WO2023209117A1 - Method for determining, differentiating, and/or influencing at least one voc or at least one other substance - Google Patents

Method for determining, differentiating, and/or influencing at least one voc or at least one other substance Download PDF

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WO2023209117A1
WO2023209117A1 PCT/EP2023/061170 EP2023061170W WO2023209117A1 WO 2023209117 A1 WO2023209117 A1 WO 2023209117A1 EP 2023061170 W EP2023061170 W EP 2023061170W WO 2023209117 A1 WO2023209117 A1 WO 2023209117A1
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WO
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voc
substance
measurement
excitation
sensor
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PCT/EP2023/061170
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German (de)
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Inventor
Andreas Mangler
Qi Zhang
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Rutronik Elektronische Bauelemente Gmbh
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
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    • G01N33/0022—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment using a number of analysing channels
    • G01N33/0024—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment using a number of analysing channels a chemical reaction taking place or a gas being eliminated in one or more channels
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    • G01N33/0027—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
    • G01N33/0036—Specially adapted to detect a particular component
    • G01N33/0047—Specially adapted to detect a particular component for organic compounds

Definitions

  • the present invention relates to a method for determining, distinguishing and/or influencing at least one VOC or at least one other substance according to the preamble of claim 1, an apparatus according to the preamble of claim 21 and a computer program product according to the preamble of claim 23.
  • VOCs Volatile organic compounds
  • VOC can, for example, be taken from one of the following standards: DIN EN ISO 16000-6, DIN EN ISO 13999-2 or VDI 4300-6.
  • Further examples of VOCs are O-VOCs (oxidation-generated volatile organic compounds), T-VOCs (total volatile organic compounds) or TO-VOCs.
  • the VOCs can be present in gaseous, liquid form, for example as an aqueous solution or as liquid organic, in particular water-containing solutions, in water, in particular in dirty water and wastewater, as gaseous clouds, as droplet-based clouds or as aerosols in air compounds.
  • the first category consists of the so-called permanent sources.
  • VOCs include, for example, chemicals, building materials and products such as plastic or wood.
  • the other category is the temporary sources. They often come from humans, animals or microorganisms. In high concentrations, both sources can have long-term health problems for people and animals. Therefore, VOCs should be recognized and measures taken to reduce them.
  • the most common VOCs include acetone, isoprene, ethane and pentane. VOCs are also often detected in human breath. The VOCs are transported by the pressure change in the so-called alveolar space. For example, based on the current state of the art and current scientific studies, more than 500 different VOCs can be detected in human breath. These are differentiated into positive and negative alveolar gradients.
  • the goal is to quickly detect and reduce VOCs after they occur.
  • VOC such as hydrocarbons, e.g. benzene, toluene, ethylbenzene, furfural, O-xylene, phenol, dibutyl, O-cresol, M-cresol, tert-butyl, 2-nitrophenol, 4-ethylphenol, naphthalene, 2-nitrotoluene , T-carboxilic acids, Acetophenone, Nonanoic acid, Heptanoic acid, 2-butanol, Phenol, Heptylamine, Pyridine, Nitrobenzene, Naphthalene, 2-nitro-phenol, 1-nitropropane, Decanoic acid, 10-undecylenic acid, Lauric acid, 2 -nitrotoluenes, dibityl sulfides, tetrahydrofuram decanoic acid, halogenated hydrocarbons, methane, alcohols, e.g.
  • hydrocarbons e.g. benzene, to
  • ethanol and organic acids e.g. acetic acid. They occur in almost all processed objects, cleaning products and cosmetics, are excreted by living beings and are formed during various processes, such as the decomposition of organic substances without oxygen (putrefaction). VOCs can not only cause unpleasant odors, but can also impair health, well-being and performance. Conversely, pollutant-free air means a big plus in terms of quality of life and health.
  • This also includes human breathing, in which air flows from the lungs. Accordingly, other specific applications are conceivable here, e.g. a drug test, as well as an analysis of the breathing gas for volatile substances in the body or aerosols that indicate a specific illness or condition. Also relevant to health in general are applications that detect carbon monoxide (CO) as well as detectors for, among other things, sulfur gas, mold, vapors, perfume, cleaning agents and chemicals, all of which contain volatile substances and are harmful to humans in certain concentrations.
  • CO carbon monoxide
  • methane CH4
  • methane CH4
  • methane gas By detecting methane gas and systematically decomposing the substance, the climate threat posed by methane can be reduced.
  • a breath tester for example as a breath tester.
  • the breathing air is blown into a test container via a valve. This is used to supply air evenly and to analyze a uniform amount of air.
  • the VOCs are classified in the container with the help of the trained sensors and given to the test manager.
  • the breathing air can also be analyzed for alcohol, viruses or general illnesses if the data has been trained.
  • Another field of application is, for example, the diagnosis of Long Covid patients who have lost their sense of smell or whose sense of smell is only limited. Using harmless organic substances, the patient's sense of smell can be compared with the sensitive electronic nose to diagnose the level of recovery.
  • Another possible application in the automotive sector is, for example, the exhaust module.
  • Motor vehicles/commercial vehicles with combustion engines constantly emit exhaust gases due to the explosions/combustion of gasoline and diesel. These exhaust gases (nitrogen oxides, carbon dioxide) can be broken down into more tolerable volatile substances.
  • the VOCs can not only be directed outside, but also cleaned up so that no harmful substances escape to the outside.
  • the ventilation system structure could have a central collecting container in which the harmful air is cleaned.
  • waste materials or exhaust gases from production are released into the outdoor area via industrial chimneys via the factories' ventilation systems. These substances can often also be detected by an odor that exists there.
  • a module that is installed in industrial chimneys that detects and specifically decomposes the substances could eliminate the harmful substances and odors.
  • Several of the modules can be installed towards the top of the chimney, so that no container is necessary, but cleaning is guaranteed.
  • the device can be used in large ventilation systems.
  • the systems are usually designed in such a way that they suck in the air from the rooms, filter it and release it back into the room.
  • the device would be integrated into the filter mechanism or filter process and destroy the VOCs present in the air. The cleaned air is then fed back into the air cycle.
  • another substance is understood to mean a substance or a mixture of substances which has no VOC.
  • examples of other substances are VNCs (Volatile Nitrogen Compounds), VSCs (Volatile Sulfur Compounds), VIC (Volatile Inorganic Compounds), halogens HOX, sulfur-containing compounds or oxygen compounds.
  • the other substances can also arise from various processes, in particular chemical processes, such as processes with oxidation products with base and semi-precious metals, activity-dependent sulfur oxidation, acid-assisted metal dissolution (solubilization), acid-dependent oxidation processes, acid-based partitioning of acids and bases, halogen activation, activity buffer for weak acids, activity-dependent hydration.
  • the other substance can be any substance, for example a solid, liquid, gaseous and/or chemical substance, preferably a gaseous substance or a gaseous mixture of substances.
  • it can also be an aqueous solution, a liquid organic solution, in particular a water-containing solution, water, in particular dirty water and wastewater, gaseous clouds, droplet-based clouds, aerosols or air compounds.
  • a method for comparing smells is disclosed in WO 2015/037003 A1.
  • Samples of odor sources are detected and a respective primary vector is formed for each odor source.
  • a source vector is then constructed for each source by summing up the primary vectors of the primary odorants detected.
  • the comparison between the smells is achieved by determining an angle between the source vectors, which can then be output.
  • an electronic nose detection system is disclosed that is capable of detecting and identifying a range of compounds that can be found in a gaseous sample.
  • the detection system includes a plurality of cross-reactivity detection sensors for providing signals representative of the presence of one or more compounds in the gaseous sample.
  • At least one reference sensor is provided for measuring a representative signal and includes the noise of the detection system.
  • DE 34 22 053 A1 discloses a method for the quantitative and/or qualitative detection of aerosols, wherein the aerosol to be examined is chemically changed and the chemical change in the surface of the suspended particles of the aerosol is recorded by measuring the photoelectron emission of the suspended particles by irradiating the aerosol with ultraviolet or X-rays.
  • a change in the photoelectric activity of the suspended particles brought about in this way is characteristic of the chemical nature of the particle surface and can therefore be used to analyze the aerosol.
  • US 5,055,266 A discloses a method for detecting gas, steam, chemical contaminants and other components in a gaseous medium, using a heating element and a metal plate exposed to the gas to chemically change the contaminants so that a characteristic electrochemical activity can be measured.
  • a heating wire and a catalytic surface made of a metal With a heating wire and a catalytic surface made of a metal, a chemical change, for example in the impurity, is achieved and a corresponding signal is provided with an electrochemical sensor that reacts to the chemical change.
  • GB 1 286 182 A discloses a method for gas analysis of a volatile substance, wherein a first component is provided which contains the substance and a second component is provided which contains another substance which reacts with the volatile first substance, so that at least one of the substances is activated. During activation, activated ions are generated, which can then be measured. The amount of volatile substance can then be determined based on the current of the activated ions.
  • the US 2016/0334381 A1 discloses a device for measuring concentrations of volatile organic compounds (VOC), with an ionization source ionizing the VOC in a sample chamber.
  • VOC volatile organic compounds
  • the ionized VOCs are captured in an ionic liquid trap and detected with a chemical sensor in the ionic liquid trap.
  • a temperature sensor and temperature controller may be provided that assists in trapping the ionized VOC based on temperature.
  • the present invention is based on the object of enabling a quick, efficient and simplified analysis for determining, distinguishing and/or influencing VOCs or another substance.
  • This object is achieved by a method for determining, distinguishing and/or influencing at least one VOC or at least one other substance with the features of claim 1, by an apparatus with the features of claim 21 and by a computer program product with the features of claim 23.
  • the method, the apparatus and the computer program product preferably expand the scent molecule groups to all occurring VOCs or other substances.
  • the human olfactory mucous membranes for example, have 10-30 million olfactory sensory cells.
  • a dog for example, has 250 million olfactory sensory cells.
  • the apparatus has, among other things, the property of an extended dynamic range and detection range of VOCs compared to animals. According to the function of a detection dog, the VOC or other substance can be trained in order to be able to detect it again afterwards. For comparison, a drug detection dog is used, which also has to be trained to smell.
  • the method for determining, distinguishing and/or influencing at least one VOC or at least one other substance has at least the following steps:
  • At least one measurement of at least one change process of the at least one VOC or the other substance is carried out.
  • the at least one change process is induced and/or controlled by at least one excitation of the VOC or the other substance, which advantageously increases the accuracy of the measurement of the change process.
  • the electrical for example a change in impedance, physical and/or chemical properties of the VOC or the other substance are influenced and/or at least a short-lived intermediate product of the VOC cyder of the other substance is produced.
  • the data recorded during the change process is characteristic of the VOC or other substance. This means, for example, that two unknown VOCs can be differentiated. This advantageously results in a quick, efficient, simplified analysis for determining, distinguishing and/or influencing the VOC or the other substance.
  • the measurement of the change process can preferably also be used as a reference of the VOC cyder of the other substance compared to other measurements.
  • the reference of the VOC or the other substance can preferably be learned by at least one or more measurements.
  • the excitation changes the molecular state, the electrical, e.g. the impedance, physical and/or chemical properties of the VOC or the other substance.
  • the change can occur for a certain period of time or permanently.
  • the excitation causes the VOC or the other substance to form, for example by triggering a very specific, characteristic change in the electrical conductivity of the VOC or the other substance.
  • the reason for this is the ionization behavior of the different VOCs or the other substance.
  • the excitation advantageously has, for example, the property of accelerating the molecular kinetics and thus accelerating the decay or change process of the VOC or the other substance.
  • the intermediate products of VOC or other substances that arise during the change process are therefore also shorter-lived.
  • a change process is understood to mean that something happens to the VOC or the other substance as a result of a stimulus, for example its molecular state, the electrical, physical and/or chemical properties change, and/or a short-lived intermediate product of the VOC or the other substance is created during the change process.
  • the excitation essentially induces the change process of the VOC or other substance.
  • the molecular structure of the VOC or other substance can change during the change process, for example by converting the VOC or other substance into an intermediate product which decomposes after a certain period of time.
  • the decay time can be used to characterize the corresponding VOC or other substance.
  • the change process is generally not a static process, but a dynamic process that extends over a certain period of time.
  • a temporal development of the measuring point or measuring points or sizes takes place, which is recorded.
  • the temperature, pressure, CO2 content, air humidity and air pressure can be recorded.
  • the amount of radiation energy determines the reaction, the reaction rate and how the molecules are broken up according to the Planck-Einstein relation.
  • typical short-lived intermediate products are, for example, hydrocarbon molecules or compounds, hydrogen-oxygen molecules or compounds and free radicals.
  • free electrons that separate from oxygen molecules become an unstable molecule.
  • Other intermediate products in the photocatalysis process include hydrogen peroxide (H2O2) and negatively charged oxygen molecules (O2-). These unstable molecules are also known as short-lived intermediates. If, for example, a continuous decomposition of organic substances takes place, e.g. with the help of a catalyst or supplied radiation energy, one can speak of short-lived intermediate products during the conversion. The conversion takes place in fractions of a second.
  • At least one reference is provided.
  • at least one previously measured and/or stored change process or at least one further measurement of a change process of a known or unknown VOC or a known or unknown other substance can be used as a reference.
  • the reference can be present, for example, as a data set, a curve and/or a graph. It is also possible that the reference is stored in a database.
  • the method preferably works with an oxidation and/or reduction reaction, with sensors used observing intermediate products and/or chemical phase transitions during the chemical conversion.
  • the oxidation can take place, for example, with the help of at least one radiation source, for example UV light, and the reduction reaction can take place, for example, with the help of a catalyst.
  • the measurement and analysis time is advantageously reduced to a minimum.
  • the reactive substances are observed in the conversion process (molecular change) and the phase transitions are monitored.
  • the oxidation process and/or the catalysis process can take place continuously by means of a forced air flow, so that the short-lived intermediate products are dependent on the air flow speed.
  • positively charged ions can be created with UV excitation signals and during phase transitions in the oxidation process and/or in the catalysis process and the associated gas formation.
  • electronegative gases the negatively charged ions typically play a minor role.
  • the excitation and/or the excitation mechanisms advantageously ensure that both negatively charged and electropositive gases can be formatted, such as N2 and Ar.
  • other components of the air can be changed and detected, such as trace gases.
  • trace gases and long-chain/complex hydrocarbon compounds can be detected and differentiated. This makes it possible to advantageously determine so-called “biomarkers” of the VOC-air mixtures.
  • the method preferably controls the molecular conversion and detects the conversion of the smallest amounts, for which the biological nose would require larger amounts. This advantageously achieves a very high selectivity for different VOCs or other substances.
  • PCA analysis and data mining with neural networks can preferably be used for training.
  • the measured change process of the VOC or the other substance from the measurement is then compared with the change process of the known VOC or the other substance from the reference. For example, various data are obtained from the reference and the measured change process of the VOC or other substance, which can be used to derive a comparison. For example, one VOC can be measured first and then or at the same time a second VOC as a reference. By comparing the change processes, it can be stated, for example, whether two unknown VOCs are the same substance or not. If one VOC is known and the other VOC is unknown, the unknown VOC can, if necessary, be assigned and determined accordingly to the known VOC.
  • each VOC can be represented as a vector within a space containing various information about the measurement.
  • the information can be various parameters, such as VOC signal, temperature, pressure, humidity and/or CO2 content.
  • the reference is also provided through training and/or as a digital twin
  • the learning can take place through at least one measurement.
  • the change process is preferably recorded by appropriate sensors.
  • the trained data record with the corresponding data already exists.
  • the training can, for example, be carried out in the same way as measuring the change process of the VOC or the other substance, whereby the training can preferably be carried out within the framework of machine learning.
  • measurement curves can be trained for later comparison of reference values and measured values of a measurement object.
  • the digital twin corresponds to an electronic image of the reference with its electrical, physical and/or chemical properties and can be used to describe the change process.
  • a digital twin for the VOC or the other substance can also be created from measuring the change process of the VOC or the other substance. For example, one or more measurements of the VOC are first carried out, the measurement data of which are then saved as a digital twin, e.g. as a data record in a database.
  • An analysis and/or processing of the measurement data can preferably take place. This advantageously accelerates and simplifies the VOC, analysis and diagnostic systems. Further advantageous for a convenient provision of the reference and for a simple comparison of the measured change process of the VOC or the other substance with the reference, the digital twin can also be used, for example, for several measurements by creating a corresponding file or a corresponding data set of the twin . It is also advantageously possible to expand the digital twin, for example by adding further electrical, physical and/or chemical properties to the digital twin during the change process.
  • a VOC or a VOC mixture or another substance does not have to be known.
  • a data set can be assigned to the VOC or the VOC mixture or the other substance, for example as a digital twin.
  • This data set (e.g. digital twin) is essentially a reference data set that is assigned to the VOC or the VOC mixture or the other substance and can later be compared with another measurement.
  • the other substance is preferably a compound with at least one oxygen, nitrogen or sulfur, in particular, for example, a metal oxide, a VNC (Volatile Nitrogen Compound), a VSC (Volatile Sulfur Compounds), a VIC (Volatile Inorganic Compounds) or a halogen.
  • a metal oxide for example, a metal oxide, a VNC (Volatile Nitrogen Compound), a VSC (Volatile Sulfur Compounds), a VIC (Volatile Inorganic Compounds) or a halogen.
  • VNC Volatile Nitrogen Compound
  • VSC Volatile Sulfur Compounds
  • VIC Volatile Inorganic Compounds
  • the training is preferably carried out as part of machine learning, which advantageously allows large amounts of data to be processed.
  • machine learning means that systems, e.g. artificial systems or IT systems, are enabled to recognize patterns and regularities and to develop solutions based on existing data and algorithms. Knowledge is generated from experiences. The insights gained from the data can be generalized and used for new problem solutions and/or for the analysis of previously unknown data.
  • Machine learning preferably includes supervised learning.
  • Supervised learning creates a predictive model from training data with known input and output data. For example, a set of machine learning algorithms are used to predict the value of a target class or variable, or a mapping function (model) is created from the input features to the target classZ-variable. To estimate the model parameters during the training phase, labeled sample data is required in the training set. Generalization to unseen data can be assessed using scoring metrics in the test data.
  • Classification is a preferred type of supervised learning where the target is a class.
  • the model learns to create a class score and assign each vector of input features to the class with the highest score.
  • a linear algorithm that weights input values and takes their sum as input values in the logistic function.
  • the distance to all other points is calculated and the prediction is made based on the k-nearest neighbor class.
  • the input value ranges are repeatedly divided (split) into two value ranges. If the split increases the distinctiveness of the classes, it is retained, otherwise it is discarded. This creates a tree structure. - Random Forest:
  • a “forest” of multiple decision trees is created and their predictions are aggregated.
  • the input values are weighted and passed to a nonlinear activation function. Their output values are in turn weighted and passed to another activation function. This number of repetitions of these operations is determined by the depth of the neural network.
  • a probabilistic classifier that makes the strong assumption that the input values are independent of each other.
  • metric variables are functionally related to a categorical (nominal or ordinal scaled) variable, distinguishing between dependent variables (usually denoted Y) and independent variables (denoted X).
  • Support Vector Machine is a type of machine learning algorithm that can be used for classification and regression tasks. They build on basic ML algorithms and add features that make them more efficient at various tasks.
  • regression Another preferred type of supervised learning is regression.
  • the concept of a regression makes it possible to use the statistical relationship of several properties to determine a property by combining one or more other properties.
  • the basis is the assumption of normally or Gaussian distributed data. This means that they are clearly determined by the expected value and the covariance, which means the correlations between the respective data.
  • nearest neighbors are determined from the training data and their output values are averaged. This average serves as a forecast.
  • Time series are time-ordered sequences of numerical values.
  • Time series forecasting specifically aims to predict future values based on previously observed values.
  • Assessment methods are also a preferred type of supervised learning, for example different assessment methods can be used:
  • the ROC curve also known as limit value optimization curve, is a method for evaluating and optimizing analysis strategies.
  • the ROC curve visually represents the dependence of efficiency with error rate for different parameter values.
  • Machine learning can also preferably include unsupervised learning.
  • unsupervised learning no output data is used because it is not (yet) known or intentionally not intended to be used.
  • a set of machine learning algorithms are used to identify patterns in the data.
  • a labeled data set is not necessary because the data is ultimately organized and/or transformed based on similarity or statistical measures.
  • a preferred type of unsupervised learning is clustering or segmentation. Segmentation assumes that the existing data sets are divided into groups. The internal logic of most segmentation algorithms is that records are divided into groups such that all records within a group are more similar to each other than records in other groups.
  • anomaly detection Another preferred type of unsupervised learning is anomaly detection. If one assumes that the existing data sets belong to a single group or even if several groups form the norm, but there may be deviations in some data sets and these can be detected using algorithms, then this is called anomaly detection.
  • Pattern recognition is also a preferred type of unsupervised learning. Pattern recognition assumes that different patterns or motifs occur in the data that are not labeled as such.
  • PCA principal component analysis
  • machine learning can include reinforcement learning.
  • Reinforcement learning allows an agent or artificial intelligence to make decisions in an environment. These are rewarded (or punished). Every decision changes the state of the environment (or his own). The agent tries to learn an optimal strategy to make decisions.
  • the machine learning can have recommendation systems. If there is an assignment of users (e.g. customers, viewers, readers) to articles (e.g. products, media content, content), each user can be recommended articles that other - similar - users have consumed.
  • the machine learning can further preferably include semi-supervised learning. Semi-supervised learning is a combination of supervised and unsupervised learning. It uses a (usually small) number of examples for which there is a target or output value and a much larger number of records without an output value. The algorithms try to learn the distribution of the data in order to then apply it in the context of the examples with output values.
  • the machine learning can include transfer learning.
  • Transfer learning involves applying models - typically artificial neural networks trained on a specific data set - to new data sets where the task is similar but not identical. This method is often used in image or text classification.
  • the reference is further preferably provided and/or trained by at least one measurement of the change process of a VOC or another substance.
  • the provision of the reference and the measurement of the change process of the VOC or the other substance can take place simultaneously.
  • the reference can be obtained and the measurement of the VOC or other substance can be carried out at the same time, which advantageously saves time.
  • the same apparatus can be used to provide the reference and/or to train the reference as is used to measure the change process of the VOC or the other substance.
  • any equipment-related peculiarities and differences during training and measurement can be advantageously excluded.
  • At least one frequency pattern is used for the excitation, which simulates at least a time course of a corona discharge or a partial partial discharge or has at least one trichel pulse and/or a trichel pulse-like signal.
  • the behavior and the electrical, physical and/or chemical properties of the VOC or the other substance can be influenced and/or reactive particles can be generated.
  • Another advantage is that the change process of the VOC or the other substance is accelerated, so that the relaxation and diffusion behavior of the VOC or the other substance can be influenced directly.
  • a partial partial discharge occurs wherever ionization occurs within solid, liquid and/or gaseous electrically insulating substances. For example, partial discharges can be excited in high-voltage electrical fields or by ionizing radiation.
  • the corona discharge is an independent discharge within a non-uniform electrical field. This creates so-called trichel impulses.
  • the pulses derive their properties from the interaction of short-lived pulses and changing intervals, which are dependent on the discharge current.
  • the trichel pulses have the property of forming different ions through their behavior and “under atmospheric conditions” and thus changing the conductivity of a substance. These include, among others, the molecules listed in Table 1.
  • Corona discharges are able to influence and/or change the behavior and chemical properties of gases by creating reactive particles. Different molecules are formed by the pulse discharges in the air. Detected molecules are shown in Table 2
  • Table 2 Overview of different molecules With the help of ionizing radiation, for example UVA light, which in turn can preferably be modulated with signals similar to trichel pulses, one can advantageously achieve an accelerated change process of the VOC or the other substance and thus a direct influence on the relaxation and diffusion behavior of the VOC or the other substance.
  • ionizing radiation for example UVA light
  • UVA light which in turn can preferably be modulated with signals similar to trichel pulses
  • the excitation is preferably carried out by at least one radiation source, for example a UV light source, a UV LED, an IR LED or an infrared source, an electric and/or magnetic field, for example by an ionizing electric field, and/or a heat source, for example an IR LED or a heating plate.
  • a radiation source for example a UV light source, a UV LED, an IR LED or an infrared source, an electric and/or magnetic field, for example by an ionizing electric field, and/or a heat source, for example an IR LED or a heating plate.
  • the radiation source for example a UV light source, a UV LED, an IR - LED or an infrared source, the electric and / or magnetic field and / or the heat source, e.g. an IR LED or a heating plate, modulated with the at least one frequency pattern, the frequency pattern at least one time course of a corona discharge of the sun or a simulates partial partial discharge or has at least one trichel pulse and / or a trichel pulse-like signal.
  • gases and VOCs can be formatted and changed using a high-voltage field.
  • High-voltage fields can be constructed using plate capacitors, for example, but this is usually very complex and involves high costs.
  • the excitation of the VOC or the other substance is preferably carried out using special UV excitation signals, which simulate a discharge characteristic in a high-voltage field.
  • excitation with plate capacitors is also possible.
  • the excitation is preferably carried out by means of photolysis, photocatalysis and/or radiolysis, which can advantageously influence the change behavior and the relaxation behavior of the VOC or the other substance and advantageously results in inexpensive industrialization of the excitation.
  • the diffusion behavior of the VOC or the other substance can be changed to such an extent that the diffusion can even be stopped in a short period of time, that is to say that the volatility of the organic substance or the other substance is advantageously changed can be.
  • electromagnetic radiation such as light, causes a triggered cleavage of a chemical bond.
  • the principle of photolysis is based on the excitation and resulting reaction of chemical or volatile organic compounds.
  • the chemical transformations are based on a few methods.
  • the chemical conversions can be initiated as follows, either by two or more reactants being mixed. The reactants are heated or the reactants are exposed to an electric field or irradiated.
  • the process of photocatalysis primarily describes a photoreaction of a chemical process caused by electromagnetic radiation, e.g. light.
  • the electromagnetic radiation acts as a catalyst and accelerates the photoreaction.
  • This process can be used, among other things, to eliminate volatile organic compounds (VOCs) or other substances.
  • the electromagnetic radiation is generated, for example, by a UV light source or a UV LED.
  • photocatalysis causes the volatile organic compounds to be illuminated by the UV light source, thereby changing their composition.
  • the VOC or other substance is converted into CO2 and H2O molecules during photocatalysis by the UV light source, for example. This process can advantageously reduce the concentration of VOCs or other substances in rooms, thereby reducing the health risk for humans.
  • VOC or the other substance can preferably flow through a chamber or tube equipped, for example, with UV LEDs.
  • a photocatalytic filter can also be used, e.g. B. a TiO2 coated filter.
  • Radiolysis describes a process that triggers a chemical reaction of molecules. Ionizing radiation is directed onto the outer electron shell of the molecule in order to start the reaction. This reaction becomes clear using the example of irradiation of water.
  • the ionizing radiation acting on water produces molecules (hydrogen peroxide - H2O2 and dihydrogen - H2), OH radicals, H atoms and electrons.
  • the measurement of the change process preferably comprises at least one of the following steps:
  • the measurement is first started by measuring the environment, i.e. without the VOC or the other substance and without any excitation. Then, while the measurement continues, the excitation is “switched on”, for example a UV light. Then, during the measurement, the VOC or other substance to be measured is “added” and the excitation for it is “switched off”. Then the VOC or the other substance is measured without excitation and finally the excitation is “switched on” again and the VOC or the other substance is measured with excitation. For an advantageous control, the VOC or the other substance can then be measured again without excitation. It is also possible that the VOC or other substance is initially measured without excitation and then the excitation is “switched on”.
  • VOC sensors e.g. metal oxide (MOX) sensors or sensors based on conductive carbon nanotubes (CNT). They offer a variety of measurable gases and therefore a wide range of application areas.
  • MOX sensors metal oxide (MOX) sensors or sensors based on conductive carbon nanotubes (CNT). They offer a variety of measurable gases and therefore a wide range of application areas.
  • the measuring principle is based on the change in electrical conductivity (change in impedance) as soon as a VOC or other substance hits the metal oxide layer and a reaction occurs. Due to the different electronic structures of the individual oxides, they are divided into two categories. The first category involves so-called transition metal oxides.
  • VOC sensors are understood as a complex system that is influenced by different factors.
  • the VOC sensor can have at least one heat source, for example a heating element or a heating plate, whereby the heat source used can be installed within the VOC sensor, for example within the MOX sensor.
  • the heat source can primarily consist of a micro heat plate, which successively goes through different heating cycles, which can be defined in advance, for example, and can thus advantageously change the sensitivity of the conductivity of the applied metal oxide layer.
  • VOC sensors typically have a limited dynamic range with limited analog or digital resolution. If there are large amounts of VOC or the other substance, the detection range or measuring range of the VOC sensor would be exceeded.
  • an optimal measuring range of the VOC sensor can be selected through the excitation and the possibility of controlling or regulating the excitation signals. This advantageously combines the VOC detection or the detection of the other substance of the VOC sensor into one particularly sensitive or sensitive measuring range.
  • the stimulation can continuously change the odor molecules.
  • the dynamic range of the sensor can advantageously be improved by preferentially changing and precisely adjusting the excitation signal in relation to the expected VOCs or the other substances to be expected in the air. Another advantage is that very high VOC or other substance concentrations in the air are not a problem.
  • the excitation is preferably scalable.
  • the duration of the excitation and/or the number of photons to be emitted can be adjusted using more or fewer LEDs and/or algorithms. This advantageously allows the ionization to be controlled.
  • the excitation can preferably be adjusted, for example, by at least one of the following points:
  • suitable excitation signals can also be preferably selected.
  • the change process In order to advantageously represent the change process as precisely as possible and thus to obtain increased accuracy when determining the VOC or the other substance, it is preferred to measure the change process using at least one further sensor, in particular a temperature sensor, an air humidity sensor, an air pressure sensor and/or a C02 -Sensor carried out.
  • additional sensors can also be added in order to advantageously record and map the change process in more detail.
  • the signature of the change process is advantageously refined, as additional variables are used to describe the change process.
  • the further sensors can be parts of the VOC sensor or the VOC sensor can have the further sensors.
  • the sensitivity of the VOC sensor for example the saturation behavior of the VOC sensor, can preferably be influenced and/or controlled by at least one preferably modulated heat source.
  • the VOC sensor can have the heat source, for example a heating element or a heating plate.
  • the heat source can also be the same heat source as the heat source used for the excitation. This advantageously results in a more precise measurement.
  • a larger or the entire sensor range of the VOC sensor can advantageously be used.
  • the sensitivity of the sensor measures at an upper or lower end of the measuring range and so the sensitivity is already “maxed out” and is not sufficient to record the complete change process.
  • the heating element can be used to influence the sensitivity.
  • the heating element primarily consists of a micro heat plate, which successively goes through different heating cycles, which can be defined in advance, for example, and can thus change the sensitivity of the conductivity of the applied metal oxide layer.
  • the heat source is preferably modulated with a frequency pattern, the frequency pattern simulating a time course of a corona discharge, for example a corona discharge of the sun, or a partial partial discharge, or having at least one trichel pulse and/or a trichel pulse-like signal.
  • a corona discharge for example a corona discharge of the sun, or a partial partial discharge
  • at least one trichel pulse and/or a trichel pulse-like signal for example, when learning and/or measuring the at least one change process, electrical, physical and/or chemical changes in the VOC or the other substance can be induced.
  • the change process is measured by means of a synchronous measurement with or without a reference chamber or an asynchronous sequential measurement.
  • the individual VOCs or other substances can be clearly identified and differentiated.
  • the measurements in the measuring chamber and in the reference chamber can preferably be carried out at the same time, which advantageously allows more precise results to be obtained and time is saved. If one were to assume the same general conditions, then the reference measurement could not be carried out at the same time. However, the results would be less accurate. In principle, the measurements could also be carried out with a time delay.
  • time-synchronous measurements are carried out using two identical measuring systems (synchronous measurement).
  • An overall measurement system is created that is able to to measure the predominant reference in addition to the volatile organic compound or other substance.
  • the reference measurement is usually the natural environment without high VOC pollution or without high pollution of the other substance.
  • the measuring principle of synchronous measurement with a reference chamber is based on an overall measuring system that has two exactly the same measuring systems.
  • the sensor fusions of the individual sensors form the core of the two systems.
  • the sensors are located in the respective measuring chambers.
  • the air flows into the two measuring chambers.
  • the measurement of the volatile organic compound or other substance takes place in one measuring chamber.
  • the system detects, for example, changes in the air based on VOC, temperature and humidity values.
  • a measurement of the reference environment is carried out in the other measuring chamber. For example, it indicates at which VOC, temperature and humidity values the air contains only a few or even no VOCs or no other substances that are harmful.
  • a simplification of the synchronous measurement is a synchronous measurement without a reference chamber, whereby the synchronous measurement without a reference measuring chamber refers to the VOCs or other substances present in the environment.
  • Another measurement method is comparative measurement based on existing reference data. Measurements are carried out using an asynchronous measuring system, which advantageously represents a simple and economical solution in terms of circuitry.
  • the air flows into the measuring chamber.
  • the existing VOC, pressure, temperature and humidity sensors measure the changes in the air.
  • the measured values are then compared with the existing reference database in order to draw conclusions about the measured VOCs or other substances measured.
  • modeling of the sensors used for the measurement is preferably carried out. This advantageously accelerates and simplifies measurement and evaluation.
  • the sensors are modeled as equivalent electrical equivalent circuit diagrams.
  • the complexity of the sensors is advantageously significantly reduced if the individual sensors are represented in an equivalent electrical equivalent circuit diagram.
  • the structure of a VOC sensor can be represented using electrical circuits.
  • the equivalent electrical equivalent circuit diagrams are preferably transformed into finite Voigt models and/or transmission line models, for example as a series connection of RC elements, which are preferably normalized and/or at least one physical and/or chemical behavior can be assigned.
  • the VOC sensor can be represented in the equivalent equivalent circuit as an infinite Voigt model and/or a TLM model, for example as a series connection of one or more RC elements.
  • the finite Voigt models and/or transmission line models can preferably be normalized and/or at least one physical and/or chemical behavior, e.g. porosity of electrodes, porosity of electrodes, general diffusion, ideal reservoir, non-permeable wall can be assigned, which advantageously enables a simple analysis.
  • At least one DRT analysis is carried out using the finite Voigt models and/or the transmission line models and parameters, e.g. time constants, are extracted.
  • the parameters can then advantageously be used, for example, to create a reference Kl model.
  • At least one mathematical approach for feature extraction, classification of the measurement and/or modeling according to the library modeling method is preferably used.
  • the comparison can preferably be carried out with the aid of a neural network and/or by comparing biomarkers.
  • the neural network can analyze the ratios of the measured electrical, physical and/or chemical parameters, which advantageously results in a quick comparison and an exact differentiation of the VOCs or the other substances.
  • PCA Principal Component Analysis
  • the comparison can preferably be carried out by comparing biomarkers.
  • Various parameters of the change process are determined from the measurement and/or the reference, which describe the change process. These parameters can be represented, for example, as arrows in a parameter space, which in turn are used as biomarkers.
  • the excitation influences the molecular state, the electrical, physical and/or chemical properties of the VOC or the other substance and/or at least one intermediate product of the VOC or the other substance is produced.
  • the excitation is preferably adjusted depending on the measurement volume. For example, the duration, type and/or intensity of the stimulation can be adjusted. For example, with a small measuring volume, the excitation takes place over a shorter period of time than with a large measuring volume.
  • the measurement takes place in a defined measuring volume, which advantageously results in better comparability of the measurements with one another, since a corresponding measurement signal varies depending on the different measuring volume. For example, if a drop of a VOC or another substance were measured in a measuring volume of one cubic centimeter, this would result in a stronger measurement signal than measuring the drop in a measuring volume of one cubic meter.
  • the ratio of the amounts/volumes between the VOC or other substance to be analyzed and the volume of the measuring chamber or room in which the VOC or other substance is determined can provide indications of the VOC or other substance.
  • the task is also solved by an apparatus for determining and/or influencing at least one VOC or another substance.
  • the apparatus is arranged, designed and/or constructed to carry out the method described above.
  • the other substance is preferably a compound with at least one oxygen, nitrogen or sulfur, in particular, for example, a metal oxide, a VNC (Volatile Nitrogen Compound), a VSC (Volatile Sulfur Compounds), a VIC (Volatile Inorganic Compounds) or a halogen, which is advantageous Activities that are harmful to health, e.g. welding in metal processing, can be better monitored.
  • FIG. 1 shows an apparatus for determining and/or influencing a VOC or another substance
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the physical, chemical and/or biochemical functions of the apparatus
  • FIG. 6 is a schematic representation of a setup for a synchronous measurement with a reference chamber
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a setup for a synchronous measurement without a reference chamber
  • FIG. 8 is a schematic representation of a setup for an asynchronous sequential measurement
  • Fig. 15 is a schematic representation of the calculation of the physical, chemical and/or biochemical variables for a reference model.
  • VOC Volatile Organic Compound
  • VNC Volatile Nitrogen Compound
  • VSC Volatile Sulfur Compounds
  • VIC Volatile Inorganic Compounds
  • halogens for example, metal oxides, VNC (Volatile Nitrogen Compound), VSC (Volatile Sulfur Compounds), VIC (Volatile Inorganic Compounds) or halogens.
  • the exemplary embodiment in FIG. 1 shows an apparatus 10 for determining, distinguishing and/or influencing at least one VOC.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 1 is an asynchronous measurement without reference sensors, as shown later schematically in FIG. 8.
  • the apparatus 10 in FIG. 1 can be used, for example, in a ventilation shaft.
  • the VOC which is present, for example, as a gas or a gas mixture, flows into the apparatus 10 in an inlet 12. However, the VOC can also be sucked in.
  • a radiation source 14, for example a UV LED stimulates the VOC behind a filter 16, for example a photocatalytic filter, for example by means of photocatalysis and thus induces a change process in the VOC.
  • the radiation source 14 can be cooled via a cooling device 15, for example a cooling plate.
  • the change process is then measured using at least one sensor 18, for example a VOC sensor, temperature sensor, pressure sensor, air humidity sensor and/or C02 sensor, before the VOC leaves the apparatus 10 through an outlet 20.
  • the VOC can also be blown out of the outlet 20.
  • the sensor 18 represents a VOC sensor.
  • the apparatus 10 can preferably have further sensors 18, for example a temperature sensor, a pressure sensor, an air humidity sensor and/or a C02 sensor.
  • the apparatus 10 can be provided with a ventilation 11, for example a fan.
  • the apparatus 10 is advantageously based on inexpensive, commercially available electronic components that allow use in any electronic devices.
  • the apparatus 10 uses at least two analytical or diagnostic functions according to FIG. e.g. caused by an excitation signal, changes 22, e.g. electrochemical changes, through which new substances 26 and molecular structures of the VOC can arise.
  • the excitation 24 can be generated in a suitable frequency spectrum and in coordination or adaptation with the respective VOC.
  • the sensors used as well as the values determined from the measurement are represented with the help of equivalent equivalent circuit diagrams 30 (ECM), for example with resistors, capacitors and coils, which are then used for an analysis 34, for example a spectral analysis can.
  • ECM equivalent equivalent circuit diagrams 30
  • the stimulus can be adjusted, for example, through at least one of the following points:
  • the appropriate excitation signals can be selected.
  • An adjustment can preferably also be made by the duration, the amount of energy of the photon energy (e.g. number of LEDs and their pulse/pause ratio), VOC flow rate and/or the area of the catalyst.
  • a decomposition process 44 is initiated in a conversion process via an intermediate product 42, which in turn is converted into a new, preferably harmless substance 46 (VOC). becomes.
  • VOC harmless substance 46
  • the decay process and thus the relaxation behavior of the VOC can be controlled and measured.
  • the relaxation behavior can be determined by a combination of different relaxation time constants (Tau) are represented and in turn abstracted into an RC time constant (Tau) made up of resistor and capacitor.
  • the apparatus can use at least two principles according to FIG. 3. For example, on the one hand the principle of impedance spectroscopy with excitation signals and complex sensor elements and on the other hand the physical, chemical and biochemical approach of the state observer of the VOC during excitation and without excitation.
  • a parameter extraction of the gas or the VOC can be carried out for the learning process.
  • Feature extraction and classification can be carried out using the data from the VOC analysis and determination process.
  • the VOC can then be determined using the data from the training process and the data from the analysis or testing process.
  • Fig. 4 shows an exemplary embodiment of an electronic circuit of the apparatus 10 in a block diagram.
  • the four functional blocks 60, 62, 64, 66 of the system are divided into sensors 60, microcontroller 62, emitter 64 and HF generator and HF modulator 66.
  • the microcontroller functional block 62 has at least one processor 68, which can simultaneously be designed as the core of the system and execute an algorithm, and at least one timer 70, which controls signal generation.
  • the functional block has at least one microcontroller 62, a data processing unit 69, for example a BUS and/or a modulation unit 67, for example a pulse wave modulation unit (PWM modulation unit) and/or a pulse frequency modulation unit (PFM modulation unit).
  • PWM modulation unit pulse wave modulation unit
  • PFM modulation unit pulse frequency modulation unit
  • the HF generator and HF modulator functional block 66 has at least one pulse generator 72, for example a Trichel pulse generator, and at least one frequency modulator 74, for example a high-frequency modulator, which are responsible for generating the modulated pulses.
  • the emitter 64 function block combines the radiation sources or emitters 76 used, which, for example, in addition to infrared, UVA and UVC LEDs, can also be designed as lasers.
  • the emitters are controlled by at least one driver 78, for example an LED or laser driver. All sensors 80 used for measuring electrical, physical, chemical and/or biochemical variables are summarized under the function block sensors 60.
  • the sensor function block 60 can also have a processing unit 79, for example an analog/digital converter, for processing the measured values.
  • the VOC sensor is based on an electrochemical reaction, the electrical conductivity of the surface of which changes depending on the surrounding VOC.
  • the basis for the measuring sensors of the apparatus 10 are different sensors for determining electronic, physical, chemical and/or biochemical variables, for example a VOC sensor, a MOX sensor, a temperature sensor, a pressure sensor, a moisture sensor and/or a C02 sensor (molar volume).
  • a circuit for example a microcontroller-based circuit, generates at least one excitation signal with which at least one radiation source, for example a UV light source, is modulated. All measured values from all sensors are preferably used for learning and later determination of the VOC.
  • the measurement signal evaluation takes place in different measurement phases, for example with and without VOC, with and without excitation and/or with and without photocatalysis according to FIG. 10.
  • Fig. 5 shows the simplified representation of signal generation and signal processing.
  • the VOC to be determined is first excited, for example as a gas or gas mixture, with a radiation source.
  • the excited VOC and the non-excited VOC are then measured.
  • the VOC value, temperature, humidity, CO2 content and pressure can be recorded during the measurement.
  • a difference is then formed between the measurement with and without excitation.
  • FIG. 5 two measurements are carried out in parallel as an example.
  • a VOC measurement 2 in a separate air stream without a UV light source and without a catalyst.
  • the graph 50a from Fig. 10 corresponds, for example, to normal air without VOC in the respective phases with and without UV excitation with catalyst.
  • Graphs 50b and 50c in FIG. 10 show the behavior of two different VOCs in the respective phases with and without UV excitation with catalyst.
  • the functional principle of the method according to the invention is based on a state observer which records the electrical, physical, chemical and/or biochemical change process of a VOC with the aid of sensors during the change process of the VOC.
  • an excitation for example in the form of modulated excitation signals in the range of preferably nanometers
  • the electrical conductivity of the VOC is specifically formed and the change process is induced and/or controlled.
  • the characteristic relaxation times of the change process can preferably be learned by machine.
  • the apparatus 10 can compare the characteristic change process of the VOC to be determined with the least one provided or already learned characteristic change process of a reference.
  • the change behavior shows characteristic settling times and curves in the respective measurement phases of the various VOCs, for example an e-function-like behavior.
  • a correlation measurement according to FIG. 6 can also be carried out. Time-synchronous measurements are carried out using two identical measuring systems. The result is an overall measurement system that is able to measure not only the volatile organic compound but also the predominant reference. The reference measurement is usually the natural environment without high VOC pollution.
  • the complex impedance represents the complex impedance of all sensors 18, for example VOC sensors, temperature sensors, pressure sensors, air humidity sensors and/or CO2 sensors in the measuring arrangement.
  • At least one sensor 18 corresponds to a VOC sensor.
  • the arrows 19 symbolize the direction of flow of the VOC under the influence of the photocatalytic process.
  • optional filters 13 e.g. HEPA filters, carbon filters or other mechanical filters, can be used.
  • the measuring principle of the synchronous measurement according to FIG. 6 is based on an overall measuring system that has two exactly the same measuring systems.
  • the sensor fusions of the individual sensors 18 form the core of the two systems.
  • the sensors 18 are located in respective measuring chambers 28, 29, each with at least one radiation source 14.
  • the air flows into the two measuring chambers 28, 29.
  • the measurement of the volatile organic compound takes place in one measuring chamber 28.
  • the system detects changes in the air, for example based on VOC, temperature and humidity values.
  • a measurement of the reference environment is carried out in the other measuring chamber 29 or the reference measuring chamber. For example, it indicates at what VOC, temperature and humidity levels the air contains few or even no volatile organic compounds that are harmful.
  • the respective measurements are then evaluated and analyzed using a comparison device 17.
  • FIG. 7 A simplification of the measuring system is shown in FIG. 7.
  • This arrangement describes a synchronous measurement without a reference measuring chamber 29, but rather makes reference to the VOCs present in the environment.
  • a complex impedance of the sensors 18 is also shown symbolically in FIG. 7.
  • the complex impedance represents the complex impedance of all sensors 18, for example VOC sensors, temperature sensors, pressure sensors, air humidity sensors and/or C02 sensors in the measuring arrangement.
  • at least one sensor 18 corresponds to a VOC sensor.
  • a sensor 18 (Zref) is located outside the measuring chamber 28, i.e. in an area without photocatalysis and without UV excitation.
  • the sensor 18 (Zref) thus measures the ambient air.
  • a sensor 18 (Zobj) can be arranged in a chimney or a flow channel and a sensor 18 (Zref) can be arranged outside the flow channel.
  • Another measuring method is the comparison measurement based on existing reference data. Measurements are carried out using an asynchronous measuring system according to FIG. 8, which represents the simplest and most economical solution in terms of circuitry. To simplify the illustration, only a complex impedance of the sensors 18 is also shown symbolically in FIG.
  • the complex impedance represents the complex impedance of all sensors 18, e.g. VOC sensors, temperature sensors, pressure sensors, air humidity sensors and/or C02 sensors in the measuring arrangement.
  • at least one sensor 18 corresponds to a VOC sensor.
  • the air flows into the measuring chamber 28.
  • the existing VOC, pressure, temperature and humidity sensors measure the changes in the air.
  • the measured values are then compared with the existing reference database in order to draw conclusions about the measured volatile organic compounds.
  • the same sensor 18 is used for the reference measurement and the measurement, which advantageously results in a simple and cost-effective variant.
  • At least one sensor 18 corresponds to a VOC sensor.
  • a VOC sensor For example, several UV light sources and heat sources such as an infrared source can be used as radiation sources 14 or emitters.
  • An expansion to include additional sensors 18 increases the amount of data for the VOC learning or determination process, which advantageously results in better accuracy when determining the VOC.
  • the CO2 content can optionally also be determined and bacteria and/or viruses can be destroyed with the help of UVC excitation signals.
  • the relaxation behavior and/or the transient response can then be used, for example, as a characteristic bio-marker for bacteria and/or viruses.
  • the VOC typically enters the measuring chamber 28 via an inlet opening 12 via a valve 21.
  • the outlet opening 20 can typically also be operated via a valve 21. This allows the volume of the VOC to be determined in the measuring chamber 28 to be controlled or kept virtually constant with the valves 21 closed. For example, a drop of alcohol in the measuring chamber 28 could serve as a VOC. This would correspond, for example, to an extremely small remaining amount of wine in a large wine barrel.
  • excitation occurs from UV and IR radiation sources 14.
  • the photocatalysis process is triggered via UV radiation and a filter 16, which serves as a catalyst. With the help of IR heat radiation, the chemical reaction behavior of the VOC is also accelerated.
  • the VOC now changes its molecular structure due to the influence of the radiation sources 14.
  • This continuous molecular change process of the VOC is continuously measured via the sensors 18.
  • the sensors 18 measure, for example, the VOC concentration, the air humidity, the temperature, the air pressure and/or the CO2 content.
  • the VOC sensor can additionally have a heat source, for example a heating plate, in order to control or increase the measurement sensitivity or sensitivity of the metal oxide layer of the VOC sensor.
  • the valves 21 are opened and the measuring chamber 28 is freed from VOC.
  • the entire process can preferably be repeated several times in order to advantageously increase the statistical probability of the VOC determination.
  • the same process then starts with a different VOC.
  • the specific biomarkers of the respective VOC can be determined or distinguished from the sensor data from the sensors 18 using a computer program.
  • the system and the algorithm used can differentiate between volatile organic compounds, for example by creating digital twins.
  • the individual VOCs are measured using a training process and their behavior patterns are saved digitally.
  • the measured data can be described using mathematical functions and determined more precisely using statistical methods. This information can be used as the basis for the digital twin. Because of the many variables in the system, it is a multidimensional system.
  • the digital twin describes the different phases in Fig. 10 and supplements the different excitation signals and represents dependencies.
  • the dependencies can be determined by at least one of the following points:
  • a combination of LEDs with different wavelengths can achieve broadband emission of photons.
  • the appropriate excitation signals can be selected.
  • the determination of the excitation signals can preferably be done iteratively. For example, if the diffusion behavior of VOCs, e.g. life-threatening gases in cesspools, and thus also the typical VOC concentration are known, this knowledge can be advantageous in the iterative approach.
  • an identical or similar frequency pattern can be defined for the excitation for similar or apparently identical substances or product groups (e.g. scent of different red wines, white wines, etc.).
  • a different frequency pattern could be used to analyze methane in cowsheds or pigsties, for example. If many product groups/VOCs are to be trained, a big data approach with storage of all results can preferably be used. If, for example, data sets are available in a cloud, training could preferably not be necessary, for example via data mining.
  • volatile organic compounds can be measured, for example, using asynchronous measurement.
  • the changes in VOC are determined under different conditions. These conditions describe the change behavior, for example with and without UV light, with and without VOC and/or with and without photocatalysis.
  • the different conditions and the excitation are shown, for example, in the different phases 52a to 52f in FIG. 10.
  • the stimulus can be adjusted, for example, according to at least one of the following points:
  • FIG. 10 measurements of different VOCs are shown in three graphs 50a, 50b, 50c, each of which, for example, represents a measurement of normal air, vodka and wine.
  • the measurements of the graphs 50a - 50c were carried out using an asynchronous sequential measurement according to FIG. Air was measured first, then vodka and finally wine.
  • the measurement of normal air (graph 50a) could also be carried out in the reference measuring chamber 29 and the measurement of vodka (graph 50b) in the measuring chamber 28 according to FIG. 6.
  • the VOC value is plotted along the y-axis and the time is plotted along the x-axis.
  • a high or low VOC value corresponds to good or poor air quality.
  • a total of six phases 52a - 52f can be seen along the is measured with an excitation, in the third phase 52c the excitation is “switched off” and the VOC is added, in the fourth phase 52d the VOC without an excitation, in the fifth phase 52e the VOC with an excitation and in the sixth phase 52f the VOC is measured again without any excitation.
  • the VOC value remains more or less constant.
  • a signal generator for example based on a microcontroller, generates a frequency pattern according to the principle of time division modulation (TDM) and/or frequency division modulation (FDM). , with which, among other things, a time course of Trichel pulse sequences can be generated.
  • a radiation source for example a UV LED, can be modulated with the frequency pattern.
  • the heating plate of the MOX sensor for example, is also modulated with the frequency pattern and/or controlled with it.
  • the VOC is formed by the radiation, meaning that, for example, the electrical conductive properties can be changed in a targeted manner.
  • the change processes or the physical variables of the VOC are observed and the data is saved.
  • An extension with other sensors of electrical, chemical, biochemical and/or physical quantities is possible. All sensors are preferably based on the principle of changing conductivity, which means that equivalent electrical equivalent circuit diagrams (ECM) can be created.
  • ECM equivalent electrical equivalent circuit diagrams
  • a mathematical solution approach can be used in parallel to determining the ECM, with which a classification of the data, a feature extraction and a model of the transfer functions can be created.
  • ECM modeling which can also be used as a mathematical method, these can be, for example, the additional mathematical approaches described above (e.g. statistical functions).
  • the ECM of the sensors is simplified and its circuit complexity reduced.
  • the models can be assigned to different physical, chemical and/or biochemical behavior, such as porosity of electrodes, porosity of the sensor material or diffusion behavior according to Fig. 12.
  • the relaxation behavior of the sensors depending on the Excitation signals can be represented as a settling time Tau, which in turn is ideal for the application of a DRT analysis.
  • the significant parameters can then be extracted from the DRT spectrum (Fig. 14) and used to create a Kl model.
  • At least one Kl reference model can be determined (Fig. 15). This Kl reference model can be trained into the system for prediction.
  • An apparatus 10 for determining and/or influencing at least one VOC is disclosed in a further exemplary embodiment according to FIG. 1, which is set up, executed and/or constructed to carry out at least one of the previously described methods while achieving the advantages mentioned.
  • a further exemplary embodiment forms a computer program product with a program code that is stored on a computer-readable medium for carrying out at least one of the previously described methods while achieving the advantages mentioned.

Abstract

The invention relates to a method for determining, differentiating, and/or influencing at least one VOC or at least one other substance, having the steps of: - measuring at least one change process of the VOC or of the other substance, wherein the change process is induced and/or controlled by at least one excitation of the VOC or of the other substance, and by exciting the VOC or the other substance, the molecular state and the electric, physical, and/or chemical properties of the VOC or of the other substance are influenced and/or at least one non-durable intermediate product of the VOC or of the other substance is produced, - providing at least one reference, and - comparing the measured change process of the VOC or of the other substance with the reference and providing the reference in a teaching process and/or as a digital twin. Advantageously, a quick, efficient, and simplified analysis is thus facilitated for determining, differentiating, and/or influencing VOCs or other substances.

Description

Verfahren zur Bestimmung, Unterscheidung und/oder Beeinflussung wenigstens eines VOC oder wenigstens einer anderen Substanz Method for determining, distinguishing and/or influencing at least one VOC or at least one other substance
Beschreibung Description
Bezug zu verwandten Anmeldungen Reference to related applications
Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf und beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2022 110 305.6, hinterlegt am 28. April 2022, deren Offenbarungsgehalt hiermit ausdrücklich auch in seiner Gesamtheit zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird. The present application relates to and claims the priority of German patent application 10 2022 110 305.6, filed on April 28, 2022, the disclosure content of which is hereby expressly made in its entirety the subject of the present application.
Gebiet der Erfindung Field of invention
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung, Unterscheidung und/oder Beeinflussung wenigstens eines VOC oder wenigstens einer anderen Substanz nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , eine Apparatur nach dem Oberbegriff des Anspruchs 21 sowie ein Computerprogrammprodukt nach dem Oberbegriff des Anspruchs 23. The present invention relates to a method for determining, distinguishing and/or influencing at least one VOC or at least one other substance according to the preamble of claim 1, an apparatus according to the preamble of claim 21 and a computer program product according to the preamble of claim 23.
Stand der Technik State of the art
Bei flüchtigen organischen Verbindungen (Volatile Organic Compounds, VOC) handelt es sich um Kleinstpartikel, die in der Luft vorkommen. Sie können als gesättigte, ungesättigte und substituierende Kohlenwasserstoffe unterschieden werden. VOC in der Luft haben beispielsweise einen Einfluss auf das Wohlbefinden von Menschen und Tieren. Durch die Luftqualität werden unser Urteilsvermögen, unsere Konzentrationsfähigkeit sowie unsere Reaktionen beeinflusst. Je höher der Anteil an VOC in der Luft ist, desto niedriger sind die vorher genannten Eigenschaften von uns Menschen. Volatile organic compounds (VOCs) are tiny particles that occur in the air. They can be differentiated as saturated, unsaturated and substituting hydrocarbons. VOCs in the air, for example, have an impact on the well-being of people and animals. Air quality influences our judgment, our ability to concentrate and our reactions. The higher the proportion of VOCs in the air, the lower the aforementioned properties of us humans.
Eine Definition von VOC kann beispielsweise insbesondere einer der folgenden Normen entnommen werden: DIN EN ISO 16000-6, DIN EN ISO 13999-2 oder VDI 4300-6. Weitere Beispiele für VOCs sind O-VOCs (Oxidations generierte volatile Organic Compounds), T-VOCs (Total Volatile Organic Compounds) oder T-O-VOCs. Die VOC können gasförmig, flüssig, z.B. als wässrige Lösung oder als flüssige organische, insbesondere wasserhaltige Lösungen, in Wasser, insbesondere in Schmutzwasser und Abwasser, als gasförmige Wolken, als Tröpfchen basierende Wolken oder als Aerosole in Luftverbindungen vorliegen. Eine Unterscheidung der Ursachen der VOC kann in zwei Kategorien vorgenommen werden. Die erste Kategorie besteht aus den sogenannten permanenten Quellen. Darunter zählen zum Beispiel Chemikalien, Baustoffe und Produkte wie Plastik oder Holz. Bei der anderen Kategorie handelt es sich um die temporären Quellen. Sie stammen häufig von Menschen, Tieren oder Mikroorganismen. Beide Quellen können in hoher Konzentration auf lange Sicht gesundheitseinschränkend für Menschen und Tiere sein. Deshalb sollten VOC erkannt und Maßnahmen zur Reduzierung eingeleitet werden. Zu den häufigsten VOC zählen z.B. Aceton, Isopren, Ethan und Pentan. VOC werden häufig auch im menschlichen Atem festgestellt. Dabei werden die VOC durch die Druckänderung im sogenannten Alveolarraum transportiert. Aus dem aktuellen Stand der Technik und aktuellen wissenschaftlichen Studien können z.B. mehr als 500 unterschiedliche VOC im menschlichen Atem festgestellt werden. Diese werden in positive und negative alveolare Gradienten unterschieden. A definition of VOC can, for example, be taken from one of the following standards: DIN EN ISO 16000-6, DIN EN ISO 13999-2 or VDI 4300-6. Further examples of VOCs are O-VOCs (oxidation-generated volatile organic compounds), T-VOCs (total volatile organic compounds) or TO-VOCs. The VOCs can be present in gaseous, liquid form, for example as an aqueous solution or as liquid organic, in particular water-containing solutions, in water, in particular in dirty water and wastewater, as gaseous clouds, as droplet-based clouds or as aerosols in air compounds. A distinction between the causes of VOCs can be made into two categories. The first category consists of the so-called permanent sources. These include, for example, chemicals, building materials and products such as plastic or wood. The other category is the temporary sources. They often come from humans, animals or microorganisms. In high concentrations, both sources can have long-term health problems for people and animals. Therefore, VOCs should be recognized and measures taken to reduce them. The most common VOCs include acetone, isoprene, ethane and pentane. VOCs are also often detected in human breath. The VOCs are transported by the pressure change in the so-called alveolar space. For example, based on the current state of the art and current scientific studies, more than 500 different VOCs can be detected in human breath. These are differentiated into positive and negative alveolar gradients.
Im Allgemeinen ist das Ziel, die VOC nach deren Auftreten schnell zu detektieren und zu reduzieren. In general, the goal is to quickly detect and reduce VOCs after they occur.
Viele Geruchsbestandteile sind VOC, etwa Kohlenwasserstoffe, z.B. Benzene, Toluene, Ethylbenzene, Furfural, O-xylene, Phenol, Dibutyl, O-cresol, M-cresol, Tert-butyl, 2-Nitrophenol, 4- ethylphenol, Naphthalene, 2-Nitrotoluene, T-carboxilic acids, Acetophenone, Nonanoic acid, Heptanoic acid, 2-butanol, Phenol, Heptylamine, Pyridine, Nitrobenzene, Naphthalene, 2-nitro- phenol, 1 -nitropropane, Decanoic acid, 10-undecylenic acid, Lauric acid, 2-nitrotoluene, Dibi- tylsulfide, TetrahydrofuramDecanoic acid, Halogenkohlenwasserstoffe, Methan, Alkohole, z.B. Ethanol und organische Säuren, z.B. Essigsäure. Sie kommen in fast allen bearbeiteten Gegenständen, Reinigungsmitteln und Kosmetika vor, werden von Lebewesen ausgeschieden und entstehen bei verschiedenen Prozessen, etwa der Zersetzung organischer Stoffe ohne Sauerstoff (Fäulnis). VOC können nicht nur unangenehme Gerüche auslösen, sondern auch die Gesundheit, das Wohlbefinden und die Leistungsfähigkeit beeinträchtigen. Umgekehrt bedeutet eine schadstofffreie Luft ein großes Plus an Lebensqualität und Gesundheit. Many odor components are VOC, such as hydrocarbons, e.g. benzene, toluene, ethylbenzene, furfural, O-xylene, phenol, dibutyl, O-cresol, M-cresol, tert-butyl, 2-nitrophenol, 4-ethylphenol, naphthalene, 2-nitrotoluene , T-carboxilic acids, Acetophenone, Nonanoic acid, Heptanoic acid, 2-butanol, Phenol, Heptylamine, Pyridine, Nitrobenzene, Naphthalene, 2-nitro-phenol, 1-nitropropane, Decanoic acid, 10-undecylenic acid, Lauric acid, 2 -nitrotoluenes, dibityl sulfides, tetrahydrofuram decanoic acid, halogenated hydrocarbons, methane, alcohols, e.g. ethanol and organic acids, e.g. acetic acid. They occur in almost all processed objects, cleaning products and cosmetics, are excreted by living beings and are formed during various processes, such as the decomposition of organic substances without oxygen (putrefaction). VOCs can not only cause unpleasant odors, but can also impair health, well-being and performance. Conversely, pollutant-free air means a big plus in terms of quality of life and health.
Primäre Emitter von VOC entstehen in der Kraftstoffverbrennung wie Kohle-, Gas-, und Öl Kraftwerke, aber auch im privaten Bereich von Heizungen und Boilern. Andere industrielle Prozesse mit VOC-Emission sind beispielsweise Mineralöl-Raffinerien, Chemie- und Metallproduzenten. Auch Straßenverkehrsmittel wie Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Busse und Motorräder stoßen schädlichen Stoffe aus. Weitere motorangetriebene Geräte in der Landwirtschaft oder auf Baustellen, Rasenmäher, Boote, Schiffe und Bahnen sind nur einige der weiteren möglichen Emitter von volatilen Stoffen. Bei all diesen Anwendungen und Prozessen werden während der Produktion der Stoffe Luftströme ausgestoßen. Dazu gehören konkret z.B. auch Industrieschornsteine, Lüftungen in Tiefgaragen, Lüftungen in Bahnen oder auch Module für Auspuffanlagen. Weitere Anwendungen finden sich z.B. in der E-Mobilität oder in einem Hausenergiespeicher von PV-Anlagen. Ebenfalls weitere Anwendungen bei denen z.B. unterschiedliche Kohlen-Wasser- stoffverbindungen / Luftgemische entstehen sind z.B. bei einem Thermal Runaway einer Lithium lonen-Batterie. Primary emitters of VOC arise in fuel combustion such as coal, gas and oil power plants, but also in private heating and boilers. Other industrial processes with VOC emissions include petroleum refineries, chemical and metal producers. Road transport such as cars, trucks, buses and motorcycles also emit harmful substances. Other motor-driven devices in agriculture or on construction sites, lawn mowers, boats, ships and trains are just some of the other possible emitters of volatile substances. In all of these applications and processes, air currents are emitted during the production of the materials. This specifically includes, for example, industrial chimneys, ventilation in underground car parks, ventilation in trains or even modules for exhaust systems. Further applications can be found, for example, in e-mobility or in home energy storage for PV systems. Other applications in which different carbon-hydrogen compounds/air mixtures are created include, for example, a thermal runaway of a lithium ion battery.
Ebenfalls gehört dazu auch der menschliche Atem, bei dem Luft aus den Lungen strömt. Hier sind dementsprechend weitere konkrete Anwendungen, z.B. ein Drogentest, sowie eine Analyse des Atemgases auf volatile Stoffe im Körper oder Aerosole, die auf ein bestimmtes Krankheitsoder Zustandsbild hinweisen denkbar. Weiter sind für die Gesundheit allgemein Anwendungen relevant, welche Kohlenmonoxid (CO) detektieren sowie Detektoren für u.a. Schwefelgas, Schimmel, Dämpfe, Parfüm, Reinigungsmittel und Chemikalien, die alle volatile Stoffe beinhalten und in gewissen Konzentrationen schädlich für den Menschen sind. This also includes human breathing, in which air flows from the lungs. Accordingly, other specific applications are conceivable here, e.g. a drug test, as well as an analysis of the breathing gas for volatile substances in the body or aerosols that indicate a specific illness or condition. Also relevant to health in general are applications that detect carbon monoxide (CO) as well as detectors for, among other things, sulfur gas, mold, vapors, perfume, cleaning agents and chemicals, all of which contain volatile substances and are harmful to humans in certain concentrations.
Weitere Organismen, die volatile Stoffe abgeben, sind Pflanzen. Sie verwenden die Stoffe, um untereinander zu kommunizieren. Eine mögliche Kommunikation kann die Warnung vor Fressfeinden oder Schädlingen sein. Eine gezielte Analyse und ein gezieltes Anlernen dieser Stoffe können gerade in der Biotechnologie und in der Landwirtschaft große Vorteile aufweisen z.B. zum Schutz der Ernte. Other organisms that release volatile substances are plants. They use the substances to communicate with each other. One possible communication could be warning of predators or pests. A targeted analysis and targeted training of these substances can have great advantages, especially in biotechnology and agriculture, for example to protect crops.
Unter Betrachtung des Klimaschutzes wird oftmals nur der Ausstoß von CO2 erwähnt. Viel klimaschädlicher ist jedoch Methan (CH4). Gerade in der Viehhaltung wird viel Methan ausgestoßen. Mit der Erkennung von Methan-Gas und der gezielten Zersetzung des Stoffes kann die Klima- Gefährdung durch Methan reduziert werden. When considering climate protection, only CO2 emissions are often mentioned. However, methane (CH4) is much more harmful to the climate. A lot of methane is emitted, especially in livestock farming. By detecting methane gas and systematically decomposing the substance, the climate threat posed by methane can be reduced.
Weitere Anwendungen können in der Medizintechnik auftreten, z.B. als Atemtester. Dabei wird über ein Ventil die Atemluft in einen Testbehälter gepustet. Dies dient zur gleichmäßigen Zuführung von Luft sowie die Analyse einer einheitlichen Menge an Luft. In dem Behälter werden mit Hilfe der angelernten Sensoren die VOC klassifiziert und dem Testleiter ausgegeben. Die Atemluft kann auch bzgl. Alkohol, Viren oder allgemeine Krankheiten analysiert werden, wenn die Daten angelernt wurden. Ein weiteres Anwendungsfeld liegt beispielsweise in der Diagnose von Long-Covid-Patienten, die ihren Geruchssinn verloren haben bzw. deren Geruchssinn nur eingeschränkt vorhanden ist. Mit Hilfe von unschädlichen organischen Stoffen kann der Geruchssinn des Patienten mit der empfindlichen elektronischen Nase verglichen werden, um den Genesungsgrad zu diagnostizieren. Durch die Möglichkeit des individuellen Anlernens von Gerüchen können elektronisch ermittelte Schwellwerte für die Empfindlichkeit des Geruchssinns definiert und wiederholt getestet werden, so dass damit der Genesungsgrad bestimmt werden kann. Auch kann eine Anwendung im Bereich Automotive primär in den Fahrerkabinen stattfinden. Die Luft innerhalb der Kabine ändert sich ständig und ist vermehrt VOC ausgesetzt. Wie bereits beschrieben. sind Menschen und Tiere ebenfalls Treiber von VOC. Die Luftqualität kann regelmäßig gemessen und es können geeignete Maßnahmen zur Verbesserung der Luft eingeleitet werden. Further applications can occur in medical technology, for example as a breath tester. The breathing air is blown into a test container via a valve. This is used to supply air evenly and to analyze a uniform amount of air. The VOCs are classified in the container with the help of the trained sensors and given to the test manager. The breathing air can also be analyzed for alcohol, viruses or general illnesses if the data has been trained. Another field of application is, for example, the diagnosis of Long Covid patients who have lost their sense of smell or whose sense of smell is only limited. Using harmless organic substances, the patient's sense of smell can be compared with the sensitive electronic nose to diagnose the level of recovery. Thanks to the possibility of individually learning smells, electronically determined threshold values for the sensitivity of the sense of smell can be defined and tested repeatedly so that the degree of recovery can be determined. An application in the automotive sector can also take place primarily in the driver's cab. The air within the cabin is constantly changing and is increasingly exposed to VOCs. As already described. People and animals are also drivers of VOCs. Air quality can be measured regularly and appropriate measures can be taken to improve the air.
Eine weitere Einsatzmöglichkeit im Bereich Automotive ist z.B. das Auspuffmodul. Bei Kraftfahr- zeugen/Nutzfahrzeugen mit Verbrennungsmotor werden aufgrund der Explosionen/Verbrennung von Benzin und Diesel stetig Abgase ausgestoßen. Diese Abgase (Stickoxide, Kohlenstoffdioxide) können in besser verträgliche volatile Stoffe zersetzt werden. Another possible application in the automotive sector is, for example, the exhaust module. Motor vehicles/commercial vehicles with combustion engines constantly emit exhaust gases due to the explosions/combustion of gasoline and diesel. These exhaust gases (nitrogen oxides, carbon dioxide) can be broken down into more tolerable volatile substances.
Neben den bereits genannten Anwendungsgebieten, lassen sich auch in der Industrie Einsatzbeispiele finden. In addition to the areas of application already mentioned, examples of use can also be found in industry.
Dieselben Abgase, die direkt vom Auto ausgestoßen werden, hinterlassen in Tiefgaragen Rückstände. Mit den richtigen Lüftungsanlagen können die VOC nicht nur nach außen geführt, sondern auch bereinigt werden, damit keine schädlichen Stoffe nach außen kommen. Der Aufbau der Lüftungsanlagen könnte einen zentralen Auffangbehälter besitzen, in dem die schädliche Luft gereinigt wird. Bei der Herstellung diverser Produkte werden über Lüftungssysteme der Werke Abfallstoffe oder Abgase der Produktion über Industrieschornsteine in den Außenbereich abgegeben. Diese Stoffe können oft auch durch einen dort bestehenden Geruch wahrgenommen werden. Ein Modul, dass in den Industrieschornsteinen verbaut ist, die Stoffe erkennt und gezielt zersetzt, könnte die schädlichen Substanzen und Gerüche eliminieren. Im Schornstein können nach oben hin mehrere der Module eingebaut werden, sodass kein Behälter notwendig ist, wobei die Reinigung jedoch gewährleistet ist. The same exhaust gases that are emitted directly from cars leave residues in underground car parks. With the right ventilation systems, the VOCs can not only be directed outside, but also cleaned up so that no harmful substances escape to the outside. The ventilation system structure could have a central collecting container in which the harmful air is cleaned. During the manufacture of various products, waste materials or exhaust gases from production are released into the outdoor area via industrial chimneys via the factories' ventilation systems. These substances can often also be detected by an odor that exists there. A module that is installed in industrial chimneys that detects and specifically decomposes the substances could eliminate the harmful substances and odors. Several of the modules can be installed towards the top of the chimney, so that no container is necessary, but cleaning is guaranteed.
In der Industriebranche kann die Apparatur ihren Einsatz in großen Lüftungsanlagen finden. Die Anlagen sind in der Regel so konzipiert, dass sie die Luft aus den Räumen einsaugen, filtern und wieder in den Raum abgeben. Die Apparatur würde sich in den Filtermechanismus bzw. Filterprozess eingliedern und die vorkommenden VOCs in der Luft vernichten. Anschließend wird die gereinigte Luft wieder in den Luftzyklus eingespeist. In the industrial sector, the device can be used in large ventilation systems. The systems are usually designed in such a way that they suck in the air from the rooms, filter it and release it back into the room. The device would be integrated into the filter mechanism or filter process and destroy the VOCs present in the air. The cleaned air is then fed back into the air cycle.
Unter einer anderen Substanz ist im Rahmen dieser Anmeldung ein Stoff oder ein Stoffgemisch zu verstehen, welcher oder welches kein VOC aufweist. Beispiele für andere Substanzen sind VNCs (Volatile Nitrogen Compounds), VSCs (Volatile Sulfur Compounds), VIC (Volatile Inorganic Compounds), Halogene HOX, Schwefelhaltige Verbindungen oder Sauerstoffverbindungen. Die anderen Substanzen können auch bei verschiedenen Vorgängen entstehen, insbesondere bei chemischen Vorgängen, wie z.B. bei Vorgängen mit Oxidationsprodukten mit unedlen und halbedlen Metallen, Aktivitätsabhängige Schwefel Oxidation, Säure-gestützte Metallauflösung (Solubilisation), Säureabhängige Oxidationsprozesse, Säurebasierende Partitionierung von Säuren und Basen, Halogen Aktivierung, Aktivitätspuffer für schwache Säuren, Aktivitätsabhängige Hydration. Es kann sich bei der anderen Substanz um einen beliebigen Stoff, z.B. um einen festen, flüssigen, gasförmigen und/oder chemischen Stoff, bevorzugt um einen gasförmigen Stoff oder um ein gasförmiges Stoffgemisch handeln. Beispielsweise kann es sich aber auch um eine wässrige Lösung, eine flüssige organische insbesondere wasserhaltige Lösung, Wasser, insbesondere Schmutzwasser und Abwasser, gasförmige Wolken, Tröpfchen basierende Wolken, Aerosole oder um Luftverbindungen handeln. In the context of this application, another substance is understood to mean a substance or a mixture of substances which has no VOC. Examples of other substances are VNCs (Volatile Nitrogen Compounds), VSCs (Volatile Sulfur Compounds), VIC (Volatile Inorganic Compounds), halogens HOX, sulfur-containing compounds or oxygen compounds. The other substances can also arise from various processes, in particular chemical processes, such as processes with oxidation products with base and semi-precious metals, activity-dependent sulfur oxidation, acid-assisted metal dissolution (solubilization), acid-dependent oxidation processes, acid-based partitioning of acids and bases, halogen activation, activity buffer for weak acids, activity-dependent hydration. The other substance can be any substance, for example a solid, liquid, gaseous and/or chemical substance, preferably a gaseous substance or a gaseous mixture of substances. For example, it can also be an aqueous solution, a liquid organic solution, in particular a water-containing solution, water, in particular dirty water and wastewater, gaseous clouds, droplet-based clouds, aerosols or air compounds.
Beispielsweise ist in der WO 2015/037003 A1 ein Verfahren zum Vergleichen von Gerüchen offenbart. Proben von Geruchsquellen werden detektiert und für jede Geruchsquelle wird ein jeweiliger Primärvektor gebildet. Für jede Quelle wird dann ein Quellenvektor konstruiert, indem die Primärvektoren der jeweils detektierten Primärgeruchsstoffe aufsummiert werden. Der Vergleich zwischen den Gerüchen wird erreicht, indem ein Winkel zwischen den Quellenvektoren bestimmt wird, der dann ausgegeben werden kann. For example, a method for comparing smells is disclosed in WO 2015/037003 A1. Samples of odor sources are detected and a respective primary vector is formed for each odor source. A source vector is then constructed for each source by summing up the primary vectors of the primary odorants detected. The comparison between the smells is achieved by determining an angle between the source vectors, which can then be output.
In Dokument US 2020/0256793 A1 ist ein Detektionssystem für eine elektronische Nase offenbart, das in der Lage ist, eine Reihe von Verbindungen zu detektieren und zu identifizieren, die in einer gasförmigen Probe gefunden werden können. Das Detektionssystem weist eine Vielzahl von Kreuzreaktivitäts-Detektionssensoren zum Liefern von Signalen auf, die das Vorhandensein einer oder mehrerer Verbindungen in der gasförmigen Probe darstellen. Mindestens ein Referenzsensor ist zur Messung eines darstellenden Signals vorgesehen und umfasst das Rauschen des Erkennungssystems. In document US 2020/0256793 A1 an electronic nose detection system is disclosed that is capable of detecting and identifying a range of compounds that can be found in a gaseous sample. The detection system includes a plurality of cross-reactivity detection sensors for providing signals representative of the presence of one or more compounds in the gaseous sample. At least one reference sensor is provided for measuring a representative signal and includes the noise of the detection system.
In der DE 34 22 053 A1 ist ein Verfahren zur quantitativen und/oder qualitativen Erfassung von Aerosolen offenbart, wobei das zu untersuchende Aerosol chemisch verändert wird und die chemische Veränderung der Oberfläche der Schwebeteilchen des Aerosols durch Messung der Pho- toelektronen-Emission der Schwebeteilchen erfasst wird, indem das Aerosol mit ultravioletter oder Röntgenstrahlung bestrahlt wird. Eine so entsprechend herbeigeführte Veränderung der photoelektrischen Aktivität der Schwebeteilchen ist charakteristisch für die chemische Beschaffenheit der Teilchenoberfläche und kann somit zur Analyse des Aerosols verwendet werden. DE 34 22 053 A1 discloses a method for the quantitative and/or qualitative detection of aerosols, wherein the aerosol to be examined is chemically changed and the chemical change in the surface of the suspended particles of the aerosol is recorded by measuring the photoelectron emission of the suspended particles by irradiating the aerosol with ultraviolet or X-rays. A change in the photoelectric activity of the suspended particles brought about in this way is characteristic of the chemical nature of the particle surface and can therefore be used to analyze the aerosol.
Die US 5,055,266 A offenbart ein Verfahren zur Detektion von Gas, Dampf, chemischen Verunreinigungen und anderen Komponenten in einem gasförmigen Medium, wobei mittels eines Heizelements und einer dem Gas ausgesetzten Metallplatte die Verunreinigungen chemisch verändert werden, sodass eine charakteristische elektrochemische Aktivität gemessen werden kann. Mit einem Heizdraht und einer katalytischen Oberfläche aus einem Metall wird eine chemische Änderung z.B. der Verunreinigung erzielt und mit einem elektrochemischen Sensor, der auf die chemische Änderung reagiert, ein entsprechendes Signal bereitgestellt. US 5,055,266 A discloses a method for detecting gas, steam, chemical contaminants and other components in a gaseous medium, using a heating element and a metal plate exposed to the gas to chemically change the contaminants so that a characteristic electrochemical activity can be measured. With a heating wire and a catalytic surface made of a metal, a chemical change, for example in the impurity, is achieved and a corresponding signal is provided with an electrochemical sensor that reacts to the chemical change.
Die GB 1 286 182 A offenbart ein Verfahren zur Gasanalyse einer flüchtigen Substanz, wobei eine erste Komponente bereitgestellt wird, welche die Substanz enthält, sowie eine zweite Komponente bereitgestellt wird, welche eine andere Substanz enthält, die mit der flüchtigen ersten Substanz reagiert, sodass wenigstens eine der Substanzen aktiviert wird. Bei der Aktivierung werden aktivierte Ionen erzeugt, welche anschließend gemessen werden können. Anhand des Stroms der aktivierten Ionen kann dann auf die Menge der flüchtigen Substanz geschlossen werden. GB 1 286 182 A discloses a method for gas analysis of a volatile substance, wherein a first component is provided which contains the substance and a second component is provided which contains another substance which reacts with the volatile first substance, so that at least one of the substances is activated. During activation, activated ions are generated, which can then be measured. The amount of volatile substance can then be determined based on the current of the activated ions.
Die US 2016/0334381 A1 offenbart ein Gerät zur Messung von Konzentrationen flüchtiger organischer Verbindungen (VOC), wobei in einer Probenkammer eine lonisationsquelle die VOC ionisiert. In einer ionischen Flüssigkeitsfalle werden die ionisierten VOC eingefangen und mit einem chemischen Sensor in der ionischen Flüssigkeitsfalle detektiert. Um die ionische Flüssigkeitsfalle zu unterstützen, kann ein Temperatursensor und eine Temperatursteuerung vorgesehen sein, welche das Einfangen der ionisierten VOC anhand der Temperatur unterstützt. The US 2016/0334381 A1 discloses a device for measuring concentrations of volatile organic compounds (VOC), with an ionization source ionizing the VOC in a sample chamber. The ionized VOCs are captured in an ionic liquid trap and detected with a chemical sensor in the ionic liquid trap. To assist with the ionic liquid trap, a temperature sensor and temperature controller may be provided that assists in trapping the ionized VOC based on temperature.
Zusammenfassung der Erfindung Summary of the invention
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine schnelle, effiziente und vereinfachte Analyse zur Bestimmung, Unterscheidung und/oder Beeinflussung von VOC oder einer anderen Substanz zu ermöglichen. Based on this prior art, the present invention is based on the object of enabling a quick, efficient and simplified analysis for determining, distinguishing and/or influencing VOCs or another substance.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Bestimmung, Unterscheidung und/oder Beeinflussung wenigstens eines VOC oder wenigstens einer anderen Substanz mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, durch eine Apparatur mit den Merkmalen des Anspruchs 21 sowie durch ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des Anspruchs 23. This object is achieved by a method for determining, distinguishing and/or influencing at least one VOC or at least one other substance with the features of claim 1, by an apparatus with the features of claim 21 and by a computer program product with the features of claim 23.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und durch Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden. Vorliegend wurde die grundlegende Funktion einer biologischen Nase, z.B. einer Säugetiernase unter anderem in eine elektronische Schaltung sowie in zusätzliche periphere Funktionen transformiert. Z.B. gelangen bei Säugetieren Moleküle durch die Schleimhäute in den Körper und erzeugen eine Reaktion. Mit einer elektronischen Nase kann dieser Prozess technisch nachgestellt werden. Bei einer hohen Konzentration entsteht in der biologischen Nase ein Aktionspotential der Riechzelle. Dies sind elektrische Impulse, die von den Nervenfasern weitergeleitet werden. Z.B. gibt es in der menschlichen Nase Rezeptoren, die auf 350 Duftmolekülgruppen reagieren. Vorteilhaft findet keine Alterung der Sensorik statt. Das System ist vorteilhaft dauerhaft voll funktionsfähig. Advantageous further training is the subject of the dependent patent claims. The features listed individually in the patent claims can be combined with one another in a technologically sensible manner and can be supplemented by explanatory facts from the description and by details from the figures, with further embodiment variants of the invention being shown. In the present case, the basic function of a biological nose, for example a mammalian nose, was transformed into, among other things, an electronic circuit and additional peripheral functions. For example, in mammals, molecules enter the body through the mucous membranes and produce a reaction. This process can be technically recreated using an electronic nose. At a high concentration, an action potential of the olfactory cell arises in the biological nose. These are electrical impulses that are transmitted by nerve fibers. For example, there are receptors in the human nose that respond to 350 groups of scent molecules. Advantageously, there is no aging of the sensors. The system is advantageously fully functional over the long term.
Das Verfahren, die Apparatur und das Computerprogrammprodukt erweitern die Duftmolekülgruppen bevorzugt auf alle vorkommenden VOC oder der anderen Substanz. Die Riechschleimhäute des Menschen haben z.B. 10-30 Mio. Riechsinneszellen. Ein Hund hat zum Beispiel 250 Mio. Riechsinneszellen. Z.B. hat die Apparatur unter anderem die Eigenschaft eines erweiterten Dynamikbereich und Detektionsbereich von VOC im Vergleich zu Tieren. Gemäß der Funktion eines Spürhundes kann der VOC oder die andere Substanz angelernt werden, um diesen danach wieder detektieren zu können. Zum Vergleich dient ein Drogenspürhund, dem der Geruch ebenfalls angelernt werden muss. The method, the apparatus and the computer program product preferably expand the scent molecule groups to all occurring VOCs or other substances. The human olfactory mucous membranes, for example, have 10-30 million olfactory sensory cells. A dog, for example, has 250 million olfactory sensory cells. For example, the apparatus has, among other things, the property of an extended dynamic range and detection range of VOCs compared to animals. According to the function of a detection dog, the VOC or other substance can be trained in order to be able to detect it again afterwards. For comparison, a drug detection dog is used, which also has to be trained to smell.
Das Verfahren zur Bestimmung, Unterscheidung und/oder Beeinflussung wenigstens eines VOC oder wenigstens einer anderen Substanz weist wenigstens die folgenden Schritte auf: The method for determining, distinguishing and/or influencing at least one VOC or at least one other substance has at least the following steps:
- Messung wenigstens eines Veränderungsprozesses des VOC oder der anderen Substanz, wobei der Veränderungsprozess durch wenigstens eine Anregung des VOC oder der anderen Substanz induziert und/oder gesteuert wird und wobei durch die Anregung des VOC oder der anderen Substanz der molekulare Zustand, die elektrischen, physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften des VOC oder der anderen Substanz beeinflusst werden und/oder wenigstens ein Zwischenprodukt des VOC oder der anderen Substanz erzeugt wird, - Measurement of at least one change process of the VOC or the other substance, the change process being induced and/or controlled by at least one excitation of the VOC or the other substance and the molecular state, the electrical, physical state being determined by the excitation of the VOC or the other substance and/or chemical properties of the VOC or the other substance are influenced and/or at least one intermediate product of the VOC or the other substance is produced,
- Bereitstellung wenigstens einer Referenz, - Providing at least one reference,
- Vergleich des gemessenen Veränderungsprozesses des VOC oder der anderen Substanz mit der Referenz, wobei die Referenz durch ein Anlernen und/oder als digitaler Zwilling bereitgestellt wird. - Comparison of the measured change process of the VOC or other substance with the reference, the reference being provided through training and/or as a digital twin.
In dem Verfahren wird wenigstens eine Messung wenigstens eines Veränderungsprozesses des wenigstens einen VOC oder der anderen Substanz durchgeführt. In the method, at least one measurement of at least one change process of the at least one VOC or the other substance is carried out.
Der wenigstens eine Veränderungsprozess wird jeweils durch wenigstens eine Anregung des VOC oder der anderen Substanz induziert und/oder gesteuert, wodurch vorteilhaft die Genauigkeit der Messung des Veränderungsprozesses erhöht wird. Durch die Anregung des VOC oder der anderen Substanz werden der molekulare Zustand, die elektrischen, z.B. eine Veränderung der Impedanz, physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften des VOC oder der anderen Substanz beeinflusst und/oder es wird wenigstens ein kurzlebiges Zwischenprodukt des VOC cyder der anderen Substanz erzeugt. Die während des Veränderungsprozesses aufgenommenen Daten sind charakteristisch für das VOC oder die andere Substanz. Dadurch kann beispielsweise bereits eine Unterscheidung von zwei unbekannten VOC erfolgen. Vorteilhaft wird so eine schnelle, effiziente vereinfachte Analyse zur Bestimmung, Unterscheidung und/oder Beeinflussung des VOC oder der anderen Substanz erreicht. The at least one change process is induced and/or controlled by at least one excitation of the VOC or the other substance, which advantageously increases the accuracy of the measurement of the change process. By stimulating the VOC or of the other substance, the molecular state, the electrical, for example a change in impedance, physical and/or chemical properties of the VOC or the other substance are influenced and/or at least a short-lived intermediate product of the VOC cyder of the other substance is produced. The data recorded during the change process is characteristic of the VOC or other substance. This means, for example, that two unknown VOCs can be differentiated. This advantageously results in a quick, efficient, simplified analysis for determining, distinguishing and/or influencing the VOC or the other substance.
Die Messung des Veränderungsprozesses kann bevorzugt auch als eine Referenz des VOC cyder der anderen Substanz gegenüber anderen Messungen verwendet werden. Die Referenz des VOC oder der anderen Substanz kann bevorzugt durch wenigstens eine oder mehrere Messungen angelernt werden. The measurement of the change process can preferably also be used as a reference of the VOC cyder of the other substance compared to other measurements. The reference of the VOC or the other substance can preferably be learned by at least one or more measurements.
Durch die Anregung wird der molekulare Zustand, die elektrischen, z.B. die Impedanz, physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften des VOC oder der anderen Substanz verändert. Die Veränderung kann für eine gewisse Zeitspanne aber auch dauerhaft erfolgen. So ist es beispielsweise vorteilhaft möglich, bestimmte (unerwünschte) VOC oder andere Substanzen gezielt zu beeinflussen und umzuwandeln. Durch die Anregung findet eine Formation des VOC oder der anderen Substanz statt, indem z.B. eine ganz spezifische charakteristische Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit des VOC oder der anderen Substanz ausgelöst wird. Ursache dafür ist das lonisationsverhalten der unterschiedlichen VOC oder der anderen Substanz. Die Anregung hat vorteilhaft z.B. die Eigenschaft, die molekulare Kinetik zu beschleunigen und damit den Zerfalls- bzw. den Veränderungsprozess des VOC oder der anderen Substanz zu beschleunigen. Die im Veränderungsprozess entstehenden Zwischenprodukte des VOC oder der anderen Substanz sind damit auch kurzlebiger. The excitation changes the molecular state, the electrical, e.g. the impedance, physical and/or chemical properties of the VOC or the other substance. The change can occur for a certain period of time or permanently. For example, it is advantageously possible to specifically influence and convert certain (undesirable) VOCs or other substances. The excitation causes the VOC or the other substance to form, for example by triggering a very specific, characteristic change in the electrical conductivity of the VOC or the other substance. The reason for this is the ionization behavior of the different VOCs or the other substance. The excitation advantageously has, for example, the property of accelerating the molecular kinetics and thus accelerating the decay or change process of the VOC or the other substance. The intermediate products of VOC or other substances that arise during the change process are therefore also shorter-lived.
Unter einem Veränderungsprozess ist im Rahmen der Anmeldung zu verstehen, dass etwas mit dem VOC oder der anderen Substanz durch eine Anregung geschieht, sich beispielsweise dessen molekularer Zustand, die elektrischen, physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften ändern, und/oder ein kurzlebiges Zwischenprodukt des VOC oder der anderen Substanz während des Veränderungsprozesses erzeugt wird. Durch die Anregung wird der Veränderungsprozess des VOC oder der anderen Substanz im Wesentlichen induziert. Beispielsweise kann sich die molekulare Struktur des VOC oder der anderen Substanz während des Veränderungsprozesses ändern, indem das VOC oder die andere Substanz z.B. in ein Zwischenprodukt umgewandelt wird, welches nach einer gewissen Zeitspanne zerfällt. Die Zerfallsdauer kann beispielsweise verwendet werden, um das entsprechende VOC oder die andere Substanz zu charakterisieren. Der Veränderungsprozess ist im Allgemeinen kein statischer Prozess, sondern ein dynamischer Prozess, der sich über eine gewisse Zeitspanne erstreckt. Es werden bei dem Veränderungsprozess somit nicht nur lediglich ein oder mehrere Messpunkte aufgenommen, sondern es findet eine z.B. zeitliche Entwicklung des Messpunkts oder der Messpunkte bzw. -großen statt, die aufgezeichnet wird. Beispielsweise können als Größen neben dem VOC-Signal, die Temperatur, der Druck, der CO2-Gehalt, die Luftfeuchtigkeit, der Luftdruck aufgezeichnet werden. In the context of the application, a change process is understood to mean that something happens to the VOC or the other substance as a result of a stimulus, for example its molecular state, the electrical, physical and/or chemical properties change, and/or a short-lived intermediate product of the VOC or the other substance is created during the change process. The excitation essentially induces the change process of the VOC or other substance. For example, the molecular structure of the VOC or other substance can change during the change process, for example by converting the VOC or other substance into an intermediate product which decomposes after a certain period of time. For example, the decay time can be used to characterize the corresponding VOC or other substance. The change process is generally not a static process, but a dynamic process that extends over a certain period of time. During the change process, not only one or more measuring points are recorded, but a temporal development of the measuring point or measuring points or sizes takes place, which is recorded. For example, in addition to the VOC signal, the temperature, pressure, CO2 content, air humidity and air pressure can be recorded.
Unter anderem bestimmt die Menge der Strahlungsenergie z.B. einer UV-LED und/oder die Temperatur die Reaktion, die Reaktionsgeschwindigkeit und wie die Moleküle aufgebrochen werden gemäß der Planck-Einstein-Relation. Bzgl. VOC sind typische kurzlebige Zwischenprodukte z.B. Kohlenwasserstoffmoleküle bzw. -Verbindungen, Wasserstoff-Sauerstoffmoleküle bzw. -Verbindungen und freie Radikale. Z.B. werden freie Elektronen, die sich von Sauerstoffmolekülen trennen, dadurch zu einem instabilen Molekül. Weitere Zwischenprodukte im Photokatalyseprozess sind z.B. Wasserstoffperoxid (H2O2) und negativ geladene Sauerstoffmoleküle (O2-). Diese instabilen Moleküle bezeichnet man auch als kurzlebige Zwischenprodukte. Wenn beispielweise eine kontinuierliche Dekomposition von organischen Stoffen stattfindet, z.B. mit Hilfe eines Katalysators oder zugeführter Strahlungsenergie, kann von kurzlebigen Zwischenprodukten während der Umwandlung gesprochen werden. Die Umwandlung findet dabei in Bruchteilen von Sekunden statt. Among other things, the amount of radiation energy, for example from a UV LED, and/or the temperature determines the reaction, the reaction rate and how the molecules are broken up according to the Planck-Einstein relation. With regard to VOC, typical short-lived intermediate products are, for example, hydrocarbon molecules or compounds, hydrogen-oxygen molecules or compounds and free radicals. For example, free electrons that separate from oxygen molecules become an unstable molecule. Other intermediate products in the photocatalysis process include hydrogen peroxide (H2O2) and negatively charged oxygen molecules (O2-). These unstable molecules are also known as short-lived intermediates. If, for example, a continuous decomposition of organic substances takes place, e.g. with the help of a catalyst or supplied radiation energy, one can speak of short-lived intermediate products during the conversion. The conversion takes place in fractions of a second.
Es wird dabei wenigstens eine Referenz bereitgestellt. Als Referenz kann beispielsweise wenigstens ein vorher bereits gemessener und/oder abgespeicherter Veränderungsprozess oder wenigstens eine weitere Messung eines Veränderungsprozesses eines bekannten oder unbekannten VOC oder einer bekannten oder unbekannten anderen Substanz verwendet werden. Die Referenz kann beispielsweise als ein Datensatz, eine Kurve und/oder ein Graph vorliegen. Auch ist es möglich, dass die Referenz in einer Datenbank abgelegt ist. At least one reference is provided. For example, at least one previously measured and/or stored change process or at least one further measurement of a change process of a known or unknown VOC or a known or unknown other substance can be used as a reference. The reference can be present, for example, as a data set, a curve and/or a graph. It is also possible that the reference is stored in a database.
Bevorzugt arbeitet das Verfahren mit einer Oxidations- und/oder Reduktionsreaktion, wobei verwendete Sensoren Zwischenprodukte und/oder chemische Phasenübergänge während der chemischen Umwandlung beobachten. Die Oxidation kann z.B. mit Hilfe wenigstens einer Strahlungsquelle, z.B. eines UV-Lichtes und die Reduktionsreaktion z.B. mit Hilfe eines Katalysators stattfinden. Durch eine bevorzugte Steuerung dieser Reaktionen reduziert sich die Mess- und Analysezeit vorteilhaft auf ein Minimum. Weiter bevorzugt werden die reaktionsfreudigen Stoffe im Umwandlungsprozess (molekulare Veränderung) beobachtet und die Phasenübergänge überwacht. Bevorzugt kann durch einen erzwungenen Luftstrom der Oxidationsprozess und/oder der Katalyseprozess kontinuierlich stattfinden, sodass die kurzlebigen Zwischenprodukte von der Luftstromgeschwindigkeit abhängig sind. Beispielsweise können mit UV-Anregesignalen und bei den Phasenübergängen im Oxidationsprozess und/oder im Katalyseprozess und der damit verbundenen Gasformation positiv geladene Ionen entstehen. In elektronegativen Gasen spielen für gewöhnlich die negativ geladenen Ionen eine typischerweise untergeordnete Rolle. Die Anregung und/oder die Anregemechanismen dagegen sorgen vorteilhaft dafür, dass sowohl negativ geladene als auch elektropositive Gase formatiert werden können, wie z.B. N2 und Ar. Weiter vorteilhaft können weitere Bestandteile der Luft verändert und detektiert werden, wie z.B. auch Spurengase. Weiter bevorzugt können Spurengase und langkettige/komplexe Kohlenwasserstoff-Verbindungen detektiert und differenziert werden. Dadurch können vorteilhaft sog. „Biomarker“ der VOC-Luftgemische festgestellt werden. The method preferably works with an oxidation and/or reduction reaction, with sensors used observing intermediate products and/or chemical phase transitions during the chemical conversion. The oxidation can take place, for example, with the help of at least one radiation source, for example UV light, and the reduction reaction can take place, for example, with the help of a catalyst. By preferentially controlling these reactions, the measurement and analysis time is advantageously reduced to a minimum. More preferably, the reactive substances are observed in the conversion process (molecular change) and the phase transitions are monitored. Preferably, the oxidation process and/or the catalysis process can take place continuously by means of a forced air flow, so that the short-lived intermediate products are dependent on the air flow speed. For example, positively charged ions can be created with UV excitation signals and during phase transitions in the oxidation process and/or in the catalysis process and the associated gas formation. In electronegative gases, the negatively charged ions typically play a minor role. The excitation and/or the excitation mechanisms, on the other hand, advantageously ensure that both negatively charged and electropositive gases can be formatted, such as N2 and Ar. More advantageously, other components of the air can be changed and detected, such as trace gases. More preferably, trace gases and long-chain/complex hydrocarbon compounds can be detected and differentiated. This makes it possible to advantageously determine so-called “biomarkers” of the VOC-air mixtures.
Bevorzugt steuert das Verfahren die molekulare Umwandlung und erkennt die Umwandlung von kleinsten Mengen, wozu die biologische Nase größere Mengen benötigen würde. Somit wird vorteilhaft eine sehr hohe Selektivität für unterschiedliche VOC oder andere Substanzen erreicht. The method preferably controls the molecular conversion and detects the conversion of the smallest amounts, for which the biological nose would require larger amounts. This advantageously achieves a very high selectivity for different VOCs or other substances.
Für das Anlernen können bevorzugt eine PCA-Analyse und Data Mining mit Neuronalen Netzen verwendet werden. PCA analysis and data mining with neural networks can preferably be used for training.
Danach findet ein Vergleich des gemessenen Veränderungsprozesses des VOC oder der anderen Substanz aus der Messung mit dem Veränderungsprozess des bekannten VOC oder der anderen Substanz aus der Referenz statt. Beispielsweise erhält man aus der Referenz und dem gemessenen Veränderungsprozess des VOC oder der anderen Substanz verschiedene Daten anhand derer ein Vergleich abgeleitet wird. Beispielsweise kann zunächst ein VOC gemessen werden und im Anschluss oder zeitgleich ein zweiter VOC als Referenz. Durch das Vergleichen der Veränderungsprozesse kann z.B. ausgesagt werden, ob es sich bei zwei unbekannten VOC um denselben Stoff handelt oder nicht. Ist ein VOC bekannt und das andere VOC unbekannt, kann das unbekannte VOC gegebenenfalls dem bekannten VOC entsprechend zugeordnet und bestimmt werden. Der Vergleichs- und/oder Bestimmungsprozess des VOC oder der anderen Substanz kann z.B. über eine Vektoranalyse erfolgen, welche von einer Vergleichs- und/oder Recheneinheit z.B. von einem Microcontroller erledigt werden kann. Beispielsweise kann jedes VOC als ein Vektor innerhalb eines Raums dargestellt werden, welcher verschiedene Informationen über die Messung enthält. Bei den Informationen kann es sich um verschiedene Parameter handeln, wie z.B. VOC-Signal, Temperatur, Druck, Luftfeuchtigkeit und/oder CO2-Gehalt. Anhand eines Vergleichs zweier Vektoren können die VOC oder die anderen Substanzen unterschieden bzw. bestimmt werden. The measured change process of the VOC or the other substance from the measurement is then compared with the change process of the known VOC or the other substance from the reference. For example, various data are obtained from the reference and the measured change process of the VOC or other substance, which can be used to derive a comparison. For example, one VOC can be measured first and then or at the same time a second VOC as a reference. By comparing the change processes, it can be stated, for example, whether two unknown VOCs are the same substance or not. If one VOC is known and the other VOC is unknown, the unknown VOC can, if necessary, be assigned and determined accordingly to the known VOC. The comparison and/or determination process of the VOC or the other substance can be carried out, for example, via a vector analysis, which can be carried out by a comparison and/or computing unit, for example by a microcontroller. For example, each VOC can be represented as a vector within a space containing various information about the measurement. The information can be various parameters, such as VOC signal, temperature, pressure, humidity and/or CO2 content. By comparing two vectors, the VOC or other substances can be distinguished or determined.
Weiterwird die Referenz durch ein Anlernen und/oder als digitaler Zwilling bereitgestellt Das Anlernen kann durch wenigstens eine Messung erfolgen. Der Veränderungsprozess wird bei dem Anlernen vorzugsweise durch entsprechende Sensoren aufgezeichnet. Möglich ist jedoch auch, dass der angelernte Datensatz mit entsprechenden Daten bereits vorliegt. The reference is also provided through training and/or as a digital twin The learning can take place through at least one measurement. During training, the change process is preferably recorded by appropriate sensors. However, it is also possible that the trained data record with the corresponding data already exists.
Das Anlernen kann beispielsweise auf dieselbe Weise durchgeführt werden wie die Messung des Veränderungsprozesses des VOC oder der anderen Substanz, wobei das Anlernen bevorzugt im Rahmen von Machine Learning erfolgen kann. Beispielsweise können Messkurven zum späteren Vergleich von Referenzwerten und Messwerten eines Messobjekts angelernt werden. Der digitale Zwilling entspricht einem elektronischen Abbild der Referenz mit deren elektrischen, physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften und kann verwendet werden, um den Veränderungsprozess zu beschreiben. Prinzipiell kann auch aus der Messung des Veränderungsprozesses des VOC oder der anderen Substanz ein digitaler Zwilling für das VOC oder die andere Substanz erstellt werden. Beispielsweise erfolgen zunächst eine oder mehrere Messungen des VOC, dessen Messdaten im Anschluss als digitaler Zwilling, z.B. als ein Datensatz in einer Datenbank, abgespeichert werden. Bevorzugt kann eine Analyse und/oder Aufbereitung der Messdaten erfolgen. Vorteilhaft werden dadurch die VOC-, Analyse- und Diagnosesysteme beschleunigt und vereinfacht. Weiter vorteilhaft für eine bequeme Bereitstellung der Referenz und für einen einfachen Vergleich der des gemessenen Veränderungsprozesses des VOC oder der anderen Substanz mit der Referenz kann der digitale Zwilling z.B. auch für mehrere Messungen verwendet werden, indem eine entsprechende Datei oder ein entsprechender Datensatz des Zwillings erstellt wird. Auch ist es vorteilhaft möglich, den digitalen Zwilling zu erweitern, indem beispielsweise weitere elektrische, physikalische und/oder chemische Eigenschaften auch während des Veränderungsprozesses dem digitalen Zwilling hinzugefügt werden. The training can, for example, be carried out in the same way as measuring the change process of the VOC or the other substance, whereby the training can preferably be carried out within the framework of machine learning. For example, measurement curves can be trained for later comparison of reference values and measured values of a measurement object. The digital twin corresponds to an electronic image of the reference with its electrical, physical and/or chemical properties and can be used to describe the change process. In principle, a digital twin for the VOC or the other substance can also be created from measuring the change process of the VOC or the other substance. For example, one or more measurements of the VOC are first carried out, the measurement data of which are then saved as a digital twin, e.g. as a data record in a database. An analysis and/or processing of the measurement data can preferably take place. This advantageously accelerates and simplifies the VOC, analysis and diagnostic systems. Further advantageous for a convenient provision of the reference and for a simple comparison of the measured change process of the VOC or the other substance with the reference, the digital twin can also be used, for example, for several measurements by creating a corresponding file or a corresponding data set of the twin . It is also advantageously possible to expand the digital twin, for example by adding further electrical, physical and/or chemical properties to the digital twin during the change process.
Grundsätzlich muss ein VOC oder ein VOC-Gemisch oder eine andere Substanz nicht bekannt sein. Durch das Anlernen des VOC oder des VOC-Gemisches oder der anderen Substanz kann dem VOC oder dem VOC-Gemisch oder der anderen Substanz ein Datensatz beispielsweise als digitaler Zwilling zugeordnet werden. Dieser Datensatz (z.B. digitaler Zwilling) ist quasi ein Referenzdatensatz, der dem VOC oder dem VOC-Gemisch oder der anderen Substanz zugeordnet wird und später mit einerweiteren Messung verglichen werden kann. In principle, a VOC or a VOC mixture or another substance does not have to be known. By learning the VOC or the VOC mixture or the other substance, a data set can be assigned to the VOC or the VOC mixture or the other substance, for example as a digital twin. This data set (e.g. digital twin) is essentially a reference data set that is assigned to the VOC or the VOC mixture or the other substance and can later be compared with another measurement.
Bevorzugt handelt es sich bei der anderen Substanz um eine Verbindung mit wenigstens einem Sauerstoff, Stickstoff oder Schwefel, insbesondere z.B. um ein Metalloxid, ein VNC (Volatile Nitrogen Compound), ein VSC (Volatile Sulfur Compounds), ein VIC (Volatile Inorganic Compounds) oder ein Halogen. Vorteilhaft kann so eine Verbesserung des Gesundheitsschutzes, z.B. in der Metallverarbeitung beim Schweißen, erfolgen, da beispielsweise Metalloxid-Verbindungen meist toxisch und für Lebewesen sehr gefährlich sind. Bevorzugt erfolgt das Anlernen im Rahmen von Machine Learning, wodurch vorteilhaft große Datenmengen verarbeitet werden können. The other substance is preferably a compound with at least one oxygen, nitrogen or sulfur, in particular, for example, a metal oxide, a VNC (Volatile Nitrogen Compound), a VSC (Volatile Sulfur Compounds), a VIC (Volatile Inorganic Compounds) or a halogen. This can advantageously improve health protection, for example in metal processing during welding, since metal oxide compounds, for example, are usually toxic and very dangerous for living beings. The training is preferably carried out as part of machine learning, which advantageously allows large amounts of data to be processed.
Unter Machine Learning ist im Rahmen dieser Anmeldung zu verstehen, dass Systeme, z.B. künstliche Systeme oder IT-Systeme in die Lage versetzt werden, auf Basis vorhandener Daten und Algorithmen Muster und Gesetzmäßigkeiten zu erkennen und Lösungen zu entwickeln. Aus Erfahrungen wird ein Wissen generiert. Die aus den Daten gewonnenen Erkenntnisse können verallgemeinert und für neue Problemlösungen und/oder für die Analyse von bisher unbekannten Daten verwendet werden. In the context of this application, machine learning means that systems, e.g. artificial systems or IT systems, are enabled to recognize patterns and regularities and to develop solutions based on existing data and algorithms. Knowledge is generated from experiences. The insights gained from the data can be generalized and used for new problem solutions and/or for the analysis of previously unknown data.
Bevorzugt umfasst das Machine Learning ein überwachtes Lernen. Das überwachte Lernen erzeugt aus Trainingsdaten mit bekannten Ein- und Ausgabedaten ein prädiktives Modell. Beispielsweise wird eine Reihe von Algorithmen für das maschinelle Lernen zur Vorhersage des Wertes einer Zielklasse oder -variablen verwendet oder es wird eine Abbildungsfunktion (Modell) von den Eingabemerkmalen auf die ZielklasseZ-variablen erzeugt. Um die Modellparameter während der Trainingsphase zu schätzen, werden markierte Beispieldaten im Trainingssatz benötigt. Die Verallgemeinerung auf ungesehene Daten kann anhand von Scoring-Metriken in den Testdaten bewertet werden. Machine learning preferably includes supervised learning. Supervised learning creates a predictive model from training data with known input and output data. For example, a set of machine learning algorithms are used to predict the value of a target class or variable, or a mapping function (model) is created from the input features to the target classZ-variable. To estimate the model parameters during the training phase, labeled sample data is required in the training set. Generalization to unseen data can be assessed using scoring metrics in the test data.
Eine Klassifikation ist eine bevorzugte Art des überwachten Lernens, bei dem das Ziel eine Klasse ist. Das Modell lernt, eine Klassenbewertung zu erstellen und jeden Vektor der Eingangsmerkmale der Klasse der höchsten Bewertung zuzuordnen. Classification is a preferred type of supervised learning where the target is a class. The model learns to create a class score and assign each vector of input features to the class with the highest score.
Beispielsweise können verschiedene Klassifizierungsverfahren verwendet werden: For example, different classification methods can be used:
- Logistische Regression: - Logistic Regression:
Ein linearer Algorithmus, der Eingabewerte gewichtet und ihre Summe als Eingabewerte in die logistische Funktion übernimmt. A linear algorithm that weights input values and takes their sum as input values in the logistic function.
- K-nächste Nachbarn: - K-nearest neighbors:
Für jeden Datenpunkt wird der Abstand zu allen anderen Punkten berechnet und die Prognose anhand der Klasse der k-nächsten Nachbarn gemacht. For each data point, the distance to all other points is calculated and the prediction is made based on the k-nearest neighbor class.
- Entscheidungsbaum: - Decision tree:
Die Eingabewertebereiche werden wiederholt in zwei Wertebereiche aufgeteilt (gesplittet). Wenn die Aufteilung die Unterscheidbarkeit der Klassen erhöht, wird diese beibehalten, ansonsten verworfen. Dadurch entsteht eine Baumstruktur. - Random Forest: The input value ranges are repeatedly divided (split) into two value ranges. If the split increases the distinctiveness of the classes, it is retained, otherwise it is discarded. This creates a tree structure. - Random Forest:
Es wird ein „Wald“ von mehreren Entscheidungsbäumen erstellt und ihre Prognosen werden aggregiert. A “forest” of multiple decision trees is created and their predictions are aggregated.
- Neuronales Netzwerk: - Neural Network:
Die Eingabewerte werden gewichtet und an eine nichtlineare Aktivierungsfunktion übergeben. Deren Ausgabewerte werden wiederum gewichtet und en eine weitere Aktivierungsfunktion übergeben. Diese Anzahl an Wiederholungen dieser Operationen wird durch die Tiefe des Neuronalen Netzwerkes bestimmt. The input values are weighted and passed to a nonlinear activation function. Their output values are in turn weighted and passed to another activation function. This number of repetitions of these operations is determined by the depth of the neural network.
- Naive Bayes: - Naive Bayes:
Eine probabilistischer Klassifikator, der die starke Annahme macht, dass die Eingabewerte unabhängig voneinander sind. A probabilistic classifier that makes the strong assumption that the input values are independent of each other.
- Lineare Diskriminanzanalyse (LDA): - Linear Discriminant Analysis (LDA):
Bei der Diskriminanzanalyse wird angenommen, dass zwei oder mehr metrische Variablen in einem funktionalen Zusammenhang zu einer kategorialen (nominal oder ordinal skaliert) Variable stehen, wobei zwischen abhängigen Variablen (meist mit Y bezeichnet) und unabhängigen Variablen (mit X bezeichnet) unterschieden wird. Discriminant analysis assumes that two or more metric variables are functionally related to a categorical (nominal or ordinal scaled) variable, distinguishing between dependent variables (usually denoted Y) and independent variables (denoted X).
- Support Vector Machines - Support Vector Machines
Support Vector Machine (SVM) ist eine Art von Algorithmus für maschinelles Lernen, der für Klassifizierungs- und Regressionsaufgaben verwendet werden kann. Sie bauen auf grundlegenden ML-Algorithmen auf und fügen Merkmale hinzu, die sie bei verschiedenen Aufgaben effizienter machen. Support Vector Machine (SVM) is a type of machine learning algorithm that can be used for classification and regression tasks. They build on basic ML algorithms and add features that make them more efficient at various tasks.
Eine weitere bevorzugte Art des überwachten Lernens ist eine Regression. Das Konzept einer Regression ermöglicht es, den statistischen Zusammenhang mehrerer Eigenschaften zu nutzen, um eine Eigenschaft durch die Kombination einer oder mehrerer anderer Eigenschaften zu bestimmen. Another preferred type of supervised learning is regression. The concept of a regression makes it possible to use the statistical relationship of several properties to determine a property by combining one or more other properties.
Beispielsweise können verschiedene Regressionsverfahren verwendet werden: For example, various regression methods can be used:
- Generalisierte lineare Modelle: - Generalized linear models:
Werden alle Modelle genannt, die einen linearen Zusammenhang zwischen Eingabe- und Ausgabewerten annehmen. All models are mentioned that assume a linear relationship between input and output values.
- Gaußprozessregression Innerhalb des Modells der Gauß-Prozess-Regression ist die Grundlage die Annahme von normal- beziehungsweise gaußverteilten Daten. Dadurch sind diese eindeutig bestimmt durch den Erwartungswert und die Kovarianz, das bedeutet die Korrelationen zwischen den jeweiligen Daten. - Gaussian process regression Within the Gaussian process regression model, the basis is the assumption of normally or Gaussian distributed data. This means that they are clearly determined by the expected value and the covariance, which means the correlations between the respective data.
- Nächste Nachbarn: - Nearest neighbors:
Wie in der Klassifikation, werden nächste Nachbarn aus den Trainingsdaten ermittelt und ihre Ausgabewerte gemittelt. Dieser Mittelwert dient als Prognose. As in classification, nearest neighbors are determined from the training data and their output values are averaged. This average serves as a forecast.
- Entscheidungsbäume, Random Forest, Gradient Boosting: - Decision trees, random forest, gradient boosting:
All diese Algorithmen basieren auf Entscheidungsbäumen. Die Unterschiede liegen im Optimierungsverfahren und in der Aggregation der Y-Werte. All of these algorithms are based on decision trees. The differences lie in the optimization process and the aggregation of the Y values.
- Neuronale Netzwerke: - Neural networks:
Hier wird lediglich die letzte Aktivierungsfunktion in eine Lineare Funktion verändert, um aus einem Klassifikationsnetzwerk ein Regressionsnetzwerk zu erstellen. Here only the last activation function is changed into a linear function in order to create a regression network from a classification network.
- Zeitreihenanalyse - Time series analysis
Eine Reihe von numerischen Vorhersagemethoden zur Analyse/Vorhersage von Zeitreihendaten. Zeitreihen sind zeitlich geordnete Sequenzen von numerischen Werten. Die Zeitreihenprognose zielt insbesondere darauf ab, zukünftige Werte auf der Grundlage zuvor beobachteter Werte vorherzusagen. A set of numerical prediction methods for analyzing/predicting time series data. Time series are time-ordered sequences of numerical values. Time series forecasting specifically aims to predict future values based on previously observed values.
Ebenfalls eine bevorzugte Art des überwachten Lernens sind Bewertungsverfahren, wobei beispielsweise verschiedene Bewertungsverfahren verwendet werden können: Assessment methods are also a preferred type of supervised learning, for example different assessment methods can be used:
- Grenzwertoptimierungskurve (ROC) - Limit optimization curve (ROC)
Die ROC-Kurve, auch Grenzwertoptimierungskurve ist eine Methode zur Bewertung und Optimierung von Analysestrategien. Die ROC-Kurve stellt visuell die Abhängigkeit der Effizienz mit der Fehlerrate für verschiedene Parameterwerte dar. The ROC curve, also known as limit value optimization curve, is a method for evaluating and optimizing analysis strategies. The ROC curve visually represents the dependence of efficiency with error rate for different parameter values.
- Wahrheitsmatrix (Konfusionsmatrix) - Truth matrix (confusion matrix)
Ist ein Werkzeug, um die Qualität eines Klassifikationsmodells zu beurteilen. Sie überprüft, wie viele der Vorhersagen einer Klasse richtig oder falsch zugeordnet wurden. Is a tool to assess the quality of a classification model. It checks how many of the predictions in a class were assigned correctly or incorrectly.
Weiter kann das Machine learning bevorzugt ein unüberwachtes Lernen umfassen. Beim unüberwachten Lernen werden keine Ausgabedaten genutzt, da diese (noch) nicht bekannt sind oder bewusst nicht genutzt werden sollen. Eine Reihe von Algorithmen des maschinellen Lernens werden zur Erkennung von Mustern in den Daten verwendet. Ein beschrifteter Datensatz ist nicht erforderlich, da die Daten letztlich auf der Grundlage von Ähnlichkeit oder statistischen Maßen organisiert und/oder umgewandelt werden. Machine learning can also preferably include unsupervised learning. In unsupervised learning, no output data is used because it is not (yet) known or intentionally not intended to be used. A set of machine learning algorithms are used to identify patterns in the data. A labeled data set is not necessary because the data is ultimately organized and/or transformed based on similarity or statistical measures.
Eine bevorzugte Art des unüberwachten Lernens ist ein Clustering bzw. eine Segmentierung. In der Segmentierung wird angenommen, dass die vorhandenen Datensätze in Gruppen unterteilt sind. Die interne Logik der meisten Segmentierungsalgorithmen ist jene, dass die Datensätze so in Gruppen aufgeteilt werden, dass alle Datensätze innerhalb einer Gruppe einander ähnlicher sind als die Datensätze anderer Gruppen. A preferred type of unsupervised learning is clustering or segmentation. Segmentation assumes that the existing data sets are divided into groups. The internal logic of most segmentation algorithms is that records are divided into groups such that all records within a group are more similar to each other than records in other groups.
Eine weitere bevorzugte Art des unüberwachten Lernens ist eine Anomalie-Erkennung. Wenn man davon ausgeht, dass die vorhandenen Datensätze zu einer einzigen Gruppe gehören oder auch wenn mehrere Gruppen die Norm bilden, es aber bei manchen Datensätzen zu Abweichungen kommen kann und diese mithilfe von Algorithmen erkannt werden können, dann spricht man von einer Anomalie-Erkennung. Another preferred type of unsupervised learning is anomaly detection. If one assumes that the existing data sets belong to a single group or even if several groups form the norm, but there may be deviations in some data sets and these can be detected using algorithms, then this is called anomaly detection.
Ebenfalls eine bevorzugte Art des unüberwachten Lernens ist eine Mustererkennung. Bei der Mustererkennung wird vermutet, dass in den Daten verschiedene Muster oder Motive vorkommen, die nicht als solche gekennzeichnet sind. Pattern recognition is also a preferred type of unsupervised learning. Pattern recognition assumes that different patterns or motifs occur in the data that are not labeled as such.
Eine weitere bevorzugte Art des unüberwachten Lernens ist eine Hauptkomponentenanalyse (PCA). Die Hauptkomponentenanalyse strukturiert große Datensätze durch Verwendung der Eigenvektoren der Kovarianzmatrix. Sie nutzt die in hochdimensionalen Daten vorhandenen Muster, um die Komplexität der Daten zu reduzieren und gleichzeitig den Großteil der Informationen zu erhalten. Another preferred type of unsupervised learning is principal component analysis (PCA). Principal component analysis structures large data sets by using the eigenvectors of the covariance matrix. It uses the patterns present in high-dimensional data to reduce the complexity of the data while preserving the majority of the information.
Weiter bevorzugt kann das Machine Learning ein bestärkendes Lernen umfassen. Beim bestärkenden Lernen können ein Agent oder eine künstliche Intelligenz in einer Umgebung Entscheidungen treffen. Diese werden belohnt (oder bestraft). Jede Entscheidung ändert den Zustand der Umgebung (oder seinen eigenen). Der Agent versucht eine optimale Strategie zu lernen, um Entscheidungen zu treffen. More preferably, machine learning can include reinforcement learning. Reinforcement learning allows an agent or artificial intelligence to make decisions in an environment. These are rewarded (or punished). Every decision changes the state of the environment (or his own). The agent tries to learn an optimal strategy to make decisions.
Weiter bevorzugt kann das Machine Learning Empfehlungssysteme aufweisen. Gibt es eine Zuordnung von Nutzern (z.B. Kunden, Zuschauern, Lesern) zu Artikeln (z.B. Produkte, Medieninhalte, Content), können jedem Nutzer Artikel empfohlen werden, die andere - ähnliche - Nutzer konsumiert haben. Das Machine Learning kann weiter bevorzugt ein semi-überwachtes Lernen umfassen. Das semi-überwachte Lernen ist eine Kombination aus überwachtem und ünüberwachtem Lernen. Es wird eine (meistens geringe) Anzahl an Beispielen verwendet, für die es einen Ziel- oder Ausgabewert gibt und eine viel größere Menge an Datensätzen ohne Ausgabewert. Die Algorithmen versuchen die Verteilung der Daten zu erlernen, um sie dann im Kontext der Beispiele mit Ausgabewerten anzuwenden. More preferably, the machine learning can have recommendation systems. If there is an assignment of users (e.g. customers, viewers, readers) to articles (e.g. products, media content, content), each user can be recommended articles that other - similar - users have consumed. The machine learning can further preferably include semi-supervised learning. Semi-supervised learning is a combination of supervised and unsupervised learning. It uses a (usually small) number of examples for which there is a target or output value and a much larger number of records without an output value. The algorithms try to learn the distribution of the data in order to then apply it in the context of the examples with output values.
Weiter bevorzugt kann das Machine Learning ein Transfer Learning umfassen. Beim Transfer Learning werden Modelle - in der Regel künstliche neuronale Netzwerke, die auf einem bestimmten Datensatz trainiert wurden, auf neue Datensätze angewendet, bei denen die Aufgabe ähnlich, aber nicht identisch ist. Oft wird diese Methode in der Bild- oder Textklassifikation verwendet. More preferably, the machine learning can include transfer learning. Transfer learning involves applying models - typically artificial neural networks trained on a specific data set - to new data sets where the task is similar but not identical. This method is often used in image or text classification.
Für eine vorteilhaft schnelle, flexible und einfache Erstellung der Referenz erfolgt weiter bevorzugt die Bereitstellung der Referenz und/oder das Anlernen durch wenigstens eine Messung des Veränderungsprozesses eines VOC oder einer anderen Substanz. For an advantageously quick, flexible and simple creation of the reference, the reference is further preferably provided and/or trained by at least one measurement of the change process of a VOC or another substance.
Bevorzugt können die Bereitstellung der Referenz und die Messung des Veränderungsprozesses des VOC oder der anderen Substanz gleichzeitig erfolgen. So kann die Referenz erhalten und gleichzeitig die Messung des VOC oder der anderen Substanz durchgeführt werden, wodurch vorteilhaft Zeit gespart wird. Preferably, the provision of the reference and the measurement of the change process of the VOC or the other substance can take place simultaneously. In this way, the reference can be obtained and the measurement of the VOC or other substance can be carried out at the same time, which advantageously saves time.
Bevorzugt kann zum Bereitstellen der Referenz und/oder zum Anlernen der Referenz die gleiche Apparatur benutzt werden, wie sie auch für die Messung des Veränderungsprozesses des VOC oder der anderen Substanz verwendet wird. Vorteilhaft können so eventuelle apparaturbedingte Besonderheiten und Unterschiede beim Anlernen und Messen ausgeschlossen werden. Preferably, the same apparatus can be used to provide the reference and/or to train the reference as is used to measure the change process of the VOC or the other substance. In this way, any equipment-related peculiarities and differences during training and measurement can be advantageously excluded.
Bevorzugt wird für die Anregung wenigstens ein Frequenzmuster verwendet, dass wenigstens einen zeitlichen Verlauf einer Korona-Entladung oder eine partielle Teilentladung simuliert oder wenigstens einen Trichelimpuls und/oder ein Trichelimpuls-ähnliches Signal aufweist. Vorteilhaft können so das Verhalten und die elektrischen, physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften des VOC oder der anderen Substanz beeinflusst werden und/oder es können reaktive Teilchen erzeugt werden. Weiter vorteilhaft erfolgt so ein beschleunigter Veränderungsprozess des VOC oder der anderen Substanz, sodass direkt Einfluss auf das Relaxations- und Diffusionsverhalten des VOC oder der anderen Substanz genommen werden kann. Eine partielle Teilentladung findet überall dort statt, wo innerhalb fester, flüssiger und/oder gasförmiger elektrisch isolierender Stoffe eine Ionisation stattfindet. Z.B. können in elektrischen Hochspannungsfeldern oder durch eine ionisierende Strahlung Teilentladungen angeregt werden. Preferably, at least one frequency pattern is used for the excitation, which simulates at least a time course of a corona discharge or a partial partial discharge or has at least one trichel pulse and/or a trichel pulse-like signal. Advantageously, the behavior and the electrical, physical and/or chemical properties of the VOC or the other substance can be influenced and/or reactive particles can be generated. Another advantage is that the change process of the VOC or the other substance is accelerated, so that the relaxation and diffusion behavior of the VOC or the other substance can be influenced directly. A partial partial discharge occurs wherever ionization occurs within solid, liquid and/or gaseous electrically insulating substances. For example, partial discharges can be excited in high-voltage electrical fields or by ionizing radiation.
Bei der Korona-Entladung handelt es sich um eine selbständige Entladung innerhalb eines ungleichmäßigen elektrischen Feldes. Dabei entstehen sogenannte Trichelimpulse. Ihre Eigenschaften entnehmen die Pulse aus dem Zusammenspiel von kurzlebigen Impulsen und wechselnden Intervallen, die eine Abhängigkeit zum Entladungsstrom aufweisen. Die Trichelimpulse besitzen die Eigenschaft, durch ihr Verhalten und „unter atmosphärischen Bedingungen“ unterschiedliche Ionen zu bilden und damit die Leitfähigkeit eines Stoffes zu verändern. Darunter zählen unter anderem die in Tabelle 1 aufgeführten Moleküle. The corona discharge is an independent discharge within a non-uniform electrical field. This creates so-called trichel impulses. The pulses derive their properties from the interaction of short-lived pulses and changing intervals, which are dependent on the discharge current. The trichel pulses have the property of forming different ions through their behavior and “under atmospheric conditions” and thus changing the conductivity of a substance. These include, among others, the molecules listed in Table 1.
Tabelle 1 : Übersicht unterschiedlicher Moleküle
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Table 1: Overview of different molecules
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Korona-Entladungen sind in der Lage, durch das Erzeugen reaktiver Teilchen, das Verhalten und die chemischen Eigenschaften von Gasen zu beeinflussen und/oder zu verändern. Durch die Impulsentladungen in der Luft werden unterschiedliche Moleküle gebildet. In Tabelle 2 werden nachgewiesene Moleküle aufgezeigt Corona discharges are able to influence and/or change the behavior and chemical properties of gases by creating reactive particles. Different molecules are formed by the pulse discharges in the air. Detected molecules are shown in Table 2
Tabelle 2: Übersicht unterschiedlicher Moleküle
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Mit Hilfe von ionisierender Strahlung, z.B. UVA-Licht, das wiederum bevorzugt mit Trichelimpuls- ähnlichen Signalen moduliert werden kann, erreicht man vorteilhaft einen beschleunigten Veränderungsprozess des VOC oder der anderen Substanz und damit einen direkten Einfluss auf das Relaxations- und Diffusionsverhalten des VOC oder der anderen Substanz. Table 2: Overview of different molecules
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With the help of ionizing radiation, for example UVA light, which in turn can preferably be modulated with signals similar to trichel pulses, one can advantageously achieve an accelerated change process of the VOC or the other substance and thus a direct influence on the relaxation and diffusion behavior of the VOC or the other substance.
Bevorzugt erfolgt die Anregung durch wenigstens eine Strahlungsquelle, z.B. eine UV- Lichtquelle, eine UV-LED, eine IR-LED oder eine Infrarotquelle, ein elektrisches und/oder magnetisches Feld, z.B. durch ein ionisierendes elektrisches Feld, und/oder eine Wärmequelle, z.B. eine IR-LED oder eine Heizplatte. Vorteilhaft lässt sich so sehr genau und präzise der Veränderungsprozess steuern. The excitation is preferably carried out by at least one radiation source, for example a UV light source, a UV LED, an IR LED or an infrared source, an electric and/or magnetic field, for example by an ionizing electric field, and/or a heat source, for example an IR LED or a heating plate. This allows the change process to be controlled very precisely and precisely.
Um vorteilhaft das Verhalten und die elektrischen, physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften des VOC oder der anderen Substanz zu beeinflussen, zu verändern und/oder reaktive Teilchen zu erzeugen, wird die Strahlungsquelle, z.B. eine UV-Lichtquelle, eine UV-LED, eine IR- LED oder eine Infrarotquelle, das elektrische und/oder magnetische Feld und/oder die Wärmequelle, z.B. eine IR-LED oder eine Heizplatte, mit dem wenigstens einem Frequenzmuster moduliert, wobei das Frequenzmuster wenigstens einen zeitlichen Verlauf einer Korona-Entladung der Sonne oder eine partielle Teilentladung simuliert oder wenigstens einen Trichelimpuls und/oder ein Trichelimpuls-ähnliches Signal aufweist. Vorteilhaft erfolgt so ein beschleunigter Veränderungsprozess des VOC oder der anderen Substanz, sodass direkt Einfluss auf das Relaxationsund Diffusionsverhalten des VOC oder der anderen Substanz genommen werden kann. In order to advantageously influence, change and/or generate reactive particles the behavior and the electrical, physical and/or chemical properties of the VOC or the other substance, the radiation source, for example a UV light source, a UV LED, an IR - LED or an infrared source, the electric and / or magnetic field and / or the heat source, e.g. an IR LED or a heating plate, modulated with the at least one frequency pattern, the frequency pattern at least one time course of a corona discharge of the sun or a simulates partial partial discharge or has at least one trichel pulse and / or a trichel pulse-like signal. This advantageously results in an accelerated change process of the VOC or the other substance, so that the relaxation and diffusion behavior of the VOC or the other substance can be influenced directly.
Beispielsweise können Gase und VOC mit Hilfe eines Hochspannungsfeldes formatiert und verändert werden. Hochspannungsfelder können z.B. mit Plattenkondensatoren aufgebaut werden, was in der Regel jedoch sehr aufwendig und mit hohen Kosten verbunden ist. Um vorteilhaft ein massentaugliches Produkt zu präsentieren, erfolgt die Anregung des VOC oder der anderen Substanz bevorzugt mittels spezieller UV-Anregesignale, welche eine Endladecharakteristik in einem Hochspannungsfeld simulieren. Prinzipiell ist aber auch eine Anregung mit Plattenkondensatoren möglich. For example, gases and VOCs can be formatted and changed using a high-voltage field. High-voltage fields can be constructed using plate capacitors, for example, but this is usually very complex and involves high costs. In order to advantageously present a product suitable for mass production, the excitation of the VOC or the other substance is preferably carried out using special UV excitation signals, which simulate a discharge characteristic in a high-voltage field. In principle, excitation with plate capacitors is also possible.
Bevorzugt erfolgt die Anregung mittels Photolyse, Photokatalyse und/oder Radiolyse, wodurch vorteilhaft das Veränderungsverhalten und das Relaxationsverhalten des VOC oder der anderen Substanz beeinflusst werden kann und sich vorteilhaft eine preisgünstige Industrialisierung der Anregung ergibt. Beispielsweise kann in Kombination mit der Anregung und der Photokatalyse das Diffusionsverhalten des VOC oder der anderen Substanz so stark verändert werden, dass die Diffusion in einem kurzen Zeitraum sogar gestoppt werden kann, das heißt, dass vorteilhaft die Volatilität des organischen Stoffes oder der anderen Substanz verändert werden kann. Bei der Photolyse wird durch elektromagnetische Strahlung, z.B. Licht, eine ausgelöste Spaltung einer chemischen Bindung verursacht. Das Prinzip der Photolyse basiert auf einer Anregung und einer daraus resultierenden Reaktion von chemischen oder flüchtigen organischen Verbindungen. Die chemischen Umwandlungen basieren auf ein paar wenigen Methoden. Dabei können die chemischen Umwandlungen wie nachfolgend eingeleitet werden, entweder durch zwei oder mehrere Reaktionspartner, die vermischt werden. Die Reaktionspartnerwerden erwärmt oder die Reaktionspartner werden einem elektrischen Feld ausgesetzt oder bestrahlt. The excitation is preferably carried out by means of photolysis, photocatalysis and/or radiolysis, which can advantageously influence the change behavior and the relaxation behavior of the VOC or the other substance and advantageously results in inexpensive industrialization of the excitation. For example, in combination with the excitation and photocatalysis, the diffusion behavior of the VOC or the other substance can be changed to such an extent that the diffusion can even be stopped in a short period of time, that is to say that the volatility of the organic substance or the other substance is advantageously changed can be. During photolysis, electromagnetic radiation, such as light, causes a triggered cleavage of a chemical bond. The principle of photolysis is based on the excitation and resulting reaction of chemical or volatile organic compounds. The chemical transformations are based on a few methods. The chemical conversions can be initiated as follows, either by two or more reactants being mixed. The reactants are heated or the reactants are exposed to an electric field or irradiated.
Das Verfahren der Photokatalyse beschreibt in erster Linie eine durch elektromagnetische Strahlung, z.B. Licht verursachte Fotoreaktion eines chemischen Prozesses. Dabei tritt die elektromagnetische Strahlung als Katalysator auf und beschleunigt die Fotoreaktion. Dieses Verfahren kann unter anderem zur Beseitigung von flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) oder anderen Substanzen verwendet werden. Hierbei wird die elektromagnetische Strahlung z.B. durch eine UV-Lichtquelle oder eine UV-LED generiert. Im Zusammenhang mit VOC oder einer anderen Substanz bewirkt die Photokatalyse, dass die flüchtigen organischen Verbindungen durch die UV-Lichtquelle angestrahlt werden und dadurch ihre Zusammensetzung verändern. Dabei werden die VOC oder die andere Substanz während der Photokatalyse durch die UV-Lichtquelle beispielsweise in CO2 und H2O Moleküle umgewandelt. Durch dieses Verfahren kann vorteilhaft die Konzentration von VOC oder der anderen Substanz in Räumen reduziert und dadurch das Gesundheitsrisiko für den Menschen gesenkt werden. Für die erfolgreiche Zersetzung der flüchtigen organischen Verbindungen oder der anderen Substanz ist es wichtig, dass diese z.B. an der UV- Lichtquelle vorbeigeführt und in andere molekulare Bestandteile (Molekülkettenbruch) zersetzt werden. Bevorzugt kann VOC oder die andere Substanz durch eine z.B. mit UV-LEDs besetzte Kammer oder Röhre strömen. Bei Verwendung von beispielsweise UVA-Licht kann zusätzlich ein photokatalytischer Filter verwendet werden, z. B. ein TiO2 beschichteter Filter. The process of photocatalysis primarily describes a photoreaction of a chemical process caused by electromagnetic radiation, e.g. light. The electromagnetic radiation acts as a catalyst and accelerates the photoreaction. This process can be used, among other things, to eliminate volatile organic compounds (VOCs) or other substances. The electromagnetic radiation is generated, for example, by a UV light source or a UV LED. In the context of VOC or another substance, photocatalysis causes the volatile organic compounds to be illuminated by the UV light source, thereby changing their composition. The VOC or other substance is converted into CO2 and H2O molecules during photocatalysis by the UV light source, for example. This process can advantageously reduce the concentration of VOCs or other substances in rooms, thereby reducing the health risk for humans. For the successful decomposition of the volatile organic compounds or other substances, it is important that they are guided past the UV light source and decomposed into other molecular components (molecular chain break). VOC or the other substance can preferably flow through a chamber or tube equipped, for example, with UV LEDs. When using, for example, UVA light, a photocatalytic filter can also be used, e.g. B. a TiO2 coated filter.
Die Radiolyse beschreibt ein Verfahren, das eine chemische Reaktion von Molekülen auslöst. Dabei wird eine ionisierende Strahlung auf die äußere Elektronenhülle des Moleküls gerichtet, um somit die Reaktion zu starten. Diese Reaktion wird am Beispiel der Bestrahlung von Wasser deutlich. Durch die einwirkende ionisierende Strahlung auf Wasser werden Moleküle (Wasserstoffperoxid - H2O2 und Dihydrogen - H2), OH-Radikale, H-Atome und Elektronen produziert. Radiolysis describes a process that triggers a chemical reaction of molecules. Ionizing radiation is directed onto the outer electron shell of the molecule in order to start the reaction. This reaction becomes clear using the example of irradiation of water. The ionizing radiation acting on water produces molecules (hydrogen peroxide - H2O2 and dihydrogen - H2), OH radicals, H atoms and electrons.
Bevorzugt weist die Messung des Veränderungsprozesses wenigstens einen der folgenden Schritte auf: The measurement of the change process preferably comprises at least one of the following steps:
- Messung der Umgebung ohne eine Anregung - Measurement of the environment without any stimulus
- Messung der Umgebung mit wenigstens einer Anregung - Measurement of the environment with at least one excitation
- Messung des VOC oder der anderen Substanz ohne eine Anregung - Measurement of VOC or other substance without any excitation
- Messung des VOC oder der anderen Substanz mit wenigstens einer Anregung. Beispielsweise wird zunächst die Messung gestartet, indem die Umgebung, also ohne das VOC oder die andere Substanz und ohne eine Anregung, gemessen wird. Danach wird, während die Messung weiterläuft, die Anregung „eingeschaltet“, beispielsweise ein UV-Licht. Danach wird ebenfalls während der Messung das zu messende VOC oder die zu messende andere Substanz „zugegeben“ und die Anregung dafür „ausgeschaltet“. Dann wird das VOC oder die andere Substanz ohne Anregung gemessen und zum Schluss wird die Anregung wieder „eingeschaltet“ und das VOC oder die andere Substanz mit Anregung gemessen. Zur vorteilhaften Kontrolle kann dann nochmalig das VOC oder die andere Substanz ohne Anregung gemessen werden. Möglich ist auch, dass das VOC oder die andere Substanz zunächst ohne eine Anregung gemessen wird und im Anschluss die Anregung „eingeschaltet“ wird. - Measurement of the VOC or other substance with at least one excitation. For example, the measurement is first started by measuring the environment, i.e. without the VOC or the other substance and without any excitation. Then, while the measurement continues, the excitation is “switched on”, for example a UV light. Then, during the measurement, the VOC or other substance to be measured is “added” and the excitation for it is “switched off”. Then the VOC or the other substance is measured without excitation and finally the excitation is “switched on” again and the VOC or the other substance is measured with excitation. For an advantageous control, the VOC or the other substance can then be measured again without excitation. It is also possible that the VOC or other substance is initially measured without excitation and then the excitation is “switched on”.
Bevorzugt wird die Messung des Veränderungsprozesses mittels wenigstens eines VOC- Sensors, insbesondere eines MOX-Sensors durchgeführt. Ein wichtiger Bestandteil für die Messung von VOC oder der anderen Substanz sind sogenannte VOC-Sensoren, z.B. Metall-Oxid (MOX)-Sensoren oder Sensoren basierend auf leitfähigen Carbon-Nano-Röhrchen (CNT). Sie bieten eine Vielzahl an messbaren Gasen und somit ein breites Spektrum an Anwendungsgebieten. Das Messprinzip beruht auf der Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit (Veränderung der Impedanz), sobald ein VOC oder die andere Substanz auf die Metall-Oxid-Schicht trifft und es zu einer Reaktion kommt. Durch die unterschiedlichen elektronischen Strukturen der einzelnen Oxide werden diese in zwei Kategorien eingeteilt. Bei der ersten Kategorie handelt es sich um sogenannte Übergangsmetalloxide. Zu Ihnen gehören unter anderem Chrom-Oxid (Cr2O3), Ei- sen-Oxid (Fe2O3) und Nickel-Oxid (NiO). VOC-Sensoren werden als ein komplexes System verstanden, das durch unterschiedliche Faktoren beeinflusst wird. Der VOC-Sensor kann wenigstens eine Wärmequelle, z.B. ein Heizelement oder eine Heizplatte aufweisen, wobei die verwendete Wärmequelle innerhalb des VOC-Sensors, z.B. innerhalb des MOX-Sensors verbaut sein kann. Die Wärmequelle kann in erster Linie aus einer Mikro-Wärmeplatte bestehen, die unterschiedliche Heizzyklen, die z.B. vorab definiert sein können, nacheinander durchläuft und somit die aufgebrachte Metalloxidschicht vorteilhaft in Ihrer Empfindlichkeit der Leitfähigkeit verändern kann. The measurement of the change process is preferably carried out using at least one VOC sensor, in particular a MOX sensor. An important component for measuring VOC or other substances are so-called VOC sensors, e.g. metal oxide (MOX) sensors or sensors based on conductive carbon nanotubes (CNT). They offer a variety of measurable gases and therefore a wide range of application areas. The measuring principle is based on the change in electrical conductivity (change in impedance) as soon as a VOC or other substance hits the metal oxide layer and a reaction occurs. Due to the different electronic structures of the individual oxides, they are divided into two categories. The first category involves so-called transition metal oxides. These include, among others, chromium oxide (Cr2O3), iron oxide (Fe2O3) and nickel oxide (NiO). VOC sensors are understood as a complex system that is influenced by different factors. The VOC sensor can have at least one heat source, for example a heating element or a heating plate, whereby the heat source used can be installed within the VOC sensor, for example within the MOX sensor. The heat source can primarily consist of a micro heat plate, which successively goes through different heating cycles, which can be defined in advance, for example, and can thus advantageously change the sensitivity of the conductivity of the applied metal oxide layer.
VOC-Sensoren weisen für gewöhnlich einen eingeschränkten Dynamikbereich mit einer eingeschränkten analogen bzw. digitalen Auflösung auf. Bei großen Mengen an VOC oder der anderen Substanz würde der Detektionsbereich bzw. Messbereich des VOC-Sensors überschritten werden. Bevorzugt kann durch die Anregung und die Möglichkeit der Steuerung bzw. Regelung der Anregesignale ein optimaler Messbereich des VOC-Sensors gewählt werden. Damit wird die VOC-Detektion oder die Detektion der anderen Substanz des VOC-Sensors vorteilhaft in einen besonders sensiblen bzw. empfindlichen Messbereich verschoben. Die Anregung kann die Geruchsmoleküle kontinuierlich verändern. Durch bevorzugte Veränderung und genaue Abstimmung des Anregesignals in Bezug auf die zu erwartenden VOC oder die zu erwartenden anderen Substanzen in der Luft kann vorteilhaft der Dynamikbereich des Sensors verbessert werden. Weiter vorteilhaft sind sehr hohe VOC- oder andere Substanz-Konzentrationen in der Luft kein Problem. VOC sensors typically have a limited dynamic range with limited analog or digital resolution. If there are large amounts of VOC or the other substance, the detection range or measuring range of the VOC sensor would be exceeded. Preferably, an optimal measuring range of the VOC sensor can be selected through the excitation and the possibility of controlling or regulating the excitation signals. This advantageously combines the VOC detection or the detection of the other substance of the VOC sensor into one particularly sensitive or sensitive measuring range. The stimulation can continuously change the odor molecules. The dynamic range of the sensor can advantageously be improved by preferentially changing and precisely adjusting the excitation signal in relation to the expected VOCs or the other substances to be expected in the air. Another advantage is that very high VOC or other substance concentrations in the air are not a problem.
Bevorzugt ist die Anregung skalierbar. Beispielsweise kann die Dauer der Anregung und/oder die Anzahl der zu emittierenden Photonen mit mehr oder weniger LEDs und/oder Algorithmen angepasst werden. Vorteilhaft ist so die Ionisation steuerbar. The excitation is preferably scalable. For example, the duration of the excitation and/or the number of photons to be emitted can be adjusted using more or fewer LEDs and/or algorithms. This advantageously allows the ionization to be controlled.
Bevorzugt kann eine Anpassung der Anregung beispielsweise durch wenigstens einen der folgenden Punkte erfolgen: The excitation can preferably be adjusted, for example, by at least one of the following points:
1 . Durch eine Verwendung von unterschiedlichen LEDs mit unterschiedlichem Farbspektrum - Veränderung der emittierten Wellenlänge. 1 . By using different LEDs with different color spectrums - changing the emitted wavelength.
2. Durch die Kombination von LEDs mit unterschiedlichen Wellenlängen kann eine breitbandige Emittierung oder Aussendung von Photonen erreicht werden. 2. By combining LEDs with different wavelengths, broadband emission or emission of photons can be achieved.
3. Durch eine Modulation der LED-Signale in bestimmten Puls/Pausenverhältnissen. 3. By modulating the LED signals in certain pulse/pause ratios.
4. Durch äquivalente Modulationssignale der LEDs, deren zeitlicher Verlauf der Formation von elektropositiven Gasen im VOC oder in der anderen Substanz entsprechen. 4. Through equivalent modulation signals from the LEDs, the time course of which corresponds to the formation of electropositive gases in the VOC or in the other substance.
5. Durch äquivalente Modulationssignale der LEDs, deren zeitlicher Verlauf der Formation von elektronegativen Gasen im VOC oder in der anderen Substanz entsprechen. 5. Through equivalent modulation signals from the LEDs, the time course of which corresponds to the formation of electronegative gases in the VOC or in the other substance.
Mit dem Wissen bzw. der Aufgabenstellung welcher VOC oder welche andere Substanz angelernt oder detektiert werden soll z.B. elektropositive oder elektronegative Gase im VOC oder in der anderen Substanz, können weiter bevorzugt passende Anregesignale gewählt werden. With the knowledge or task of which VOC or which other substance is to be learned or detected, e.g. electropositive or electronegative gases in the VOC or in the other substance, suitable excitation signals can also be preferably selected.
Um vorteilhaft den Veränderungsprozess möglichst präzise abzubilden und damit eine erhöhte Genauigkeit bei der Bestimmung der VOC oder der anderen Substanz zu erhalten, wird bevorzugt die Messung des Veränderungsprozesses mittels wenigstens eines weiteren Sensors, insbesondere eines Temperatursensors, eines Luftfeuchtigkeitssensors, eines Luftdrucksensors und/oder eines C02-Sensors durchgeführt. Prinzipiell können auch noch weitere Sensoren hinzugenommen werden, um den Veränderungsprozess vorteilhaft detaillierter aufzuzeichnen und abzubilden. Durch die Hinzunahme weiterer Sensoren wird die Signatur des Veränderungsprozesses vorteilhaft verfeinert, da weitere Größen zur Beschreibung des Veränderungsprozesses verwendet werden. Die weiteren Sensoren können Teile des VOC-Sensors sein oder der VOC- Sensor kann die weiteren Sensoren aufweisen. Bevorzugt kann die Empfindlichkeit des VOC-Sensors, z.B. das Sättigungsverhalten des VOC- Sensors, durch wenigstens eine vorzugsweise modulierte Wärmequelle beeinflusst und/oder gesteuert werden. Beispielsweise kann der VOC-Sensor die Wärmequelle, z.B. ein Heizelement o- der eine Heizplatte aufweisen. Die Wärmequelle kann jedoch auch die gleiche Wärmequelle sein wie die Wärmequelle, welche für die Anregung verwendet wird. Vorteilhaft ergibt sich so eine genauere Messung. In order to advantageously represent the change process as precisely as possible and thus to obtain increased accuracy when determining the VOC or the other substance, it is preferred to measure the change process using at least one further sensor, in particular a temperature sensor, an air humidity sensor, an air pressure sensor and/or a C02 -Sensor carried out. In principle, additional sensors can also be added in order to advantageously record and map the change process in more detail. By adding additional sensors, the signature of the change process is advantageously refined, as additional variables are used to describe the change process. The further sensors can be parts of the VOC sensor or the VOC sensor can have the further sensors. The sensitivity of the VOC sensor, for example the saturation behavior of the VOC sensor, can preferably be influenced and/or controlled by at least one preferably modulated heat source. For example, the VOC sensor can have the heat source, for example a heating element or a heating plate. However, the heat source can also be the same heat source as the heat source used for the excitation. This advantageously results in a more precise measurement.
Durch die bevorzugte Modulation der Wärmequelle, z.B. eines Heizelements des VOC-Sensors, kann vorteilhaft ein größerer oder der gesamte Sensorbereich des VOC-Sensors verwendet werden. Bei der Messung von VOC oder anderer Substanzen kann es z.B. vorkommen, dass die Sensitivität des Sensors an einem oberen oder unteren Ende des Messbereichs misst und so die Sensitivität bereits „ausgereizt“ ist und nicht ausreicht, um den kompletten Veränderungsprozess aufzuzeichnen. Beispielsweise kann in einem MOX-Sensor dessen Heizelement für die Beeinflussung der Sensitivität verwendet werden. Das Heizelement besteht in erster Linie aus einer Mikro-Wärmeplatte, die unterschiedliche Heizzyklen, die z.B. vorab definiert sein können, nacheinander durchläuft und somit die aufgebrachte Metalloxidschicht in Ihrer Empfindlichkeit der Leitfähigkeit verändern kann. By preferentially modulating the heat source, for example a heating element of the VOC sensor, a larger or the entire sensor range of the VOC sensor can advantageously be used. When measuring VOC or other substances, it can happen, for example, that the sensitivity of the sensor measures at an upper or lower end of the measuring range and so the sensitivity is already “maxed out” and is not sufficient to record the complete change process. For example, in a MOX sensor, its heating element can be used to influence the sensitivity. The heating element primarily consists of a micro heat plate, which successively goes through different heating cycles, which can be defined in advance, for example, and can thus change the sensitivity of the conductivity of the applied metal oxide layer.
Bevorzugt erfolgt die Modulation der Wärmequelle mit einem Frequenzmuster, wobei das Frequenzmuster einen zeitlichen Verlauf einer Korona-Entladung, z.B. eine Korona-Entladung der Sonne, oder eine partielle Teilentladung simuliert oder wenigstens einen Trichelimpuls und/oder ein Trichelimpuls-ähnliches Signal aufweist. Vorteilhaft lassen sich so beispielsweise bei dem Anlernen und/oder Messen des wenigstens einen Veränderungsprozesses elektrische, physikalische und/oder chemische Veränderungen des VOC oder der andern Substanz induzieren. The heat source is preferably modulated with a frequency pattern, the frequency pattern simulating a time course of a corona discharge, for example a corona discharge of the sun, or a partial partial discharge, or having at least one trichel pulse and/or a trichel pulse-like signal. Advantageously, for example, when learning and/or measuring the at least one change process, electrical, physical and/or chemical changes in the VOC or the other substance can be induced.
Weiter bevorzugt erfolgt die Messung des Veränderungsprozesses mittels einer synchronen Messung mit oder ohne Referenzkammer oder einer asynchronen sequentiellen Messung. Vorteilhaft kann so eine eindeutige Erkennung und Unterscheidung der einzelnen VOC oder der anderen Substanzen getroffen werden. More preferably, the change process is measured by means of a synchronous measurement with or without a reference chamber or an asynchronous sequential measurement. Advantageously, the individual VOCs or other substances can be clearly identified and differentiated.
Bevorzugt können die Messungen in der Messkammer und in der Referenzkammer zeitgleich ausgeführt werden, wodurch sich vorteilhaft genauere Ergebnisse gewinnen lassen und Zeit gespart wird. Würde man von den gleichen Rahmenbedingungen ausgehen, dann könnte man die Referenzmessung auch nicht zeitgleich durchführen. Die Ergebnisse wären jedoch ungenauer. Prinzipiell könnten die Messungen aber auch zeitversetzt durchgeführt werden. The measurements in the measuring chamber and in the reference chamber can preferably be carried out at the same time, which advantageously allows more precise results to be obtained and time is saved. If one were to assume the same general conditions, then the reference measurement could not be carried out at the same time. However, the results would be less accurate. In principle, the measurements could also be carried out with a time delay.
Beispielsweise werden mit Hilfe zweier identischer Messsysteme zeitsynchrone Messungen durchgeführt (synchrone Messung). Es entsteht ein Gesamtmesssystem, dass in der Lage ist, neben der flüchtigen organischen Verbindung oder der anderen Substanz auch die vorherrschende Referenz zu messen. Dabei handelt es sich bei der Referenzmessung in der Regel um die natürliche Umgebung ohne hohe VOC-Belastung oder ohne hohe Belastung der anderen Substanz. For example, time-synchronous measurements are carried out using two identical measuring systems (synchronous measurement). An overall measurement system is created that is able to to measure the predominant reference in addition to the volatile organic compound or other substance. The reference measurement is usually the natural environment without high VOC pollution or without high pollution of the other substance.
Das Messprinzip der synchronen Messung mit Referenzkammer beruht auf einem Gesamtmesssystem, das über zwei exakt gleiche Messsysteme verfügt. Den Kern der beiden Systeme bilden die Sensorfusionen der einzelnen Sensoren. Die Sensoren befinden sind in den jeweiligen Messkammern. Bei der synchronen Messung strömt die Luft in die beiden Messkammern. In der einen Messkammer findet die Messung der flüchtigen organischen Verbindung oder der anderen Substanz statt. Hierbei detektiert das System z.B. Veränderungen in der Luft anhand der VOC-, Temperatur- und Luftfeuchtigkeitswerte. In der anderen Messkammer wird eine Messung der Referenz-Umgebung durchgeführt. Sie gibt z.B. an, bei welchen VOC-, Temperatur- und Luftfeuchtigkeitswerten die Luft nur wenige oder sogar gar keine VOC oder gar keine andere Substanz beinhaltet, die schädlich sind. The measuring principle of synchronous measurement with a reference chamber is based on an overall measuring system that has two exactly the same measuring systems. The sensor fusions of the individual sensors form the core of the two systems. The sensors are located in the respective measuring chambers. During synchronous measurement, the air flows into the two measuring chambers. The measurement of the volatile organic compound or other substance takes place in one measuring chamber. The system detects, for example, changes in the air based on VOC, temperature and humidity values. A measurement of the reference environment is carried out in the other measuring chamber. For example, it indicates at which VOC, temperature and humidity values the air contains only a few or even no VOCs or no other substances that are harmful.
Eine Vereinfachung der synchronen Messung ist eine synchrone Messung ohne Referenzkammer, wobei die synchrone Messung ohne Referenzmesskammer Bezug auf die in der Umgebung vorhandenen VOC oder anderen Substanzen nimmt. A simplification of the synchronous measurement is a synchronous measurement without a reference chamber, whereby the synchronous measurement without a reference measuring chamber refers to the VOCs or other substances present in the environment.
Ein weiteres Messverfahren stellt die Vergleichsmessung anhand vorhandener Referenzdaten da. Dabei werden Messungen mit Hilfe eines asynchronen Messsystems durchgeführt, welche vorteilhaft eine schaltungstechnisch einfache und wirtschaftliche Lösung darstellen. Bei der asynchronen sequenziellen Messung strömt die Luft in die Messkammer. Dabei messen z.B. die vorhandenen VOC-, Druck-, Temperatur- und Luftfeuchtigkeitssensoren die Änderungen in der Luft. Die gemessenen Werte werden anschließend mit der vorhandenen Referenzdatenbank verglichen, um Rückschlüsse zu den gemessenen VOC oder zu den gemessenen anderen Substanzen zu ziehen. Another measurement method is comparative measurement based on existing reference data. Measurements are carried out using an asynchronous measuring system, which advantageously represents a simple and economical solution in terms of circuitry. During asynchronous sequential measurement, the air flows into the measuring chamber. For example, the existing VOC, pressure, temperature and humidity sensors measure the changes in the air. The measured values are then compared with the existing reference database in order to draw conclusions about the measured VOCs or other substances measured.
Bevorzugt wird für die Referenz und/oder den Vergleich eine Modellierung der zur Messung verwendeten Sensoren durchgeführt. Vorteilhaft lässt sich so die Messung und Auswertung beschleunigen und vereinfachen. For the reference and/or comparison, modeling of the sensors used for the measurement is preferably carried out. This advantageously accelerates and simplifies measurement and evaluation.
Weiter bevorzugt werden die Sensoren als äquivalente elektrische Ersatzschaltbilder modelliert. Die Komplexität der Sensoren wird so vorteilhaft deutlich verringert, wenn die einzelnen Sensoren in einem äquivalentem elektrischen Ersatzschaltbild dargestellt werden. Beispielsweise kann der Aufbau eines VOC-Sensors mit Hilfe elektrischer Schaltungen dargestellt werden. Für eine vorteilhafte Reduzierung und Vereinfachung der Schaltungskomplexität werden die äquivalenten elektrischen Ersatzschaltbilder bevorzugt in Finite-Voigt-Modelle und/oder Trans- mission-Line-Modelle, z.B. als eine Reihenschaltung aus RC-Gliedern transformiert, die vorzugsweise normalisiert werden und/oder wenigstens einem physikalischen und/oder chemischen Verhalten zugeordnet werden. Beispielsweise kann der VOC-Sensor im äquivalenten Ersatzschaltbild als ein Infinite Voigt-Modell und/oder ein TLM-Modell dargestellt werden, z.B. als Reihenschaltung aus ein oder mehreren RC-Gliedern. Bei der Messung des VOC oder der anderen Substanz verändert sich die Leitfähigkeit und damit die komplexe Impedanz der MOX-Schicht, die wiederum charakteristisch sind für die spezifischen VOC oder die spezifischen anderen Substanzen. More preferably, the sensors are modeled as equivalent electrical equivalent circuit diagrams. The complexity of the sensors is advantageously significantly reduced if the individual sensors are represented in an equivalent electrical equivalent circuit diagram. For example, the structure of a VOC sensor can be represented using electrical circuits. For an advantageous reduction and simplification of the circuit complexity, the equivalent electrical equivalent circuit diagrams are preferably transformed into finite Voigt models and/or transmission line models, for example as a series connection of RC elements, which are preferably normalized and/or at least one physical and/or chemical behavior can be assigned. For example, the VOC sensor can be represented in the equivalent equivalent circuit as an infinite Voigt model and/or a TLM model, for example as a series connection of one or more RC elements. When measuring the VOC or the other substance, the conductivity and thus the complex impedance of the MOX layer changes, which in turn are characteristic of the specific VOC or the specific other substances.
Für eine vorteilhafte Vergleichbarkeit der Sensorwerte können die Finite-Voigt-Modelle und/oder Transmission-Line-Modelle bevorzugt normalisiert und/oder wenigstens einem physikalischen und/oder chemischen Verhalten, z.B. Porosität von Elektroden, Porosität von Elektroden, generelle Diffusion, ideales Reservoir, nicht-permeable Wand zugeordnet werden, wodurch vorteilhaft eine einfache Analyse ermöglicht wird. For an advantageous comparability of the sensor values, the finite Voigt models and/or transmission line models can preferably be normalized and/or at least one physical and/or chemical behavior, e.g. porosity of electrodes, porosity of electrodes, general diffusion, ideal reservoir, non-permeable wall can be assigned, which advantageously enables a simple analysis.
Weiter bevorzugt wird anhand der Finite-Voigt-Modelle und/oder der Transmission-Line-Modelle wenigstens eine DRT-Analyse durchgeführt und Parameter, z.B. Zeitkonstanten extrahiert. Vorteilhaft können die Parameter dann z.B. für die Erstellung eines Referenz-Kl-Modells genutzt werden. More preferably, at least one DRT analysis is carried out using the finite Voigt models and/or the transmission line models and parameters, e.g. time constants, are extracted. The parameters can then advantageously be used, for example, to create a reference Kl model.
Bevorzugt wird neben der Modellierung äquivalenter elektronischer Ersatzschaltbilder wenigstens ein mathematischer Ansatz zur Feature Extraktion, Klassifikation der Messung und/oder zur Modellierung nach der Library Modelling Methode verwendet. In addition to modeling equivalent electronic equivalent circuit diagrams, at least one mathematical approach for feature extraction, classification of the measurement and/or modeling according to the library modeling method is preferably used.
Bevorzugt kann der Vergleich mit Hilfe eines neuralen Netzwerkes durchgeführt werden und/oder durch ein Vergleichen von Biomarkern erfolgen. Vorteilhaft ergibt sich so eine einfache und übersichtliche Darstellung. Weiter bevorzugt kann das neurale Netzwerk die Verhältnisse der gemessenen elektrischen, physikalischen und/oder chemischen Parameter analysieren, wodurch sich vorteilhaft ein schneller Vergleich und eine exakte Unterscheidung der VOC oder der anderen Substanzen ergibt. Beispielsweise können die Verhältnisse, wie sich die gemessenen Parameter ändern, mit einem neuronalen Netz gelöst werden. Möglich ist auch eine Hauptkomponentenanalyse (PCA = Principle Component Analysis). Hieraus lassen sich einfache zweidimensionale Darstellungen erstellen, die eine Unterscheidung der VOC oder der anderen Substanzen möglich machen. Der Vergleich kann bevorzugt durch ein Vergleichen von Biomarkern erfolgen. Aus der Messung und/oder aus der Referenz werden verschiedene Parameter des Veränderungsprozesses ermittelt, welche den Veränderungsprozess beschreiben. Diese Parameter lassen sich beispielsweise als Pfeile in einem Parameterraum darstellen, welche wiederum als Biomarker verwendet werden. The comparison can preferably be carried out with the aid of a neural network and/or by comparing biomarkers. This advantageously results in a simple and clear presentation. More preferably, the neural network can analyze the ratios of the measured electrical, physical and/or chemical parameters, which advantageously results in a quick comparison and an exact differentiation of the VOCs or the other substances. For example, the relationships between how the measured parameters change can be solved using a neural network. A principal component analysis (PCA = Principle Component Analysis) is also possible. From this, simple two-dimensional representations can be created that make it possible to differentiate between VOCs and other substances. The comparison can preferably be carried out by comparing biomarkers. Various parameters of the change process are determined from the measurement and/or the reference, which describe the change process. These parameters can be represented, for example, as arrows in a parameter space, which in turn are used as biomarkers.
Durch die Anregung werden der molekulare Zustand, die elektrischen, physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften des VOC oder der anderen Substanz beeinflusst und/oder es wird wenigstens ein Zwischenprodukt des VOC oder der anderen Substanz erzeugt. Um vorteilhaft eine exakte und genaue Messung zu erhalten, wird bevorzugt die Anregung in Abhängigkeit des Messvolumens angepasst. Beispielsweise kann die Dauer, Art und/oder Intensität der Anregung angepasst werden. Z.B. erfolgt bei einem kleinen Messvolumen die Anregung über eine kürzere Zeitspanne als bei einem großen Messvolumen. The excitation influences the molecular state, the electrical, physical and/or chemical properties of the VOC or the other substance and/or at least one intermediate product of the VOC or the other substance is produced. In order to advantageously obtain an exact and accurate measurement, the excitation is preferably adjusted depending on the measurement volume. For example, the duration, type and/or intensity of the stimulation can be adjusted. For example, with a small measuring volume, the excitation takes place over a shorter period of time than with a large measuring volume.
Weiter bevorzugt erfolgt die Messung in einem definierten Messvolumen, wodurch sich vorteilhaft eine bessere Vergleichbarkeit der Messungen untereinander ergibt, da ein entsprechendes Messsignal je nach unterschiedlichem Messvolumen variiert. Würde beispielsweise ein Tropfen eines VOC oder einer anderen Substanz in einem Messvolumen von einem Kubikzentimeter gemessen, würde dies ein stärkeres Messsignal ergeben als eine Messung des Tropfens in einem Messvolumen von einem Kubikmeter. Beispielsweise kann das Verhältnis der Mengen/Volumen zwischen dem zu analysierenden VOC oder der zu analysierenden anderen Substanz und dem Volumen der Messkammer bzw. des Raumes, in dem das VOC oder die andere Substanz bestimmt wird, Hinweise auf das VOC oder die andere Substanz ergeben. More preferably, the measurement takes place in a defined measuring volume, which advantageously results in better comparability of the measurements with one another, since a corresponding measurement signal varies depending on the different measuring volume. For example, if a drop of a VOC or another substance were measured in a measuring volume of one cubic centimeter, this would result in a stronger measurement signal than measuring the drop in a measuring volume of one cubic meter. For example, the ratio of the amounts/volumes between the VOC or other substance to be analyzed and the volume of the measuring chamber or room in which the VOC or other substance is determined can provide indications of the VOC or other substance.
Die Aufgabe wird zudem durch eine Apparatur zur Bestimmung und/oder Beeinflussung wenigstens eines VOC oder einer anderen Substanz gelöst. Für eine vereinfachte Analyse, Bestimmung und Beeinflussung von VOC oder anderer Substanz ist die Apparatur eingerichtet, ausgeführt und/oder konstruiert, um das oben beschriebene Verfahren auszuführen. The task is also solved by an apparatus for determining and/or influencing at least one VOC or another substance. For simplified analysis, determination and manipulation of VOC or other substance, the apparatus is arranged, designed and/or constructed to carry out the method described above.
Bevorzugt ist die andere Substanz eine Verbindung mit wenigstens einem Sauerstoff, Stickstoff oder Schwefel, insbesondere z.B. ein Metalloxid, ein VNC (Volatile Nitrogen Compound), ein VSC (Volatile Sulfur Compounds), ein VIC (Volatile Inorganic Compounds) oder ein Halogen, wodurch vorteilhaft gesundheitsschädliche Tätigkeiten, z.B. in der Metallverarbeitung beim Schweißen, besser überwacht werden können. The other substance is preferably a compound with at least one oxygen, nitrogen or sulfur, in particular, for example, a metal oxide, a VNC (Volatile Nitrogen Compound), a VSC (Volatile Sulfur Compounds), a VIC (Volatile Inorganic Compounds) or a halogen, which is advantageous Activities that are harmful to health, e.g. welding in metal processing, can be better monitored.
Ebenfalls wird die Aufgabe durch ein Computerprogrammprodukt gelöst. Für eine vorteilhafte vereinfachte Analyse, Bestimmung und Beeinflussung von VOC oder anderer Substanz ist das Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode auf einem Computer lesbaren Medium gespeichert zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens. The task is also solved by a computer program product. This is for an advantageous simplified analysis, determination and influencing of VOCs or other substances Computer program product with a program code stored on a computer-readable medium for carrying out the method described above.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und durch Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden. Further advantages result from the subclaims and the following description of a preferred exemplary embodiment. The features listed individually in the patent claims can be combined with one another in a technologically sensible manner and can be supplemented by explanatory facts from the description and by details from the figures, with further embodiment variants of the invention being shown.
Kurzbeschreibung der Figuren Short description of the characters
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in den beigefügten Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen: The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment shown in the attached figures. Show it:
Fig. 1 eine Apparatur zur Bestimmung und/oder Beeinflussung eines VOC oder einer anderen Substanz, 1 shows an apparatus for determining and/or influencing a VOC or another substance,
Fig. 2 eine schematische Darstellung verwendeter Ansätze zur Bestimmung der VOC,2 shows a schematic representation of approaches used to determine the VOC,
Fig. 3 eine schematische Darstellung der physikalischen, chemischen und/der biochemischen Funktionen der Apparatur, 3 shows a schematic representation of the physical, chemical and/or biochemical functions of the apparatus,
Fig. 4 ein Blockschaltbild einer elektronischen Schaltung, 4 is a block diagram of an electronic circuit,
Fig. 5 eine vereinfachte Darstellung der Signalerzeugung und Signalverarbeitung, 5 shows a simplified representation of signal generation and signal processing,
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Aufbaus für eine synchrone Messung mit Referenzkammer, 6 is a schematic representation of a setup for a synchronous measurement with a reference chamber,
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Aufbaus für eine synchrone Messung ohne Referenzkammer, 7 shows a schematic representation of a setup for a synchronous measurement without a reference chamber,
Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Aufbaus für eine asynchrone sequentielle Messung, 8 is a schematic representation of a setup for an asynchronous sequential measurement,
Fig. 9 eine schematische Darstellung einer Messkammer, 9 is a schematic representation of a measuring chamber,
Fig. 10 Messungen von verschiedenen VOC, Fig. 10 measurements of different VOC,
Fig. 11 eine schematische Darstellung der Generierung der Anregung, 11 shows a schematic representation of the generation of the excitation,
Fig. 12 eine schematische Darstellung der Messung, 12 shows a schematic representation of the measurement,
Fig. 13 eine schematische Darstellung der Modellierung der Sensoren, 13 shows a schematic representation of the modeling of the sensors,
Fig. 14 eine schematische Darstellung der Zuordnung der Modelle, 14 shows a schematic representation of the assignment of the models,
Fig. 15 eine schematische Darstellung der Berechnung der physikalischen, chemischen und/oder biochemischen Größen für ein Referenzmodell. Fig. 15 is a schematic representation of the calculation of the physical, chemical and/or biochemical variables for a reference model.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele Die Erfindung wird jetzt beispielhaft unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Allerdings handelt es sich bei den Ausführungsbeispielen nur um Beispiele, die nicht das erfinderische Konzept auf eine bestimmte Anordnung beschränken sollen. Bevor die Erfindung im Detail beschrieben wird, ist darauf hinzuweisen, dass sie nicht auf die jeweiligen Bauteile der Vorrichtung sowie die jeweiligen Verfahrensschritte beschränkt ist, da diese Bauteile und Verfahren variieren können. Die hier verwendeten Begriffe sind lediglich dafür bestimmt, besondere Ausführungsformen zu beschreiben und werden nicht einschränkend verwendet. Wenn zudem in der Beschreibung oder in den Ansprüchen die Einzahl oder unbestimmte Artikel verwendet werden, bezieht sich dies auch auf die Mehrzahl dieser Elemente, solange nicht der Gesamtzusammenhang eindeutig etwas Anderes deutlich macht. Description of preferred embodiments The invention will now be explained in more detail by way of example with reference to the accompanying drawings. However, the exemplary embodiments are only examples that are not intended to limit the inventive concept to a specific arrangement. Before the invention is described in detail, it should be noted that it is not limited to the respective components of the device or the respective process steps, since these components and processes can vary. The terms used herein are intended solely to describe particular embodiments and are not used in a limiting sense. Furthermore, if the singular or indefinite articles are used in the description or in the claims, this also refers to the plurality of these elements, unless the overall context clearly indicates otherwise.
Die folgenden Ausführungsbeispiele und Figuren sind auf VOC bezogen, gelten jedoch ebenfalls genauso für andere Substanzen, insbesondere für Verbindungen mit wenigstens einem Sauerstoff, Stickstoff oder Schwefel, insbesondere z.B. für Metalloxide, VNC (Volatile Nitrogen Compound), VSC (Volatile Sulfur Compounds), VIC (Volatile Inorganic Compounds) oder Halogene. The following exemplary embodiments and figures relate to VOC, but also apply to other substances, in particular to compounds with at least one oxygen, nitrogen or sulfur, in particular, for example, metal oxides, VNC (Volatile Nitrogen Compound), VSC (Volatile Sulfur Compounds), VIC (Volatile Inorganic Compounds) or halogens.
Das Ausführungsbeispiel in Fig. 1 zeigt eine Apparatur 10 zur Bestimmung, Unterscheidung und/oder Beeinflussung wenigstens eines VOC. Es handelt sich im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 um eine asynchrone Messung ohne Referenzsensoren, wie später schematisch in Fig. 8 gezeigt. Die Apparatur 10 in Fig. 1 kann beispielsweise in einem Lüftungsschacht eingesetzt werden. In einem Einlass 12 strömt das VOC, welches beispielsweise als ein Gas oder ein Gasgemisch vorliegt, in die Apparatur 10. Das VOC kann aber auch angesaugt werden. Eine Strahlungsquelle 14, z.B. eine UV-LED, regt das VOC hinter einem Filter 16, z.B. einem photokatalytischen Filter, z.B. mittels Photokatalyse an und induziert somit einen Veränderungsprozess des VOC. Die Strahlungsquelle 14 kann über eine Kühleinrichtung 15, z.B. eine Kühlplatte, gekühlt werden. Anschließend erfolgt eine Messung des Veränderungsprozesses mittels wenigstens eines Sensors 18, z.B. eines VOC-Sensors, Temperatursensors, Drucksensors, Luftfeuchtigkeitssensors und/oder C02-Sensors, bevor das VOC durch einen Auslass 20 die Apparatur 10 verlässt. Das VOC kann auch aus dem Auslass 20 geblasen werden. Im Ausführungsbeispiel in Fig. 1 stellt der Sensor 18 ein VOC-Sensor dar. Prinzipiell kann in anderen Ausführungsbeispielen die Apparatur 10 bevorzugt noch weitere Sensoren 18, z.B. ein Temperatursensor, ein Drucksensor, ein Luftfeuchtigkeitssensor und/oder ein C02-Sensor aufweisen. Zur besseren Verteilung des VOC kann die Apparatur 10 eine Lüftung 11 , z.B. ein Ventilator vorgesehen sein. Die Apparatur 10 basiert vorteilhaft auf preisgünstigen, handelsüblichen, elektronischen Bauelementen, die den Einsatz in jeglichen elektronischen Geräten erlauben. Die Apparatur 10 nutzt zur Bestimmung, Unterscheidung und/oder Beeinflussung des VOC wenigstens zwei analytische bzw. diagnostische Funktionsweisen gemäß Fig. 2. Die elektrochemische Impedanzspektroskopie 32 (EIS) und die photochemische Analyse 36. Bei der elektrochemischen Impedanzspektroskopie 32 werden durch eine Anregung 24, z.B. durch ein Anrege-Sig- nal, Veränderungen 22, z.B. elektrochemische Veränderungen hervorgerufen, durch die neue Stoffe 26 und Molekularstrukturen des VOC entstehen können. Die Anregung 24 kann in einem passenden Frequenzspektrum und in Abstimmung bzw. Anpassung mit dem jeweiligen VOC erzeugt werden. Zum besseren Verständnis der chemischen Veränderungsvorgänge werden die dabei verwendeten Sensoren als auch die aus der Messung ermittelten Werte mit Hilfe von äquivalenten Ersatzschaltbildern 30 (ECM) beispielsweise mit Widerständen, Kondensatoren und Spulen dargestellt, welche dann zu einer Analyse 34, z.B. einer Spektralanalyse, verwendet werden können. The exemplary embodiment in FIG. 1 shows an apparatus 10 for determining, distinguishing and/or influencing at least one VOC. The exemplary embodiment according to FIG. 1 is an asynchronous measurement without reference sensors, as shown later schematically in FIG. 8. The apparatus 10 in FIG. 1 can be used, for example, in a ventilation shaft. The VOC, which is present, for example, as a gas or a gas mixture, flows into the apparatus 10 in an inlet 12. However, the VOC can also be sucked in. A radiation source 14, for example a UV LED, stimulates the VOC behind a filter 16, for example a photocatalytic filter, for example by means of photocatalysis and thus induces a change process in the VOC. The radiation source 14 can be cooled via a cooling device 15, for example a cooling plate. The change process is then measured using at least one sensor 18, for example a VOC sensor, temperature sensor, pressure sensor, air humidity sensor and/or C02 sensor, before the VOC leaves the apparatus 10 through an outlet 20. The VOC can also be blown out of the outlet 20. In the exemplary embodiment in FIG. 1, the sensor 18 represents a VOC sensor. In principle, in other exemplary embodiments, the apparatus 10 can preferably have further sensors 18, for example a temperature sensor, a pressure sensor, an air humidity sensor and/or a C02 sensor. To better distribute the VOC, the apparatus 10 can be provided with a ventilation 11, for example a fan. The apparatus 10 is advantageously based on inexpensive, commercially available electronic components that allow use in any electronic devices. To determine, differentiate and/or influence the VOC, the apparatus 10 uses at least two analytical or diagnostic functions according to FIG. e.g. caused by an excitation signal, changes 22, e.g. electrochemical changes, through which new substances 26 and molecular structures of the VOC can arise. The excitation 24 can be generated in a suitable frequency spectrum and in coordination or adaptation with the respective VOC. For a better understanding of the chemical change processes, the sensors used as well as the values determined from the measurement are represented with the help of equivalent equivalent circuit diagrams 30 (ECM), for example with resistors, capacitors and coils, which are then used for an analysis 34, for example a spectral analysis can.
Die Anpassung der Anregung kann beispielsweise durch wenigstens einen der folgenden Punkte erfolgen: The stimulus can be adjusted, for example, through at least one of the following points:
1. Durch eine Verwendung von unterschiedlichen LEDs mit unterschiedlichem Farbspektrum - Veränderung der emittierten Wellenlänge. 1. By using different LEDs with different color spectrums - changing the emitted wavelength.
2. Durch die Kombination von LEDs mit unterschiedlichen Wellenlängen kann eine breitbandige Emittierung oder Aussendung von Photonen erreicht werden. 2. By combining LEDs with different wavelengths, broadband emission or emission of photons can be achieved.
3. Durch eine Modulation der LED-Signale in bestimmten Puls/Pausenverhältnissen. 3. By modulating the LED signals in certain pulse/pause ratios.
4. Durch äquivalente Modulationssignale der LEDs, deren zeitlicher Verlauf der Formation von elektropositiven Gasen im VOC entsprechen. 4. Through equivalent modulation signals from the LEDs, the time course of which corresponds to the formation of electropositive gases in the VOC.
5. Durch äquivalente Modulationssignale der LEDs, deren zeitlicher Verlauf der Formation von elektronegativen Gasen im VOC entsprechen. 5. Through equivalent modulation signals from the LEDs, the time course of which corresponds to the formation of electronegative gases in the VOC.
Mit dem Wissen bzw. der Aufgabenstellung welcher VOC angelernt oder detektiert werden soll z.B. elektropositive oder elektronegative Gase im VOC, können die passenden Anregesignale gewählt werden. With the knowledge or task of which VOC should be trained or detected, e.g. electropositive or electronegative gases in the VOC, the appropriate excitation signals can be selected.
Eine Anpassung kann bevorzugt auch durch die Dauer, die Energiemenge der Photonenenergie (z.B. Anzahl der LEDs und deren Puls/Pausen-Verhältnisses), VOC-Strömungsgeschwindigkeit und/oder die Fläche des Katalysators erfolgen. An adjustment can preferably also be made by the duration, the amount of energy of the photon energy (e.g. number of LEDs and their pulse/pause ratio), VOC flow rate and/or the area of the catalyst.
Bei der photochemischen Analyse 36 wird mit Hilfe von Energie 38, z.B. optischer Energie, und einem Katalysator 40 in einem VOC 48 in einem Umwandlungsprozess über ein Zwischenprodukt 42 ein Zerfallsprozess 44 initiiert, das wiederum in einen neuen, bevorzugterweise unschädlichem Stoff 46 (VOC) überführt wird. Mit Hilfe eines kontrollierten Anrege-Signals ist der Zerfallsprozess und damit das Relaxationsverhalten des VOC kontrollierbar und messbar. Das Relaxationsverhalten kann durch eine Kombination von unterschiedlichen Relaxationszeitkonstanten (Tau) dargestellt werden und wiederum in eine RC-Zeitkonstante (Tau) aus Widerstand und Kondensator abstrahiert überführt werden. In the photochemical analysis 36, with the help of energy 38, for example optical energy, and a catalyst 40 in a VOC 48, a decomposition process 44 is initiated in a conversion process via an intermediate product 42, which in turn is converted into a new, preferably harmless substance 46 (VOC). becomes. With the help of a controlled excitation signal, the decay process and thus the relaxation behavior of the VOC can be controlled and measured. The relaxation behavior can be determined by a combination of different relaxation time constants (Tau) are represented and in turn abstracted into an RC time constant (Tau) made up of resistor and capacitor.
Zur Bestimmung und/oder Beeinflussung des VOC kann die Apparatur wenigstens zwei Prinzipien gemäß Fig. 3 verwenden. Beispielsweise zum einen das Prinzip der Impedanzspektroskopie mit Anrege-Signalen und komplexen Sensorelementen und zum Zweiten der physikalische, chemische und biochemische Ansatz des Zustandsbeobachters des VOC während der Anregung und ohne Anregung. Für den Anlernprozess kann eine Parameter-Extrahierung des Gases oder des VOC erfolgen. Mit den Daten des Analyse- und Bestimmungsprozesses des VOC kann eine Feature-Extraktion und Klassifizierung erfolgen. Mit den Daten des Anlernprozesses und den Daten des Analyse- bzw. Testprozesses kann dann die Bestimmung des VOC erfolgen. To determine and/or influence the VOC, the apparatus can use at least two principles according to FIG. 3. For example, on the one hand the principle of impedance spectroscopy with excitation signals and complex sensor elements and on the other hand the physical, chemical and biochemical approach of the state observer of the VOC during excitation and without excitation. A parameter extraction of the gas or the VOC can be carried out for the learning process. Feature extraction and classification can be carried out using the data from the VOC analysis and determination process. The VOC can then be determined using the data from the training process and the data from the analysis or testing process.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer elektronischen Schaltung der Apparatur 10 in einem Blockschaltbild. Die vier Funktionsblöcke 60, 62, 64, 66 des Systems sind in Sensoren 60, Mikrokontroller 62, Emitter 64 sowie in HF-Generator und HF-Modulator 66 unterteilt. Der Funktionsblock Mikrokontroller 62 weist wenigstens einen Prozessor 68, der gleichzeitig als Kern des Systems ausgeführt sein und einen Algorithmus ausführen kann, sowie wenigstens einen Timer 70 auf, der die Signalerzeugung steuert. Weiter weist der Funktionsblock wenigstens einen Mikrokontroller 62, eine Datenverarbeitungseinheit 69, z.B. ein BUS und/oder eine Modulationseinheit 67, z.B. eine Pulswellenmodulationseinheit (PWM-Modulationseinheit) und/oder eine Pulsfrequenzmodulationseinheit (PFM-Modulationseinheit) auf. Fig. 4 shows an exemplary embodiment of an electronic circuit of the apparatus 10 in a block diagram. The four functional blocks 60, 62, 64, 66 of the system are divided into sensors 60, microcontroller 62, emitter 64 and HF generator and HF modulator 66. The microcontroller functional block 62 has at least one processor 68, which can simultaneously be designed as the core of the system and execute an algorithm, and at least one timer 70, which controls signal generation. Furthermore, the functional block has at least one microcontroller 62, a data processing unit 69, for example a BUS and/or a modulation unit 67, for example a pulse wave modulation unit (PWM modulation unit) and/or a pulse frequency modulation unit (PFM modulation unit).
Der Funktionsblock HF-Generator und HF-Modulator 66 weist wenigstens einen Pulsgenerator 72, z.B. einen Trichelpulsgenerator, und wenigstens einen Frequenz-Modulator 74, z.B. einen Hochfrequenz-Modulator auf, welche für die Generierung der modulierten Pulse verantwortlich sind. Im Funktionsblock Emitter 64 werden die eingesetzten Strahlungsquellen bzw. Emitter 76 zusammengefasst, welche z.B. neben Infrarot-, UVA- und UVC-LEDs auch als Laser ausgeführt sein können. Die Steuerung der Emitter übernimmt wenigstens ein Treiber 78, z.B. ein LED- bzw. Lasertreiber. Unter dem Funktionsblock Sensoren 60 werden alle eingesetzten Sensoren 80 zur Messung elektrischer, physikalischer, chemischer und/oder biochemischer Größen zusammengefasst. Weiter kann der Funktionsblock Sensoren 60 zur Verarbeitung der Messwerte auch eine Verarbeitungseinheit 79, z.B. ein Analog/Digital Converter aufweisen. Dabei basiert z.B. der VOC-Sensor auf einer elektrochemischen Reaktion, dessen elektrische Leitfähigkeit der Oberfläche sich in Abhängigkeit des umgebenden VOC verändert. The HF generator and HF modulator functional block 66 has at least one pulse generator 72, for example a Trichel pulse generator, and at least one frequency modulator 74, for example a high-frequency modulator, which are responsible for generating the modulated pulses. The emitter 64 function block combines the radiation sources or emitters 76 used, which, for example, in addition to infrared, UVA and UVC LEDs, can also be designed as lasers. The emitters are controlled by at least one driver 78, for example an LED or laser driver. All sensors 80 used for measuring electrical, physical, chemical and/or biochemical variables are summarized under the function block sensors 60. Furthermore, the sensor function block 60 can also have a processing unit 79, for example an analog/digital converter, for processing the measured values. For example, the VOC sensor is based on an electrochemical reaction, the electrical conductivity of the surface of which changes depending on the surrounding VOC.
Basis für die Messsensorik der Apparatur 10 sind unterschiedliche Sensoren zur Bestimmung elektronischer, physikalischer, chemischer und/oder biochemischer Größen, z.B. ein VOC- Sensor, ein MOX-Sensor, ein Temperatursensor, ein Drucksensor, ein Feuchtigkeitssensor und/oder ein C02-Sensor (molares Volumen). Eine Schaltung, z.B. eine Microcontroller-basierte Schaltung generiert für die Anregung wenigstens ein Anrege-Signal mit dem wenigstens eine Strahlungsquelle, z.B. eine UV-Lichtquelle, moduliert wird. Bevorzugt werden alle Messwerte aller Sensoren zum Anlernen und zur späteren Bestimmung des VOC verwendet. Die Messsignalauswertung erfolgt in verschiedenen Messphasen z.B. mit und ohne VOC, mit und ohne Anregung und/oder mit und ohne Photokatalyse gemäß Fig. 10. The basis for the measuring sensors of the apparatus 10 are different sensors for determining electronic, physical, chemical and/or biochemical variables, for example a VOC sensor, a MOX sensor, a temperature sensor, a pressure sensor, a moisture sensor and/or a C02 sensor (molar volume). For the excitation, a circuit, for example a microcontroller-based circuit, generates at least one excitation signal with which at least one radiation source, for example a UV light source, is modulated. All measured values from all sensors are preferably used for learning and later determination of the VOC. The measurement signal evaluation takes place in different measurement phases, for example with and without VOC, with and without excitation and/or with and without photocatalysis according to FIG. 10.
Fig. 5 zeigt die vereinfachte Darstellung der Signalerzeugung und der Signalverarbeitung. Das zu bestimmende VOC wird gemäß Fig. 5 zunächst z.B. als Gas oder Gasgemisch mit einer Strahlungsquelle angeregt. Anschließend erfolgt jeweils eine Messung des angeregten VOC und des nicht angeregten VOC. Beispielsweise kann während der Messung der VOC-Wert, die Temperatur, die Feuchtigkeit, der CO2-Gehalt und der Druck erfasst werden. Danach wird eine Differenz aus der Messung mit und ohne Anregung gebildet. Fig. 5 shows the simplified representation of signal generation and signal processing. According to FIG. 5, the VOC to be determined is first excited, for example as a gas or gas mixture, with a radiation source. The excited VOC and the non-excited VOC are then measured. For example, the VOC value, temperature, humidity, CO2 content and pressure can be recorded during the measurement. A difference is then formed between the measurement with and without excitation.
In Fig.5 werden exemplarisch zwei Messungen parallel durchgeführt. Eine VOC-Messung 1 mit einer UV-Lichtquelle und einem Katalysator, wobei die UV-Lichtquelle ein- oder ausgeschaltet sein kann. Eine VOC-Messung 2 in einem separaten Luftstrom ohne UV-Lichtquelle und ohne Katalysator. Der Graph 50a aus Fig. 10 entspricht z.B. normaler Luft ohne VOC in den jeweiligen Phasen mit und ohne UV-Anregung mit Katalysator. Die Graphen 50b und 50c in Fig. 10 zeigen das Verhalten zweier unterschiedlicher VOC in den jeweiligen Phasen mit und ohne UV- Anregung mit Katalysator. In Fig.5, two measurements are carried out in parallel as an example. A VOC measurement 1 with a UV light source and a catalyst, where the UV light source can be switched on or off. A VOC measurement 2 in a separate air stream without a UV light source and without a catalyst. The graph 50a from Fig. 10 corresponds, for example, to normal air without VOC in the respective phases with and without UV excitation with catalyst. Graphs 50b and 50c in FIG. 10 show the behavior of two different VOCs in the respective phases with and without UV excitation with catalyst.
Das Funktionsprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens basiert auf einem Zustandsbeobachter, der den elektrischen, physikalischen, chemischen und/oder biochemischen Veränderungsprozess eines VOC mit Hilfe von Sensoren während des Veränderungsprozesses des VOC aufzeichnet. Mit Hilfe einer Anregung z.B. in Form von modulierten Anrege-Signalen im Bereich von vorzugsweise Nanometern wird unter anderem z.B. die elektrische Leitfähigkeit des VOC gezielt formiert und der Veränderungsprozess induziert und/oder gesteuert. Die charakteristischen Relaxationszeiten des Veränderungsprozesses können bevorzugt maschinell angelernt werden. Beispielsweise kann die Apparatur 10 den charakteristischen Veränderungsprozess des zu bestimmenden VOC mit dem wenigsten einen bereitgestellten oder bereits angelernten charakteristischen Veränderungsprozess einer Referenz vergleichen. Das Veränderungsverhalten zeigt in den jeweiligen Messphasen der verschiedenen VOC charakteristische Einschwingzeiten und Kurvenverläufe z.B. ein e-Funktion-ähnliches Verhalten. Mit einer partiellen Zerlegung der gesamten Funktion über alle Phasen können unterschiedliche mathematische Funktionen den partiellen Teilfunktionen zugeordnet werden und im Microcontroller verarbeitet werden. Um eine eindeutige Erkennung und Unterscheidung der einzelnen VOC-Verbindungen treffen zu können, kann auch eine Korrelationsmessung gemäß Fig. 6 durchgeführt werden. Dabei werden mit Hilfe zweier identischer Messsysteme zeitsynchrone Messungen durchgeführt. Es entsteht ein Gesamtmesssystem, dass in der Lage ist, neben der flüchtigen organischen Verbindung auch die vorherrschende Referenz zu messen. Dabei handelt es sich bei der Referenzmessung in der Regel um die natürliche Umgebung ohne hohe VOC-Belastung. Zur Vereinfachung der Darstellung wird in Fig. 6 symbolisch nur eine komplexe Impedanz der Sensoren 18 dargestellt. Die komplexe Impedanz steht stellvertretend für die komplexe Impedanz aller Sensoren 18, z.B. VOC-Sensoren, Temperatursensoren, Drucksensoren, Luftfeuchtigkeitssensoren und/oder CO2- Sensoren in der Messanordnung. In einem weiteren Ausführungsbeispiel entspricht wenigstens ein Sensor 18 einem VOC-Sensor. Die Pfeile 19 symbolisieren die Strömungsrichtung des VOC unter Einfluss des photokatalytischen Prozesses. Um eventuelle Schwebstoffe mit festen Partikeln herauszufiltern, können optional Filter 13, z.B. HEPA-Filter, Kohle-Filter oder andere mechanische Filter, eingesetzt werden. The functional principle of the method according to the invention is based on a state observer which records the electrical, physical, chemical and/or biochemical change process of a VOC with the aid of sensors during the change process of the VOC. With the help of an excitation, for example in the form of modulated excitation signals in the range of preferably nanometers, the electrical conductivity of the VOC is specifically formed and the change process is induced and/or controlled. The characteristic relaxation times of the change process can preferably be learned by machine. For example, the apparatus 10 can compare the characteristic change process of the VOC to be determined with the least one provided or already learned characteristic change process of a reference. The change behavior shows characteristic settling times and curves in the respective measurement phases of the various VOCs, for example an e-function-like behavior. With a partial decomposition of the entire function across all phases, different mathematical functions can be assigned to the partial sub-functions and processed in the microcontroller. In order to be able to clearly identify and differentiate between the individual VOC compounds, a correlation measurement according to FIG. 6 can also be carried out. Time-synchronous measurements are carried out using two identical measuring systems. The result is an overall measurement system that is able to measure not only the volatile organic compound but also the predominant reference. The reference measurement is usually the natural environment without high VOC pollution. To simplify the illustration, only a complex impedance of the sensors 18 is shown symbolically in FIG. The complex impedance represents the complex impedance of all sensors 18, for example VOC sensors, temperature sensors, pressure sensors, air humidity sensors and/or CO2 sensors in the measuring arrangement. In a further exemplary embodiment, at least one sensor 18 corresponds to a VOC sensor. The arrows 19 symbolize the direction of flow of the VOC under the influence of the photocatalytic process. In order to filter out any suspended matter with solid particles, optional filters 13, e.g. HEPA filters, carbon filters or other mechanical filters, can be used.
Das Messprinzip der synchronen Messung gemäß Fig. 6 beruht auf einem Gesamtmesssystem, das über zwei exakt gleiche Messsysteme verfügt. Den Kern der beiden Systeme bilden die Sensorfusionen der einzelnen Sensoren 18. Die Sensoren 18 befinden sich in jeweiligen Messkammern 28, 29 mit jeweils wenigstens einer Strahlungsquelle 14. Bei der synchronen Messung gemäß Fig. 6 strömt die Luft in die beiden Messkammern 28, 29. In der einen Messkammer 28 findet die Messung der flüchtigen organischen Verbindung statt. Hierbei detektiert das System Veränderungen in der Luft z.B. anhand der VOC-, Temperatur- und Luftfeuchtigkeitswerte. In der anderen Messkammer 29 bzw. der Referenz-Messkammer wird eine Messung der Referenz-Umgebung durchgeführt. Sie gibt z.B. an, bei welchen VOC-, Temperatur- und Luftfeuchtigkeitswerten die Luft nur wenige oder sogar gar keine flüchtigen organischen Verbindungen beinhaltet, die schädlich sind. Die jeweiligen Messungen werden dann mittels einer Vergleichseinrichtung 17 ausgewertet und analysiert. The measuring principle of the synchronous measurement according to FIG. 6 is based on an overall measuring system that has two exactly the same measuring systems. The sensor fusions of the individual sensors 18 form the core of the two systems. The sensors 18 are located in respective measuring chambers 28, 29, each with at least one radiation source 14. During the synchronous measurement according to FIG. 6, the air flows into the two measuring chambers 28, 29. The measurement of the volatile organic compound takes place in one measuring chamber 28. The system detects changes in the air, for example based on VOC, temperature and humidity values. A measurement of the reference environment is carried out in the other measuring chamber 29 or the reference measuring chamber. For example, it indicates at what VOC, temperature and humidity levels the air contains few or even no volatile organic compounds that are harmful. The respective measurements are then evaluated and analyzed using a comparison device 17.
Eine Vereinfachung des Messsystems zeigt Fig. 7. Diese Anordnung beschreibt eine synchrone Messung ohne eine Referenz-Messkammer 29, sondern nimmt Bezug auf die in der Umgebung vorhandenen VOC. Zur Vereinfachung der Darstellung wird ebenfalls in Fig. 7 symbolisch nur eine komplexe Impedanz der Sensoren 18 dargestellt. Die komplexe Impedanz steht stellvertretend für die komplexe Impedanz aller Sensoren 18, z.B. VOC-Sensoren, Temperatursensoren, Drucksensoren, Luftfeuchtigkeitssensoren und/oder C02-Sensoren in der Messanordnung. In einem weiteren Ausführungsbeispiel entspricht wenigstens ein Sensor 18 einem VOC-Sensor. In Fig. 7 befindet sich ein Sensor 18 (Zref) außerhalb der Messkammer 28, also in einem Bereich ohne Photokatalyse und ohne UV-Anregung. Der Sensor 18 (Zref) misst somit die Umgebungsluft. Beispielsweise kann ein Sensor 18 (Zobj) in einem Kamin oder einem Strömungskanal angeordnet sein und ein Sensor 18 (Zref) kann außerhalb des Strömungskanals angeordnet sein. A simplification of the measuring system is shown in FIG. 7. This arrangement describes a synchronous measurement without a reference measuring chamber 29, but rather makes reference to the VOCs present in the environment. To simplify the illustration, only a complex impedance of the sensors 18 is also shown symbolically in FIG. 7. The complex impedance represents the complex impedance of all sensors 18, for example VOC sensors, temperature sensors, pressure sensors, air humidity sensors and/or C02 sensors in the measuring arrangement. In a further exemplary embodiment, at least one sensor 18 corresponds to a VOC sensor. In Fig. 7, a sensor 18 (Zref) is located outside the measuring chamber 28, i.e. in an area without photocatalysis and without UV excitation. The sensor 18 (Zref) thus measures the ambient air. For example, a sensor 18 (Zobj) can be arranged in a chimney or a flow channel and a sensor 18 (Zref) can be arranged outside the flow channel.
Ein weiteres Messverfahren stellt die Vergleichsmessung anhand vorhandener Referenzdaten dar. Dabei werden Messungen mit Hilfe eines asynchronen Messsystems gemäß Fig. 8 durchgeführt, die die schaltungstechnisch einfachste und wirtschaftlichste Lösung darstellt. Zur Vereinfachung der Darstellung wird ebenfalls in Fig. 8 symbolisch nur eine komplexe Impedanz der Sensoren 18 dargestellt. Die komplexe Impedanz steht stellvertretend für die komplexe Impedanz aller Sensoren 18, z.B. VOC-Sensoren, Temperatursensoren, Drucksensoren, Luftfeuchtigkeitssensoren und/oder C02-Sensoren in der Messanordnung. In einem weiteren Ausführungsbeispiel entspricht wenigstens ein Sensor 18 einem VOC-Sensor. Bei der asynchronen sequenziellen Messung strömt die Luft in die Messkammer 28. Dabei messen z.B. die vorhandenen VOC-, Druck-, Temperatur- und Luftfeuchtigkeitssensoren die Änderungen in der Luft. Die gemessenen Werte werden anschließend mit der vorhandenen Referenzdatenbank verglichen, um Rückschlüsse zu den gemessenen flüchtigen organischen Verbindungen zu ziehen. Es wird derselbe Sensor 18 für die Referenzmessung und die Messung verwendet, wodurch sich vorteilhaft eine einfache und kostengünstige Variante ergibt. Another measuring method is the comparison measurement based on existing reference data. Measurements are carried out using an asynchronous measuring system according to FIG. 8, which represents the simplest and most economical solution in terms of circuitry. To simplify the illustration, only a complex impedance of the sensors 18 is also shown symbolically in FIG. The complex impedance represents the complex impedance of all sensors 18, e.g. VOC sensors, temperature sensors, pressure sensors, air humidity sensors and/or C02 sensors in the measuring arrangement. In a further exemplary embodiment, at least one sensor 18 corresponds to a VOC sensor. In the asynchronous sequential measurement, the air flows into the measuring chamber 28. For example, the existing VOC, pressure, temperature and humidity sensors measure the changes in the air. The measured values are then compared with the existing reference database in order to draw conclusions about the measured volatile organic compounds. The same sensor 18 is used for the reference measurement and the measurement, which advantageously results in a simple and cost-effective variant.
Die Anordnung der Strahlungsquellen 14 sowie der Sensoren 18 in einer Messkammer 28 der Apparatur 10 ist schematisch in einem Ausführungsbeispiel in Fig. 9 dargestellt. In einem weiteren Ausführungsbeispiel entspricht wenigstens ein Sensor 18 einem VOC-Sensor. Als Strahlungsquellen 14 oder Emitter können beispielsweise mehreren UV-Lichtquellen sowie Wärmequellen wie z.B. eine Infrarotquelle verwendet werden. Eine Erweiterung um weitere Sensoren 18 erhöht die Menge der Daten für den Anlern- bzw. Bestimmungsprozess der VOC, wodurch vorteilhaft eine bessere Genauigkeit bei der Bestimmung des VOC erzielt wird. In Fig. 9 kann optional auch der CO2-Gehalt bestimmt werden und es können mit Hilfe von UVC-Anregesignalen Bakterien und/oder Viren vernichtet werden. Das Relaxationsverhalten und/oder das Einschwingverhalten kann dann z.B. als ein charakteristischer Bio-Marker für Bakterien und/oder Viren verwendet werden. The arrangement of the radiation sources 14 and the sensors 18 in a measuring chamber 28 of the apparatus 10 is shown schematically in an exemplary embodiment in FIG. In a further exemplary embodiment, at least one sensor 18 corresponds to a VOC sensor. For example, several UV light sources and heat sources such as an infrared source can be used as radiation sources 14 or emitters. An expansion to include additional sensors 18 increases the amount of data for the VOC learning or determination process, which advantageously results in better accuracy when determining the VOC. In Fig. 9, the CO2 content can optionally also be determined and bacteria and/or viruses can be destroyed with the help of UVC excitation signals. The relaxation behavior and/or the transient response can then be used, for example, as a characteristic bio-marker for bacteria and/or viruses.
In einem Ausführungsbeispiel gemäß Fig.9 gelangt über eine Einlassöffnung 12 das VOC typischerweise über ein Ventil 21 in die Messkammer 28. Die Auslassöffnung 20 kann typischerweise auch über ein Ventil 21 bedient werden. Damit lässt sich das Volumen des zu bestimmenden VOC in der Messkammer 28 steuern bzw. bei geschlossenen Ventilen 21 quasi konstant halten. Als VOC könnte zum Beispiel ein Tropfen Alkohol in der Messkammer 28 dienen. Dies entspräche z.B. einer extrem kleinen Rest-Menge eines Weines in einem großen Weinfass. Sobald beide Ventile 21 geschlossen sind, erfolgt die Anregung durch UV- und IR-Strahlungsquellen 14. Über die UV-Strahlung und einen Filter 16, welcher als Katalysator dient, wird der Photokatalyse- Prozess ausgelöst. Mit Hilfe der IR-Wärmestrahlung wird zusätzlich das chemische Reaktionsverhalten des VOC beschleunigt. Der VOC ändert nun durch Einfluss der Strahlungsquellen 14 seine molekulare Struktur. Dieser kontinuierliche molekulare Veränderungsprozess des VOC wird über die Sensoren 18 kontinuierlich gemessen. Die Sensoren 18 messen z.B. die VOC- Konzentration, die Luftfeuchtigkeit, die Temperatur, den Luftdruck und/oder den CO2-Gehalt. Der VOC-Sensor kann zusätzlich eine Wärmequelle, z.B. eine Heizplatte aufweisen, um die Messempfindlichkeit bzw. Sensitivität der Metall-Oxid-Schicht des VOC- Sensors zu steuern bzw. zu erhöhen. Nach den Messphasen, wie in Fig.10 beschrieben, werden die Ventile 21 geöffnet und die Messkammer 28 vom VOC befreit. Der gesamte Vorgang kann bevorzugt mehrfach wiederholt werden, um vorteilhaft die statistische Wahrscheinlichkeit der VOC-Bestimmung zu erhöhen. Danach startet der gleiche Vorgang mit einem anderen VOC. Aus den Sensordaten der Sensoren 18 können über ein Computerprogramm die spezifischen Biomarker des jeweilen VOC bestimmt bzw. unterschieden werden. 9, the VOC typically enters the measuring chamber 28 via an inlet opening 12 via a valve 21. The outlet opening 20 can typically also be operated via a valve 21. This allows the volume of the VOC to be determined in the measuring chamber 28 to be controlled or kept virtually constant with the valves 21 closed. For example, a drop of alcohol in the measuring chamber 28 could serve as a VOC. This would correspond, for example, to an extremely small remaining amount of wine in a large wine barrel. As soon as both valves 21 are closed, excitation occurs from UV and IR radiation sources 14. The photocatalysis process is triggered via UV radiation and a filter 16, which serves as a catalyst. With the help of IR heat radiation, the chemical reaction behavior of the VOC is also accelerated. The VOC now changes its molecular structure due to the influence of the radiation sources 14. This continuous molecular change process of the VOC is continuously measured via the sensors 18. The sensors 18 measure, for example, the VOC concentration, the air humidity, the temperature, the air pressure and/or the CO2 content. The VOC sensor can additionally have a heat source, for example a heating plate, in order to control or increase the measurement sensitivity or sensitivity of the metal oxide layer of the VOC sensor. After the measuring phases, as described in FIG. 10, the valves 21 are opened and the measuring chamber 28 is freed from VOC. The entire process can preferably be repeated several times in order to advantageously increase the statistical probability of the VOC determination. The same process then starts with a different VOC. The specific biomarkers of the respective VOC can be determined or distinguished from the sensor data from the sensors 18 using a computer program.
Das System und der verwendete Algorithmus können eine Unterscheidung der flüchtigen organischen Verbindungen durchführen, indem z.B. digitale Zwillinge geschaffen werden. Hierzu werden anhand eines Anlernverfahrens die einzelnen VOC gemessen und ihre Verhaltensmuster digital abgespeichert. Beispielsweise können die gemessenen Daten mit mathematischen Funktionen beschrieben und über statistische Methoden genauer bestimmt werden. Diese Informationen können als Basis für den digitalen Zwilling genommen werden. Aufgrund der vielen Variablen im System handelt sich um ein mehrdimensionales System. The system and the algorithm used can differentiate between volatile organic compounds, for example by creating digital twins. For this purpose, the individual VOCs are measured using a training process and their behavior patterns are saved digitally. For example, the measured data can be described using mathematical functions and determined more precisely using statistical methods. This information can be used as the basis for the digital twin. Because of the many variables in the system, it is a multidimensional system.
Der digitale Zwilling beschreibt die unterschiedlichen Phasen in Fig. 10 und ergänzt hierzu die unterschiedlichen Anregesignale und stellt hierzu Abhängigkeiten dar. Die Abhängigkeiten können durch wenigstens einen der folgenden Punkte bestimmt werden: The digital twin describes the different phases in Fig. 10 and supplements the different excitation signals and represents dependencies. The dependencies can be determined by at least one of the following points:
1 . Durch eine Verwendung von unterschiedlichen LEDs mit unterschiedlichem Farbspektrum zur Veränderung der emittierten Wellenlänge. 1 . By using different LEDs with different color spectrums to change the emitted wavelength.
2. Durch eine Kombination von LEDs mit unterschiedlichen Wellenlängen kann eine breitbandige Emittierung von Photonen erreicht werden. 2. A combination of LEDs with different wavelengths can achieve broadband emission of photons.
3. Durch eine Modulation der LED-Signale in bestimmten Puls/Pausenverhältnissen. 3. By modulating the LED signals in certain pulse/pause ratios.
4. Durch äquivalente Modulationssignale der LEDs, deren zeitlicher Verlauf der Formation von elektropositiven Gasen im VOC entspricht. 4. Through equivalent modulation signals from the LEDs, the time course of which corresponds to the formation of electropositive gases in the VOC.
5. Durch äquivalente Modulationssignale der LEDs, deren zeitlicher Verlauf der Formation von elektronegativen Gasen im VOC entspricht. 5. Through equivalent modulation signals from the LEDs, the time course of which corresponds to the formation of electronegative gases in the VOC.
Mit dem Wissen bzw. der Aufgabenstellung, welcher VOC angelernt oder detektiert werden soll z.B. elektropositive oder elektronegative Gase im VOC, können die passenden Anregesignale gewählt werden. Die Bestimmung der Anregesignale kann bevorzugt iterativ erfolgen. Ist beispielsweise das Diffusionsverhalten von VOC, z.B. von lebensgefährlichen Gasen in Jauchegruben und damit auch die typische VOC-Konzentration bekannt, kann diese Erkenntnis bei der iterativen Vorgehensweise vorteilhaft helfen. With the knowledge or task of which VOC should be trained or detected, e.g. electropositive or electronegative gases in the VOC, the appropriate excitation signals can be selected. The determination of the excitation signals can preferably be done iteratively. For example, if the diffusion behavior of VOCs, e.g. life-threatening gases in cesspools, and thus also the typical VOC concentration are known, this knowledge can be advantageous in the iterative approach.
Weiter bevorzugt kann für ähnliche oder scheinbar gleiche Stoffe oder Warengruppen (z.B. Duft von unterschiedlichen Rotweinen, Weißweinen, etc.) ein identisches oder ähnliches Frequenzmuster für die Anregung definiert werden. Zur Analyse von beispielsweise Methanen in Kuhställen oder Schweineställen könnte ein anderes Frequenzmuster genutzt werden. Sollen viele Wa- rengruppen/VOC angelernt werden, so kann bevorzugt ein Big Data Ansatz mit Speicherung aller Ergebnisse erfolgen. Sofern z.B. in einer Cloud Datensätze vorhanden sind, könnte bevorzugt z.B. per Data Mining ein Anlernen auch wegfallen. More preferably, an identical or similar frequency pattern can be defined for the excitation for similar or apparently identical substances or product groups (e.g. scent of different red wines, white wines, etc.). A different frequency pattern could be used to analyze methane in cowsheds or pigsties, for example. If many product groups/VOCs are to be trained, a big data approach with storage of all results can preferably be used. If, for example, data sets are available in a cloud, training could preferably not be necessary, for example via data mining.
Weitere Anpassungen der Anregesignale sind beispielsweise: Other adjustments to the excitation signals include:
1. Durch Variation von unterschiedlichen LEDs mit unterschiedlichem Farbspektrum bzw. einer Veränderung der emittierten Wellenlänge. 1. By varying different LEDs with different color spectrums or changing the emitted wavelength.
2. Durch Variation und Kombination von LEDs mit unterschiedlichen Wellenlängen kann eine breitbandige Emittierung von Photonen erreicht werden. 2. By varying and combining LEDs with different wavelengths, broadband emission of photons can be achieved.
3. Durch Variation der Modulation der LED-Signale in bestimmten Puls/Pausenverhältnissen. 3. By varying the modulation of the LED signals in certain pulse/pause ratios.
Um geeignete Referenzdaten für zukünftige Rückschlüsse zu erhalten, können z.B. mit Hilfe der asynchronen Messung flüchtige organische Verbindungen gemessen werden. Hierbei werden die Veränderungen des VOC unter unterschiedlichen Bedingungen bestimmt. Diese Bedingungen beschreiben das Veränderungsverhalten z.B. mit und ohne UV-Licht, mit und ohne VOC und/oder mit und ohne Photokatalyse. In order to obtain suitable reference data for future conclusions, volatile organic compounds can be measured, for example, using asynchronous measurement. The changes in VOC are determined under different conditions. These conditions describe the change behavior, for example with and without UV light, with and without VOC and/or with and without photocatalysis.
Die unterschiedlichen Bedingungen und die Anregung sind beispielsweise in den unterschiedlichen Phasen 52a bis 52f in Fig. 10 dargestellt. Die Anpassung der Anregung kann beispielsweise nach wenigstens einem der folgenden Punkte erfolgen: The different conditions and the excitation are shown, for example, in the different phases 52a to 52f in FIG. 10. The stimulus can be adjusted, for example, according to at least one of the following points:
1. Durch die Verwendung von unterschiedlichen LEDs mit unterschiedlichem Farbspektrum bzw. einer Veränderung der emittierten Wellenlänge. 1. By using different LEDs with different color spectrums or changing the emitted wavelength.
2. Durch die Kombination von LEDs mit unterschiedlichen Wellenlängen kann eine breitbandige Emittierung von Photonen erreicht werden. 2. By combining LEDs with different wavelengths, broadband emission of photons can be achieved.
3. Durch eine Modulation der LED-Signale in bestimmten Puls/Pausenverhältnissen. 3. By modulating the LED signals in certain pulse/pause ratios.
4. Durch äquivalente Modulationssignale der LEDs, deren zeitlicher Verlauf der Formation von elektropositiven Gasen im VOC entspricht. 5. Durch äquivalente Modulationssignale der LEDs, deren zeitlicher Verlauf der Formation von elektronegativen Gasen im VOC entspricht. 4. Through equivalent modulation signals from the LEDs, the time course of which corresponds to the formation of electropositive gases in the VOC. 5. Through equivalent modulation signals from the LEDs, the time course of which corresponds to the formation of electronegative gases in the VOC.
In Fig. 10 sind Messungen von verschiedenen VOC in drei Graphen 50a, 50b, 50c dargestellt, welche beispielsweise jeweils eine Messung von normaler Luft, Vodka und Wein darstellen. Die Messungen der Graphen 50a - 50c wurden mittels einer asynchronen sequentiellen Messung gemäß Fig. 8 durchgeführt. Zunächst wurde Luft, dann Vodka und zuletzt Wein gemessen. Beispielsweise könnte die Messung von normaler Luft (Graph 50a) aber auch in der Referenz- Messkammer 29 und die Messung von Vodka (Graph 50b) in der Messkammer 28 gemäß Fig. 6 durchgeführt werden. In Fig. 10, measurements of different VOCs are shown in three graphs 50a, 50b, 50c, each of which, for example, represents a measurement of normal air, vodka and wine. The measurements of the graphs 50a - 50c were carried out using an asynchronous sequential measurement according to FIG. Air was measured first, then vodka and finally wine. For example, the measurement of normal air (graph 50a) could also be carried out in the reference measuring chamber 29 and the measurement of vodka (graph 50b) in the measuring chamber 28 according to FIG. 6.
Entlang der y-Achse ist der VOC-Wert und entlang der x-Achse die Zeit aufgetragen. Ein hoher bzw. niedriger VOC-Wert entspricht dabei einer guten bzw. schlechten Qualität der Luft. Entlang der X-Achse erkennt man für die drei Graphen 50a, 50b, 50c insgesamt sechs Phasen 52a - 52f, wobei in der ersten Phase 52a die (Umgebungs-)Luft ohne eine Anregung, in der zweiten Phase 52b die (Umgebungs-)Luft mit einer Anregung gemessen wird, in der dritten Phase 52c die Anregung „ausgeschalten“ wird und das VOC hinzugegeben wird, in der vierten Phase 52d das VOC ohne eine Anregung, in der fünften Phase 52e das VOC mit einer Anregung und in der sechsten Phase 52f nochmals das VOC ohne eine Anregung gemessen wird. Für den Graph 50a ergibt sich in allen Phasen 52a - 52f kein erkennbarer Unterschied. Der VOC-Wert bleibt mehr oder weniger konstant. Betrachtet man den Graph 50b, so erkennt man in der zweiten Phase 52b einen leichten Abfall des VOC-Werts und bei Zugabe des VOC in der dritten Phase 52c einen deutlichen negativen Sprung, welcher sich in den Phasen vier bis sechs 52d - 52f wieder etwas erholt. Ein ähnlicher Verlauf ergibt sich auch für den Graph 50c. Im y-Achsenabschnitt ist das Verhalten der VOC klar zu erkennen. Das Sättigungsverhalten in den Phasen 52c und 52d zeigt eine komplette und abrupte Richtungsumkehr im y-Achsenabschnitt. Dies sind charakteristische Merkmale für die unterschiedlichen VOC. Auf der Zeitachse sind weiter deutliche Unterschiede z.B. im Bereich von mehreren Sekunden zu erkennen. The VOC value is plotted along the y-axis and the time is plotted along the x-axis. A high or low VOC value corresponds to good or poor air quality. A total of six phases 52a - 52f can be seen along the is measured with an excitation, in the third phase 52c the excitation is “switched off” and the VOC is added, in the fourth phase 52d the VOC without an excitation, in the fifth phase 52e the VOC with an excitation and in the sixth phase 52f the VOC is measured again without any excitation. For the graph 50a there is no noticeable difference in all phases 52a - 52f. The VOC value remains more or less constant. If you look at the graph 50b, you can see a slight drop in the VOC value in the second phase 52b and, when the VOC is added in the third phase 52c, a clear negative jump, which recovers somewhat in phases four to six 52d - 52f . A similar progression also occurs for graph 50c. The behavior of the VOCs can be clearly seen in the y-axis intercept. The saturation behavior in phases 52c and 52d shows a complete and abrupt reversal of direction in the y-axis intercept. These are characteristic features of the different VOCs. On the time axis, clear differences can be seen, for example in the range of several seconds.
Die Fig. 11 - 15 stellen Verfahrensschritte zum Anlernen von wenigstens einer Referenz dar. Gemäß Fig. 11 erzeugt ein Signalgenerator z.B. basierend auf einem Microcontroller ein Frequenzmuster nach dem Prinzip der Time Division Modulation (TDM) und/oder der Frequenz Division Modulation (FDM), mit dem unter anderem ein zeitlicher Verlauf von Trichelpuls-Sequenzen erzeugt werden können. Mit dem Frequenzmuster kann eine Strahlungsquelle z.B. eine UV-LED moduliert werden. Um vorteilhaft die Empfindlichkeit des VOC-Sensors, z.B. eines MOX-Sensors zu beeinflussen, wird z.B. die Heizplatte des MOX-Sensors ebenfalls mit dem Frequenzmuster moduliert und/oder damit gesteuert. Gemäß Fig. 12 wird durch die Strahlung das VOC formiert, d.h. dass beispielsweise die elektrischen Leiteigenschaften gezielt verändert werden können. Mit Hilfe der Sensoren werden die Veränderungsprozesse bzw. die physikalischen Größen des VOC, wie z.B. Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Druck oder CO2 beobachtet und die Daten abgespeichert. Eine Erweiterung mit anderen Sensoren von elektrischen, chemischen, biochemischen und/oder physikalischen Größen ist möglich. Bevorzugt basieren alle Sensoren auf dem Prinzip der Veränderung der Leitfähigkeit, wodurch äquivalente elektrische Ersatzschaltbilder (ECM) erstellt werden können. Auf Basis der gemessenen Daten kann parallel zur Bestimmung der ECM ein mathematischer Lösungsansatz verwendet werden, mit dem eine Klassifikation der Daten, eine Feature Extraktion und ein Modell der Übertragungsfunktionen erstellt werden kann. Dies können, neben der ECM-Modellierung, die ebenfalls als eine mathematische Methode angewendet werden kann, z.B. die oben beschriebenen zusätzlichen mathematischen Ansätze (z.B. statistische Funktionen) sein. 11 - 15 represent method steps for learning at least one reference. According to FIG. 11, a signal generator, for example based on a microcontroller, generates a frequency pattern according to the principle of time division modulation (TDM) and/or frequency division modulation (FDM). , with which, among other things, a time course of Trichel pulse sequences can be generated. A radiation source, for example a UV LED, can be modulated with the frequency pattern. In order to advantageously influence the sensitivity of the VOC sensor, for example a MOX sensor, the heating plate of the MOX sensor, for example, is also modulated with the frequency pattern and/or controlled with it. According to FIG. 12, the VOC is formed by the radiation, meaning that, for example, the electrical conductive properties can be changed in a targeted manner. With the help of the sensors, the change processes or the physical variables of the VOC, such as temperature, humidity, pressure or CO2, are observed and the data is saved. An extension with other sensors of electrical, chemical, biochemical and/or physical quantities is possible. All sensors are preferably based on the principle of changing conductivity, which means that equivalent electrical equivalent circuit diagrams (ECM) can be created. Based on the measured data, a mathematical solution approach can be used in parallel to determining the ECM, with which a classification of the data, a feature extraction and a model of the transfer functions can be created. In addition to ECM modeling, which can also be used as a mathematical method, these can be, for example, the additional mathematical approaches described above (e.g. statistical functions).
Gemäß Fig. 13 werden durch eine Transformation der ECM z.B. in Finite Voigt-Modelle und Transmission-Line-Modelle die ECM der Sensoren vereinfacht und in Ihrer Schaltungskomplexität reduziert. Für einen vorteilhaft höchsten Grad der Vereinfachung ergibt sich z.B. eine Reihenschaltung von RC-Gliedern. According to Fig. 13, by transforming the ECM, for example into finite Voigt models and transmission line models, the ECM of the sensors is simplified and its circuit complexity reduced. For an advantageously highest degree of simplification, there is, for example, a series connection of RC elements.
Mit der Verwendung von Transmission-Line-Modellen als ECM, können die Modelle unterschiedlichen physikalischen, chemischen und/oder biochemischen Verhalten zugeordnet werden, wie z.B. Porosität von Elektroden, Porosität des Sensormaterials oder Diffusionsverhalten gemäß Fig. 12. Das Relaxationsverhalten der Sensoren in Abhängigkeit der Anrege-Signale kann als Einschwingzeit Tau dargestellt werden, was wiederum für die Anwendung einer DRT-Analyse ideal ist. Im DRT-Spektrum lassen sich dann die signifikanten Parameter extrahieren (Fig. 14) und für die Erstellung eines Kl-Modells nutzen. By using transmission line models as ECM, the models can be assigned to different physical, chemical and/or biochemical behavior, such as porosity of electrodes, porosity of the sensor material or diffusion behavior according to Fig. 12. The relaxation behavior of the sensors depending on the Excitation signals can be represented as a settling time Tau, which in turn is ideal for the application of a DRT analysis. The significant parameters can then be extracted from the DRT spectrum (Fig. 14) and used to create a Kl model.
Mit den Ergebnissen und der Kombination aus dem Ansatz der Ersatzschaltbilder ECM und dem Ansatz des mathematischen Modells lässt sich wenigstens ein Kl-Referenzmodell bestimmen (Fig. 15). Dieses Kl-Referenzmodell kann für die Prädiktion dem System angelernt werden. With the results and the combination of the ECM equivalent circuit approach and the mathematical model approach, at least one Kl reference model can be determined (Fig. 15). This Kl reference model can be trained into the system for prediction.
Die Bestimmung eines unbekannten VOC verläuft in gleichen Schritten gemäß den Figuren 11 - 15 wie bei der Anlernphase, ergänzt um die Nutzung der Daten des Prädiktors aus der Anlernphase, gemäß den mathematischen Regeln von maschinellem Lernen und Data Mining. The determination of an unknown VOC takes place in the same steps according to Figures 11 - 15 as in the training phase, supplemented by the use of the predictor data from the training phase, according to the mathematical rules of machine learning and data mining.
Eine Apparatur 10 zur Bestimmung und/oder Beeinflussung wenigstens eines VOC dargestellt ist in einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 offenbart, welche eingerichtet, ausgeführt und/oder konstruiert ist, um wenigstens eines der vorher beschriebenen Verfahren unter Erreichung der genannten Vorteile auszuführen. Ein weiteres Ausführungsbeispiel bildet ein Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode, der auf einem Computer lesbaren Medium gespeichert ist, zur Durchführung wenigstens eines der zuvor beschriebenen Verfahren unter Erreichung der genannten Vorteile. An apparatus 10 for determining and/or influencing at least one VOC is disclosed in a further exemplary embodiment according to FIG. 1, which is set up, executed and/or constructed to carry out at least one of the previously described methods while achieving the advantages mentioned. A further exemplary embodiment forms a computer program product with a program code that is stored on a computer-readable medium for carrying out at least one of the previously described methods while achieving the advantages mentioned.
Es versteht sich von selbst, dass diese Beschreibung verschiedensten Modifikationen, Änderungen und Anpassungen unterworfen werden kann, die sich im Bereich von Äquivalenten zu den anhängenden Ansprüchen bewegen. It is to be understood that this description is subject to various modifications, changes and adaptations within the range of equivalents to the appended claims.
Bezugszeichenliste Reference symbol list
10 Apparatur 40 Katalysator 10 apparatus 40 catalyst
11 Lüftung 42 Zwischenprodukt 11 Ventilation 42 Intermediate
12 Einlass 44 Zerfallsprozess 12 inlet 44 decay process
13 Filter 46 unschädlicher Stoff 13 filter 46 harmless substance
14 Strahlungsquelle 48 VOC 14 Radiation source 48 VOC
15 Kühleinrichtung 50a - c Graph 15 Cooling device 50a - c Graph
16 Filter 52a - f Phase 16 filters 52a - f phase
17 Vergleichseinrichtung 60 Funktionsblock (Sensoren)17 Comparison device 60 Function block (sensors)
18 Sensor 62 Funktionsblock (Mikrokontroller)18 Sensor 62 Function block (microcontroller)
19 Pfeil 64 Funktionsblock (Emitter) 19 Arrow 64 Function block (emitter)
20 Auslass 66 Funktionsblock (HF-Generator und20 Outlet 66 Function block (HF generator and
21 Ventil HF-Modulator) 21 valve RF modulator)
22 Veränderungen 67 Modulationseinheit 22 changes 67 modulation unit
24 Anregung 68 Prozessor 24 excitation 68 processor
26 Stoffe 69 Datenverarbeitungseinheit26 substances 69 data processing unit
28 Messkammer 70 Timer 28 measuring chamber 70 timer
29 Referenz-Messkammer 72 Pulsgenerator 29 Reference measuring chamber 72 Pulse generator
30 äquivalente Ersatzschaltbilder 74 Frequenz-Modulator 30 equivalent equivalent circuit diagrams 74 frequency modulator
32 elektrochemische Impedanzspektro76 Emitter skopie 78 Treiber 32 electrochemical impedance spectro76 emitter scopy 78 drivers
34 Analyse 79 Verarbeitungseinheit 34 Analysis 79 Processing unit
36 photochemische Analyse 80 Sensor 36 photochemical analysis 80 sensor
38 Energie 38 Energy

Claims

Patentansprüche Patent claims
1 . Verfahren zur Bestimmung, Unterscheidung und/oder Beeinflussung wenigstens eines VOC cyder wenigstens einer anderen Substanz, aufweisend wenigstens die Schritte: 1 . Method for determining, distinguishing and/or influencing at least one VOC cyre at least one other substance, comprising at least the steps:
- Messung wenigstens eines Veränderungsprozesses des VOC oder der anderen Substanz, wobei der Veränderungsprozess durch wenigstens eine Anregung des VOC oder der anderen Substanz induziert und/oder gesteuert wird und wobei durch die Anregung des VOC cyder der anderen Substanz der molekulare Zustand, die elektrischen, physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften des VOC oder der anderen Substanz beeinflusst werden und/oder wenigstens ein Zwischenprodukt des VOC oder der anderen Substanz erzeugt wird,- Measurement of at least one change process of the VOC or the other substance, the change process being induced and/or controlled by at least one excitation of the VOC or the other substance and the molecular state, the electrical, physical state being determined by the excitation of the VOC of the other substance and/or chemical properties of the VOC or the other substance are influenced and/or at least one intermediate product of the VOC or the other substance is produced,
- Bereitstellung wenigstens einer Referenz, - Providing at least one reference,
- Vergleich des gemessenen Veränderungsprozesses des VOC oder der anderen Substanz mit der Referenz, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenz durch ein Anlernen und/oder als digitaler Zwilling bereitgestellt wird. - Comparison of the measured change process of the VOC or the other substance with the reference, characterized in that the reference is provided by training and/or as a digital twin.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die andere Substanz eine Verbindung mit wenigstens einem Sauerstoff, Stickstoff oder Schwefel, insbesondere ein Metalloxid, ist. 2. The method according to claim 1, characterized in that the other substance is a compound with at least one oxygen, nitrogen or sulfur, in particular a metal oxide.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Anlernen im Rahmen von Machine Learning erfolgt. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the training takes place as part of machine learning.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Anregung wenigstens ein Frequenzmuster verwendet wird, dass wenigstens einen zeitlichen Verlauf einer Korona-Entladung oder eine partielle Teilentladung simuliert oder wenigstens einen Trichelimpuls und/oder ein Trichelimpuls-ähnliches Signal aufweist. 4. Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least one frequency pattern is used for the excitation, which simulates at least a time course of a corona discharge or a partial partial discharge or has at least one trichel pulse and / or a trichel pulse-like signal.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregung durch wenigstens eine Strahlungsquelle (14), ein elektrisches und/oder magnetisches Feld und/oder eine Wärmequelle erfolgt. 5. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the excitation is carried out by at least one radiation source (14), an electric and/or magnetic field and/or a heat source.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (14), das elektrische und/oder magnetische Feld und/oder die Wärmequelle mit dem wenigstens einem Frequenzmuster moduliert wird, wobei das Frequenzmuster wenigstens einen zeitlichen Verlauf einer Korona-Entladung oder eine partielle Teilentladung simuliert oder wenigstens einen Trichelimpuls und/oder ein Trichelimpuls-ähnliches Signal aufweist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Anregung mittels Photolyse, Photokatalyse und/oder Radiolyse erfolgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung des Veränderungsprozesses wenigstens einen der folgenden Schritte aufweist: 6. The method according to claim 5, characterized in that the radiation source (14), the electric and / or magnetic field and / or the heat source is modulated with the at least one frequency pattern, the frequency pattern at least one time course of a corona discharge or a simulates partial partial discharge or has at least one trichel pulse and / or a trichel pulse-like signal. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one excitation takes place by means of photolysis, photocatalysis and/or radiolysis. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the measurement of the change process has at least one of the following steps:
- Messung der Umgebung ohne Anregung, - measurement of the environment without excitation,
- Messung der Umgebung mit Anregung, - measurement of the environment with excitation,
- Messung des VOC oder der anderen Substanz ohne Anregung, - Measurement of VOC or other substance without excitation,
- Messung des VOC oder der anderen Substanz mit Anregung. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung des Veränderungsprozesses mittels wenigstens eines VOC-Sensors (18), insbesondere eines MOX-Sensors, durchgeführt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung des Veränderungsprozesses mittels wenigstens eines weiteren Sensors (18), insbesondere eines Temperatursensors, eines Luftfeuchtigkeitssensors, eines Luftdrucksensors und/oder eines C02-Sensors, durchgeführt wird. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfindlichkeit des wenigstens einen VOC-Sensors (18) durch wenigstens eine vorzugsweise modulierte Wärmequelle beeinflusst und/oder gesteuert wird. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Modulation der Wärmequelle mit einem Frequenzmuster erfolgt, wobei das Frequenzmuster einen zeitlichen Verlauf einer Korona-Entladung oder eine partielle Teilentladung simuliert oder wenigstens einen Trichelim- puls und/oder ein Trichelimpuls-ähnliches Signal aufweist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung des Veränderungsprozesses mittels einer synchronen Messung mit oder ohne Referenzkammer (29) oder mittels einer asynchronen sequentiellen Messung erfolgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Referenz und/oder für den Vergleich wenigstens eine Modellierung der zur Messung verwendeten Sensoren (18) durchgeführt wird. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (18) als äquivalente elektrische Ersatzschaltbilder (30) modelliert werden. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die äquivalenten elektrischen Ersatzschaltbilder (30) in Finite-Voigt-Modelle und/oder Transmission-Line-Modelle transformiert werden, die vorzugsweise normalisiert werden und/oder wenigstens einem physikalischen und/oder chemischen Verhalten zugeordnet werden. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Finite-Voigt-Modelle und/oder der Transmission-Line-Modelle wenigstens eine DRT-Analyse durchgeführt wird und Parameter extrahiert werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass neben der Modellierung äquivalenter elektronischer Ersatzschaltbilder (30) wenigstens ein mathematischer Ansatz zur Feature Extraktion, Klassifikation der Messung und/oder zur Modellierung nach der Library Modelling Methode verwendet wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich mit Hilfe eines neuralen Netzwerkes durchgeführt wird und/oder durch ein Vergleichen von Biomarkern erfolgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregung in Abhängigkeit des Messvolumens angepasst wird. Apparatur (10) zur Bestimmung, Unterscheidung und/oder Beeinflussung wenigstens eines VOC oder einer anderen Substanz, dadurch gekennzeichnet, dass die Apparatur eingerichtet, ausgeführt und/oder konstruiert ist, um das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen. Apparatur nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die andere Substanz eine Verbindung mit wenigstens einem Sauerstoff, Stickstoff oder Schwefel, insbesondere ein Metalloxid, ist. Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode, der auf einem Computer lesbaren Medium gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 20. - Measurement of VOC or other substance with excitation. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the measurement of the change process is carried out using at least one VOC sensor (18), in particular a MOX sensor. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the measurement of the change process is carried out by means of at least one further sensor (18), in particular a temperature sensor, an air humidity sensor, an air pressure sensor and/or a C02 sensor. Method according to claim 9 or 10, characterized in that the sensitivity of the at least one VOC sensor (18) is influenced and/or controlled by at least one preferably modulated heat source. Method according to claim 11, characterized in that the heat source is modulated with a frequency pattern, wherein the frequency pattern simulates a time course of a corona discharge or a partial partial discharge or has at least one trichel pulse and / or a trichel pulse-like signal. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the measurement of the change process is carried out by means of a synchronous measurement with or without a reference chamber (29) or by means of an asynchronous sequential measurement. Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least one modeling of the sensors (18) used for the measurement is carried out for the reference and/or for the comparison. Method according to claim 14, characterized in that the sensors (18) are modeled as equivalent electrical equivalent circuit diagrams (30). Method according to claim 15, characterized in that the equivalent electrical equivalent circuit diagrams (30) are transformed into finite Voigt models and/or transmission line models, which are preferably normalized and/or assigned to at least one physical and/or chemical behavior . Method according to claim 16, characterized in that at least one DRT analysis is carried out using the finite Voigt models and/or the transmission line models and parameters are extracted. Method according to one of claims 15 to 17, characterized in that, in addition to the modeling of equivalent electronic equivalent circuit diagrams (30), at least one mathematical approach is used for feature extraction, classification of the measurement and/or for modeling according to the library modeling method. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the comparison is carried out with the aid of a neural network and/or by comparing biomarkers. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the excitation is adjusted depending on the measurement volume. Apparatus (10) for determining, distinguishing and/or influencing at least one VOC or another substance, characterized in that the apparatus is set up, designed and/or constructed to carry out the method according to one of the preceding claims. Apparatus according to claim 21, characterized in that the other substance is a compound with at least one oxygen, nitrogen or sulfur, in particular a metal oxide. Computer program product with a program code stored on a computer-readable medium for carrying out the method according to one of claims 1 to 20.
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