DE2428352A1

DE2428352A1 - Anordnung zur bestimmung der alkoholkonzentration der (tiefen) lungenluft

Info

Publication number: DE2428352A1
Application number: DE19742428352
Authority: DE
Inventors: Norbert Dipl Ing Kirmaier
Original assignee: Sachs Systemtechnik GmbH
Current assignee: Lmb Laborservice 8059 Oberding De GmbH
Priority date: 1974-06-12
Filing date: 1974-06-12
Publication date: 1976-01-02
Also published as: FR2375597A1; GB1512587A; FR2375597B1; DE2428352C3; DE2428352B2

Description

Patentanwälte Dipl. -Ing. F. Wn ic κ: via ι·· ν. /η Zo ob 4

Dipl.-Ing. H.Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

8 MÜNCHEN 86, DEN POSTFACH 860 820 LAHU '

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

Sachs Systemtechnik Gm"bH

872 Schweinfurt,
Johann-Georg-Gademann-Str.13

Anordnung zur Bestimmung der Alkoholkonzentration der (tiefen) Lungenluft

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung der Alkoholkonzentration des Bluts mit Hilfe eines die Alkoholkonzentration der Atemluft messenden Meßgeräts.

Derartige Anordnungen sind bekannt; sie gehen von der Annahme aus, daß die Alkoholkonzentration der Atemluft der Alkoholkonzentration des Bluts in einem feststehenden Verhältnis proportional ist. Als Meßgeräte werden herkömmliche, gaschromatographisch arbeitende oder chemische Analysatoren verwendet. Die Zuverlässigkeit, mit der von der.AlkQholkonzentration der Atemluft auf die Alkoholkonzentration des Bluts geschlossen werden kann, ist jedoch von einer Vielzahl Einflußfaktoren abhängig. Neben Einflußfaktoren, die auf system-atischen Fehlern des Meßgeräts beruhen, sind insbesondere solche Einflußfaktoren ausschlaggebend, die in der Person des Untersuchten ihre Ursache haben. Ein konstantes Verhältnis zwischen den Alkoholkonzentrationen des Bluts und der Atemluft gilt mit ausreichender Sicherheit

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lediglich für Luft aus den Alveolaren der Lunge. Die zur Analyse bestimmte Luftprobe darf deshalb erst nach Abatmen eines erheblichen Luftquantums entnommen werden. Hierdurch soll sichergestellt werden, daß die Alkoholkonzentration der aus den Alveolaren stammenden Atemluft gemessen wird und nicht die Alkoholkonzentration der Atemluft aus der Mundhöhle und der Luftröhre. Dies eröffnet dem Untersuchten eine Reihe von Möglichkeiten, durch Änderung seiner Atemtechnik das Ergebnis zu beeinflussen.

Die Erfindung hat nun die Aufgabe, eine Anordnung anzugeben, die mit Hilfe eines die Alkoholkonzentration der Atemluft messenden Meßgeräts eine exakte Bestimmung der Alkoholkonzentration des Bluts ermöglicht und eine zu Fehlmessungen führende Atemtechnik des Untersuchten anzeigt.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß das Meßgerät die Alkoholkonzentration der Atemluft zu einem durch eine Zeitsteuerung festgelegten Zeitpunkt mißt, daß der Zeitpunkt durch den Ablauf eines innerhalb des Ausatemzeitraums beginnenden, vorgebbaren Zeitintervalls bestimmt ist, und daß ein den Atemluftdurchsatz und die Strömungsrichtung der Atemluft erfassender Fehlerdetektor die Ungültigkeit der Messung feststellt, wenn der Atemluftdurchsatz innerhalb des vorgebbaren Zeitintervalls unter einen festgelegten Mindestdurchsatz sinkt oder die Atemluft innerhalb des vorgebbaren Zeitintervalls in Einatemrichtung strömt. Das vorgebbare Zeitintervall stellt sicher, daß der Untersuchte die Luft aus der Mundhöhle und der Luftröhre zum Meßzeitpunkt bereits abgeatmet hat und das Meßgerät die Alkoholkonzentration der Alreolarluft mißt. Eine Fehlmeßung wird angezeigt, wenn der Untersuchte innerhalb des festgelegten Zeitintervalls bis zum Meßzeitpunkt langsamer als dem Mindestdurchsatz entsprechend ausatmet, um lediglich Luft aus der Mundhöhle oder der Luftröhre ausatmen zu können oder aber, wenn er innerhalb

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des vorgebbaren Zeitintervalls erneut Luft holt.

Die Länge des vorgebbaren Zeitintervalls ist vom Körperbau, bzw. dem maximalen Atemluftvolumen des Untersuchten abhängig. Alveolar luft steht jedoch mit Sicherheit zur Messung zur Verfügung, wenn der Ablauf des vorgebbaren Zeitintervalls durch den Zeitpunkt bestimmt ist, zu dem ein Mindestatemluftvolumen von mindestens 75 %_t vorzugsweise mindestens 80 %, des gesamten Atemluftvolumens abgeatmet sind. Das vorgebbare Zeitintervall wird hierbei "zweckmäßigerweise auf einen dem Quotienten von Mindestatemluftvolumen zu Mindestdurchsatz entsprechenden Wert eingestellt. Der Mindestdurchsatz kann z.B. auf einen der mittleren Ausatemgeschwindigkeit entsprechenden Wert festgesetzt werden. Günstige Werte liegen in der Größenordnung von 0,5 bis 1 1/sec.

Während das vorgebbare Zeitintervall in der letztbeschriebenen Ausführungsform der Anordnung fest vorgegeben ist, oder zumindest entsprechend dem Körperbau des Untersuchten eingestellt wird,

kann in einer verbesserten Ausführungsform ein Integrator vorgesehen sein, der den von einem Durchsatzmesser beim Einatmen und Ausatmen kontinuierlich ermittelten Atemluftdurchsatz zur Ermittlung des gesamten Atemluftvolumens zeitlich integriert und der über einen Vergleicher den Ablauf des vorgebbaren Zeitintervalls feststellt, wenn das Mindestatemluftvolumen abgeatmet ist. Die erfindungsgemäße Anordnung ist in dieser Ausführungsform vom Körperbau des Untersuchten unabhängig.

Das vorgebbare Zeitintervall könnte bei Beginn des Ausatmens anfangen, zweckmäßigerweise wird der Beginn des vorgebbaren Zeitintervall jedoch durch das Überschreiten des vom Fehlerdetektor festgelegten Mindestdurchsatzes in Ausatemrichtung bestimmt.

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Es kann vorkommen, daß der Untersuchte vor Ende des vorgebbaren Zeitintervalls kurzzeitig den Atem anhält und dann weiterausatmet. Der Fehlerdetektor würde in einem solchen Fall eine Fehlmessung auch dann feststellen, wenn nach der kurzen Unterbrechung richtig weiter ausgeatmet würde. Um dies zu verhindern, ist vorgesehen, daß die Zeitsteuerung das vorgebbare Zeitintervall erneut einleitet, wenn der vom Fehlerdetektor festgestellte Atemluftdurchsatz in Ausatemrichtung innerhalb eines vorher eingeleitet, vorgebbaren Zeitintervalls den festgelegten Mindestdurchsatz erst unterschreitet und dann wieder überschreitet.

Das die Alkoholkonzentration der Atemluft bestimmende Meßgerät benötigt in der Regel n&ch Durchführung einer Messung eine mehr oder weniger lange Erholungszeit bevor erneut gemessen werden kann, oder aber die Messung selbst ist zeitraubend. Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist eine Steuerung vorgesehen, die die Messung der Alkoholkonzentration der Atemluft nach Ablauf des vorgebbaren Zeitintervalls verhindert, wenn der Atemluftdurchsatz innerhalb des vorgebbaren Zeitintervalls und den festgelegten Mindestdurchsatz gesunken ist oder die Atemluft innerhalb des vorgebbaren Zeitintervalls in Einatemrichtung geströmt ist.

In einer ersten Ausführungsform des Fehlerdetektors weist dieser

geheiζten einen im Weg der Atemluft angeordneten Hexßieiter und einen Differenzverstärker auf, der an seinen Eingängen ein von seinem Ausgang über den Heißleiter rückgeführtes Signal und ein der Umgebungslufttemperatur entsprechendes Signal kombiniert und ein dem Atemluftdurchsatz proportionales Signal abgibt. Der Widerstand des Heißleiters bestimmt die Verstärkung des Differenzverstärkers. Ändert sich die Geschwindigkeit der am Heißleiter vorbeistreichenden Atemluft, so wird dieser mehr oder weniger gekühlt, was zu einer Änderung des vom Differenzverstärker abgegebenen Signals führt. Das der Umgebungslufttemperatur entsprechende Signal dient hierbei als Bezugssignal. Zum Erfassen der Strömungsrichtung kann der Fehlerdetektor einen in Einatemrichtung oder in Ausatemrichtung von einer im Weg der Atemluft +) in etwa

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angeordneten Blende abgeschirmten, weiteren Heißleiter aufweisen. In Einatemrichtung strömende Luft wird daher zu einer anderen Widerstandsänderung des weiteren Heißleiters führen als in Ausatemrichtung strömendeAtemluft. Dieser Unterschied kann z.B. mit Hilfe einer Schwellwertstufe zum Feststellen der Strömungsrichtung ausgenutzt werden.

Auch weist die letztgenannte Ausführungsform des Fehlerdetektors keine beweglichen mechanischen Teile auf, sie ist Jedoch _{von der} umgebungstemperatur abhängig, was in manchen Anweridungsfallen als Nachteil empfunden wird. Bevorzugt wird deshalb eine Ausführungsform, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Fehlerdetektor eine durch die Atemluft antreibbare Turbine und zwei in Rotationsrichtung der Turbine um einen von 30° abweichenden Winkel gegeneinander versetzte Lichtschranken aufweist, die, von der Turbine gesteuert, bei Rotation der Turbine nacheinander Steuersignale abgeben, daß an die beim Ausatmen das Steuersignal zuerst abgebende Lichtschranke ein durch das Steuersignal betätigbarer und daraufhin das Signal mit einer dem Mindestdurchsatz entsprechenden festgelegten Zeitdauer abgebender Zeitkreis angeschlossen ist und daß der Fehlerdetektor die Ungültigkeit der Messung feststellt, wenn das vom Zeitkreis abgegebene Signal und das Steuersignal der anderen Lichtschranke nicht koinzidieren. Die Steuersignale sind vorzugsweise Rechteckimpulssignale, wie sie bei Unterbrechung der Lichtstrahlen der Lichtschranken zum Beispiel durch die Turbinenflügel erzeugt werden. Da die Lichtschranken um einen von 30° abweichenden Winkel gegeinander versetzt sind, führt die Erhöhung der Drehzahl der Turbine bei Erhöhung des Atemluftdurchsatzes nur in einer Richtung zur Koinzidenz des vom Zeitkreis abgebenen Signals und des Steuersignals der anderen Lichtschranke. Einatemrichtung und Ausatemrichtung lassen sich auf diese Weise unterscheiden.

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und chemische , Als Meßgeräte vnirden bisher gaschromatographisch arbeitende» Analysatoren verwendet. Derartige Analysatoren sind jedoch teuer und voluminös. Zu wesentlich billigeren und kleineren Ausführungsformen gelangt man, wenn das Meßgerät einen im Weg der Atemluft angeordneten, gesinterten und als Meßwandler auf Alkoholdämpfe ansprechenden Halbleiter-Gasdetektor sowie eine Anzeigeeinrichtung aufweist, die als Wert der Alkoholkonzentration ein dem Wert des elektrischen Widerstands des Halbleiter-Gasdetektors entsprechendes Meßwertsignal anzeigt. Derartige Halbleiter-Gasdetektoren sind bekannt und werden z.B. als Rauchdetektoren zur Ermittlung der bei Bränden entstehenden reduzierenden Gase verwendet. Um Einflüsse gegebenenfalls vorhandener reduzierender Gas auf das Meßergebnis ausschließen zu können, kann vorgesehen sein, daß der Halbleiter-Gasdetektor und ein in der Umgebungluft angeordneter, weiterer Halbleiter-Gasdetektor mit ihren einen Elektroden an eine Signalquelle und mit den Enden ihrer anderen Elektroden jeweils in Serie in benachbarte Zweige einer Brückenschaltung geschaltet sind, deren andere Zweige durch Widerstände ge-

können

bildet sein'/unddaß ein an seinem Ausgang das der Alkoholkonzentration der Atemluft entsprechende Meßwertsignal abgebender Differenzverstärker mit je einem Eingang an dem 'Verbindungspunkt der anderen Elektroden bzw. an den Verbindungspunkt der Widerstände angeschlossen ist. Der weitere Halbleiter-Gasdetektor dient hierbei als Bezugssignalquelle.

Da der Halbleiter-Gasdetektor eine gewisse Erholungszeit benötigt, bis sein Widerstand nach einer Messung wieder den Ausgangswert erreicht, lassen sich Meßfehler bei zu schnell aufeinanderfolgenden Meßungen dadurch vermeiden, daß die Anzeigeeinrichtung einen Nullwertspeicher, dem das Meßwertsignal vor Beginn des Ausatmens zur Speicherung zuführbar ist und einen Meßwertspeicher, dem das Meßwertsignal zu dem durch

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Zeitsteuerung festgelegten Zeitpunkt zur Speicherung zuführbar ist, aufweist und daß die Anzeigeeinrichtung die Differenz der im Nullwertspeicher und im Meßwertspeieher gespeicherten Meßwertsignale anzeigt. Die Meßgenauigkeit der Anordnung läßt sich dadurch erheblich erhöhen.

Der Halbleiter-Gasdetektor zeigt zu hohen Werten der Alkoholkonzentration hin ein Sättigungsverhalten, was zu einer nichtlinearen Abhängigkeit des Meßwertsignals von der Alkoholkonzentration führt. Gewünscht wird jedoch oftmals, beispielsweise bei analogen Anzeigeinstrumenten, eine direkt proportionale Abhängigkeit des Meßwertsignals von der Alkoholkonzentration. Zur Umformung wird ein Meßumformer benötigt. Eine geeignete einfache Ausführungsform eines Meßumformers besteht aus einem Verstärker mit exponentieller Übertragungsfunktion.

Handelsübliche Halbleiter-Gasdetektoren sind zur Verkürzung der Erholzeit elektrisch beheizbar ausgeführt. Es hat sich herausgestellt, daß die Erholzeit erheblich verkürzt werden kann, wenn an den Halbleiter-Gasdetektor ein Impulsgenerator angeschlossen ist, der die Heizleistung impulsförmig, zuführt. Die Impulsamplitude liegt hierbei erheblich über der für Dauerbetrieb vorgesehenen Nenn-Heizspannung; im zeitlichen Mittel wird jedoch lediglich die für den Dauerbetrieb zulässige Heizleistung zugeführt. Das Verhältnis der Alkoholkonzentration zwischen Atemluft und Blut beträgt etwa 1 : 2100. Bereits geringe.Konzentrationsänderungen der Atemluft führen daher zu erheblichen Meßfehlern. Die Meßgenauigkeit kann erheblich verbessert werden, wenn verhindert wird, daß der in der Atemluft enthaltene Alkoholdampf kondensiert. Der Halbleiter-Gasdetektor ist hierzu in einem mit Hilfe einer Temperaturregeleinrichtung auf konstanter Temperatur gehaltenen Meßkanal angeordnet. Aufgrund der geringen Abmessungen des Halbleiter-Gasdetektors können die Strömungswege der Atemluft

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zwischen Mund und Halbleiter-Gasdetektor kurz gehalten werden. Günstige Werte der Temperatur des Meßkanals liegen zwischen 35 ⁰C - 40⁰C, vorzugsweise bei 37 °C

Zur Meßkanalsäuberung zwischen aufeinanderfolgenden Messungen kann vor dem Meßkanal ein Ventilator vorgesehen sein. Gegebenenfalls Jcann mit Hilfe des Ventilators auch ein Desinfektionsspray durch den Meßkanal geblasen werden.

Im folgenden sollen Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert werden, und zwar zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Anordnung;

Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Fehlerdetektors;

Fig. 3 die gegenseitige zeitliche Zuordnung von Steuersignalen des Fehlerdektors nach Fig. 2 für einen Atemluftdurchsatz, der kleiner ist als der Mindestdurchsatz;

Fig. 4 die gegenseitige zeitliche Zuordnung der Steuersignale für einen Atemluftdurchsatz, der größer ist als der Mindestdurchsatz;

Fig. 5 bei fehlerfreier Messung an verschiedenen Sehaltungspunkten des Fehlerdetektors nach Fig. 2 auftretende Signalzustände;

Fig. 6 die Signalzustände nach Fig. 5 für eine fehlerhafte Messung;

Fig. 7 eine in der Ausführungsform der Anordung nach Fig. 1 wahlweise verwendbare Brückenmeßschaltung; und

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Fig. 8 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Fehlerdetektors.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Anordung. Kernstück des Meßgeräts dieser Anordnung ist ein in einem Meßkanal 1 angeordneter handelsüblicher Halbleiter-Gasdetektor 3. Der Halbleiter-Gasdetektor 3 besteht aus einem kleinen, etwa quaderförmigen, in der Hauptsache aus Zinnoxid-, Zinkoxid- und Eisen-III-oxidteilchen zusammengesinterten Körper. In diesem Körper sind zwei wendeiförmige Elektroden 5 und 7 eingebettet. Wird der Körper mit einem chemisch reduzierenden Gas, wie z.B. Alkoholdarapf in Berührung gebracht, so wird Alkoholdampf absorbiert. Es kommt zu chemischen Reaktionen, die eine Erhöhung der Leitfähigkeit und damit eine Verringerung des Widerstandswertes zwischen den Elektroden 5 und 7 zur Folge haben. Absorption und Desorption des Alkoholdampfs bilden für jede Dampfkonzentration einen Gleichgewichtszustand ; der Widerstandswert des Halbleiter-Gasdetektors zwischen den Elektroden 5 und 7 hängt damit reproduzierbar von der Konzentration des Alkoholdampfs ab. Die Desorptionsgeschwindigkeit ist ebenfalls temperaturabhängig; sie nimmt bei Erhöhung der Temperatur zu. Um die Elektroden 5 und 7 als Heizwendel ausnützen zu können, sind beide Spiralenenden der Elektroden 5 und 7 aus dem Körper herausgeführt. Auf diese Weise läßt sich ein schnelles Ansprechverhalten und eine kurze Erholzeit erreichen. In Fig. 1 ist die Elektrode 5 an einen Impulsgeneratur 9 angeschlossen, der die Heizleistung in Form von Gleichstromimpulsen zuführt. Die Amplitude der Gleichstroraimpulse ist größer als die zulässige Amplitude bei kontinuierlicher Gleichstromheizung. Es wurde herausgefunden, daß auf diese Weise das Ansprechverhalten und die Erholzeit erheblich beschleunigt werden kann.

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Die Wirkungsweise des Meßgeräts in der Anordnung nach Fig. 1 beruht auf der Meßung des Widerstands zwischen den Elektroden 5 und 7 des Halbleiter-Gasdetektors 3. Durch den Impulsgenerator 9 wird an die Elektrode 5 ein Gleichspannungspotential gelegt, das zu einem dem Widerstandswert des Halbleiter-Gasdetektors 3 proportionalen Strom zur Elektrode 7 führt. Die Amplitude des Stroms wird in einem Anzeigeinstrument 11 angezeigt. Die Skala des Anzeigeinstruments 11 kann unmittelbar in Werten der Alkoholkonzentration geeicht v/erden. Da der Halbleiter-Gasdetektor zu hohen Konzentrationswerten hin ein Sättigungsverhalten zeigt, wird der Strom dem Anzeigeinstrument über einen Meßumformer 13 zugeführt, der die Abhängigkeit des Stroms von der Alkoholkonzentration linearisiert. Der Meßumformer 13 besteht im wesentlichen aus einem Verstärker mit exponentieller Übertragungsfunktion. Um bei rasch aufeinander folgenden Messungen Aufstockungseffekte im Körper des Halbleiter-Gasdetekotrs 3 infolge ungenügender Desorption des von vorhergehenden Messungen im Körper zurückgebliebenen Alkohols zu vermeiden, wird das vom Meßumformer 13 abgegebene, dem Strom durch den Halbleiter-Gasdetektor 3 entsprechende Meßwertsignal kurz vor der eigentlichen Messung einem Nullv/ertspeicher 15 zugeführt und darin gespeichert. Der Nullv/ertspeicher 15 ist über einen von einer Steuerung 17 betätigbaren, vorzugsweise elektronisch ausgeführten Schalter mit dem Meßumformer 13 verbunden. Durch kurzzeitiges Schließen des Schalters 19 kann das Meßwertsignal 13 in den Nullv/ertspeicher 15 eingelesen werden. Weiterhin ist an den Meßumformer 13 ein Meßwertspeicher 21 angeschlossen, der das bei der Messung erhaltene Meßwertsignal speichert. Das Anzeigeinstrument 11 ist sowohl mit dem Nullwertspeicher 15 als auch dem Meßwertspeicher 21 verbunden und zeigt die Differenz der darin gespeicherten Signale an. Der Nullwertspeicher 15 und der Meßwertspeicher 21 sind als analoge , z.B. kapazitive Speicher ausgebildet; sie werden bei Betätigung einer Tastatur 23 über die

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- 11 Steuerung 17 vor Beginn der Messung gelöscht.

Mit Hilfe des vorstehend erläuterten Meßgeräts kann die Alkoholkonzentration der Atemluft bestimmt v/erden. Die Alkoholkonzentration der Atemluft ist der Alkoholkonzentration des Bluts in etwa proportional, wenn sichergestellt v/ird, daß zum Meßzeitpunkt Atemluft aus den Alveolaren der Lunge des Untersuchten am Halbleiter-Gasdetektor 3 vorbeiströmt. Die Anordung nach Fig. 1 weist deshalb eine Zeitsteuerung 25 auf, die das Meßgerät erst nach Ablauf eines vorgebbaren Zeitintervalls nach dem Beginn des Ausatmens zur Messung freigibt. Das vorgebbare Zeitintervall beginnt,wie noch untenstehend erläutert wird, nicht mit dem Beginn des Ausatmens, sondern erst, wenn der Atemluftdurchsatz durch den Meßkanal 1 einen vorgegebenen Mindestdurchsatz übersehreitet. Das vorgebbare Zeitintervall ist so gewählt, daß der Untersuchte beim Ausatmen mit dem vorgegebenen Mindestdurchsatz wenigstens ein Mindestatemluftvolumen abgeatmet hat, das dem Volumen seiner Mundhöhle und seiner Luftröhre entspricht; vorzugsweise sollen im Mittel wenigstens 75 % des gesamten Atemluftvolumens abgeatmetet sein. Es hat sich als ausreichend herausgestellt, wenn das vorgebbare Zeitintervall fest auf einen dem Quotienten von Mindestatemluftvolumen zu Mindestdurchsatz entsprechenden Wert eingestellt ist. In der Ausführungsform nach Fig. 1 kann die Zeitsteuerung 25 an die Steuerung 17 angeschlossen werden. Sie kann den Nullwertspeicher 15 und den Meßwertspeicher 21 erst nach Ablauf des vorgebbaren Zeitintervalls zur Einspeicherung und damit zur Anzeige des Meßwertsignals freigeben.

Fehlerfreie Messungen setzen jedoch voraus, daß der Untersuchte nicht durch Manipulation seiner Atemtechnik versucht, das Ausatmen alkoholbeladener Atemluft aus der Lungen zu verhindern. Um derartige Manipulationen oder auch unbewußtes Fehlverhalten erkennen zu können, weist die Anordnung nach Fig. 1 einen die Steuerung 17 steuernden Fehlerdetektor 27 auf.

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Der Fehlerdetektor 27 ist mit einem im Meßkanal 1 angeordneten Strömungsdetektor 29 gekoppelt, der die Strömungsrichtung der Atemluft und den Atemluftdurchsatz durch den Meßkanal 1 erfaßt. Der Fehlerdetektor 27 stellt durch ein an die Steuerung 17 abgegebenes Fehlersignal die Ungültigkeit des vom Halbleiter-Gasdetektor 3 über den Meßumformer 13 bei Ablauf des vorgebbaren Zeitintervalls abgegebenen Meßv/ertsignals fest, wenn der Atemluftdurchsatz innerhalb des vorgebbaren Zeitintervalls und den festgelegten Mindestdurchsatz gesunken ist, oder der Untersuchte innerhalb des vorgebbaren Zeitintervalls gegebenenfalls auch kurzzeitig eingeatmet hat. Die Steuerung 17 zeigt das Fehlersignal durch eine Signaleinrichtung 31 an und verhindert außerdem das Einlesen des ungültigen Meßwerts in den Meßwertspeicher 21.

Um Kondensationen des Alkoholdampfs in der Atemluft des Untersuchten zu verhindern, wird der Meßkanal 1 mit Hilfe

33 einer elektrischen Widerstandsheizung beheizt, wobei die Temperatur durch eine Temperaturregeleinrichtung 35 auf einer konstanten Temperatur von etwa 27.. ⁰G gehalten wird. Zur Säuberung des Meßkanals 1 von Alkoholdampfrückständen ist ein motorgetriebener Ventilator 37 vor dem Meßkanal 1 angeordnet, der durch die Steuerung 17 nach Ablauf des vorgebbaren Zeitintervalls oder wahlweise über die Tastatur 23 während einer durch ein Zeitglied 39 bestimmten Zeitdauer eingeschaltet werden kann.

Fig. 2 zeigt ein detailliertes Schaltbild des Fehlerdetektors 27, der Zeitsteuerung 25 und einen Teil der Steuerung 17, Der Strömungsdetektor 29 weist, wie bereits in Fig. 1 schematisch angedeutet, eine im Meßkanal 1 angeordnete und von der Atemluft in Drehung versetzte Turbine 41 auf. Die Turbine 41 ist mit einer zylindrischen Spaltblende 43 gekuppelt, die die Lichtstrahlen 45 und 47 zweier um einen

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Winkel von ca. 30° in Drehrichtung der Turbine 41 gegeneinander versetzter Lichtschranken nacheinander unterbricht und wieder freigibt. Die erste Lichtschranke weist ein von einer Lampe 49 beleuchtbares Photoelement 51 auf; ein von einer Lampe 53 beleuchtbares Photoelement der zweiten Lichtschranke ist mit 55 bezeichnet. Für die in Fig. 2mit einem Pfeil 57 bezeichnete Drehrichtung der Turbine 41 beim Ausatmen, gibt, die Spaltblende 43 den Lichtstrahl 45 zeitlich vor dem Lichtstrahl 47 frei.Das Photoelement 51 gibt dementsprechend zeitlich vor dem Photoelement 55 einen Ausgangsimpuls ab. An die Photoelemente 51 und 55 sind zur Impulsformung Monoflops 59 bzw. 61 angeschlossen. Das Monoflop 59 dient weiterhin als Zeitkreis, dessen Zeitkonstante t den Mindestdurchsatz festlegt. Die Monoflops 59 bzw. 61 erzeugen somit Impulssignale A und 5 bzxv. B, der Periodendauer 3? der Drehzahl der Turbine 41 und dem Atemluftdurchsatz proportional ist. Die Impulssignale A, Ά" und B, sind in Fig. 3 für den Fall dargestellt, daß die Luftdurchsatz kleiner ist als der durch die Zeitkonstante t bestimmte Mindestdurchsatz. Die Impulse des Impulssignals B und die Impulse des Impulssignals A treten in diesem Fall nicht gleichzeitig auf. Die Impulssignale Ä (negiertes Impulssignal A) und B erfüllen in diesem Fall die Eingangsbedingungen eines UND-Gatters Das UND-Gatter 63 gibt daraufhin ein Impulssignal D ab, das, einem der Eingänge eines Flip-Flops 65, z.B. dem Setzeingang S des Flip-Flops 65 zugeführt, das Flip-Flop 65, in den dem Setzeingang S zugeordneten Zustand kippt. Der dem Setzeingang S zugeordnete Ausgang des Flip-Flops 65 gibt daraufhin ein, Fehlersignal F ab, welches anzeigt, daß der Atemluftdurchsatz den Mindestdurchsatz nicht erreicht.

Erhöht sich der Atemluftdurchsatz, weil der Untersuchte rascher ausatmet, so verkürzt sich die Periodendauer der Impulssignale A, 5 und B. Wie in Fig. 3 durch einen Pfeil 67 dargestellt ist,

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wandern die Impulse des Impulssignals B unter die Impulse des Impulssignals A (Fig. 4) j sie erfüllen damit die Koinzidenzbedingung eines UND-Gatters 69, dessen Ausgang mit dem Rücksetzeingang R des Flip-Flops 65 verbunden ist. Das UND-Gatter 69 gibt bei Koinzidenz der Impulssignale A und B ein Impulssignal C ab, dessen Impulse das Flip-Flop 65 in den anderen Zustand kippen und das Fehlersignal F abschalten. Am negierten Ausgang des Flip-Flops 65 erscheint das negierte Fehlersignal P durch das angezeigt wird, daß der Atemluftdurchsatz des Untersuchten den Mindestdurchsatz erreicht hat. Da die Lichtstrahlen 45 und 47 der beiden Lichtschranken um einen von 30° abweichenden V/inkel gegeneinander versetzt sind, ist sichergestellt, daß das Signal F nur dann erzeugt wird, wenn sich der Atemluftdurchsatz in Ausatemrichtung, d.h. entsprechend den Heilen 57 und 67 erhöht hat.

Das Signal F löst über ein UND-Gatter 71 die Zeitsteuerung 25 aus. Die Zeitsteuerung 25 ist als nachtriggerbares Monoflop ausgebildet, dessen Zeitkonstante Tm das vorgebbare Zeitintervall bestimmt. Im quasistabilen Schaltzustand des nachtriggerbaren Monoflops gibt die Zeitsteuerung 25 ein Impulssignal G ab. Das nachtriggerbare Monoflop wird durch jede über das UND-Gatter 71 zugeführte positive Anstiegsflanke des Signals F für das vorgebbare Zeitintervall (Tm) in den quasistabilen Zustand geschaltet und zwar auch dann, wenn es sich in diesem bereits befunden hat, Das gegebenenfalls von einem Inverter 73 invertierte Impulssignal G wird dem Auslöseeingang eines außerdem einen Vorbereitungseingang aufweisenden Flip-Flops zugeführt. Dem Vorbereitungseingang ist das Fehlersignal F zuführbar. Das Flip-Flop 75 gibt auf positive Flanken des Impulssignals G ein Signal H ab, wenn dem Vorbereitungseingang zuvor das Fehlersignal F zugeführt wurde, d.h. wenn zuvor der Atemluftdurchsatz den Mindestdurchsatz in Ausatemrichtung unterschritten hat. Das Signal H löst die Signaleinrichtung 31 aus und zeigt damit eine fehlerhafte Messung an. Durch geeignete x) wobei das Zeitintervall (Tm) von neuem gestartet wird.

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logische Verknüpfung des Signals H und des Impulssignals G kann das Meßgerät zur Messung freigegeben v/erden.

Das Auslösen der Messung soll im folgenden anhand der Fig. 5 näher erläutert werden. Der Atemluftdurchsatz beim Ausatmen ist in Fig. 5 mit E bezeichnet; 77 bezeichnet den durch die Zeitkonstante t des Monoflops 59 festgelegten Wert des Mindestdurchsatzes. Das Flip-Flop 65 des Fehlerdetektors schaltet jedesmal, wie bereits erläutert, das Fehlersignal F ab und das Signal F ein, wenn der Atemluftdurchsatz E in Ausatemrichtung den Wert 77 des Mindestdurchsatzes überschreitet. Umgekehrt wird jedesmal das Fehlersignal F eingeschaltet und das Signal F ausgeschaltet, wenn der Atemluftdurchsatz E unter den Wert 77 sinkt. Jede positive Flanke des Signal F schaltet über das UND-Gatter 71 das nachtriggerbare Monoflop des Zeitkreises 25 in den quasistabilen Zustand, in dem es während des vorgebbaren Zeitintervalls Tm verbleibt. Sinkt der Atemluftdurchsatz E, wie in Fig. 6 dargestellt, vor Ablauf des vorgebbaren Zeitintervalls Tm unter den Wert 77, so wird das Flip-Flop 75 durch die mit Ablauf des vorgebbaren Zeitintervalls Tm positiv ansteigende Flanke des Signals G in den Zustand gekippt, in dem es das Signal H abgibt, da am Vorbereitungseingang das Signal F bereits anlag. Sinkt, wie in Fig. 5 dargestellt ist, der Atemluftdurchsatz innerhalb des vorgebbaren Zeitintervalls T_m unter den Wert 77, überschreitet aber innerhalb desselben vorgebbaren Zeitintervalls Tm den Wert 77 erneut,so wird das nachtriggerbare Monoflop der Zeitsteuerung 25 durch die hierbei wiederum auftretende positive Flanke des Signals F erneut getriggert. Der Meßzeitpunkt wird in diesem Fall durch den Ablauf des erneut ausgelösten vorgebbaren Zeitintervalls T_m bestimmt. Der Meßzeitpunkt ist in Fig. 5 mit 79 bezeichnet.

Um zu verhindern, daß die Zeitsteuerung 25 nach der Meßung erneut ausgelöst wird, ist ein weiteres Flip-Flop 81 (Fig. 2)

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vorgesehen, dessen Ausgangssignal I dem UND-Gatter 71 zugeführt wird. Solange das Ausgangssignal I eine logische 1 führt, können die positiven Flanken des Signals F die Zeitsteuerung 25 auslösen. Das weitere Flip-Flop 81 weist ebenfalls einen Auslöseeingang und einen Vorbereitungseingang auf. Dem Vorbereitungseingang ist das Signal F zuführbar und dem Auslöseeingang ist das Signal G zuführbar. Das weitere Flip-Flop 81 schaltet das Aüsgangssignal I mit dem Auftreten der positiven Flanke des Signals G, d.h. mit dem Ablauf des vorgebbaren Zeitintervalls T_m , ab, sofern der Fehlerdetektor vorher das Signal F abgegeben hat. Es sei daran erinnert, daß das Signal F die Gültigkeit der Messung bezeichnet. Ohne das weitere Flip-Flop 81 würde, wie in Fig. 5 durch eine mit 83 bezeichnete gestrichelte Linie dargestellt, die Zeitsteuerung durch die auf den Heßzeitpunkt 79 folgende positive Flanke 85 des Signals F erneut ausgelöst und das Signal G abgeben.

Fig. 7 zeigt eine andere Ausführungsform einer Eingangsschaltung für das Meßgerät nach Fig. 1. Gleichwirkende Teile sind hierbei mit um die Zahl 100 erhöhten Bezugszahlen bezeichnet. Da der Halbleiter-Gasdetektor 3 nach Fig. 1 nicht nur auf Alkoholdämpfe anspricht, sondern auch auf andere reduzierende Gase, wie z.B. Methan, Wasserstoff, Kohlenmonoxid usw., ist die Eingangsschaltung nach Fig. 7 als Brückenschaltung ausgebildet, die neben einem im Meßkanal 101 angeordneten Halbleiter-Gasdetektor1O3einen in der Umgebungsluft angeordneten weiteren Halbleiter-Gasdetektor 103¹ als Referenzdetektor aufweist. Je eine Elektrode 105 bzw. 105' der Halbleiter-Gasdetektoren bzw. 103' sind an einen Impulsgeneratur 109 angeschlossen, der zur Heizung Gleichstromimpulse zuführt. Die beiden anderen Elektroden 107 bzw. 107' sind in Je einen Zweig einer Wheatstone¹ sehen Brücke geschaltet, deren andere Zweige durch Widerstände 187 und 189 gebildet werden. An dem Verbindungspunkt der Elektroden 107 und 107¹ bzw. dem Verbindungspunkt der Widerstände 187 und

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ist ein Differenzverstärker 191 mit je einem Eingang angeschlossen. Am Ausgang des Differenzverstärkers 191 kann ein der Differenz der Ströme durch den Halbleiter-Gasdetektor 103 und den weiteren Halbleiter-Gasdetektor 103' entsprechendes Meßwertsignal abgenommen und dem Meßumformer 13 nach Fig. 1 zugeführt werden. Dieses Meßwertsignal ist frei von Fehlern, die von reduzierenden Gasen der Umgebungsluft verursacht werden.

Fig. 8 zeigt eine andere Ausführungsform eines Fehlerdetektors. Im Gegensatz zur Ausführungsform des Fehlerdetektors nach Fig. 2 weist der Fehlerdetektor nach Fig. 8 keine mechanischen, beweglichen Teile auf. Zur Bestimmung des Atemluftdurchsatzes ist ein Heißleiter 201 vorgesehen, der in einem vom Untersuchten beatmeten Meßkanal 203 angeordnet ist. Entsprechend der Geschwindigkeit des Atemluftstroms wird der Heißleiter mehr oder weniger gekühlt, wodurch sich sein Widerstand proportional zur Geschwindigkeit der Atemluft ändert. Der Heißleiter 201 ist im Rückkopplungszweig eines Differenzverstärkers 205 angeordnet, und ändert dessen Verstärkung proportional zu seinem Widerstand. Als zweites Eingangssignal wird dem Differenzverstärker ein der Temperatur der Umgebungsluft proportionales Signal Im zugeführt. Das am Ausgang des Differenzverstärkers 205 verfügbare Signal ist damit von Schwankungen der Umgebungslufttemperatur unabhängig. Ein an dem Ausgang des Differenzverstärkers 205 angeschlossener Schwellwertschalter 207 erzeugt schließlich das Fehlersignal, das anzeigt, ob der Atemluftdurchsatz über oder unter dem Mindestdurchsatz liegt. Das Fehlersignal für die Strömungsrichtung liefert ein Verstärker 209, dessen Eingang übor einen weiteren Heißleiter 211 an eine Stromquelle 213 angeschlossen ist. Der weitere Heißleiter 211 wird von einer Blende 215 gegen die in Ausatemrichtung 217 strömende Atemluft abgeschirmt. Da er in Einatemrichtung dem Strom der Atemluft frei ausgesetzt ist, wird er sich beim Einatmen stärker abkühlen als beim Ausatmen. Die hieraus resultierende Widerstandsänderung

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führt zu unterschiedlichen Ausgangspegeln des Verstärkers 209, die sich mit Hilfe eines, an dem Verstärker 209 angeschlossenen Schwellwertschalter 219 in ein die Ausatemrichtung festlegendes Fehlersignal überführen lassen.

Der Differenzverstärker 205 gibt ein kontinuierliches, dem
momentanen Atemluftdurchsatz proportionales Ausgangssignal ab. Durch einen an den Ausgang des Differenzverstärkers 205 angeschlossenen Integrator 221 kann, über· eine nicht näher dargestellte Steuerung vom strömungsrichtungabhängigen Ausgangssignal des Schwellwertschalters 219 gesteuert,der Atemluftdurchsatz beim Einatmen aufintegriert und so das gesamte Atemluftvolumen des Untersuchten bestimmt werden. Der Viert des gesamten Atemluftvolumens wird gespeichert und beim Ausatmen mit dem ebenfalls vom Integrator 221 ermittelten abgeatmeten Luftvolumen verglichen. Ein nicht dargestellter Vergleicher stellt fest,
wann das Mindestatemluftvolumen abgeatmet ist, d.h. das
vorgebbare Zeitintervall abgelaufen ist.

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Claims

Patentansprüche

Anordung zur Bestimmung der Alkoholkonzentration des Bluts mit Hilfe eines die Alkoholkonzentration der Atemluft messenden Meßgeräts, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgerät (1 - 15, 21) die Alkoholkonzentration der Atemluft zu einem durch eine Zeitsteuerung (25) festgelegten Zeitpunkt mißt, daß der Zeitpunkt durch den Ablauf eines innerhalb des Ausatemzeitraums beginnenden, vorgebbaren Zeitintervalls bestimmt ist, und daß ein den Atemluftdurchsatz und die Strömungsrichtung der Atemluft erfaßender Fehlerdetektor (27j Fig. 8) die Ungültigkeit der Messung feststellt, wenn der Atemluftdurchsatz innerhalb des vorgebbaren Zeitintervalls unter einen festgelegten Mindestdurchsatz sinkt oder die Atemluft innerhalb des vorgebbaren Zeitintervalls in Einatemrichtung strömt.
2. Anordung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Ablauf des vorgebbaren Zeitintervalls durch den Zeitpunkt bestimmt ist, zu dem ein Mindestatemluftvolumen von wenigstens 75 %, vorzugsweise wenigstens 80 % des gesamten Atemluftvolumens abgeatmet sind.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgebbare Zeitintervall auf einen dem Quotienten von Mindestatemluftvolumen zu Mindestdurchsatz entsprechenden Wert eingestellt ist.
4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Integrator (221) vorgesehen ist, der den von einem Durchsatzmesser (201, 205) beim Einatmen und

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Ausatmen kontinuierlich ermittelten Atemluftdurchsatz zur Ermittlung des gesamten Atemluftvolumens zeitlich integriert und der über einen Vergleicher den Ablauf des vorgebbaren ZeitIntervalls feststellt, wenn das Mindestatemluftvolumen abgeatmet ist.
5. Anordung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Beginn des vorgebbaren Zeitintervalls durch das Überschreiten des vom Fehlerdetektor (27; Fig. 8) festgelegten Mindestdurchsatzes in Ausatemrichtung bestimmt ist.
6. Anordung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Zeitsteuerung (25) das vorgebbare Zeitintervall erneut einleitet, wenn der vom Fehlerdetektor (29; Fig. 8) festgestellte Atemluftdurchsatz in Ausatemrichtung innerhalb eines vorher eingeleiteten, vorgebbaren Zeitintervalls den festgelegten Mindestdurchsatz erst unterschreitet und dann wieder überschreitet.
7. Anordung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerung (17) die Messung der Alkoholkonzentration der Atemluft nach Ablauf des vorgebbaren Zeitintervalls verhindert, wenn der Atemluftdurchsatz innerhalb des vorgebbaren Zeitintervalls unter den festgelegten Mindestdurchsatz gesunken ist oder die Atemluft innerhalb des vergebbaren Zeitintervalls in Einatemrichtung geströmt ist.
8. Anordung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Fehlerdetektor (Fig. 8) einen im Weg der Atemluft angeordneten Heißleiter (201)

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und einen Differenzverstärker (205) aufweist, der an seinen Eingängen ein von seinem Ausgang über den Heißleiter (201) rückgeführtes Signal und ein der Umgebungslufttemperatur entsprechendes Signal kombiniert und ein dem Atemluftdurchsatz proportionales Signal abgibt.
9. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Fehlerdetektor (Fig. Q\ zum Erfassen der Strömungsrichtung einen in Einatemrichtung oder in Ausatemrichtung von einer im Weg der Atemluft angeordneten Blende (215) abgeschirmten, weiteren Heißleiter (211) aufweist.
10. Anordung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß der Fehlerdetektor (27) eine durch die Atemluft antreibbare Turbine (41) und zwei in Rotationsrichtung der Turbine (41) um einen von 30° abweichenden Winkel gegeneinander versetzte Lichtschranken (49, 51, 53, 55) aufweist, die,von der Turbine (41) gesteuert, bei Rotation der Turbine (41) nacheinander Steuersignale abgeben, daß an die beim Ausatmen das Steuersignal zuerst abgebende Lichtschranke (49, 51) ein durch das Steuersignal betätigbarer und daraufhin ein Signal mit einer dem Mindestdurchsatz entsprechenden, festgelegten Zeitdauer abgebender Zeitkreis (59) angeschlossen ist und daß der Fehlerdetektor (27) die Ungültigkeit der Messung feststellt, wenn das vom Zeitkreis (59) abgegebene Signal und das Steuersignal der anderen Lichtschranke (53, 55) nicht koinzidieren.
11. Anordung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das Meßgerät (1-15, 21) einen im Weg der Atemluft angeordneten, gesinterten

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und als Meßwandler auf Alkoholdämpfe ansprechenden Halbleiter-Gasdetektor (3) sowie eine Anzeigeeinrichtung (11, 15, 21) aufweist, die als Wert der Alkoholkonzentration ein dem Wert des elektrischen Widerstands des Halbleiter-Gasdetektors (3) entsprechendes Meßwertsignal anzeigt.
12. Anordung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter-Gasdetektor (103) und ein in der Umgebungsluft angeordneter, weiterer Halbleiter-Gasdetektor (103') mit ihren einen Elektroden (105, 105¹) an eine Signalquelle (109) und mit den Enden ihrer anderen Elektroden (1O7, 107') jeweils in Serie in benachbarte Zweige einer Brückenschaltung geschalte-fc sind, deren andere Zweige durch Widerstände (187,189) gebildet sind und daß ein an seinem Ausgang das der Alkoholkonzentration der Atemluft entsprechende Meßwertsignal abgebender Differenzverstärker (191) mit je einem Eingang an den Verbindungspunkt der anderen Elektroden (107, 107¹) bzw. an den Verbindungspunkt der Widerstände (187, 189) angeschlossen ist.
13. Anordung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Anzeigeeinrichtung (11, 15, 21) einen Nullwertspeicher (15), dem das Meßwertsignal vor Beginn des Ausatmens zur Speicherung zuführbar ist und einen Meßwertspeicher (21), dem das Meßwertsignal zu dem durch die Zeitsteuerung (25) festgelegten Zeitpunkt zur Speicherung zuführbar ist, aufweist und daß die Anzeigeeinrichtung (11, 15, 21) die Differenz der im Nullwertspeicher (15) und im Meßwertspeicher (21) gespeicherten Meßwertsignale anzeigt.
14. Anordung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet , daß das Meßwertsignal der Anzeige-

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einrichtung (11, 15, 21) über einen Verstärker (13) mit exponentieller Übertragungsfunktion zuführbar ist.
15· Anordung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet , daß der Halbleiter-Gasdetektor (3) elektrisch beheizbar ist und.daß an dem Halbleiter- Gasdetektor ein Impulsgenerator angeschlossen ist, der die Heizleistung impulsförmig zuführt.
16. Anordung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet , daß der Halbleiter-Gasdetektor (3) in einem mit Hilfe einer Temperaturregeleinrichtung (33) auf konstanter Temperatur gehaltenen Meßkanal (1) angeordnet ist.
17. Anordung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturregeleinrichtung (35) den Meßkanal auf einer konstanten Temperatur zwischen 35 bis 40 ⁰C, vorzugsweise 37 ⁰C hält.
18. Anordung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß zur MeßkanalsSäuberung zwischen aufeinanderfolgenden Messungen ein Ventilator (37) vor dem Meßkanal (1) vorgesehen ist.

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