DE60300172T2

DE60300172T2 - Vorrichtung und Methode zur Messung von Atemalkohol

Info

Publication number: DE60300172T2
Application number: DE60300172T
Authority: DE
Inventors: Burkhard Stock; Dieter Kruger; Rigobert Chrzan; Hans-Jurgen Busack
Original assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Current assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Priority date: 2002-06-11
Filing date: 2003-02-12
Publication date: 2005-11-03
Anticipated expiration: 2023-02-13
Also published as: EP1371982B1; US7329390B2; DE60300172D1; AU2003204396B2; EP1371982A1; CA2431674C; US20030228702A1; AU2003204396A1; CA2431674A1; DE20303617U1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung von Alkohol im Atem und auf ein Verfahren zur Messung von Alkohol im Atem.
Messungen des Atemalkohols sind bekannt und werden mit verschiedenen unterschiedlichen Vorrichtungen und Verfahren durchgeführt. Ein Messgerät, welches aus einer Messröhre besteht, an die nacheinander in Richtung des Gasflusses ein Druck- und ein Temperatursensor sowie ein Gassammelventil angeschlossen sind, mit einer elektrochemischen Messzelle, die stromabwärts davon zur Messung der Atemalkoholkonzentrationen angebracht ist, ist beispielsweise offenbart in US 6,167,746 B1 .
Bekannte Atemalkoholmessgeräte, wie zum Beispiel die Alcotest^®-Geräte, wurden einige Jahre lang für die besondere Überwachung der Atemalkoholkonzentration von Kraftfahrern, insbesondere an Verkehrskontrollpunkten, verwendet.
Mit der Verwendung von Atemalkoholmessgeräten in Kombination mit sog. „Interlock"-Systemen in privaten Kraftfahrzeugen, um dem Fahren unter dem Einfluss von Alkohol vorzubeugen, wird der Atemalkoholtest nicht unter Überwachung von autorisierten Personen durchgeführt.
Demzufolge ist es insbesondere wichtig, dass in diesem Fall Versuche zur Manipulierung während der Messung des Atemalkohols ausgeschlossen und/oder derartige Versuche durch Registrierung der charakteristischen Messwerte bestimmt werden, z. B. durch Auslesen von Durchführungsdaten durch eine autorisierte Servicestation. Die Messergebnisse für die Atemalkoholkonzentration können beispielsweise manipuliert werden, indem die durch das Ausatmen ausgestoßene Luft durch eine Waschflasche oder durch Filtermaterialien geleitet wird, durch Luft aus einem Luftvorrat, der in das Messgerät eingebracht wird, oder ähnliches.
US-A-5,363,857, US-B1-6,167,746 und US-A-4,736,619 sind Dokumente im Stand der Technik, die diese Awendung zeigen.
US-A-5,363,857 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der CO₂-Konzentration aus einer Strömungskammer, die mit einem Flussdiaphragma versehen ist, einem Differenzialdrucksensor mit ersten und zweiten Messanschlüssen, einem CO₂-Sensor, einem Choke-Element und einer Auswerte- und Kontrolleinheit. Die Druckmessungen und die Gaskonzentrationsmessungen werden jedoch in zwei getrennten Strömungskreisen durchgeführt.
US-B1-6,167,746 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Alkoholkonzentration in einer gasförmigen Mischung mit einer Strömungskammer, einem Drucksensor und einer Brennstoffzelle zur Messung der Alkoholgaskonzentration. Es werden aufgrund des Fehlens eines Diaphragmas in der Strömungskammer keine Differenzdruckmessungen durchgeführt.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung und Verfahren für die Messung von Alkohol im Atem zur Verfügung zu stellen, sodass funktionelle Fehler identifiziert und präzisere Messergebnisse erhalten werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1 für die erfindungsgemäße Vorrichtung und die Merkmale gemäß Anspruch 6 für das erfindungsgemäße Verfahren.
Die abhängigen Ansprüche zeigen optionale Merkmale für die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder das Verfahren gemäß Anspruch 6.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung liegt in der Möglichkeit der Feststellung von vielen unterschiedlichen Funktionsfehlern und Operationszuständen mit Hilfe einer einzigen Vorrichtung mit der Schaltkreisanordnung der angegebenen Komponenten.
Ein zusätzlicher Vorteil wird zur Verfügung gestellt, wenn die erfindungsgemäßen Vorrichtungen in Kraftfahrzeugen, Flugzeugen oder Wasserfahrzeugen verwendet werden, um deren Betrieb als eine Funktion der Konzentration des Alkohols, der im Atem des Fahrers gemessen wird, zu blockieren. Als Alternative wird die Anlassvorrichtung eines Fahrgerätes oder Motors nur dann zum Betrieb frei gegeben, wenn ein Vergleich des gemessenen Wertes oder von Werten für die Konzentration von Alkohol im Atem anzeigt, dass diese genannten Werte zuvor bestimmte Referenzwerte nicht übersteigen.
Im weitesten Sinne kann die vorliegende Erfindung so verwendet werden, dass eine Maschine, z. B. ein Motor oder eine Verschlussvorrichtung, durch eine Vorrichtung zur Messung von Alkohol im Atem, welche im Strömungskreislauf aufwärts angebracht ist, als Funktion des Ergebnisses der Messung von Alkohol im Atem einer diese Maschine betreibenden Person und anschließendem Vergleich mit vorbestimmten Referenzwerten, insbesondere wenn die Referenzwerte nicht überschritten werden, entweder für den Betrieb geöffnet wird, oder für die weitere Verwendung blockiert wird, insbesondere wenn die vordefinierten Referenzwerte nach der Messung zu einem speziellen Zeitpunkt überschritten werden, oder zu verschiedenen Zeitpunkten nach der anfänglichen Öffnung für den Betrieb der Maschine.
Eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden mit Hilfe der einzigen Zeichnung, 1, gezeigt, die eine erfindungsgemäße Vorrichtung in Diagrammform darstellt, wie im Folgenden beschrieben wird.
Ein austauschbares Mundstück 1 wird in eine röhrenförmige Strömungskammer 2 eingesetzt, in welche die zu testende Person, deren Atemluft auf die Konzentration von Alkohol untersucht werden soll, bläst. An einem Strömungsdiaphragma 3 mit kreisförmigem Strömungsquerschnitt von ungefähr 3 bis 4 mm, erzeugt die Strömung (Atemgasvolumenströmung) einen Druckabfall, welcher derzeit von rechtlichen Vorgaben abhängig ist. Der Druckabfall wird mit einem Differentialdrucksensor 4 gemessen, dessen erster Messanschluss über eine erste Gasleitung 5 mit dem Mundstück 1 über den inneren Raum der Strömungskammer 2 stromaufwärts des Flussdiaphragmas 3 verbunden ist.
Der zweite Messanschluss des Differentialdrucksensors 4 wird über den Atemalkoholsensor 8 gesteuert und hat daher eine Verbindung zum inneren Raum der Strömungskammer 2 stromabwärts, d. h. hinter dem Flussdiaphragma 3. Eine Auswerte- und Kontrolleinheit 6 berechnet aus den berechneten Differentialdrucksignalen das Atemgasströmungsvolumen, welches durch das Mundstück 1 und die Strömungskammer 2 fließt und errechnet daraus dann das Volumen des von der zu messenden Person abgegebenen Atemgases durch Integration über die betreffende Zeitdauer. Hinter dem Strömungsdiaphragma 3, d. h. stromabwärts davon, befindet sich die Einlassdüse 7 eines Atemalkoholsensors 8, durch welche mit Hilfe eines Probenentnahmesystems 9, 10, bestehend aus dem elastischen Ziehharmonika-Element 9 und dem Druckmagnet 10, eine Probe aus dem Atemgasstrom in den Atemalkoholsensor 8 gezogen wird, sobald die Person, deren Atemalkoholkonzentration gemessen werden soll, ein gewisses Minimum an Atemgasvolumen ausgestoßen hat.
Am Anfang der Probennahme wird ein Strömungsimpuls durch die Auswerte- und Kontrolleinheit auf den Druckmagnet 10 ausgelöst, welcher als Ergebnis das Ziehharmonika-Element 9 zusammenpresst. Wenn der Strom abgeschaltet wird, relaxiert das Ziehharmonika-Element 9 wieder und das Verfahren saugt ein Luftvolumen, welches durch das Design des Systems definiert ist, durch den Atemalkoholsensor 8 ein, an welchem der Alkohol schnell durch die Sensoroberfläche eines elektrochemischen Gassensors absorbiert wird, der vorzugsweise verwendet wird. Mittels einer charakteristischen elektrochemischen Bestätigungsreaktion führt dies zu einem konzentrationsabhängigen Messsignal für den Atemalkoholgehalt der zu messenden Person, welches weiterhin in bekannter Art und Weise ausgewertet werden kann.
Der Atemalkoholsensor 8 ist über eine zweite Gasleitung 12 an das Probenentnahmesystem 9, 10 angeschlossen. In dieser zweiten Gasleitung 12 ist ein Choke-Element 14 mit einem Durchmesser von gerade einmal einem Millimeter angebracht, an welchem ein Druckunterschied entsteht, wenn das Ziehharmonika-Element 9 zusammengepresst wird oder relaxiert. Solche Druckänderungen passieren die dritte Gasleitung 15 zum zweiten Messanschluss des Differenzialdrucksensors 4 und können daher gemessen werden. Der Temperatursensor 16, der stromabwärts vom Strömungsdiaphragma 3 am Auslass der Messkammer 2 angebracht ist, dient dazu zu prüfen, ob tatsächlich Atemgas durch das Mundstück 1 in die Messkammer 2 strömt. Um dies zu erreichen wird eine Messung gemacht, ob die Temperatur am Temperatursensor 16 sich ändert, wenn der Differenzialdrucksensor 4 anzeigt, dass ein Durchströmen stattfindet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Atemalkoholmessvorrichtung ist die Auswerte- und Kontrolleinheit 6 auf der Ausgabeseite über eine Signalverbindung 17 mit einer Maschine oder einer Vorrichtung verbunden, die durch eine Person bedient wird, wobei deren Bedienung für diese Person als Funktion der Atemalkoholkonzentration der bedienenden Person, welche zuvor mit der Atemalkoholmessvorrichtung gemessen wurde und nach Vergleich mit entsprechenden Referenzwerten durch Auswertung- und Kontrolleinheit 6, entweder zugelassen oder blockiert wird. Insbesondere wird der Anlasser einer Fahrmaschine oder der Motor eines Motorfahrzeugs, Flugzeugs oder Wasserfahrzeugs für den Betrieb über die Signalleitung 17 nur dann freigegeben, wenn der Atemalkoholmesswert in die Nähe eines vorbestimmten Grenzwertes fällt oder diesen zumindest nicht überschreitet. Alternativ wird die Maschine, die betrieben werden soll, insbesondere der Anlasser der Fahrmaschine oder der Motor, für den weiteren Betrieb blockiert, wenn vorbestimmte Referenzwerte für die Atemalkoholkonzentration nach Messung während einer bestimmten Zeitdauer oder bei verschiedenen Zeitpunkten nach einer anfänglichen Freigabe für den Betrieb der Maschine überschritten werden.
Vor der aktuellen Probenentnahme und Messung des Atemalkoholgehalts prüft das Atemalkoholmessgerät, ob das Probenentnahmesystem 9, 10 korrekt funktioniert. Um dies zu tun, wird das Messsignal des Differenzialdrucksensors 4 durch die Auswerte- und Kontrolleinheit 6 ausgewertet. Durch Einschalten des Stroms für den Druckmagnet 10 wird das Ziehharmonika-Element 9 zusammengepresst. Nach etwa 100 Millisekunden wird der Strom abgeschaltet und das Ziehharmonika-Element 9 relaxiert. Wegen der schnellen Kompression steigt der gemessene Differenzialdruck über die Zeit anfänglich scharf an, läuft durch ein charakteristisches Maximum und kehrt dann wieder auf Null zurück, wenn der Druckmagnet 10 seine Endlage erreicht hat und stoppt. Wenn das Ziehharmonika-Element 9 dann relaxiert, tritt am Strömungsdiaphragma 3 ein Unterdruck auf, der eine ähnliche temporäre charakteristische Kurve wie der Kompressionsimpuls hat, aber mit negativer Druckbeaufschlagung. Der Relaxationsprozess ist beendet, wenn das Ziehharmonika-Element 9 komplett relaxiert ist. Die maximale Menge des Kompressionspulses, die über den gemessenen Differenzialdruck erhalten wird, ist merklich größer als der Relaxationspuls, der ebenso durch den gemessenen Differenzialdruck bestimmt wird, da die Kraft, die das Ziehharmonika-Element 9 komprimiert, größer ist als die Rückstellkraft.
Für einen Funktionstest des Probenentnahmesystems 9, 10 wird ein Test durch die Probe- und Kontrolleinheit durch Vergleich mit gespeicherten Referenzsignalen durchgeführt, ob sowohl das Kompressions- als auch das Relaxationssignal vorhanden sind. Wenn z. B. der Kompressionspuls fehlt, nachdem der Strom eingeschaltet wurde, oder wenn er merklich kleiner ist in der Relation zum Referenzsignal, d. h. z. B. weniger als 50%, dann hat sich das Ziehharmonika-Element 9 nicht bewegt oder hat ein Leck. Wenn tatsächlich ein Kompressionspuls vorhanden ist, aber kein Relaxationspuls, dann ist das Ziehharmonika-Element 9 in seiner gestoppten Position blockiert. In beiden Fällen wird die Auswerte- und Kontrolleinheit ein Fehlersignal ausgeben.
Ein weiterer möglicher Fehler, der detektiert werden kann, entsteht, wenn die Einlassdüse 7 des Atemalkoholsensors 8 auf Grund von Manipulation oder Schmutzkontamination blockiert ist. In diesem Fall wird, wenn das Probenentnahmesystem 9, 10 in Betrieb gesetzt wird, keine Probe aus dem Atemalkoholstrom in den Atemalkoholsensor 8 gezogen, sodass die zeitabhängigen Differenzialdruckcharakteristika des Ziehharmonika-Elements 9, gemessen durch den Differenzialdrucksensor 4, merklich vom Normalwert abweichen werden. Da das komprimierte Gasvolumen nicht entkommen kann, baut sich ein höherer Maximaldruck auf und wird nicht wieder abfallen, bevor der Strom des Druckmagnets 10 nach etwa 100 Millisekunden unterbrochen wird und das Ziehharmonika-Element 9 relaxiert. Die genaue Druckcharakteristik hängt davon ab, wie leckdicht die Einlassdüse 7 tatsächlich ist. Eine unzulässige Probennahme ist beispielsweise dadurch definiert, dass die Halbwertsbreite des Kompressionspulses einen gespeicherten Referenzwert nicht überschreiten darf. Eine weitere bekannte Manipulationsmöglichkeit der Alkoholmessvorrichtung ist der Verschluss der Auslassöffnung der Strömungskammer 2, wodurch lediglich ein statischer Druck aufgebaut wird, ohne eine hindurchfließende Strömung. Da jedoch der Druck dann an beiden Messanschlüssen des Differenzialdrucksensors 4 wirkt, entsteht kein Messsignal und daher wird keine Strömung festgestellt, sodass keine Probenentnahme oder keine Messung auftritt. Dies ist ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung.
Eine weitere bekannte Manipulationsmöglichkeit, nämlich der Verschluss der Strömungsöffnung 3 in der Strömungskammer 2, kann mit Hilfe des Temperatursensors 16, der vorzugsweise verwendet wird, identifiziert werden. Bei dieser Manipulationsmöglichkeit entsteht ein Druck im Vorderteil der Strömungskammer 2, ohne dass die Atemluft die Einlassdüse 7 des Luftalkoholssensors 8 passiert. Der Differenzialdrucksensor 4 detektiert in diesem Fall einen Differenzialdruck, sodass wie bei einer normalen Messung eine Strömung detektiert wird. Wenn dann, nachdem ein Minimalvolumen erreicht wurde, die Probenentnahme durch die Auswerte- und Kontrolleinheit 6 gestartet wird, tritt lediglich externe Luft in den Atemalkoholsensor 8. Demzufolge dient der Temperatursensor 16 dazu, zu bestimmen, ob Atemluft in den hinteren, stromabwärts liegenden Teil der Strömungskammer 2 einfließt. Um dies zu erreichen wird die Temperatur in der Strömungskammer 2 sofort vor dem Austritt der Atemgasprobe der Person, die gemessen werden soll, gemessen und danach wird die zeitabhängige Temperaturcharakteristik während des Ausatmungsprozesses gemessen. Die Erfahrung hat gezeigt, dass die Atemgastemperatur während des Ausatmungsprozesses niemals konstant ist, so dass die Detektion einer geringen Temperaturänderung von weniger als einem Grad Celsius bereits zeigt, dass Ausatmungsgas den Temperatursensor 16 passiert hat und daher ebenso die Einlassdüse 7 des Atemalkoholsensors 8. Umgekehrt wird mit einem geschlossenen Strömungsdiaphragma 3 keine Temperaturänderung gemessen.

Claims

Gerät zur Messung des Atemalkoholgehalts im Atem einschließlich: einer Durchflusskammer (2) zur Aufnahme des ausgeatmeten Atemgasvolumenstroms einer Person, die beurteilt werden soll, und die mit einer Durchflussblende (3) ausgestattet ist, einem Differenzdruckmesssensor (4) mit einer ersten Messleitung, die über eine erste Gasleitung (5) mit dem Innern der Durchflusskammer (2) Stromauf der Durchflussblende (3), verbunden ist, und mit einer zweiten Messleitung, die über eine zweite Gasleitung (12), eine dritte Gasleitung (15) und einen Atemalkoholmesssensor (8) mit dem Inneren der Durchflusskammer (2), Stromab der Durchflussblende (3), verbunden ist, einem Drosselelement (14), das in der zweiten Gasleitung (12) angeordnet ist, wobei die zweite Gasleitung (12) an ein Probenerfassungssystem (9, 10) angeschlossen ist, eine Auswerte- und Steuereinheit (6) mit Eingängen, angeschlossen an die Messsensoren (4, 8), die das Messsignal von diesen aufnehmen, wobei die Auswerte- und Steuereinheit (6) eine Ausgang aufweist, der an das Probenerfassungssystem (9, 10) angeschlossen ist, um dieses zu regeln.
Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflusskammer (2) am Auslassbereich Stromab der Durchflussblende (3) einen Temperatursensor (16) aufweist, der an die Auswerte- und Steuereinheit (6) angeschlossen ist, um die gemessenen Temperaturwerte zu übertragen.
Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Probenerfassungssystem (9, 10) aus einem elektrisch angetriebenen Pumpelement, speziell aus einem Übergangsbalgelement (9), angetrieben durch einen Druckmagneten (10), besteht.
Gerät nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (6) an der Ausgangsstelle durch eine Signalverbindung (17) an eine Baugruppe angeschlossen ist, welche die Funktion einer Maschine oder eines Gerätes blockiert oder freigibt, speziell an die Startereinheit eines Antriebsmotors eines Kraftfahrzeugs, Flugzeugs oder Wasserfahrzeugs.
Gerät nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Atemalkoholmesssensor (8) ein elektrochemischer Sensor, Halbleitersensor oder Infrarot Gassensor ist.
Verfahren zur Messung der Atemalkoholkonzentration im Atem unter Verwendung eines Geräts gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man: a) den Differenzdruck, der sich an der Durchflussblende (3) einstellt, nach dem die Person, die beurteilt werden soll, das Atemgas emittiert hat, misst, b) dem Atemgasvolumenstrom anhand der gemessenen Druckdifferenz Werte zugeordnet, die in der Auswerte- und Steuereinheit (6) bestimmt und mit gespeicherten Vergleichswerten verglichen werden, so dass c) eine Aktivierung des Probenerfassungssystems (9, 10) nur stattfindet, wenn der Druckunterschied von Null verschieden ist und d) die Integration der Werte für den Atemgasvolumenstrom, zugeordnet durch den gemessenen Druckunterschied über eine zuvor bestimmte Zeitdauer, ein zuvor bestimmtes, gespeichertes Minimumatemgasvolumen erreicht.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Start der Messung bei einem Funktionstest des Probenerfassungssystems (9, 10) die Signalkennlinie des Differenzdrucks, erhalten vom Differenzdruckmesssensor (4), während der Zeitdauer vor und nach der in Betriebnahme des Probenerfassungssystems (9, 10), mit gespeicherten Referenzsignalen verglichen wird, und für den Fall, dass diese diese über- oder unterschreiten, über die Auswerte- und Steuereinheit (6) ein Signal abgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Atemgases mit Hilfe eines Temperatursensors (16) bestimmt wird, und Abweichungen von den Referenzwerten zu einem blockieren des Probennahmesystems (9, 10) und/oder zur Abgabe eines Signals durch die Auswerte- und Steuereinheit führen.