CH644953A5 - Anordnung zur bestimmung des messzeitpunktes bei kontrollgeraeten fuer den alkoholgehalt in der ausgeatmeten luft. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung entsprechend dem Gattungsbegriff des unabhängigen Patentanspruches 1.

Nach der bekannten Auffassung über den Mechansimus der Alkoholabgabe des menschlichen Körpers an die Atemluft kann eine zuverlässige Atemalkoholprobe erst dann genommen werden, wenn ein dem Totraum des Probanden entsprechendes Volumen, das am Gasaustausch mit der Lunge nicht teilhaben konnte, bereits abgeatmet wurde und wenn darüber hinaus gewartet wurde, bis die sogenannte «tiefe Lungenluft» (Alveolarluft) vorliegt und die Alkoholkonzentration infolgedessen einen Sättigungswert angenommen hat.

Dieser Auffassung widersprechen neuere Resultate. Diese ergeben, dass die gemessenen Alkoholkonzentrationen spontan mit Beginn der Ausatmung anzusteigen beginnen. Aus diesen Messungen ist der Schluss zu ziehen, dass die Alkoholkonzentration in der Ausatemluft nicht nur aus dem in der Lunge bewirkten Gasaustausch mit dem Blut und aus dem Totraum ergibt, sondern ganz wesentlich auch vonn den in den Luftwegen, also den bisherigen Toträumen, vorhandenen anderen Körperflüssigkeiten bestimmt ist.

Eine bekannte Anordnung zur Bestimmung der Alkoholkonzentration misst den Alkohol in der Atemluft an einem durch eine Zeitsteuerung festgelegten Zeitpunkt. Dieser Zeitpunkt ist durch den Ablauf eines innerhalb des Ausatemzeitraumes beginnenden vorgebbaren Zeitintervalles bestimmt. Der Atemluftdurchsatz darf dabei innerhalb dieses Zeitintervalles nicht unter einen festgelegten Mindestdurchsatz absinken und dabei immer nur in Ausatemrichtung fliessen. Wenn diese beiden Bedingungen nicht erfüllt sind, dann stellt ein Fehlerdetektor die Ungültigkeit der Messung fest. Das vorgegebene Zeitintervall soll sicherstellen, dass der zu Prüfende zum Messzeitpunkt bereits die Luft aus der Mundhöhle und der Luftröhre ausgeatmet hat und das Messgerät dann die Alkoholkonzentration der Atemluft aus den Alveolen der Lunge misst. Der Ablauf des vorgegebenen Zeitintervalles wird durch den Zeitpunkt bestimmt, zu dem ein Mindest-atemluftvolumen von vorzugsweise mindestens 80% des gesamten Atemluftvolumens abgeatmet ist. Ein Integrator kann den Atemluftdurchsatz beim Ein- und Ausatmen zeitlich integrieren und daraus den Ablauf des Zeitintervalles nach dem Mindestatemluftvolumen feststellen. Diese Ausführungsform soll vom Körperbau des zu Prüfenden unabhängig sein. Das Verfahren ist jedoch nicht sicher gegen Messfehler, bedingt durch den zu Prüfenden, der nicht willig ist. Durch eine bewusst flache Einatmung kann eine viel zu geringe Atemkapazität vorgetäuscht werden. Das sich dann automatisch, z.B. bei 80% des gesamten Atemvolumens einstellende Mindestatemluftvolumen kann bei der Prüfung dann praktisch nur aus der Mundhöhle und dem Rachenraum stammen. Die für einen genauen Messwert entscheidende Alveolarluft wird dann nicht voll erfasst. (DE-OS 24 28 352).

Nach einem anderen bekannten Messverfahren und in dem danach ausgeführten Atemalkoholmessgerät wird in der Ausatemluft sowohl der CCh-Gehalt als auch der Alkoholgehalt gemessen. Ausgehend von dem Gedanken, dass der CCh-Gehalt ein Mass für den Austausch des Ch in der Lunge ist, muss ein hoher CCh-Gehalt auf Atemluft aus der Lunge hinweisen. Das Messgerät misst zur Prüfung zuerst laufend den CCh-Gehalt der ausgeatmeten Luft, um nach Erreichung des vorgegebenen Schwellwertes - nach dem Ausführungsbeispiel sind es 4,5% CCh - den Alkoholmessteil einzuschalten, um dann den Atemalkoholgehalt zu messen. Eine Ungenauig-keit dieses Verfahrens liegt in den individuellen CO2-Werten, die breiten Schwankungen unterworfen sind. Daher ist ein allgemein gültiger Schwellwert nicht festlegbar. Der eine zu Prüfende wird den Schwellwert gar nicht erreichen, während bei anderen trotz Überschreitens noch keine Luft aus der Lunge vorliegt. Zudem ist ein Gerät, mit dem zwei verschiedene Gase mit ihren Konzentrationen zu bestimmen sind, recht aufwendig und empfindlich (US-PS 38 30 630).

Ein weiteres bekanntes Verfahren und die Anordnung dazu gehen davon aus, dass nur dann die wirkliche Alkoholkonzentration in der Atemluft erfasst wird, wenn der Teil der ausgeatmeten Luft auf seinen Alkoholwert untersucht wird, der sich in der Lunge in den Alveolen mit der Alkoholkonzentration des Blutes ins Gleichgewicht setzen konnte. Daher ist die Pendelluft aus dem Mund- und Rachenraum und die Mischluft von der Alveolarluft messtechnisch zu trennen.

Das Verfahren und auch die Anordnung dazu lösen diese ' Aufgabe mittels eines Infrarot-Messgerätes, das während der Probenahme laufend die momentane Alkoholkonzentration misst.

In einem Schwellwertkomparator wird die zeitliche Änderung der Messwerte festgestellt, die das Mass für die Anstiegsgeschwindigkeit der Alkoholkonzentration darstellt.

Die Weitergabe eines Messwertes zur Anzeige erfolgt erst, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet. Diese erste Bedingung ergibt sich daraus, dass mit dem Absinken der Anstiegsgeschwindigkeit der Pendelluftanteil aus dem Mund- und Rachenraum immer geringer wird und sich bei Unterschreitung des Schwellwertes dann nur noch Alveolarluft im Messkanal der Anordnung befindet. Als weitere Bedingung zur Weitergabe des Messwertes muss die von einem Strömungsmesser ermittelte Strömungsgeschwindigkeit der Ausatemluft bis zur Weitergabe des Messwertes während eines vorgegebenen Zeitraumes über einem vorgegebenen Wert gelegen haben. Diese weitere Bedingung sichert den vorgesehenen Ablauf des Messverfahrens. Die Messung der Alkoholkonzentration erfolgt durch ein in den Atemluftstrom eingeschaltetes Infrarot-Messgerät mit kurzer Ansprechzeit. Nachteilig ist, dass wegen der hohen Auflösung der Messwerte, wie sie für die Bestimmung der Anstiegsgeschwindigkeit erforderlich ist, ein aufwendiges Infrarot-Messgerät nötig ist. Die zuverlässige Erfassung des Alveolarluftanteiles ist mit einfachen, preiswerten aber langsamen Alkoholmessgeräten nicht durchführbar. (DE-OS 26 10 578).

Generell lässt sich der Stand der Technik in zwei Kategorien einteilen:

a) Abatmung eines Mindestvolumens als Produkt Durchflussgeschwindigkeit x als Zeit, als Integral über die Durchflussgeschwindigkeit oder volumetrisch gemessen;

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b) Korrelation mit dem zeitlichen Verlauf der sich während der Ausatmung ändernden Gasparameter, wie z.B. der Temperatur, der Alkoholkonzentration oder der CCh-Kon-zentration.

Nachteilig an der Kategorie a) ist, dass die Festlegung des Mindestvolumens nicht für jeden Probanden individuell geschieht und dass nicht neuen Messungen Rechnung getragen wird, die erwiesen haben, dass die Höhe der erreichten Alkoholkonzentration nicht nur eine Funktion des abgeatmeten Volumens, sondern ebenso eine Funktion der Zeit ist. Bei betont rascher oder betont langsamer Abatmung ein und desselben Volumens ergeben sich unterschiedliche Alkoholwerte. Wenn der Proband vor der Ausatmung die Luft vorübergehend anhält, ergibt sich bereits nach Abatmung eines relativ kleinen Volumens ein hoher Alkoholwert. Ein weiteres Merkmal dieser Kategorie a) ist, dass der Durchfluss überwacht werden muss, damit der Proband nicht zwischenzeitlich frische Luft einatmet.

Bei der Kategorie b) ist nachteilig, dass aufwendige Geräte, wie ein Alkoholsensor hoher Zeitauflösung oder ein zusätzlicher SOi-Sensor, verwendet werden müssen, bzw. dass die Korrelation wie über die Temperatur nicht zuverlässig nachweisbar ist.

Die Aufgabe der Erfindung ist eine einfache und zuverlässige Anordnung zur Bestimmung des Messzeitpunktes bei Kontrollgeräten für den Alkoholgehalt in der ausgeatmeten Luft zu schaffen, mit dem die ganze Vielfalt möglicher Probanden unter allen Umgebungsbedingungen erfasst wird.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt gemäss dem Kennzeichen des unabhängigen Patentanspruches 1.

Die Anordnung nach der Erfindung nutzt in vorteilhafter Weise die neuen Erkenntnisse aus, dass die Alkoholkonzentration in der Ausatemluft sich integrierend sowohl aus dem Atemluftanteil aus der Lunge als auch aus den übrigen Atemorganen zusammensetzt. Es kann daher auch die zu Beginn der Ausatmung strömende Atemluft zur Bestimmung des Messzeitpunktes ausgenutzt werden. Die Einleitung der Ausatemluft in die Messkammer, also der Probe für das Alkoholmessgerät, erfolgt dabei in Abhängigkeit von der Abkühlung des wärmespeichernden Körpers. Die Abkühlung ist von dem insgesamt vorbeigeströmten Luftvolumen und der Zeitdauer, in der es vorbeiströmt, abhängig. Die Bedingung für den Zeitpunkt der Probenahme ist daher entweder durch ein in kurzer Zeit abgeatmetetes grosses Volumen oder durch ein in längerer Zeit abgeatmetes kleines Volumen erfüllt. In beiden Fällen erhält man zuverlässige Alkoholmesswerte. Die individuellen Unterschiede der einzelnen Probanden wirken sich dabei nicht auf das Messergebnis aus.

Zur Bestimmung des Messzeitpunktes muss lediglich die Temperaturdifferenz AT am Wärmespeicher festgestellt werden. Komplizierte Volumenmessungen der abgeatmeten Luft und/oder Strömungsmessungen, möglicherweise zusätzlich bezogen auf die Messzeiten, sind nicht notwendig.

Mit der Beheizung des Wärmespeichers auch während der Probennahme lassen sich in einfacher Weise extreme Umweltbedingungen ausgleichen.

Entsprechend dem nur notwendigen einen bestimmenden Bauelement dem Wärmespeicher mit der Wärmekapazität C ergibt sich eine entsprechend einfache und damit in jeder Beziehung vorteilhafte Anordnung der übrigen Elemente, vor allem der elektrischen Bauteile.

Die Anordnung garantiert die exakte Probennahme. Vor allem auch, dass der Proband nicht durch Unterbrechung der Ausatmung eine geringere Alkoholkonzentration in seiner Ausatemluft vortäuschen kann.

Die durch die Gasströmung hervorgerufene, vorgegebene Temperaturänderung AT wird durch eine dazu proportionale abgeführte Wärmemenge AQ erreicht. Beide hängen von der

Zeitdauer der Gasströmung und dem dabei herrschenden Gasdurchsatz V ab. So ist bei einem zylindrischen Körper die Abkühlung dQ/dt der Wurzel aus dem Gasdurchsatz proportional. Bei Vorgabe einer festen Temperaturänderung AT am Wärmespeicher bis zur Probennahme folgt aus der genannten Wurzelabhängigkeit, dass diese Bedingung zur Probennahme in erster Näherung gleichbedeutend ist mit der Bedingung, dass das Produkt aus bis zur Probennahme abgeatmeten Volumen und der dazu nötigen Zeit konstant ist. Das bedeutet, wenn ein Proband kurz bläst, muss er entsprechend mehr Volumen abatmen, um die Abkühlbedingung zu erfüllen und umgekehrt.

Bei der technischen Ausführung des Konzeptes kann man dem Umstand Rechnung tragen, dass nach Abschalten der Heizleistung Po, die die Wärmekapazität C auf Anfangstemperatur To bringt, auch eine möglicherweise unerwünschte Eigenabkühlung ohne Gasdurchsatz erfolgt. Will man diese Eigenabkühlung vermeiden, kann man die Heizleistung Po auch nach Beginnder Ausatmung konstant weiter dem Wärmespeicher zuführen.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 das atemgasführende Rohr,

Fig. 2 den Körper der den Wärmespeicher bildet,

Fig. 3 die elektrische Schaltung.

Wesentliches Bauelement ist der im Ausatemluftstrom angeordnete Wärmespeicher. Er ist als metallischer Körper 2 in Zylinderform zwischen zwei ihn tragenden Stegen 3 in dem das Atemgas führenden Rohr 1 angebracht. In dem Körper 2 sind mittels bekannter Techniken eine Heizung (z.B. Widerstandsdraht oder Transistor) und ein Temperaturfühler 5 (z.B. Thermistor) elektrisch isoliert, aber mit gutem Wärmekontakt gegeneinander untergebracht. Die entsprechenden elektrischen Zuführungen 6 sind zur Reduzierung der Wärmeableitung isoliert und möglichst dünn ausgeführt. Die Stege 3 sind Teil einer Basisplatte 7 und sind gemeinsam ein Kunststoffspritzteil.

Die elektrische Schaltung ergibt sich aus der Fig. 3. Der Temperaturregler 8 regelt die Heizung 4 auf die Anfangstemperatur To von z.B. 120 °C, die über den Temperaturfühler 5 gemessen wird. Der Regler wird pulsweise über den Pulsge- . ber 9 betrieben, der den Regler im Taktverhältnis 1:1 mit Pulsdauern von 0,25 s ansteuert. Ein weiterer Ausgang des Pulsgebers wird in dem Inverter 10 invertiert und steuert den Schalter 11 an. Der Schalter 11 gibt somit das Temperatursignal von 5 nur weiter, wenn am Regler gerade kein ihn ansteuernder Puls anliegt. Der Ausgang von 11 liegt einem Differenzierer 12, einem Sample + hold - Kreis 13 und einem Schwellwertkomparator 14 an.

Das differenzierte Temperatursignal aus 12 geht auf den Schwellwertkomparator 15 mit Schwellwertgeber 16. Die Abkühlung des metallischen Körpers 2 von Impuls zu Impuls ergibt sich mit dT als Temperaturänderung und dt als Impulswiederholzeit zu dT/dt. Wenn dT/dt über der vom Schwellwertgeber 16 eingegebenen Schwelle liegt, gibt der Schwellwertkomparator 15 eine positive Spannung ab, die dem Pulsgeber 9 anliegt und diesen abstellt, sobald der Schwellwertkomparator 15 geschaltet hat. Damit ist auch der Temperaturregler 8 ausser Betrieb und der Schalter 11 ständig geöffnet.

Nachdem also der Proband begonnen hat zu blasen und eine gewisse Abkühlrate R> Ro, mit Ro als Eigenabkühlung ohne Atemluftstrom, erreicht ist, erkennt das Gerät selbsttätig den Beginn des Testes und stellt die Heizung des zu kühlenden Körpers ab.

Gleichzeitig wird vom Ausgang des Schwellwertkompara-tors 15 der Sample + hold - Kreis 13 angesteuert, der den bei Testbeginn gerade vorliegenden Temperaturwert Ti des Körpers 2 speichert.

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Diese Speicherung kann notwendig werden, da die oben beschriebene Schaltung den Testbeginn nur mit etwa 2 Pulsbreiten, d.h. 0,5 s Verzögerung, festzustellen vermag und die Temperatur bis dahin schon etwas abgefallen sein kann. In dem Subtrahierer 18 wird von dem im Sample + hold —

Kreis 13 gespeicherten Temperaturwert die an dem Geber 19 eingestellte Temperaturdifferenz AT, die den Messzeitpunkt bestimmt, abgezogen und das Resultat auf den einen Eingang' des Schwellwertkomparators 14 gegeben. An dem anderen Eingang des Schwellwertkomparators 14 liegt der aktuelle Temperaturwert T(t) am Körper 2 an. Sobald T(t) kleiner als Ti — AT wird, steuert das Ausgangssignal das Schwellwertkomparators 14 das Ventil 20 und das Zeitverzögerungsglied 21 an. Das Ventil 20 leitet den Atemgasstrom des Probanden aus dem das Atemgas führenden Rohr 1 in die Messkammer 50 mit dem Alkohol-Sensor 51 ein.

Falls der Schwellwert für dT/dt an dem Schwellwertkomparator 15 unterschritten wird, bevor die Schwellwertbedingung am Schwellwertkomparator 14 erfüllt ist oder bevor nach Erfüllung der Schwellwertbedingung am Schwellwertkomparator 14 das Zeitverzögerungsglied 21 den Schalter 22

zu- und den Schalter 53 aufgesteuert hat, erfolgt eine «In-op»-Anzeige 23 oder alternativ ein Blinken der digitalen Messwertausgabe 54 für die Alkoholkonzentration. Die «In-op»-Anzeige wird ausgelöst von dem Flipflop 24, das 5 umschaltet, wenn an ihm eine negative Flanke des logischen Ausgangssignals vom Schwellwertkomparator 15 anliegt. Die Verschaltung des Flipflop 24 mit dem Flipflop 27 verhindert eine Löschung der «In-op»-Anzeige, falls dT/dt mehrfach wechselnd unter und über der durch den Schwellwertgeber 16 io vorgegebenen Schwelle liegt. Erst die Betätigung der Reset-Taste 28 bringt bei Bereitstellung des Gerätes für einen neuen Probanden alle Flipflop, den Sample + hold — Kreis 13 und das Zeitverzögerungsglied 21 wieder in die Ausgangslage. Das Zeitverzögerungsglied 21 hat erstens die Aufgabe, eine '5 Anzeige an der Messwertausgabe 54 erst zuzulassen, wenn genügend Zeit zur Spülung der Messkammer 50 verstrichen ist, und zweitens von da ab die «In-op»-Anzeige zu blockieren, damit sie nicht aufleuchtet, wenn der Proband nach Testende aufhört zu blasen.

20 Ein Rückschlagventil 55 am Rohr 1 verhindert das Einatmen durch das Gerät.

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2 Blatt Zeichnungen

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1. Anordnung zur Bestimmung des Messzeitpunktes bei Kontrollgeräten für den Alkoholgehalt in der ausgeatmeten Luft, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausatemluft über einen Wärmespeicher mit einer Wärmekapazität C geführt ist, der mit einer elektrischen Heizung (4) und einem Temperaturfühler ausgerüstet ist, welcher Wärmespeicher ein zwischen zwei wärmeisolierenden Stegen (3) angebrachter metallischer Körper (2) ist und Mittel vorgesehen sind, um die Aus-atemluft in Abhängigkeit von der Abkühlung des Körpers (2) einer Messkammer (50) zuzuführen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Körper eine solche Form besitzt, dass seine Abkühlungsgeschwindigkeit dQ/dt proportional zur Wurzel aus dem Gasdurchsatz V ist, also der Bedingung dQ/ dt~[/V genügt.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Körper (2) eine Zylinderform besitzt.