DE2818605B2

DE2818605B2 - Einrichtung zur Bestimmung des Blutalkoholgehalts

Info

Publication number: DE2818605B2
Application number: DE2818605A
Authority: DE
Inventors: Lars-Erik Malmö Holmberg
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-05-04
Filing date: 1978-04-27
Publication date: 1981-06-19
Also published as: CH631547A5; AU520090B2; JPS53138395A; DE2818605A1; AU3572478A; SE7705196L; GB1581504A; SE414346B; US4177668A; DE2818605C3

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung des Blutalkoholgehalts, mit einem Sensor zur Abgabe eines den Alkoholanteil von einer Testperson ausgeatmeter Luft angebenden Signals, mit mindestens zwei Vergleichsvorrichtungen zum Vergleich dieses Signals mit mindestens zwei voreingestellten Referenzwerten, mit durch das Vergleichsergebnis betätigten Leuchtdioden zur Anzeige des Blutalkoholgehaits, und mit einer Spannungsquelle.

Es sind bereits Einrichtungen verschiedener Art zur Bestimmung des Blutalkoholgehalts bekannt. So zeigt beispielsweise das schwedische Patent 73 17 279-3 ein Atemtestgerät, das eine »Passieranzeige« liefert, wenn der Alkoholgehalt in der Atemluft der Testperson innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt. Bei einem Alkoholgehalt, der den oberen Grenzwert dieses Bereichs überschreitet, ist die Alkoholkonzentration für ein »Passieren« zu hoch, und bei einem Konzentrationswert unter dem unteren Grenzwert des Bereichs kann vielleicht ein Betrug vorliegen, so daß auch in diesem Falle keine »Passieranzeige« abgegeben wird. Die Einrichtung soll ohne besondere Überwachung eingesetzt werden, also beispielsweise in Verbindung mit Kupplungen in Kraftfahrzeugen, wobei der Fahrer dann Luft in das Testgerät ausatmen muß, um eine »Passieranzeige« zu erhalten, bevor das Fahrzeug bewegt werden kann. Das Testgerät ist dann speziell dazu geeignet, jeden Versuch der Umgehung des Tests zu verhindern. Es ist ein einziges Anzeigeelement in Form einer Lampe vorgesehen, die bei der »Passieranzeige« aufleuchtet, wenn der festgestellte Alkoholgehalt innerhalb des vorbestimmten Bereichs liegt, anderenfalls aber ausgeschaltet bleibt. Als Vergleichsschaltungen sind Operationsverstärker vorgesehen, und zur Steuerung der Anzeigelampe dienen logische CMOS-Schaltungen, eine Transistorstufe und eine besondere Spannungsquelle, die eine Spannung von 8 Volt abgibt.

Die schwedische Patentanmeldung 73 11 055-3 betrifft ein Atemtestgerät zur Feststellung des Blutalkoholgehalts, das nach einem »Klassiersystem« arbeitet. Dieses Gerät ist tragbar und soll von Polizeibeamten im Straßenverkehr verwendet werden, um Atemtests an der Straße durchzuführen und auf dieser Basis einen Fahrzeuglenker entweder passieren zu lassen oder ihn zur Durchführung einer eingehenden Überprüfung festzuhalten. Das Gerät enthält ein Sensorelement, das eine den Alkoholanteil im Atem der Testperson

anzeigende Spannung liefert Abhängig von dem Wert dieses Signals wird eine von drei Anzeigevorrichtungen eingeschaltet Hierzu enthält das Gerät zwei Zenerdioden mit unterschiedlichen Schwellenspannungen, die mit dem Sensorelement verbunden sind. Die Zenerdioden sind jeweils mit einem Gleichrichter verbunden, und jeder Gleichrichter ist wiederum an eine Leuchtdiode angeschlossen, die bei einem Durchbruch der jeweils zugeordneten Zenerdiode gezündet wird. Auch bei diesem Gerät ist eine separate Spannungsquelle mit einer Spannung von beispielsweise +12VoIt füY die Anzeigeelemente erforderlich.

Durch die US-PS 38 77 291 ist eine Einrichtung eingangs genannter Art zur Bestimmung des Blutalkoholgehalts bekannt, die von Privatpersonen beispielsweise als Hilfsmittel beim Lenken eines Kraftfahrzeugs benutzt werden kann, um zu bestimmen, ob noch Fahrtüchtigkeit vorliegt oder nicht Diese Einrichtung liefert eine Anzeige darüber, in welchem Bereich der tatsächliche Blutalkoholgehalt liegt Die elektrische Schaltung dieser Einrichtung ist jedoch kompliziert und aufwendig, denn die Leuchtdioden sind diskret geschaltet, die Eichung ist schwierig durchzuführen und erfordert ein besonderes Netzwerk und es müssen mehrere Betriebsspannungsquellen vorgesehen sein.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine einfachere, aber genau und zuverlässig arbeitende Einrichtung anzugeben.

Eine Einrichtung eingangs genannter An ist zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß derart ausgebildet, daß eine aus TTL-Elementen aufgebaute logische Schaltung die Leuchtdioden selektiv abhängig von Jem genannten Vergleichsergebnis direkt steuert, welche Schaltung wenigstens zwei jeweils aus zwei NAND-Gliedern aufgebaute SR-Flip-Flops umfaßt, die je an den Ausgang einer der Vergleichsvorrichtungen angeschlossen sind, daß das Ausgangssignal des Sensors an einem mit dem Sensor in Reihe geschalteten Potentiometer abgegriffen ist und daß die Spannungsquelle über eine Regelschaltung, die eine vom Zustand der Spannungsquelle unabhängige konstante Ausgangsspannung abgibt allein alle für die Speisung des Sensors, der Vergleichsvorrichtungen, der logischen Schaltung und der Leuchtdioden erforderlichen Spannungen liefert.

Durch Verwendung einer aus Transistoren aufgebauten logischen Schaltung, also der sogenannten TTL-Technik anstelle einer nach CMOS-Technologie aufgebauten Schaltung, wie sie z. B. im schwedischen Patent 73 17 279-3 beschrieben wird, und durch direkte Ansteuerung der Leuchtdioden mit einer solchen logischen Schaltung wird der wesentliche Vorteil erreicht, daß eine besondere Spannungsquelle zur Speisung der Leuchtdioden nicht erforderlich ist, denn eine aus Transistoren aufgebaute TTL-Logik ermöglicht einen wesentlich stärkeren Stromfluß als CMOS-Schaltungen. Ferner wird das Ausgangssignal des Sensors an einem mit ihm in Reihe geschalteten Potentiometer abgegriffen, wodurch eine sehr einfache Eichung der Einrichtung möglich ist Es ist eine einzige geregelte Spannungsquelle vorgesehen, die alle erforderlichen Betriebsspannungen liefert und die einfache Art der Eichung ermöglicht Deshalb ist eine Einrichtung nach der Erfindung wesentlich billiger als die bekannten Einrichtungen, arbeitet aber zuverlässig bei sehr hoher Genauigkeit.

Die Erfindung wird im folgenden anband eines in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiels beschrieben. In der in der Figur gezeigten Schaltung ist ein Sensor 2 vorgesehen, der ein sogenannter Gassensor des Typs Figaro TGS 812 ist Wenn der Sensor durch Alkohol in der Atemluft einer Testperson beeinflußt wird, ändert er seinen Widerstand. Dadurch ändert sich der Stromfiuß zwischen den Elektroden 4 und 6 des Sensors 2, so daß an jinem Potentiometer 8 eine Ausgangsspannung auftritt, die sich entsprechend dem Alkoholgehalt der Atemluft ändert

ίο Zur genauen Funktion der Einrichtung muß der Sensor 2 vor der Inbetriebnahme erwärmt werden. Dies geschieht durch eine eingebaute Heizwicklung 10. Bevor der Sensor 2 seine Betriebstemperatur erreicht, fällt sein Widerstand zunächst ab, wonach er wieder ansteigt Hat der Widerstand dann einen vorbestimmten Wert erreicht, so ist der Sensor 2 betriebsbereit

Der Widerstand zwischen den Elektroden 4 und 6 des Sensors 2 fällt ab, wenn er Luft ausgesetzt wird, die Alkohol enthält Diese Widerstandsänderung zeigt sich als Spannungsänderung am Potentiometer 8. Ein abfallender Sensorwiderstand verursacht eine ansteigende Spannung am Potentiometer 8. Wenn die Speisespannung des Sensors 2 konstantgehalten wird, ist es möglich, den Sensor 2 durch Messung der

2^r> Spannungen zu eichen, die bei vorgegebenen Blutalkoholwerten (beispielsweise 0,3 Promille und 0,5 Promille) am Potentiometer 8 während eines Atemtests auftreten. Diese Sparnungen seien beispielsweise V₀J und VOj.
Alle Speisespannungen der Einrichtung werden von

jo einer Spannungsquelle 12 geliefert. Diese kann aus acht Zellen zu jeweils 1,5 Volt bestehen. Die Spannung der Spannungsquelle 12 wird über einen Schalter 14 als Eingangsspannung an eine Regelschaltung 16 abgegeben. Durch einem Einstellwiderstand 18 kann die

■Γ) Ausgangsspannurig der Regelschaltung 16 auf einen vorbestimmten genauen Wert von beispielsweise 5,0VoIt eingestellt werden. Diese Ausgangsspannung wird dann konstant gehalten, und zwar unabhängig von dem jeweiligen Zustand der Spannungsquelle 12. Dies

4« ist sehr wichtig für die genaue Arbeitsweise des Gassensors 2.

Die Einrichtung enthält ferner zwei Steuerschaltungen. Die erste Steuerschaltung stellt die Ausgangsspannung der Regelschaltung 16 fest und zeigt deren Abfall

4^r> unter einen vorbestimmten Wert an. Sie umfaßt eine Zenerdiode 20, Widerstände 22 und 24, ein Potentiometer 26 und einen Vergleicher 28 sowie eine Leuchtdiode 32. Wenn die Regelschaltung 16 auf eine Ausgangsspannung von 5,OVoIt (T0,05 Volt) eingestellt ist, so wird

jo der Schaltpunkt des Vergleichers 28 mit dem Potentiometer 26 so eingestellt, daß die Leuchtdiode 32 gezündet wird, wenn die von der Regelschaltung 16 abgegebene Spannung auf 4,95 Volt abgefallen ist. Dies bedeutet ein Warnsignal für den Benutzer der Einrichtung, daß die Batterien auszuwechseln sind, um eine genaue Funktion zu gewährleisten. Die Referenzspannung für diese Steuerschaltung wird durch die Zenerdiode 20 vorgegeben.
Eine zweite Schaltung zeigt an, wenn der Sensor 2 auf

bo die Betriebstemperatur erwärmt ist. Diese Schaltung umfaßt zwei Widerstände 30 und 34, einen Vergleicher 36 und eine Leuchtdiode 40. Eine geringe Spannung von beispielsweise 0,5 Volt wird dem invertierenden Eingang des Vergleichers 36 zugeführt. Wenn der Sensor 2

b^r> auf seine Betriebstemperatur erwärmt ist und die Spannung am Potentiometer 8 unter die voreingestellte niedrige Spannung von beispielsweise 0,5 Volt abgefallen ist, so wird die Leuchtdiode 40 gezündet und zeigt an,

daß sich das Gerät im Betriebszustand befindet.

Da die Knickspannung der Leuchtdiode 32 niedriger als die Spannung der Leuchtdiode 40 ist, können diese Dioden über einen gemeinsamen Widerstand 38 an die Speisespannung angeschaltet werden. Die Kathoden der Leuchtdioden 32 und 40 sind dann direkt mit dem jeweiligen Vergleicherausgang verbunden. Normalerweise wird nur die Diode 40 gezündet Wird die Diode 32 gezündet, so wird die Diode 40 gelöscht oder leuchtet schwächer.

Die Einrichtung umfaßt ferner zwei weitere Vergleicher 42 und 44, die das Ausgangssignal des Sensors 2 mit voreingestellten Referenzspannungen vergleichen. Spannungsteiler 46,47 und 48,49 sind so bemessen, daß an ihren Abgriffen die bereits beschriebenen Spannungen V₀₃ und V₀₅ auftreten. Diese Spannungen werden jeweils einem Eingang eines Vergleichers 42 und 44 zugeführt Die Ausgangsspannung des Sensors 2 wird dem jeweiligen zweiten Eingang der Vergleicher 42 und 44 zugeführt Wenn sie die Spannung Voj überschreitet, ändert sich das Ausgangssignal des Vergleichers 42 von hohem zu niedrigem Pegel. Oberschreitet sie die Spannung Vga so ändert sich das Ausgangssignal des Vergleichers 44 von hohem zu niedrigem PegeL

Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Spannungsteiler 46, 47 und 48, 49 jeweils durch ein Potentiometer ersetzt werden, so daß eine individuelle Feineinstellung der Referenzspannungen möglich ist

Wenn der Widerstand des Sensors 2 für die Blutalkoholgehalte von 03 und 0,5 Promille R₀₃ bzw. R₀^ ist und das Potentiometer 8 auf den Widerstand

und der Spannungsteiler 48. 49 wird so bemessen,

10

20

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eingestellt ist, so wird der Spannungsteiler 46,47 so r> bemessen, daß

gen bestehende logische Schaltung ist an die Ausgänge der Vergleicher 42 und 44 angeschaltet. Diese Flip-Flops umfassen jeweils zwei NAND-Glieder 50,52 bzw. 54, 56. Diese NAND-Glieder sind wiederum mit Leuchtdioden 58, 60 und 62 verbunden, die die Anzeigeelemente darstellen.

Die vollständige logische Schaltung wird vorzugsweise in Form einer integrierten Anordnung verwirklicht.

Durch Schließen eines Schalters 64 werden die beiden SR-Flip-Flops auf ihren Nullzustand rückgestellt, und nur die Leuchtdiode 62 wird gezündet Wenn jedoch die Ausgangsspannung des Sensors 2 die Spannung V₀₃ überschreitet, so wird das zugeordnete SR-Flip-Flop auf den Zustand 1 gesetzt und die Leuchtdiode 62 gelöscht, während die Leuchtdiode 60 gezündet wird. Wenn die Ausgangsspannung des Sensors 2 die Spannung V0.5 überschreitet, wird das zweite SR-Flip-Flop auf den Zustand 1 gesetzt, wodurch die Leuchtdiode 60 gelöscht und die Leuchtdiode 58 gezündet wird. Wenn die Ausgangsspannung des Sensors 2 dann verringert wird, so beeinflußt dies nicht den Zustand der SR-Flip-Flops. Sie können nur durch Schließen des Schalters 64 rückgestellt werden.

Ein wichtiges Merkmal der Einrichtung besteht darin, daß die logische Schaltung mit TTL- Elementen aufgebaut ist, so daß die Ausgangssignale der SR-Fiip-Flops die drei Leuchtdioden 58, 60 und 62 direkt ansteuern können. Dadurch wird eine Anzeige unmittelbar ohne ein besonderes Befehlssignal abgegeben, und es ist keine besondere Spannungsquelle für die Anzeigeelemente erforderlich.

Die Vergleicher 28, 36,42 und 44 sind vorteilhaft als integrierte Schaltungen aufgebaut

Die in der Einrichtung vorhandenen Leuchtdioden sind vorteilhaft in verschiedenen Leuchtfarben ausgeführt. So ist beispielsweise die Leuchtdiode 32 rot, die Leuchtdiode 40 grün, die Leuchtdiode 58 rot, die Leuchtdiode 60 gelb und die Leuchtdiode 62 grün.

Folgende elektrischen Werte für die in der Figur gezeigte Schaltung verwendeten Bauteile haben sich als günstig erwiesen:

1 +

Hierbei ist Ucc die von der Regelschaltung 16 abgegebene Speisespannung. ->o

Wenn der Quotient Ro₃ZRoS für unterschiedliche Exemplare des Sensors konstant ist so sind die Spannungen V₀J und Vfo für alle Sensoren gleich, und die Einrichtung kann lediglich durch Verstellen des Potentiometers 8 geeicht werden. =>■;

Um eine ausreichend genaue Arbeitsweise der Einrichtung zu erzielen, ist es wichtig, daß die Referenzspannungen für die Vergleicher 42 und 44 über Spannungsteiler von einer Konstantspannungsquelle abgeleitet werden. Der Einsatz von Zenerdioden zu wi diesem Zweck ermöglicht keine ausreichende Genauigkeit Die starke Temperaturdrift der Zenerdioden ist ein weiterer Faktor, der sie als Referenzspannungsquellen für eine Einrichtung der hier beschriebenen Art ungeeignet macht bs

Eine aus zwei SR-Flip-Flops mit invertierten Eingän-

Einstellwiderstand !8 Potentiometer 26 Potentiometer 8 Widerstand 66 Widerstand 22 Widerstand 24 Widerstand 30 Widerstand 38 Widerstand 68 Widerstand 70 Widerstand 72 Widerstand 74 Widerstand 76 Widerstand 34 Widerstand 46 Widerstand 47 Widerstand 48 Widerstand 49

470 Ohm

5kOhm

1,2 kOhm + 5%
330 Ohm + 5%
33 kOhm + 5%
10 kOhm + 5%
330 Ohm + 5%
10 kOhm + 5%
10 kOhm + 5%
100 Ohm + 5%
Xi kOhm + 5%
100 Ohm + 5%
1,2 kOhm + 5%
7,5kOhm + 1%
9,1 kOhm T 1%
9,1 kOhm + 1%
7,5kOhm T 1%

Die vier Vergleicher 28,36,42 und 44 können durch eine integrierte Schaltung LM 3302 gebildet werden. Die vier NAND-Glieder 50,52,54 und 56 können durch eine integrierte Schaltung SN 7400 gebildet werden. Die Regelschaltung 16 ist unter der Bezeichnung LM 317 MP handelsüblich.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Bestimmung des Blutalkoholgehalts, mit einem Sensor zur Abgabe eines den Alkoholanteil von einer Testperson ausgeatmeter Luft: angebenden Signals, mit mindestens zwei Ver.gleichsvorrichtungen zum Vergleich dieses Signaiis mit mindestens zwei voreingestellten Referenzwerten, mit durch das Vergleichsergebnis betitigten Leuchtdioden zur Anzeige des Blutalkoholgjehalts, und mit einer Spannungsquelle, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus TTL-Elementen aufgebaute logische Schaltung die Leuchtdioden (58,60,62) selektiv abhängig von dem genannten Vergleichsergebnis direkt steuert, welche Schaltung wenigstens zwei jeweils aus zwei NAND-Gliedern aufgebaute SR-Flip-Flops (50, 52; 54, 56) urafaßt, die je an den Ausgang einer der Vergleichsvorrichtungen (42, 44) angeschlossen sind, daß das Ausgangssignal des Sensors (2) an einen mit dem Sensor in Reihe geschalteten Potentiometer (8) abgegriffen ist und daß die Spannungsquelle (12) über eine Regelschaltung (16), die eine vom Zustand der Spannungsquelle (12) unabhängige konstante Ausgangsspannung abgibt, allein alle für die Speisung des Sensors (2), der Vergleichsvorrichtungen, der logischen Schaltung und der Leuchtdioden erforderlichen Spannungen liefert.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kontrollschaltung vorgesehen ist, die eine Vergleichsvorrichtung (28) umfaßt, der über einen Spannungsteiler (24, 26) die Ausgangsspannung der Regelschaltung (16) und eine von einer Zenerdiode (20) vorgegebene Referenzspannung a zuführbar ist und die an ein Anzeigeorgan (32) zur Anzeige des Abfalls der genannten Ausgangsspannung unter einen vorbestimmten Wert angeschlossen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die logische Schaltung zwei SR-Flip-Flops (50, 52; 54, 56) umfaßt, die mit drei Leuchtdioden (58,60,62) so verbunden sind, daß eine erste Leuchtdiode (62) betätigt ist, wenn das Ausgangssignal des Sensors (2) unter dem ersten 4^r> Referenzwert (V₀S) liegt, daß die erste Leuchtdiode (62) gelöscht und die zweite Leuchtdiode (60) betätigt ist, wenn das Ausgangssignal des Sensors (2) zwischen dem ersten und dem zweiten Referenzwert (V03, Vas) liegt und daß die dritte Leuchtdiode (58) >o betätigt und die zweite Leuchtdiode gelöscht ist, wenn das Ausgangssignal des Sensors (2) den zweiten Referenzwert (Vo,s) überschreitet.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die logische Schaltung (50, 52, 54, 56) insgesamt in integrierter Technik aufgebaut ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Vergleichsvorrichtungen (42,44) erforderlichen Referenzwerte «> als Referenzspannungen an mit der Spannungsquelle (12) verbundenen Spannungsteilern (46, 47; 48, 49) bzw. Potentiometern abgegriffen sind.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzwerte in μ Form von Referenzspannungen so eingestellt sind, daß der erste Referenzwert einem Blutalkoholgehalt von 0.3 Promille und der zweite Referenzwert einem

Blutalkoholgehalt von 04 Promille entspricht

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (2) ein Gassensor ist, dessen Widerstand durch den Alkoholgehalt ausgeatmeter Luft veränderbar ist

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Kontrollschaltung (30,34, 36, 40) zur Anzeige der Erwärmung des Sensors (2) auf eine vorgegebene Betriebstemperatur vorgesehen ist

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrollschaltung (30, 34, 36, 40) eine Vergleichsvorrichtung (36) enthält

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Vergleichsvorrichtungen (28, 36, 42, 44) in integrierter Technik aufgebaut sind.