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WO2023160988A1 - Fahrzeugvorrichtung zur messung eines zu analysierenden gases - Google Patents

Fahrzeugvorrichtung zur messung eines zu analysierenden gases Download PDF

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Publication number
WO2023160988A1
WO2023160988A1 PCT/EP2023/052693 EP2023052693W WO2023160988A1 WO 2023160988 A1 WO2023160988 A1 WO 2023160988A1 EP 2023052693 W EP2023052693 W EP 2023052693W WO 2023160988 A1 WO2023160988 A1 WO 2023160988A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
gas
filter
analyzed
vehicle
sensor module
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/052693
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Julian KING
Original Assignee
Zf Friedrichshafen Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zf Friedrichshafen Ag filed Critical Zf Friedrichshafen Ag
Publication of WO2023160988A1 publication Critical patent/WO2023160988A1/de

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K28/00—Safety devices for propulsion-unit control, specially adapted for, or arranged in, vehicles, e.g. preventing fuel supply or ignition in the event of potentially dangerous conditions
    • B60K28/02—Safety devices for propulsion-unit control, specially adapted for, or arranged in, vehicles, e.g. preventing fuel supply or ignition in the event of potentially dangerous conditions responsive to conditions relating to the driver
    • B60K28/06—Safety devices for propulsion-unit control, specially adapted for, or arranged in, vehicles, e.g. preventing fuel supply or ignition in the event of potentially dangerous conditions responsive to conditions relating to the driver responsive to incapacity of driver
    • B60K28/066—Safety devices for propulsion-unit control, specially adapted for, or arranged in, vehicles, e.g. preventing fuel supply or ignition in the event of potentially dangerous conditions responsive to conditions relating to the driver responsive to incapacity of driver actuating a signalling device
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W50/00—Details of control systems for road vehicle drive control not related to the control of a particular sub-unit, e.g. process diagnostic or vehicle driver interfaces
    • B60W50/08—Interaction between the driver and the control system
    • B60W50/14—Means for informing the driver, warning the driver or prompting a driver intervention
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • 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
    • G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0011—Sample conditioning
    • G01N33/0014—Sample conditioning by eliminating a gas
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • 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
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483—Physical analysis of biological material
    • G01N33/497—Physical analysis of biological material of gaseous biological material, e.g. breath
    • G01N33/4972—Determining alcohol content
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W40/00—Estimation or calculation of non-directly measurable driving parameters for road vehicle drive control systems not related to the control of a particular sub unit, e.g. by using mathematical models
    • B60W40/08—Estimation or calculation of non-directly measurable driving parameters for road vehicle drive control systems not related to the control of a particular sub unit, e.g. by using mathematical models related to drivers or passengers
    • B60W2040/0818—Inactivity or incapacity of driver
    • B60W2040/0836—Inactivity or incapacity of driver due to alcohol

Definitions

  • the invention relates to a vehicle device for measuring a gas to be analyzed with a specific absorption wavelength range in the exhaled air of a vehicle occupant in a vehicle interior of a vehicle, the vehicle device having at least one laser sensor module with a wavelength range emitting at least the absorption wavelength range for spectroscopic detection of the gas to be analyzed in a examining part of the vehicle occupant's exhalation air and for generating a detector signal, and an evaluation unit which is designed to analyze the detector signal of the laser sensor module and to determine a concentration of the gas to be analyzed.
  • the invention also relates to a vehicle.
  • the exhaled air can be used to determine the various volatile organic compounds (VOCs), which can be used to determine the driver's condition, for example with regard to motion sickness.
  • VOCs volatile organic compounds
  • various impairment detection devices are used. For example, to determine if an individual is impaired by a particular substance (e.g., alcohol, tetrahydrocannabinol (THC), cocaine, etc.), various impairment detection devices are used. For example, breath analyzers, such as breathalyzers, estimate the amount of harmful substance in the user's blood. The test subject or user blows into the device, and a sensor estimates the user's blood alcohol content from the breath sample. State-of-the-art supervised breath tests are used by police to prevent drunk driving.
  • a particular substance e.g., alcohol, tetrahydrocannabinol (THC), cocaine, etc.
  • breath analyzers such as breathalyzers, estimate the amount of harmful substance in the user's blood.
  • the test subject or user blows into the device, and a sensor estimates the user's blood alcohol content from the breath sample.
  • State-of-the-art supervised breath tests are used by police to prevent drunk driving.
  • Sensor technologies include catalytic semiconductors and infrared spectroscopy.
  • the selectivity of the analytes in complex gas mixtures such as breathing or indoor air remains the greatest challenge.
  • EP 2669660 B1 discloses a method and a device for the remote detection of ethanol vapors in the atmosphere for determining the ethanol vapor concentration in the air exhaled by people in the passenger compartment of a vehicle, in which a light beam from a laser light source with a wavelength that corresponds to the absorption spectrum of ethanol in the middle corresponds to the IR range, is guided through a measuring room and then the light intensity is measured after the light beam has passed through this room and then the ethanol vapor concentration is determined on the basis of the spectral analysis of the dependence of the light intensity on the ethanol content.
  • the wavelength of the light source is trimmed in a wavelength range covering a sharp absorption feature of ethanol at a wavelength of 3.345 pm or 3.447 pm and covering part or all of the 'absorption plateau' of ethanol in order to correctly quantify the ethanol vapors. It is therefore an object of the invention to specify a vehicle device for improved measurement of specific gases in the exhaled air of a vehicle occupant in a vehicle. Furthermore, it is an object to specify such a vehicle with a vehicle device.
  • the object is achieved by a vehicle device having the features of claim 1 and a vehicle having the features of claim 13.
  • a vehicle device for measuring a gas to be analyzed with a specific absorption wavelength range in the exhalation air of a vehicle occupant in a vehicle interior of a vehicle, comprising at least one laser sensor module with a wavelength range emitting at least the absorption wavelength range for spectroscopic detection of the gas to be analyzed in a gas to be examined part of the air exhaled by the vehicle occupant and for generating a detector signal, and an evaluation unit which is designed to analyze the detector signal of the laser sensor module and to determine a concentration of the gas to be analyzed, with at least one filter being provided upstream of the laser sensor module, wherein the filter is designed to absorb at least one interfering gas in the exhaled air on or in the filter or to change it chemically by the filter, whereby the at least one interfering gas can be filtered out of the part of the exhaled air of the vehicle occupant to be examined.
  • the laser sensor module includes an infrared laser for infrared laser spectroscopy as the sensor technology.
  • the laser radiation in this wavelength range is not only absorbed by ethanol but also by other gases such as methanol or isopropanol. Consequently, the concentration measurement of ethanol that is actually of interest is overlaid/falsified by interfering gases/interfering substances such as methanol or isopropanol that may also be present in the exhaled air sample to be examined, and a sufficiently precise concentration of the desired gas in the exhaled air cannot be detected.
  • a filter is now connected in front of the measuring device, ie the laser sensor module, which absorbs/filters out gases which falsify/interfere with the measurement of the gas to be analyzed.
  • Upstream means that this interfering gas/interfering substance is largely eliminated in the part of the exhaled air to be measured, either by filtering it out of the exhaled air sample to be measured or by absorbing/adsorbing the interfering gas/interfering substance on the filter.
  • the filter can also be designed as a catalyst that chemically changes the interfering gas/interfering substance in such a way that it can no longer be detected by the laser sensor module in the defined wavelength range
  • those interfering gases are filtered out that have a similar absorption wavelength range as the gas to be analyzed.
  • the interfering gases can be specifically filtered out of the exhaled air to be analyzed before the measurement by the laser sensor module. A simple and sufficiently accurate concentration of the desired gas can thus be determined.
  • the vehicle device according to the invention can be used to increase the substance selectivity when measuring the breath of vehicle occupants, for example by means of infrared laser spectroscopy using a corresponding laser sensor module.
  • the at least one interfering gas has an at least partially overlapping wavelength range like the absorption wavelength range of the gas to be analyzed. If several filters are connected upstream, several interfering gases can be filtered out. Alternatively, a filter that can filter out/absorb several interfering gases can also be used.
  • the laser sensor module has a measuring chamber with at least one input for the exhaled air to be analyzed and a laser detector arrangement with at least one laser light source for generating laser light with at least the wavelength that corresponds to the absorption spectrum of the gas to be determined in advance and with at least one detector for detecting the laser light, the laser-detector arrangement being designed in such a way that the measuring chamber is located in a beam path of the laser light between the laser light source and the detector.
  • the laser can be an infrared laser for infrared laser spectroscopy as sensor technology for detecting and quantifying gases in the exhaled air.
  • the basis for infrared laser spectroscopy is the Lambert-Beer law.
  • the wavelength of the laser radiation used is preferably in the range from 2 to 12 micrometers.
  • the measuring chamber has an outlet for the outflow of the measured exhaled air. This allows the measured exhaled air to flow out again.
  • the laser sensor module can be arranged in a flow channel, for example in the air system of an air conditioning system or air conditioning device. This ensures that a fresh/up-to-date exhaled air sample is used for the measurement.
  • a first laser sensor module and at least a second laser sensor module are provided, with the filter being designed as a gas filter for filtering out the gas to be analyzed, with the gas filter only being connected upstream of the first laser sensor module, and with the first laser sensor module being designed to generate a first detector signal , with which a concentration of the remaining gases with a similar or at least partially overlapping absorption wavelength range as the gas to be analyzed can be determined, and wherein the second laser sensor module is designed to generate an unfiltered second detector signal with which a concentration of all gases with a similar or at least partially overlapping absorption wavelength range can be determined, and the concentration of the gas to be analyzed can be determined by means of the first and the second detector signal.
  • the desired gas to be detected is thus the interfering gas.
  • the gas filter is designed as a filter which filters out/absorbs the substance to be analyzed, for example ethanol.
  • the evaluation unit can be designed to determine the concentration of the gas to be analyzed in the exhaled air based on the difference or the quotient between the first detector signal and the second detector signal.
  • a gas filter can be used to remove the actual gas (e.g. ethanol) from the exhaled air sample and the concentration of the gas to be analyzed can then be determined from the difference or the quotient of the double measurement with and without filtering.
  • the filter is designed as a gas filter for filtering out the gas to be analyzed, with the gas filter being pivotably connectable upstream of the at least one laser sensor module, so that the at least one laser sensor module is designed to generate a first detector signal with a gas filter connected upstream, with which a concentration of the remaining to generate gases with a similar or at least partially overlapping absorption wavelength range as the gas to be analyzed, and wherein the laser sensor module is designed to generate a second unfiltered detector signal without an upstream gas filter, with which a concentration of all gases with a similar or at least partially overlapping absorption wavelength range can be determined , to generate and wherein the concentration of the gas to be analyzed can be determined by means of the first and the second detector signal.
  • the evaluation unit is preferably designed to use the difference or the quotient between the first detector signal and the second detector signal to determine the concentration of the gas to be analyzed in the exhaled air.
  • the at least one laser module can have an input for the exhaled air to be measured and an output for the measured exhaled air to flow out, with the vehicle device being designed to flow out the measured exhaled air through the output in such a way that the second detector signal is generated on the basis of newly inflowed unfiltered exhalation can be achieved through the laser module.
  • a controllable upstream device in which the gas filter is arranged, for upstream connection of the gas filter in front of the at least one laser sensor module.
  • a ballast can, for example be accomplished by means of a simple actuator; the ballast can be a housing, for example.
  • the gas to be analyzed is ethanol.
  • a first filter and a second filter are provided, which are connected upstream of the at least one laser sensor module, the first filter being designed for removing methanol and the second filter for removing isopropanol. This can be used to determine whether the driver is unfit to drive.
  • the filter is designed as a catalytic filter.
  • catalytic filters can, for example, use the differences in chemical reactivity between different gases to improve the selectivity of downstream sensors. This means that e.g. ethanol passes through the filter while methanol is completely absorbed or filtered out by the filter. This eliminates interfering gases or significantly reduces their concentration, which can lead to high sensor selectivity.
  • the object is also achieved by a vehicle with a steering wheel and a cockpit and a vehicle device as described above, the vehicle device being arranged in the steering wheel or in the cockpit in the area of the driver. As a result, the exhaled air of the driver can be easily detected.
  • vehicle devices as described above can be arranged in the area of the driver for determining the concentration of the gas to be analyzed through the exhaled air, and the respectively determined concentrations can be compared with one another to determine a final concentration.
  • the measured concentration of the gas to be analyzed can be better limited to the driver.
  • the vehicle can be designed to output an acoustic and/or visual and/or haptic warning if the concentration of the gas to be analyzed is determined to be above a threshold value.
  • a threshold value is particularly advantageous when the gas to be analyzed is an alcohol or ethanol. This can warn the driver against careless driving or operating the vehicle.
  • FIG. 1 shows a vehicle according to the invention with a vehicle device according to the invention in a first embodiment
  • FIG 3 shows a vehicle according to the invention with a vehicle device according to the invention in a second embodiment.
  • FIG. 1 shows a vehicle device 1 for measuring a gas to be analyzed with a specific absorption wavelength range in the exhaled air of a vehicle occupant in a vehicle interior 2 of a vehicle 3.
  • the gas to be measured is ethanol (alcohol).
  • This has an absorption wavelength range of approx. 3.3 to 3.5 pm (absorption wavelength band around 3.4 pm) based on IR spectroscopy (infrared laser spectroscopy as sensor technology). If the ethanol molecule in a gas mixture is offered a light quantum of suitable energy / absorption wavelength by a light wave, which is generated for example by an infrared laser, this is absorbed and the ethanol molecule changes from the vibrational ground state to an excited state.
  • a laser sensor module 4 comprising the infrared laser, for emitting the light wave in a wavelength range for spectroscopic detection of the gas to be analyzed, here ethanol, in a part to be examined the exhalation of the vehicle occupants and to generate a detector signal based on the emitted laser light.
  • the laser sensor module 4 can have a measuring chamber with at least one input for the exhaled air sample to be analyzed.
  • the laser sensor module 4 also has a laser detector arrangement.
  • the wavelength of the laser radiation used is preferably in the range from 2 to 12 micrometers.
  • the laser-detector arrangement is designed in such a way that the measuring chamber is located in a beam path of the laser light between the laser light source and the detector.
  • FIG. 2 illustrates using a diagram
  • the laser radiation in this wavelength range is not only absorbed by ethanol, but also by other alcohols such as methanol or isopropanol.
  • Both isopropanol and methanol have a partially overlapping absorption range between 3.3-3.5 pm. These gases thus act as interfering gases or interfering substances. Consequently, the concentration measurement of ethanol that is actually of interest is overlaid/falsified by gases that may also be present in the exhaled air sample, such as methanol interfering gas and isopropanol interfering gas, and a sufficiently precise concentration of the desired ethanol gas in the exhaled air cannot be detected .
  • a filter is now connected in front of the laser sensor module 4, which absorbs or filters out the interfering gas(es) which falsifies/interferes with the measurement of the gas to be analyzed.
  • Upstream means that in the part of the exhalation air to be measured, the methanol interfering gas and the isopropanol interfering gas are largely eliminated, either by filtering out the exhaled air sample to be measured or by absorbing the methanol interfering gas and the isopropanol interfering gas on the Filter.
  • the laser sensor module 4 only detects the ethanol as a detector signal.
  • the concentration of the ethanol in the exhaled air can then be determined.
  • upstream filters which on the one hand separate or filter out methanol interfering gas or isopropanol interfering gas on the respective filter.
  • suitable substance-specific filters upstream.
  • the selected substance in this case ethanol, can be specifically determined from the exhaled air sample to be analyzed.
  • the concentration of ethanol in the exhaled air can be determined with sufficient accuracy.
  • Such a vehicle device 1 can be arranged in the vicinity of the driver, for example in or on the steering wheel or in the area of the headrest, in order to largely exclude foreign exhalation air from other vehicle occupants.
  • the vehicle 3 can be designed to output a visual and/or haptic and/or acoustic warning 6 if the ethanol concentration detected by the vehicle device 1 exceeds a previously defined value.
  • a plurality of such vehicle devices 1 can also be arranged in the vicinity of the driver.
  • the concentration values determined in each case can thus be compared or validated and on the basis of this a final concentration value can be determined in which the individual concentration values are included, possibly weighted.
  • a vehicle device 1 arranged on the steering wheel can be assigned a higher weight than other vehicle devices 1. It is also possible to include other individual concentration values in a weighted manner in the determination of the final concentration value.
  • FIG 3 shows a further vehicle device 1a for measuring a gas to be analyzed with a specific absorption wavelength range in the exhaled air of a vehicle occupant in a vehicle interior 2 of a vehicle 3 by means of IR spectroscopy.
  • this gas is also the gas to be measured, ethanol (alcohol) with an absorption wavelength range of approx. 3.3 to 3.5 pm based on IR spectroscopy (infrared laser spectroscopy as sensor technology).
  • first laser sensor module 4 and a second laser sensor module 4a for emitting a light in a wavelength range of the ethanol for spectroscopic detection of the ethanol to be analyzed in a part of the exhaled air of the vehicle occupant to be examined and for generating a first detector signal and a second detector signal.
  • the first laser sensor module 4 is preceded by a gas filter which filters out the gas to be analyzed, in this case ethanol.
  • the first laser sensor module 4 thus generates a first detector signal, which can be used to measure essentially the concentration of the methanol interfering gas and the isopropanol interfering gas as well as all other interfering gases absorbing in this wavelength range, without the concentration of ethanol.
  • a second detector signal is thus generated using the second laser sensor module 4a, which detects all substances/gases in this wavelength range, ie both ethanol and the interfering gases isopropanol and methanol as well as other interfering gases.
  • the concentration of the desired ethanol can now be determined on the basis of the first detector signal and the second detector signal by means of difference or quotient formation.
  • the two laser sensor modules 4, 4a are arranged next to one another or in the vicinity of one another, in order not to falsify the measurement of the ethanol in the exhaled air by mixing it with the exhaled air of other vehicle occupants.
  • a gas filter can also be used to remove the actual marker substance, such as ethanol, from the exhaled air sample.
  • the concentration of the marker substance, here ethanol can then be determined from the difference or the quotient of the double measurement before and after filtering (difference measurement).
  • a single laser sensor module 4 can be provided, which can be swiveled upstream of a gas filter for filtering out the gas to be analyzed.
  • a first measurement can be carried out with an upstream pivotable gas filter for generating the first detector signal.
  • the upstream connection can be accomplished automatically, for example, by means of a housing in which the gas filter is installed and an adjustable actuator.
  • the upstream gas filter can then be removed and a second measurement can be carried out to generate the second detector signal.
  • the evaluation unit 5 can then use the difference or the quotient between the first detector signal and the second detector signal to determine the concentration of the ethanol in the exhaled air.
  • the laser module 4 can have an input for the exhaled air to be measured and an output for the measured exhaled air to flow out, with the vehicle device 1a being designed to flow out the measured exhaled air through the output in such a way that the second detector signal is generated on the basis of new inflowing unfiltered exhalation air through the laser module 4 can be accomplished. This can be accomplished, for example, by arranging it in an air path such as the air conditioning system.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugvorrichtung (1,1a) zur Messung eines zu analysierenden Gases mit einem bestimmten Absorptionswellenlängenbereich in der Ausatemluft eines Fahrzeuginsassen in einem Fahrzeuginnenraum (2) eines Fahrzeugs (3), die Fahrzeugvorrichtung (1,1a) aufweisend zumindest ein Lasersensormodul (4) mit einem zumindest den Absorptionswellenlängenbereich emittierenden Wellenlängenbereich zur spektroskopischen Detektion des zu analysierenden Gases in einem zu untersuchenden Teil der Ausatemluft des Fahrzeuginsassen und zur Generierung eines Detektorsignals, sowie eine Auswerteeinheit (5), die dazu ausgebildet ist, das Detektorsignal des Lasersensormoduls (4) zu analysieren und eine Konzentration des zu analysierenden Gases zu bestimmen wobei zumindest ein Filter, welcher dem Lasersensormodul (4) vorgeschaltet ist, vorgesehen ist, wobei der Filter dazu ausgebildet ist, zumindest ein Störgas in der Ausatemluft auf dem oder in dem Filter zu absorbieren oder durch den Filter chemisch zu verändern, wodurch das zumindest eine Störgas aus dem zu untersuchenden Teil der Ausatemluft des Fahrzeuginsassen herausfilterbar ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug.

Description

FAHRZEUGVORRICHTUNG ZUR MESSUNG EINES ZU ANALYSIERENDEN GASES
Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugvorrichtung zur Messung eines zu analysierenden Gases mit einem bestimmten Absorptionswellenlängenbereich in der Ausatem lüft eines Fahrzeuginsassen in einem Fahrzeuginnenraum eines Fahrzeugs, die Fahrzeugvorrichtung aufweisend zumindest ein Lasersensormodul mit einem zumindest den Absorptionswellenlängenbereich emittierenden Wellenlängenbereich zur spektroskopischen Detektion des zu analysierenden Gases in einem zu untersuchenden Teil der Ausatem lüft des Fahrzeug insassen und zur Generierung eines Detektorsignals, sowie eine Auswerteeinheit, die dazu ausgebildet ist, das Detektorsignal des Lasersensormoduls zu analysieren und eine Konzentration des zu analysierenden Gases zu bestimmen. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug.
Die Fahrerüberwachung gewinnt für assistiertes und automatisiertes Fahren bis SAE Level 3 immer mehr an Bedeutung. Im Vordergrund steht dabei beispielsweise die frühzeitige Erkennung von Fahruntüchtigkeit durch Einnahme von Alkohol oder anderen Drogen, von Übermüdung oder von erhöhten Stresswerten. Insbesondere die Analyse der Ausatem lüft ermöglicht in diesem Kontext ein völlig kontaktfreies, kontinuierliches physiologisches Monitoring des Fahrers und/oder der Fahrzeuginsassen. In diesem Kontext nimmt Infrarot-Laserspektroskopie als Sensortechnologie zur Detektion und Quantifizierung von sich in der Ausatem lüft befindlichen volatilen organischen Substanzen (volatile organic compounds, VOCs) eine herausragende Stellung ein und wird beispielsweise bei Atemalkohol-Testgeräten bereits kommerziell genutzt. Grundlage hierfür ist das Lambert-Beer Gesetz.
So kann die Ausatemluft herangezogen werden um beispielsweise die verschiedenen flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) zu bestimmen, anhand derer der Zustand des Fahrers bestimmt werden kann, beispielsweise hinsichtlich Kinetose.
Um beispielsweise festzustellen, ob eine Person durch eine bestimmte Substanz (z. B. Alkohol, Tetrahydrocannabinol (THC), Kokain, usw.) beeinträchtigt ist, werden verschiedene Vorrichtungen zum Erkennen von Beeinträchtigungen eingesetzt. So schätzen beispielsweise Atemanalysegeräte, wie Alkoholtester, die Menge der schädlichen Substanz im Blut des Benutzers. Die Testperson oder der Benutzer bläst in das Gerät, und ein Sensor schätzt den Blutalkoholgehalt des Benutzers aus der Atemprobe. Beaufsichtigte Atemtests nach dem Stand der Technik werden von der Polizei durchgeführt, um Trunkenheit am Steuer vorzubeugen.
Ebenfalls werden zunehmend auch unbeaufsichtigte Tests mit Alcolocks in Fahrzeugen eingesetzt. Zu den Sensortechnologien gehören katalytische Halbleiter, sowie Infrarotspektroskopie.
Dabei werden die Atemwege über ein eng anliegendes Mundstück entleert. Solche Geräte enthalten Sensorelemente, die nach einem tiefen Atemzug ein Signal liefern. Um eine korrekte Bestimmung zu gewährleisten, muss der Proband einen tiefen Ausatemzug abgeben. Dies erfordert einen erheblichen Kraftaufwand, insbesondere für Personen mit eingeschränkter Atemkapazität. Die Handhabung von Mundstücken ist kosten- und zeitintensiv und stellt durch Kondenswasser eine unerwünschte Fehlerquelle dar.
Dabei bleibt die Selektivität der Analyten in komplexen Gasgemischen wie Atemoder Innenraumluft die größte Herausforderung.
Die EP 2669660 B1 offenbart ein Verfahren und ein Gerät zur Ferndetektion von Ethanoldämpfen in der Atmosphäre zur Bestimmung der Ethanoldampfkonzentration in der von Menschen ausgeatmeten Luft im Fahrgastraum eines Fahrzeugs, bei dem ein Lichtstrahlbündel von einer Laserlichtquelle mit einer Wellenlänge, die dem Absorptionsspektrum von Ethanol im mittleren IR-Bereich entspricht, durch einen Messraum geführt wird und anschließend die Lichtintensität nach Durchgang des Lichtstrahlbündels durch diesen Raum gemessen wird und dann auf der Grundlage der Spektralanalyse der Abhängigkeit der Lichtintensität von dem Ethanolgehalt die Ethanoldampfkonzentration ermittelt wird. Dabei wird die Wellenlänge der Lichtquelle in einem Wellenlängenbereich, der ein scharfes Merkmal der Absorption von Ethanol bei einer Wellenlänge von 3,345 pm oder 3,447 pm und teilweise oder vollständig das 'Absorptionsplateau" von Ethanol abdeckt, vertrimmt, um die Ethanoldämpfe mengenmäßig richtig zu bestimmen. Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung eine Fahrzeugvorrichtung zum verbesserten Messen von bestimmten Gasen in der Ausatem lüft eines Fahrzeuginsassen in einem Fahrzeug anzugeben. Ferner ist es eine Aufgabe ein solches Fahrzeug mit einer Fahrzeugvorrichtung anzugeben.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Fahrzeugvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 13.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die geeignet miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Fahrzeugvorrichtung zur Messung eines zu analysierenden Gases mit einem bestimmten Absorptionswellenlängenbereich in der Ausatem lüft eines Fahrzeuginsassen in einem Fahrzeuginnenraum eines Fahrzeugs umfassend zumindest ein Lasersensormodul mit einem zumindest den Absorptionswellenlängenbereich emittierenden Wellenlängenbereich zur spektroskopischen Detektion des zu analysierenden Gases in einem zu untersuchenden Teil der Ausatemluft des Fahrzeuginsassen und zur Generierung eines Detektorsignals, sowie eine Auswerteeinheit, die dazu ausgebildet ist, das Detektorsignal des Lasersensormoduls zu analysieren und eine Konzentration des zu analysierenden Gases zu bestimmen, wobei zumindest ein Filter, welcher dem Lasersensormodul vorgeschaltet ist, vorgesehen ist, wobei der Filter dazu ausgebildet ist, zumindest ein Störgas in der Ausatemluft auf dem oder in dem Filter zu absorbieren oder durch den Filter chemisch zu verändern, wodurch das zumindest eine Störgas aus dem zu untersuchenden Teil der Ausatem lüft des Fahrzeuginsassen herausfilterbar ist.
Insbesondere umfasst das Lasersensormodul einen Infrarotlaser zur Infrarot-Laserspektroskopie als Sensortechnologie.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass es problematisch in der Laserspektroskopie ist, dass viele der relevanten Absorptionsbereiche/Wellenlängenbereiche nicht substanz-spezifisch sind. So wurde erkannt, dass beispielsweise bei einer Atemalkoholdetektion sich etwa der Bereich um 3.4 Mikrometer Wellenlänge als mögliches Absorptionsband zur Detektion von Ethanol anbietet.
Es wurde erfindungsgemäß weiter erkannt, dass die Laserstrahlung in diesem Wellenlängenbereich jedoch nicht nur durch Ethanol, sondern auch durch andere Gase wie Methanol oder Isopropanol absorbiert wird. Folglich wird die eigentlich interessierende Konzentrationsmessung von Ethanol durch sich möglicherweise ebenfalls in der zu untersuchenden Ausatem luftprobe befindliche Störgases/Störsubtanzen wie Methanol oder Isopropanol überlagert/verfälscht und es kann keine hinreichend genaue Konzentration des gewünschten Gases in der Ausatem lüft erkannt werden. Aufbauend auf dieser Erkenntnis, wird erfindungsgemäß nun vor dem Messgerät, das heißt dem Lasersensormodul ein Filter geschaltet, welches Gase absorbiert/her- ausfiltert, welche die Messung des zu analysierenden Gases verfälscht/stört.
Dabei bedeutet vorgeschaltet, dass in dem Teil der zu messenden Ausatem lüft diese Störgas/Störsubstanz weitestgehend eliminiert wird, entweder durch herausfiltern aus der zu messenden Ausatem luftprobe oder durch absorbieren/ adsorbieren des Störgases/ der Störsubstanz auf dem Filter. Der Filter kann auch als Katalysator ausgebildet sein, der das Störgases/ die Störsubstanz chemisch so verändert, dass diese von dem Lasersensormodul in dem definierten Wellenlängenbereich nicht mehr de- tektiert werden kann
Dabei werden vor allem diejenigen Störgase herausgefiltert, welche einen ähnlichen Absorptionswellenlängenbereich wie das zu analysierende Gas aufweist.
Dies bedeutet, dass die störenden Gase gezielt aus der zu analysierenden Ausatemluft vor der Messung durch das Lasersensormodul herausgefiltert werden können. Somit kann eine einfache und hinreichend genaue Konzentration des gewünschten Gases ermittelt werden.
Durch Platzierung eines oder mehrerer solcher Filter vor dem eigentlichen Lasersensormodul können überlagernde Störgase vor der eigentlichen Konzentrationsmessung aus der zu analysierenden Ausatem lüft entfernt werden. Mittels der erfindungsgemäßen Fahrzeugvorrichtung kann eine Erhöhung der Substanzselektivität bei Atemgasmessungen von Fahrzeuginsassen erzielt werden, beispielsweise mittels der Infrarot-Laserspektroskopie durch ein entsprechendes Lasersensormodul.
In weiterer Ausbildung weist das zumindest eine Störgas einen zumindest teilweise überlappenden Wellenlängenbereich wie der Absorptionswellenlängenbereich des zu analysierenden Gases auf. Werden mehrere Filter vorgeschaltet, so können mehrere Störgase herausgefiltert werden. Alternativ kann auch ein Filter, welcher mehrere Störgase herausfiltern/absorbieren kann, zum Einsatz kommen.
In weiterer Ausbildung weist das Lasersensormodul eine Messkammer mit zumindest einem Eingang für die zu analysierende Ausatemluft sowie eine Laser-Detektor-An- ordnung auf, mit wenigstens einer Laserlichtquelle zur Erzeugung von Laserlicht mit zumindest derjenigen Wellenlänge, die dem Absorptionsspektrum des vorab zu bestimmenden Gases entspricht und mit wenigstens einem Detektor zum Detektieren des Laserlichts, wobei die Laser-Detektor-Anordnung derart ausgebildet ist, dass die Messkammer sich in einem Strahlengang des Laserlichts zwischen Laserlichtquelle und Detektor befindet.
Insbesondere kann es sich bei dem Laser um einen Infrarotlaser zur Infrarot-Laserspektroskopie als Sensortechnologie zur Detektion und Quantifizierung von Gasen in der Ausatem lüft handeln. Grundlage für die Infrarot-Laserspektroskopie ist dabei das Lambert-Beer Gesetz. Vorzugsweise liegt die Wellenlänge der eingesetzten Laserstrahlung im Bereich von 2 bis 12 Micrometer.
In einer weiteren Ausbildung weist die Messkammer einen Ausgang zum Ausströmen der gemessenen Ausatemluft auf. Dadurch kann die gemessene Ausatemluft wieder ausströmen. Ferner kann beispielsweise das Lasersensormodul in einem Strömungskanal beispielsweise in dem Luftsystem einer Klimaanlage oder Klimaeinrichtung angeordnet sein. Dadurch kann sichergestellt werden, dass jeweils eine frische/aktuelle Ausatem luftprobe zur Messung verwendet wird. In weiterer Ausbildung ist ein erstes Lasersensormodul und ein zumindest zweites Lasersensormodul vorgesehen, wobei der Filter als Gasfilter ausgebildet ist zum Herausfiltern des zu analysierenden Gases, wobei lediglich dem ersten Lasersensormodul der Gasfilter vorgeschaltet ist, und wobei das erste Lasersensormodul dazu ausgebildet ist, ein erstes Detektorsignal, mit welchem eine Konzentration der verbleibenden Gase mit ähnlichen oder zumindest teilweise überlappenden Absorptionswellenlängenbereich wie das zu analysierenden Gas bestimmbar ist, zu generieren und wobei das zweite Lasersensormodul dazu ausgebildet ist, ein ungefiltertes zweites Detektorsignal, mit welchem eine Konzentration von allen Gasen mit ähnlichen oder zumindest teilweise überlappenden Absorptionswellenlängenbereich bestimmbar ist, zu generieren und wobei die Konzentration des zu analysierenden Gases mittels des ersten und des zweiten Detektorsignals bestimmbar ist.
Somit ist das gewünschte zu detektierende Gas quasi das Störgas.
Dabei ist der Gasfilter als ein Filter ausgebildet, welcher die zu analysierende Substanz, beispielsweise Ethanol, herausfiltert /absorbiert.
Dadurch wird einmal die Konzentration derjenigen Gase bestimmt, welche ähnliche Wellenlänge aufweisen beispielsweise sind dies bei Ethanol die Störgase Methanol, Isopropanol etc. ohne Ethanol selber, und einmal die Konzentration aller Gase mit diesem oder ähnlichem Absorptionswellenlängenbereich beispielsweise also die Konzentration von Methanol, Isopropanol als auch Ethanol selber in der Ausatem lüft.
Ferner kann die Auswerteeinheit dazu ausgebildet sein, anhand der Differenz oder dem Quotienten zwischen dem ersten Detektorsignal und dem zweiten Detektorsignal die Konzentration des zu analysierenden Gases in der Ausatem lüft zu bestimmen. Das heißt, dass mittels eines solchen Gasfilters das eigentliche Gas (etwa Ethanol) aus der Ausatem luftprobe entfernt werden kann und die Konzentration des zu analysierenden Gases sich dann aus der Differenz oder dem Quotienten der zweifachen Messung mit und ohne Filterung bestimmen lässt. Somit kann beispielsweise auch auf mehrere Filter verzichtet werden, da hier gezielt das gesuchte Gas durch einen Filter herausgefiltert wird.
Alternativ ist der Filter als Gasfilter ausgebildet zum Herausfiltern des zu analysierenden Gases, wobei dem zumindest einem Lasersensormodul der Gasfilter ver- schwenkbar vorschaltbar ist, so dass das zumindest eine Lasersensormodul dazu ausgebildet ist, ein erstes Detektorsignal mit vorgeschalteten Gasfilter, mit welchem eine Konzentration der verbleibenden Gase mit ähnlichen oder zumindest teilweise überlappenden Absorptionswellenlängenbereich wie das zu analysierenden Gas bestimmbar ist, zu generieren und wobei das Lasersensormodul dazu ausgebildet ist, ein zweites ungefiltertes Detektorsignal ohne vorgeschalteten Gasfilter, mit welchem eine Konzentration von allen Gasen mit ähnlichen oder zumindest teilweise überlappenden Absorptionswellenlängenbereich bestimmbar ist, zu generieren und wobei die Konzentration des zu analysierenden Gases mittels des ersten und des zweiten Detektorsignals bestimmbar ist.
Ferner ist die Auswerteeinheit vorzugsweise dazu ausgebildet, anhand der Differenz oder dem Quotienten zwischen dem ersten Detektorsignal und dem zweiten Detektorsignal die Konzentration des zu analysierenden Gases in der Ausatem lüft zu bestimmen.
Dadurch ist lediglich ein Lasersensormodul notwendig.
Ferner kann das zumindest eine Lasermodul einen Eingang für die zu messende Ausatem lüft und einen Ausgang zum Ausströmen der gemessenen Ausatem lüft aufweisen, wobei die Fahrzeugvorrichtung zum Ausströmen der gemessenen Ausatemluft durch den Ausgang ausgebildet ist, derart, dass eine Generierung des zweiten Detektorsignals anhand neu eingeströmter ungefilterter Ausatem lüft durch das Lasermodul bewerkstelligbar ist.
In einer weiteren Ausbildung ist eine ansteuerbare Vorschaltvorrichtung vorgesehen, in welche der Gasfilter angeordnet ist, zum Vorschalten des Gasfilters vor das zumindest eine Lasersensormodul. Eine solche Vorschaltvorrichtung kann beispielsweise mittels eines einfachen Aktors bewerkstelligt werden; die Vorschaltvorrichtung kann beispielsweise ein Gehäuse sein.
In einer weiteren Ausbildung ist das zu analysierende Gas Ethanol. In weiterer Ausbildung sind ein erster Filter und ein zweiter Filter vorgesehen, welche dem zumindest einem Lasersensormodul vorgeschaltet sind, wobei der erste Filter zum Entfernen von Methanol und der zweite Filter zum Entfernen von Isopropanol ausgebildet ist. Dadurch kann eine Fahruntüchtigkeit des Fahrers festgestellt werden.
In weiterer Ausbildung ist der Filter als ein katalytischer Filter ausgebildet. Solche katalytischen Filter können beispielsweise die Unterschiede in der chemischen Reaktivität zwischen den verschiedenen Gase nutzen, um die Selektivität nachgeschalteter Sensoren zu verbessern. Dies bedeutet, dass beispielsweise Ethanol den Filter passiert, während Methanol vollständig vom Filter absorbiert oder herausgefiltert wird. Dadurch werden Störgase eliminiert oder ihre Konzentration erheblich reduziert, was zu einer hohen Sensorselektivität führen kann.
Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Fahrzeug mit einem Lenkrad und einem Cockpit und einer wie oben beschriebenen Fahrzeugvorrichtung, wobei die Fahrzeugvorrichtung im Lenkrad oder im Cockpit im Bereich des Fahrers angeordnet ist. Dadurch lässt sich die Ausatemluft des Fahrers gut erfassen.
Ferner können mehrere wie oben beschriebene Fahrzeugvorrichtungen im Bereich des Fahrers zur Bestimmung der Konzentration des zu analysierenden Gases durch die Ausatemluft angeordnet sein, und die jeweils ermittelten Konzentrationen können miteinander verglichen werden, zur Bestimmung einer Endkonzentration. Dadurch kann die gemessene Konzentration des zu analysierenden Gases besser auf den Fahrer eingegrenzt werden.
Ferner kann das Fahrzeug dazu ausgebildet sein, bei einer ermittelten Konzentration des zu analysierenden Gases über einem Schwellenwert eine akustische und/oder optische und/oder haptische Warnung auszugeben. Insbesondere ist dies vorteilhaft, wenn das zu analysierende Gas ein Alkohol bzw. Ethanol ist. Dadurch kann der Fahrer vor unvorsichtigem Fahren oder Betreiben des Fahrzeugs gewarnt werden. Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren. Variationen hiervon können vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung, wie er durch die nachfolgenden Patentansprüche definiert wird, zu verlassen.
Die Figuren zeigen schematisch:
FIG 1 : ein erfindungsgemäßes Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Fahrzeugvorrichtung in einer ersten Ausgestaltung,
FIG 2 zeigt verschiedene Absorptionsbereiche verschiedener Gase.
FIG 3: ein erfindungsgemäßes Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Fahrzeugvorrichtung in einer zweiten Ausgestaltung.
FIG 1 zeigt eine Fahrzeugvorrichtung 1 zur Messung eines zu analysierenden Gases mit einem bestimmten Absorptionswellenlängenbereich in der Ausatem lüft eines Fahrzeuginsassen in einem Fahrzeuginnenraum 2 eines Fahrzeugs 3.
Dabei ist in diesem Beispiel das zu messende Gas Ethanol (Alkohol). Dieses hat einen Absorptionswellenlängenbereich von ca. 3.3 bis 3.5 pm (Absorptionswellenlängenband um die 3,4 pm) bezogen auf eine IR-Spektroskopie (Infrarot-Laserspektroskopie als Sensortechnologie). Wird dem Ethanol Molekül in einem Gasgemisch durch eine Lichtwelle, welche beispielsweise durch einen Infrarot -Laser erzeugt wird, ein Lichtquant passender Energie / Absorptionswellenlänge angeboten, wird dieses absorbiert und das Ethanol -Molekül geht vom Schwingungsgrundzustand in einen angeregten Zustand über.
Ferner ist ein Lasersensormodul 4 umfassend dem Infrarot -Laser, vorhanden, zur Aussendung der Lichtwelle in einem Wellenlängenbereich zur spektroskopischen Detektion des zu analysierenden Gases, hier Ethanol, in einem zu untersuchenden Teil der Ausatem lüft des Fahrzeug insassen und zur Erzeugung eines Detektorsignals anhand des ausgesendeten Laserlichtes.
Dabei kann das Lasersensormodul 4 eine Messkammer mit zumindest einem Eingang für die zu analysierende Ausatem luftprobe aufweisen.
Auch weist das Lasersensormodul 4 eine Laser-Detektor-Anordnung auf. Diese umfasst eine Laserlichtquelle, hier der Infrarot -Laser, zur Erzeugung von Laserlicht mit zumindest derjenigen Wellenlänge die zumindest dem Absorptionsspektrum des vorab zu bestimmenden Gases entspricht und mit einen Detektor zum Detektieren des entsprechenden Gases. Die Wellenlänge der eingesetzten Laserstrahlung liegt vorzugsweise im Bereich von 2 bis 12 Micrometer.
Dabei ist die Laser-Detektor-Anordnung derart ausgebildet, dass die Messkammer sich in einem Strahlengang des Laserlichts zwischen Laserlichtquelle und Detektor befindet.
Somit kann mittels Infrarot-Laserspektroskopie als Sensortechnologie eine Detektion und Quantifizierung von sich in der Ausatem lüft befindlichen zu analysierenden Gas bewerkstelligt werden. Grundlage hierfür ist das Lambert-Beer Gesetz. Dieses beschreibt die Abschwächung der Intensität einer Strahlung in Bezug zu deren Anfangsintensität bei dem Durchgang durch ein Medium mit einer absorbierenden Substanz in Abhängigkeit von der Konzentration der absorbierenden Substanz.
FIG 2 zeigt verschiedene Absorptionsbereiche verschiedener Gase.
Wie FIG 2 anhand eines Diagramms veranschaulicht, ist es problematisch in der Infrarot-Laserspektroskopie, dass viele der relevanten Absorptionsbereiche/Wellenlän- genbereiche, wie beispielsweise von Ethanol nicht substanz-spezifisch sind.
Dieses zeigt die Absorptionsbereiche als Absorptionskoeffizient verschiedener Gase aufgetragen über die Wellenlänge in pm. So wurde erkannt, dass beispielsweise bei einer Atemalkoholdetektion sich etwa der Bereich um 3.4 pm Wellenlänge als mögliches Absorptionsband zur Detektion von Ethanol anbietet. Dies liegt vor allem darin begründet, dass im Atemgas in hoher Konzentration vorkommende Störsubstanzen wie Wasser(dampf) und Kohlendioxid in diesem Wellenlängenbereich nicht absorbieren.
Jedoch wird die Laserstrahlung in diesem Wellenlängenbereich nicht nur durch Ethanol, sondern auch durch andere Alkohole wie Methanol oder Isopropanol absorbiert.
So weist sowohl Isopropanol als auch Methanol einen sich teilweise überlappenden Absorptionsbereich zwischen 3.3-3.5 pm auf. Diese Gase wirken somit als Störgase oder Störsubstanzen. Folglich wird die eigentlich interessierende Konzentrationsmessung von Ethanol durch sich möglicherweise ebenfalls in der Ausatem luftprobe befindliche Gase wie Methanol-Störgas als auch Isopropanol- Störgas überlagert/ver- fälscht und es kann keine hinreichend genaue Konzentration des gewünschten Ethanol-Gases in der Ausatem lüft erkannt werden.
Um diese Herauszufiltern wird vor dem Lasersensormodul 4 nun ein Filter geschaltet, welches das/die Störgase absorbieren oder herausfiltern, welche die Messung des zu analysierenden Gases verfälscht/stört.
Dabei bedeutet vorgeschaltet, dass in dem Teil der zu messenden Ausatem lüft das Methanol-Störgas als auch oder Isopropanol- Störgas weitestgehend eliminiert sind, entweder durch herausfiltern aus der zu messenden Ausatem luftprobe oder durch absorbieren des Methanol- Störgases und des Isopropanol- Störgases auf dem Filter. Dadurch detektiert das Lasersensormodul 4 lediglich das Ethanol als Detektorsignal.
Anhand einer Auswerteeinheit 5, welche auch in dem Lasersensormodul 4 integriert sein kann, kann anschließend die Konzentration des Ethanols in der Ausatem lüft bestimmt werden.
Dabei kann es sich um einen oder mehrere vorgeschaltete Filter handeln, welche zum einen Methanol- Störgas als auch oder Isopropanol- Störgas auf dem jeweiligen Filter abscheiden oder herausfiltern. Dadurch wird dieses Selektivitätsproblem durch Vorschalten geeigneter substanzspezifischer Filter gelöst. Die ausgewählte Substanz, hier Ethanol kann gezielt aus der zu analysierenden Ausatem luftprobe ermittelt werden.
Dadurch kann die Konzentration von Ethanol in der Ausatem lüft hinreichend genau bestimmt werden.
Dabei kann eine solche Fahrzeugvorrichtung 1 in Nähe des Fahrers, beispielsweise im oder am Lenkrad oder im Bereich der Kopfstütze angeordnet sein, um fremde Ausatem lüft von anderen Fahrzeuginsassen weitestgehend auszuschließen.
Ferner kann das Fahrzeug 3 zur Ausgabe einer optischen und/oder haptischen und / oder akustischen Warnung 6 ausgebildet sein, falls die durch die Fahrzeugvorrichtung 1 erkannte Ethanolkonzentration einen vorab definierten Wert überschreitet.
Auch können mehrere solcher Fahrzeugvorrichtungen 1 in Nähe des Fahrers angeordnet sein. Die jeweilige ermittelten Konzentrationswerte können somit abgeglichen oder validiert werden und anhand dessen ein endgültiger Konzentrationswert ermittelt werden in welchem die einzelnen Konzentrationswerte ggf. gewichtet miteinfließen. So kann beispielsweise einer derartigen Fahrzeugvorrichtung 1 , welche am Lenkrad angeordnet ist, ein höheres Gewicht zugesprochen werden, als anderen Fahrzeugvorrichtungen 1. Ebenso ist es möglich, andere einzelne Konzentrationswerte gewichtet in die Bestimmung des endgültigen Konzentrationswertes miteinfließen zu lassen.
FIG 3 zeigt eine weitere Fahrzeugvorrichtung 1a zur Messung eines zu analysierenden Gases mit einem bestimmten Absorptionswellenlängenbereich in der Ausatemluft eines Fahrzeuginsassen in einem Fahrzeuginnenraum 2 eines Fahrzeugs 3 mittels IR-Spektroskopie. Dieses Gas ist in diesem Beispiel ebenfalls das zu messende Gas Ethanol (Alkohol) mit einem Absorptionswellenlängenbereich von ca. 3.3 bis 3.5 pm bezogen auf eine IR-Spektroskopie (Infrarot-Laserspektroskopie als Sensortechnologie).
Ferner ist ein erstes Lasersensormodul 4 und ein zweites Lasersensormodul 4a vorhanden, zur Aussendung eines Lichtes in einem Wellenlängenbereich des Ethanols zur spektroskopischen Detektion des zu analysierenden Ethanols in einem zu untersuchenden Teil der Ausatem lüft des Fahrzeuginsassen und zur Erzeugung eines ersten Detektorsignals und eines zweiten Detektorsignals.
Dabei ist dem ersten Lasersensormodul 4 ein Gasfilter vorgeschaltet, welches das zu analysierende Gas, hier Ethanol herausfiltert.
Das erste Lasersensormodul 4 generiert somit ein erstes Detektorsignal, anhand dessen im Wesentlichen die Konzentration des Methanol- Störgas als auch des Isopropanol- Störgas als auch alle anderen, in diesem Wellenlängenbereich absorbierenden Störgase gemessen werden können und zwar ohne die Konzentration von Ethanol.
Dem zweiten Lasersensormodul 4a ist jedoch kein Gasfilter vorgeschaltet. Damit wird anhand des zweiten Lasersensormoduls 4a ein zweites Detektorsignal generiert, welches alle Substanzen / Gase in diesem Wellenlängenbereich detektiert, das heißt sowohl Ethanol, als auch die Störgase Isopropanol sowie Methanol sowie andere Störgase.
Anhand des ersten Detektorsignals und des zweiten Detektorsignals kann mittels Differenz- oder Quotientenbildung nun die Konzentration von dem gewünschten Ethanol bestimmt werden.
Dabei ist es beispielsweise vorteilhaft, wenn die beiden Lasersensormodule 4,4a nebeneinander oder in der Nähe voneinander angeordnet sind, um die Messung des Ethanols in der Ausatem lüft nicht durch Vermischung mit der Ausatem lüft anderer Fahrzeuginsassen zu verfälschen. Das heißt mittels einen solchen Gasfilters kann auch die eigentliche Markersubstanz, wie etwa Ethanol aus dem Ausatem luftprobe entfernt werden. Die Konzentration der Markersubstanz, hier Ethanol, lässt sich dann aus der Differenz oder dem Quotienten der zweifachen Messung vor und nach der Filterung bestimmen (Differenzmessung).
Alternativ kann ein einzelnes Lasersensormodul 4 vorgesehen sein, welchem ein Gasfilter zum Herausfiltern des zu analysierenden Gases verschwenkbar vorschalt- bar ist. Dabei kann eine erste Messung mit vorgeschalteten verschwenkbaren Gasfilter zum Generieren des ersten Detektorsignals bewerkstelligt werden.
Dabei kann die Vorschaltung beispielsweise mittels eines Gehäuses in dem der Gasfilter eingebaut ist und einem verstellbaren Aktor automatisiert bewerkstelligt werden. Anschließend kann der vorgeschaltete Gasfilter entfernt und eine zweite Messung zum Generieren des zweiten Detektorsignals durchgeführt werden.
Anschließend kann die Auswerteeinheit 5 anhand der Differenz oder dem Quotienten zwischen dem ersten Detektorsignal und dem zweiten Detektorsignal die Konzentration des Ethanols in der Ausatem lüft bestimmen.
Dabei kann das Lasermodul 4 einen Eingang für die zu messende Ausatem lüft und einen Ausgang zum Ausströmen der gemessenen Ausatem lüft aufweisen, wobei die Fahrzeugvorrichtung 1 a zum Ausströmen der gemessenen Ausatemluft durch den Ausgang ausgebildet ist, derart, dass eine Generierung des zweiten Detektorsignals anhand neu eingeströmter ungefilterter Ausatem lüft durch das Lasermodul 4 bewerkstelligbar ist. Dies kann beispielsweise durch Anordnung in einem Luftpfad, wie der Klimaanlage bewerkstelligt werden.
Durch die verschwenkbare Vorschaltung ist lediglich ein Lasersensormodul 4 notwendig. Bezugszeichenliste
1 ,1a Fahrzeugvorrichtung
2 Fahrzeuginnenraum
3 Fahrzeug
4,4a Lasersensormodul
5 Auswerteeinheitß akustische und/oder optische und/oder haptische Warnung

Claims

Patentansprüche
1. Fahrzeugvorrichtung (1 ,1 a) zur Messung eines zu analysierenden Gases mit einem bestimmten Absorptionswellenlängenbereich in der Ausatem lüft eines Fahrzeuginsassen in einem Fahrzeuginnenraum (2) eines Fahrzeugs (3), die Fahrzeugvorrichtung (1 ,1 a) aufweisend zumindest ein Lasersensormodul (4) mit einem zumindest den Absorptionswellenlängenbereich emittierenden Wellenlängenbereich zur spektroskopischen Detektion des zu analysierenden Gases in einem zu untersuchenden Teil der Ausatem lüft des Fahrzeuginsassen und zur Generierung eines Detektorsignals, sowie eine Auswerteeinheit (5), die dazu ausgebildet ist, das Detektorsignal des Lasersensormoduls (4) zu analysieren und eine Konzentration des zu analysierenden Gases zu bestimmen dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Filter, welcher dem Lasersensormodul (4) vorgeschaltet ist, vorgesehen ist, wobei der Filter dazu ausgebildet ist, zumindest ein Störgas in der Ausatemluft auf dem oder in dem Filter zu absorbieren oder durch den Filter chemisch zu verändern, wodurch das zumindest eine Störgas aus dem zu untersuchenden Teil der Ausatemluft des Fahrzeuginsassen herausfilterbar ist.
2. Fahrzeugvorrichtung (1 ,1 a) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Störgas einen zumindest teilweise überlappenden Wellenlängenbereich wie der Absorptionswellenlängenbereich des zu analysierenden Gases aufweist.
3. Fahrzeugvorrichtung (1 ,1 a) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lasersensormodul (4) eine Messkammer mit zumindest einem Eingang für die zu analysierende Ausatemluft aufweist, und eine Laser-Detek- tor-Anordnung, mit wenigstens einer Laserlichtquelle zur Erzeugung von Laserlicht mit zumindest derjenigen Wellenlänge die dem Absorptionsspektrum des vorab zu bestimmenden Gases entspricht und mit wenigstens einem Detektor zum Detektieren des Laserlichts, wobei die Laser-Detektor-Anordnung derart ausgebildet ist, dass die Messkammer sich in einem Strahlengang des Laserlichts zwischen Laserlichtquelle und Detektor befindet.
4. Fahrzeugvorrichtung (1 ,1 a) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkammer einen Ausgang zum Ausströmen der gemessenen Ausatemluft aufweist.
5. Fahrzeugvorrichtung (1 ,1 a) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Lasersensormodul (4) und ein zumindest zweites Lasersensormodul (4a) vorgesehen ist, wobei der Filter als Gasfilter ausgebildet ist zum Herausfiltern des zu analysierenden Gases, wobei lediglich dem ersten Lasersensormodul (4) der Gasfilter vorgeschaltet ist, und wobei das erste Lasersensormodul (4) dazu ausgebildet ist, ein erstes Detektorsignal, mit welchem eine Konzentration der verbleibenden Gase mit ähnlichen oder zumindest teilweise überlappenden Absorptionswellenlängenbereich wie das zu analysierenden Gas bestimmbar ist, zu generieren und wobei das zweite Lasersensormodul (4a) dazu ausgebildet ist, ein zweites ungefiltertes Detektorsignal, mit welchem eine Konzentration von allen Gasen mit ähnlichen oder zumindest teilweise überlappenden Absorptionswellenlängenbereich bestimmbar ist, zu generieren und wobei die Konzentration des zu analysierenden Gases mittels des ersten und des zweiten Detektorsignals bestimmbar ist.
6. Fahrzeugvorrichtung (1 ,1 a) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (5) dazu ausgebildet ist, anhand der Differenz oder dem Quotienten zwischen dem ersten Detektorsignal und dem zweiten Detektorsignal die Konzentration des zu analysierenden Gases in der Ausatem lüft zu bestimmen.
7. Fahrzeugvorrichtung (1 ,1 a) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter als Gasfilter ausgebildet ist zum Herausfil- tern des zu analysierenden Gases, wobei dem zumindest einem Lasersensormodul (4) der Gasfilter verschwenkbar vorschaltbar ist, so dass das zumindest eine Lasersensormodul (4) dazu ausgebildet ist, ein erstes Detektorsignal mit vorgeschalteten Gasfilter, mit welchem eine Konzentration der verbleibenden Gase mit ähnlichen oder zumindest teilweise überlappenden Absorptionswellenlängenbereich wie das zu analysierenden Gas bestimmbar ist, zu generieren und wobei das Lasersensormodul (4) ferner dazu ausgebildet ist, ein zweites ungefiltertes Detektorsignal ohne vorgeschalteten Gasfilter, mit welchem eine Konzentration von allen Gasen mit ähnlichen oder zumindest teilweise überlappenden Absorptionswellenlängenbereich bestimmbar ist, zu generieren und wobei die Konzentration des zu analysierenden Gases mittels des ersten und des zweiten Detektorsignals bestimmbar ist.
8. Fahrzeugvorrichtung (1 ,1 a) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (5) dazu ausgebildet ist, anhand der Differenz oder dem Quotienten zwischen dem ersten Detektorsignal und dem zweiten Detektorsignal die Konzentration des zu analysierenden Gases in der Ausatem lüft zu bestimmen.
9. Fahrzeugvorrichtung (1 ,1 a) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Lasermodul (4) einen Eingang für die zu messende Ausatemluft und einen Ausgang zum Ausströmen der gemessenen Ausatem lüft aufweist, wobei die Fahrzeugvorrichtung (1 ,1 a) zum Ausströmen der gemessenen Ausatemluft durch den Ausgang ausgebildet ist, derart, dass eine Generierung des zweiten Detektorsignals anhand neu eingeströmter ungefilterter Ausatemluft durch das Lasermodul (4) bewerkstelligbar ist.
10. Fahrzeugvorrichtung (1 ,1 a) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine ansteuerbare Vorschaltvorrichtung vorgesehen ist, in welche der Gasfilter angeordnet ist, zum Vorschalten des Gasfilters vor das zumindest eine Lasersensormodul (4).
11 . Fahrzeugvorrichtung (1 ,1 a) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zu analysierende Gas Ethanol ist.
12. Fahrzeugvorrichtung (1 ,1a) nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Filter und ein zweiter Filter vorgesehen sind, welche dem zumindest einem Lasersensormodul (4) vorgeschaltet sind, wobei der erste Filter zum Entfernen von Methanol und der zweite Filter zum Entfernen von Isopropanol ausgebildet ist.
13. Fahrzeug (3) mit einem Lenkrad und einem Cockpit und einer Fahrzeugvorrichtung (1 ,1 a) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fahrzeugvorrichtung (1 ,1 a) im Lenkrad oder im Cockpit im Bereich des Fahrers angeordnet ist.
14. Fahrzeug (3) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Fahrzeugvorrichtungen (1 ,1a) im Bereich des Fahrers zur Bestimmung der Konzentration des zu analysierenden Gases durch die Ausatemluft angeordnet sind, und die jeweils ermittelten Konzentrationen miteinander verglichen werden zur Bestimmung einer Endkonzentration.
15. Fahrzeug (3) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug (3) dazu ausgebildet ist, bei einer ermittelten Konzentration des zu analysierenden Gases über einem Schwellenwert eine akustische und/oder optische und/oder haptische Warnung (6) auszugeben.
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