DE102006018970B3

DE102006018970B3 - Atemalkoholmessgerät mit Piezoantrieb

Info

Publication number: DE102006018970B3
Application number: DE102006018970A
Authority: DE
Inventors: Burkhard Dr. Stock
Original assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Current assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Priority date: 2006-04-25
Filing date: 2006-04-25
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2026-04-26
Also published as: US20070245801A1; AU2007201765A1; AU2007201765B2; US7603886B2

Abstract

Ein in Bezug auf die Atemluftprobenahme verbessertes Atemalkoholmessgerät weist folgende Merkmale auf: DOLLAR A Ein Mundstück (2) für die Aufnahme der exhalierten Atemluft (1) eines Probanden ist mit einer ersten Strömungsblende (3) versehen, DOLLAR A ein erster Drucksensor (6) ist über eine erste Gasleitung mit dem Mundstück (2) stromaufwärts der Strömungsblende (3) verbunden, DOLLAR A ein Alkoholsensor (4) ist über einen Einlasskanal mit dem Mundstück (2) stromabwärts der Strömungsblende (3) und über eine zweite Gasleitung mit einem Probenahmesystem (5) für eine Atemgasprobe aus der Atemluft (1) verbunden, DOLLAR A die zweite Gasleitung zwischen Alkoholsensor (4) und Probenahmesystem (5) weist eine zweite Strömungsblende (7) auf und ist mit einem zweiten Drucksensor (9) verbunden, DOLLAR A eine Auswerte- und Steuereinheit (8) empfängt die Messsignale der Drucksensoren (6, 9) und des Alkoholsensors (4) und betätigt das Probenahmesystem (5), wobei DOLLAR A das Probenahmesystem (5) einen Balg (10) mit einem Piezoantrieb (30) umfasst und in Abhängigkeit von den mittels der Drucksensoren (6, 9) gemessenen Werte von der Auswerte- und Steuereinheit (8) betätigt wird, um ein erstes Atemvolumen (V1) und ein zweites Atemvolumen (V2) aus der Atemluft (1) dem Alkoholsensor (4) zuzuführen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Atemalkoholmessgerät mit einer verbesserten Probenahme. Hierdurch können bei vorgegebenen Gehäuseabmessungen des Atemalkoholmessgerätes verbesserte Messeigenschaften durch ein variables Pumpvolumen erreicht werden.
Probenahmesysteme in Atemalkoholmessgeräten fördern eine kleine Gasmenge mit genau definiertem Volumen (0,3 bis 1 Milliliter) aus dem Atemluftstrom in den Alkoholsensor.

Diese Systeme bestehen meist aus einem Kolben, der von einem kleinen Elektromotor angetrieben wird, wie in DE 3904 994 A1 beschrieben wird, oder aus einem Balg, der von einem Druckmagneten komprimiert wird, wie in der DE 203 10 500 U1 offenbart wurde.

Beide Systeme haben spezifische Nachteile: Ein Elektromotor mit Getriebe und Kolben ist von begrenzter Zuverlässigkeit und hat aufgrund der Massenträgheit nur eine geringe Ansprechgeschwindigkeit (< 0.5 s). Ein Druckmagnet ist bezogen auf den Hub relativ groß und energieintensiv. Mit einem Druckmagneten kann auch nur zwischen zwei festen Endpositionen geschaltet werden. Deshalb kann eine derartige Pumpe auch nur ein festes Volumen fördern, so dass für die in DE 203 10 500 U1 beschriebene Funktion zwei Druckmagneten notwendig sind:

Demgemäß besteht die Aufgabe der Erfindung in der Verbesserung eines bekannten Atemalkoholmessgerätes in Bezug auf die Probenahme bei Einhaltung oder sogar Reduzierung der vorgegebenen Baugröße und des Gesamtgewichts.

Diese Aufgabe wird durch ein Atemalkoholmessgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Unteransprüche geben vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen des Atemalkoholmessgerätes nach Anspruch 1 an.

Ein wesentlicher Vorteil des Atemalkoholmessgerätes besteht in der Verwendung eines Piezomotors bzw. Piezoantriebes für die Probenahme der zu messenden Atemalkoholprobe.

Dieses neuartige Aktuatorprinzip auf Piezobasis gestattet, lange Verschiebewege mit linearer Krafteinwirkung und hoher Stellgeschwindigkeit von beispielsweise 300 Millimeter pro Sekunde zu realisieren. Gleichzeitig kann der Piezoantrieb an jeder Stelle ohne eine zusätzliche Arretierung angehalten werden. Das geringe Gewicht von beispielsweise 1,2 Gramm ist ein weiterer Vorteil, um im Falle eines tragbaren Atemalkoholmessgerätes das Gesamtgewicht deutlich zu reduzieren. Der verwendete Piezomotor ist ein einzigartiger Antrieb auf Basis der Piezotechnologie, der eine Vorwärts- und Rückwärtsbewegung mit nur einer Piezokeramik realisiert.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des Atemalkoholmessgerätes mit Hilfe der beiden Figuren erläutert.
Es zeigen:
1 ein Atemalkoholmessgerät mit den wesentlichen Bauelementen,
2 das Probenahmesystem der Anordnung nach 1.
Die als Pfeil dargestellte Atemluft 1 bzw. das exahlierte Atemgas eines Probanden strömt in 1 von links durch das im Allgemeinen auswechselbare Mundstück 2 und erzeugt einen Druckabfall an der ersten Strömungsblende 3. Das Mundstück 2 ist im Allgemeinen eine Komponente eines Mundstückhalters. Das Mundstück 2 steht in Verbindung mit einem ersten Drucksensor 6. Dieser misst bei der Atemluftabgabe des Probanden kontinuierlich den Druck und errechnet daraus das vom Probanden abgegebene Volumen. Wenn am Ende des Ausatemvorganges der Druck unter einen vorgegebenen Schwellwert fällt, wird über die Auswerte- und Steuereinheit 8 das Probenahmesystem 5 gestartet und eine Probe aus der Atemluft 1 in den Alkoholsensor 4 gezogen. Besonders wichtig ist hierbei, dass die Probe sehr schnell, innerhalb von vorzugsweise 20 ms, in den Alkoholsensor 4 gezogen wird, da auch der Atemfluss des Probanden sehr schnell, beispielsweise innerhalb von 50 ms, abfallen kann, wenn der Proband zum Beispiel unvorhergesehen das Mundstück 2 am Ende des Ausatemvorganges plötzlich absetzt. Dauert die Probenahme zu lange, kann die Atemluft sich mit Frischluft vermischen und die tatsächlich gemessene Atemalkoholkonzentration wäre zu gering. Deshalb ist eine normale, durch einen Elektromotor angetriebene Pumpanordnung zu langsam.
Mit Hilfe eines Piezoantriebes 30 als Antriebselement lässt sich die Probenahme wesentlich beschleunigen. Das Probenahmesystem 5 mit Piezoantrieb 30 wird detaillierter mit Hilfe von 2 erläutert.
Aus dem Sensorsignal des Alkoholsensors 4 errechnet die Auswerte- und Steuereinheit 8 die entsprechende Alkoholkonzentration aus.
Der Alkoholsensor 4 ist vorzugsweise ein elektrochemischer Gassensor.
Bei dem in DE 203 10 500 U1 beschriebenen Verfahren werden für die Mundalkoholdetektion zwei verschiedene Volumina aus dem Atemstrom in den Sensor gezogen. Das erste Volumen wird gleich zu Beginn der Atemprobe gezogen, das zweite am Ende, wobei das erste speziell ca. 40 % des letzteren beträgt. Hierdurch wird der störende Einfluss der Mundalkoholdetektion auf die eigentliche Konzentrationmessung des Alkohols in der Atemluft erheblich reduziert.
Wenn das Probenahmesystem 5 bei vorliegender Anordnung saugt, erzeugt der Luftstrom an der zweiten Strömungsblende 7 einen Druckabfall, der mit einem zweiten Drucksensor 9 gemessen wird.
Aus diesem Drucksignal errechnet die Auswerte- und Steuereinheit 8 ein dem gesaugten Volumen proportionales Signal.
Gemäß DE 203 10 500 U1 sind zwei Zugmagneten für die Realisierung der Anordnung notwendig. Nunmehr können zwei unterschiedliche Volumina mit einem Piezoantrieb 30 alleine realisiert werden. Vor der Messung wird der Piezoantrieb 30 nach vorne gefahren, so dass der Balg 10 zusammengedrückt ist. Unmittelbar nach Beginn der Atemprobe, d.h. bei einem abgegebenen Atemluftvolumen von ca. 0,2 Liter, wird der Piezoantrieb 30 gestartet. Ergibt die Auswertung des Drucksignals des zweiten Drucksensors 9, dass beispielsweise ca. 40 % des maximalen Pumpvolumens erreicht sind, wird der Piezoantrieb 30 gestoppt. Aus dem Verlauf des Drucksignals errechnet sich ein Volumen V1. Etwa 1 s später wird der Piezoantrieb 30 von der Auswerte- und Steuereinheit 8 wieder in die Startposition bewegt. Signalisiert der erste Drucksensor 6 danach, dass die Atemprobe zu Ende geht, wird der Piezoantrieb 30 bis an den hinteren Endanschlag gefahren. Aus dem mit dem zweiten Drucksensor 9 gemessenen Druckverlauf errechnet sich das Pumpvolumen V2.
Um nun die direkte Vergleichbarkeit der gemessenen Anfangs- und Endkonzentration zu ermöglichen, wird die Anfangskonzentration mit dem Verhältnis V2/V1 multipliziert. Hierdurch erreicht man eine Hochrechnung der Anfangskonzentration mit dem Pumpvolumen V1 auf das Pumpvolumen V2 der Endkonzentration.
Da der Piezoantrieb 30 sehr leicht ist, eignet er sich besonders für transportable Atemalkoholmessgeräte und insbesondere für Atemalkoholmessgeräte, die für eine dauerhafte Überwachung eines Probanden dienen, wie speziell bei „Homearrest"-Anwendungen ohne polizeiliche Kontrolle oder Aufsicht zu Hause bzw. im privaten Bereich.
Aufgrund des hohen Verstellweges lassen sich bei gegebener Baugröße höhere Pumpvolumina erreichen als mit den bekannten Systemen. Hierdurch lässt sich die Messgenauigkeit bei kleinen Konzentrationen steigern.
In 2 ist das auch kurz als „Pumpe" bezeichnete Probenahmesystem 5 aus 1 im Detail mit einem Piezoantrieb 30 als Aktuatorelement dargestellt. Das Probenahmesystem 5 weist einen Piezoantrieb 30 auf, der mit einer Feder 60 auf einen Gleitschlitten 20 gedrückt wird. Der Gleitschlitten 20 läuft auf Kugeln 50. Der maximale Bewegungsbereich wird durch Anschläge festgelegt. Bei Bewegung des Gleitschlittens 20 wird der Balg 10 zusammengedrückt oder auseinandergezogen, wobei die Atemluft durch Auslässe 40 ein- oder ausströmt.
Wird der elektrische Antriebsstrom während der Bewegung des Gleitschlittens 20 abgeschaltet, bleibt der Gleitschlitten 20 durch den Anpressdruck des Piezoantriebs 30 in der jeweiligen Position fixiert.

Claims

Atemalkoholmessgerät mit folgenden Merkmalen: a) ein Mundstück (2) für die Aufnahme der exhalierten Atemluft (1) eines Probanden ist mit einer ersten Strömungsblende (3) versehen, b) ein erster Drucksensor (6) ist über eine erste Gasleitung mit dem Mundstück (2) stromaufwärts der Strömungsblende (3) verbunden, c) ein Alkoholsensor (4) ist über einen Einlasskanal mit dem Mundstück (2) stromabwärts der Strömungsblende (3) und über eine zweite Gasleitung mit einem Probenahmesystem (5) für eine Atemgasprobe aus der Atemluft (1) verbunden, d) die zweite Gasleitung zwischen Alkoholsensor (4) und Probenahmesystem (5) weist eine zweite Strömungsblende (7) auf und ist mit einem zweiten Drucksensor (9) verbunden, e) eine Auswerte- und Steuereinheit (8) empfängt die Messsignale der Drucksensoren (6, 9) und des Alkoholsensors (4) und betätigt das Probenahmesystem (5), wobei f) das Probenahmesystem (5) einen Balg (10) mit einem Piezoantrieb (30) umfasst und in Abhängigkeit von den mittels der Drucksensoren (6, 9) gemessenen Werte von der Auswerte- und Steuereinheit (8) betätigt wird, um ein erstes Atemvolumen (V1) und ein zweites Atemvolumen (V2) aus der Atemluft (1) dem Alkoholsensor (4) zuzuführen.
Atemalkoholmessgerät nach Anspruch 1, wobei der Piezoantrieb (30) bei zusammengedrücktem Balg (10) für eine Atemluftprobenahme mit Atemalkoholmessung von der Auswerte- und Steuereinheit (8) gestartet wird, sobald die vom Probanden abgegebene Atemluft (1) ein vorgegebenes Volumen erreicht oder überschreitet, wobei das abgegebene Volumen mittels des am ersten Drucksensor (6) gemessenen, über die Zeit integrierten, volumenstromproportionalen Druckabfalls von der Auswerte- und Steuereinheit (8) berechnet wird.
Atemalkoholmessgerät nach Anspruch 2, wobei der Piezoantrieb (30) für die Atemluftprobenahme mittels der Auswerte- und Steuereinheit (8) gestoppt wird, sobald das mittels des zweiten Drucksensors gemessene erste Volumen (V1) einen vorgegebenen Anteil des maximalen Probenahmevolumens erreicht hat, und anschließend für eine zweite Atemluftprobenahme mit einem zweiten Volumen (V2) betätigt wird, sobald der am ersten Drucksensor (6) gemessene, volumenstromproportionale Druck einen vorgegebenen Vergleichswert erreicht oder unterschreitet.
Atemalkoholmessgerät nach Anspruch 3, wobei die bei der Atemalkoholmessung mittels des Alkoholsensors (4) gemessene Alkoholkonzentration mittels eines Korrekturfaktors entsprechend dem Verhältnis der gemessenen Volumina V2 und V1 korrigiert ist.