32
- Puffer
- 34
- Reaktionsträgerfördereinrichtung
- 36
- Positionssensor
- 38
- optischer Sensor/Digitalkamera
- 40
- Aufnahmefeld
- 41
- zentrale Steuerungseinheit
- 42
- Strömungskanal
- 43
- Teilstrecke
- 44
- Anschlusselemente
- 45
- Kopplungselement
- 46
- Reaktionskammer
- 47
- Gasbehandlungselement
- 48
- Reaktionsstoff
- 49
- Trennelement
- 50
- Anzeigestift
- 51
- Codierung
- 52
- Informationsfeld
- 54
- Ventil
- 56
- Servomotor
- 58
- Getriebe
- 59
- Verzahnung
- 60
- Gehäuse
- 62
- Dichtungsvorrichtung
- 64
- erste Abdichtung
- 66
- zweite Abdichtung
- 68
- Dichtung
- 69
- Auflagering
- 70
- Röhrchen
- 71
- Dichtungselement
- 72
- Ausnehmung
- 73
- Hohlraum
- 74
- Teilbereiche
- 76
- Bewertungseinrichtung
- 78
- Speichereinrichtung
- 80
- Einführöffnung
- 82
- Gehäuse (der Messvorrichtung)
- 84
- Überbrückungskanal
- 86
- Zwischenkanal
- 88
- Ventil
