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Verfahren und Anordnung zur Bestimmung der Alkoholkonzentration
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des Bluts Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der
Alkoholkonzentration der Atemluft, bei welchem ein der Alkoholkonzentration der
Atemluft entsprechendes Alkoholsignal mit einem Schwellwert verglichen und abhängig
von dem Schwellwert ein die Gültigkeit der Alkoholmessung repräsentierendes Signal
erzeugt wird.
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Die Erfindung betrifft ferner eine nach einem derartigen Verfahren
arbeitende Anordnung.
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Aus der DE-OS 23 64 11o ist ein Alkoholtestgerät bekannt, mit dessen
Hilfe das Starten eines Kraftfahrzeugs verhindert werden soll, wenn die Alkoholkonzentration
im Blut des Fahrers einen vorbestimmten Wert überschreitet. Da die Alkoholmessung
unbeaufsichtigt
durchgeführt wird, sind Blasprobenfälschungen,
beispielsweise mittels eines Blasbalgs möglich, bei welchen dem Alkoholtestgerät
anstelle des Atems des Fahrers die Umgebungsluft zugeführt wird. Die Umgebungsluft
ist im wesentlichen frei von Alkoholdampf, während sich im Atem jeder Person Spuren
von Alkoholdampf und anderer reduzierender Gase finden. Der Schwellwert ist relativ
niedrig eingestellt, so daß er eine Unterscheidung zwischen der Umgebungsluft und
der Atemluft ermöglicht. Wird der Schwellwert überschritten, so erzeugt das Testgerät
ein die Gültigkeit der Alkoholmessung repräsentierendes Signal. Mit Hilfe des bekannten
Testgeräts kann zwar zwischen Umgebungsluft und Atemluft unterschieden werden, nicht
jedoch zwischen Totraumluft und Alveolarluft.
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Ein Verfahren, das die Messung der Alkoholkonzentration an Alveolarluft
ermöglicht, ist aus der DE-OS 26 1o 578 bekannt.
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Bei diesem Verfahren gibt ein Alkoholmeßgerät den in der Ausatemluft
festgestellten Wert der Alkoholkonzentration erst dann weiter, wenn die auf die
Höhe des Alkoholsignals bezogene zeitliche Änderung des Alkoholsignals unter einem
vorgegebenen Schwellwert liegt. Dieses Verfahren ist lediglich dann durchführbar,
wenn die Strömungsgeschwindigkeit der Aus atemluft hierbei über einem vorgegebenen
Schwellwert liegt und diese Bedingung für eine vorgegebene Zeit ununterbrochen eingehalten
wurde. Dieses Verfahren arbeitet lediglich dann einigermaßen zufriedenstellend,
wenn sich das Alkoholsignal in Abhängigkeit von der Zeit stetig ändert. Dies ist
in der Praxis jedoch nicht der Fall. Unter Ruhebedingungen wird nicht die gesamte
Lungenoberfläche für den Gasaustausch benötigt. Als Folge davon können Alveolen
verschiedener Lungenbereiche. kollabieren, die damit nur mehr mangelhaft belüftet
und nur partiell durchblutet werden. Lediglich bei körperlicher Belastung wird die
gesamte Lunge für den Gasaustausch eingesetzt.
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Zur Durchführung der Atemalkoholprobe muß tief eingeatmet werden,
um die Messung an Alveolarluft durchführen zu können.
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Hierbei werden alle Alveolen aufgebläht. Beim Ausatmen ergeben sich
durch die vorher unterschiedlichen Belüftungsverhältnisse zeitliche Schwankungen
der Alkoholkonzentration.
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Bei dem vorstehend erläuterten Verfahren kann die zeitliche Änderung
des Alkoholsignals aufgrund derartiger Schwankungen den vorgegebenen Schwellwert
bereits unterschreiten, selbst wenn die Messung tatsächlich nicht an Alveolarluft
durchgeführt wurde. Das bekannte Verfahren kann aus diesem Grund zu Fehlmessungen
führen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben,
bei welchem unabhängig von zeitlichen Schwankungen der Alkoholkonzentration der
Atemluft sichergestellt ist, daß die Alkoholmessung an Alveolarluft der Lunge durchgeführt
wird.
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Ausgehend von dem eingangs näher erläuterten Verfahren wird diese
Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Schwellwert um einen vorgegebenen
Schwellwertschritt erhöht wird, wenn das Alkoholsignal den Schwellwert überschreitet
und daß das die Gültigkeit der Alkoholmessung repräsentierende Signal erzeugt wird,
wenn das Alkoholsignal innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls nach der letzten
Schwellwerterhöhung unter dem Schwellwert bleibt und eine vorgegebene Anzahl dieser
Zeitintervalle, mindestens jedoch eines, verstrichen ist.
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Bei diesem Verfahren wird der Schwellwert schrittweise gesteigert,
wenn das Alkoholsignal über den Schwellwert hinaus angestiegen ist. Die Schwellwertänderung
ist zu jedem Zeitpunkt des Ausatemvorgangs möglich. Da die Alkoholkonzentration
bei Messung an Alveolarluft einen Sättigungszustand erreicht hat und im wesentlichen
konstant bleibt, kann das diesen Zustand anzeigende, die Gültigkeit der Alkoholmessung
repräsentierende Signal erzeugt werden, wenn sich der Schwell-
wert
innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls nicht mehr ändert. Prinzipiell genügt
ein einziges Zeitintervall, die Genauigkeit läßt sich jedoch erheblich steigern,
wenn mehrere dieser Zeitintervalle daraufhin überwacht werden, ob der Schwellwert
erhöht wurde.
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Eine bevorzugte, nach dem Verfahren arbeitende Anordnung ist dadurch
gekennzeichnet, daß der Komparator den Schwellwertgeber so steuert, daß dieser das
Schwellwertsignal in vorgegebenen Schwellwertschritten erhöht, wenn das Alkoholsignal
den Schwellwert überschreitet und daß die Steuereinrichtung eine jeweils bei Erhöhung
des Schwellwertsignals auslösbare Zeitstufe sowie einen bei Ablauf des durch die
Zeitstufe festgelegten Zeitintervalls fortschaltbaren Zähler aufweist, der nach
einer vorgegebenen Anzahl Zählschritte das die Gültigkeit der Alkoholmessung repräsentierende
Signal abgibt. Vorteil dieser Anordnung ist, daß selbst relativ spät innerhalb des
Ausatemvorgangs auftretende Änderungen der Alkoholkonzentration noch erfaßt werden
können, selbst wenn zwischen den Schwellwertänderungen Zeiträume liegen sollten,
die größer als die durch die Zeitstufe vorgegebenen Zeitintervalle sind. ~ In einer
bevorzugten Ausgestaltung weist der Schwellwertgeber einen Impulsgenerator und einen
über ein Tor an den Impulsgenerator angeschlossenen Zähler für die Impulse des Impulsgenerators
auf, wobei der Komparator ein dem Inhalt des Zählers proportionales Signal mit dem
Alkoholsignal vergleicht und das Tor für die Impulse öffnet, wenn das Alkoholsignal
kleiner ist als dieses Signal. Sofern das Alkoholsignal in digitaler Form vorliegt,
kann es sich bei dem Komparator um einen digitalen, zahlenmäßig vergleichenden Vergleicher
handeln. Bei analogen Alkoholsignalen ist bevorzugt zwischen den Zähler und den
Komparator ein Digital-
Analog-Wandler geschaltet.
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Zweckmäßigerweise ist der Auslöseeingang der Zeitstufe mit dem Ausgang
des Tores verbunden, so daß die Zeitstufe bei jedem Impuls des Impulsgenerators,
der das Tor passiert, neu gesetzt wird.
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Bei der Zeitstufe kann'es sich um ein Monoflop oder dergleichen handeln.
Geeignet sind insbesondere Ausführungsformen, bei welchen die Zeitstufe einen von
einem Impulsgenerator fortzählbaren, zum Auslösen der Zeitstufe rücksetzbaren Ringzähler
aufweist. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß mit ihrer Hilfe kontinuierlich
Zeitintervalle gezählt werden können, ohne daß nach jedem Zeitintervall die Zeitstufe
erneut ausgelöst werden müßte, wie es bei einem Monoflop der Fall wäre. Der die
vorbestimmte Anzahl Zeitintervalle der Zeitstufe zählende Zähler kann an einen geeigneten
Ausgang, beispielsweise dem überlaufausgang des Ringzählers angeschlossen sein.
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Das die Gültigkeit repräsentierende Signal kann beispielsweise in
Verbindung mit anderen, durch weitere Parameter der Alkoholmessung bestimmten Gültigkeitssignalen
verknüpft sein und zum Beispiel die Anzeigeeinrichtung des Alkoholmeßgeräts helltasten,
so daß die Alkoholkonzentration abgelesen werden kann. Hier und im folgenden soll
unter dem die Gültigkeit repräsentierenden Signal jedoch auch das negierte Signal
verstanden werden, welches die Gültigkeit der Alkoholmessung dadurch anzeigt, daß
es bei gültiger Messung nicht vorhanden ist. Um die Bedienung des Alkoholmeßgeräts
zu erleichtern, kann auch die Ungültigkeit der Messung angezeigt werden.
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Einer der Parameter,der bei der Erzeugung des die Gültigkeit der Alkoholmessung
repräsentierenden verknüpften Signals be-
rücksichtigt werden kann,
ist das Blasende des Atemvorgangs.
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Ein das Blasende repräsentierendes Signal kann mittels einer auf die
Atemluftströmung ansprechenden Stufe erzeugt und zusammen mit dem die Messung an
Alveolarluft repräsentierenden Gültigkeitssignal einer Koinzidenz stufe zugeführt
werden, die bei Gleichzeitigkeit der Signale beispielsweise eine Anzeigeeinrichtung
auslöst. Bei einer derartigen, auf das Blasende ansprechenden Stufe kommt es darauf
an, daß sie Anfang und Ende des Ausatemvorgangs möglichst verzögerungsfrei erfaßt.
Eine Schaltung, die hierzu in der Lage ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß die
auf die Atemluftströmung ansprechende Stufe eine mit zwei Stromquellen verbundenen,
dem Atemluftstrom ausgesetzten Heißleiter aufweist und daß eine der beiden Stromquellen
von einem die Spannung am Heißleiter mit einer Bezugsspannung vergleichenden Komparator
steuerbar ist. Die nicht steuerbare Stromquelle heizt den Heißleiter auf eine bestimmte
Temperatur, in welcher er sich im Gleichgewicht mit der Umgebungstemperatur befindet.
Durch Anblasen wird der Heißleiter gekühlt und ändert seinen Widerstand, was zur
Erkennung des Blasvorgangs ausgenutzt werden kann. Der Heißleiter braucht jedoch
eine gewisse Zeit, bis das Gleichgewicht hergestellt ist. Mit Hilfe der steuerbaren
Stromquelle kann der Aufheizvorgang des Heißleiters nach Aufhören des kühlenden
Atemluftstroms aufgrund der dem Heißleiter zugeführten höheren Leistung beschleunigt
werden. Die dem Heißleiter während der Blasvorgangs zugeführte höhere Leistung führt
aufgrund der Kühlung durch den Atemluftstrom nicht zur Zerstörung des Heißleiters.
Die vorstehend erläuterte Schaltung ist nicht nur zur Erkennung von Atemluftströmungen
in Atemalkoholmeßgeräten geeignet, sondern hat auch unabhängig von solchen Meßgeräten
allgemeine Bedeutung bei der Erkennung von Gas- oder Flüssigkeitsströmungen.
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Im folgenden solldie Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert
werden. Es zeigt Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Atemalkoholmeßgeräts;
Fig. 2a bis c Zeitdiagramme von an unterschiedlichen Stellen der Schaltung nach
Fig. 1 auftretenden Signalen und Fig. 3 ein Schaltbild einer in der Schaltung nach
Fig. 1 verwendbaren, auf die Atemluftströmung ansprechenden Stufe.
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In der Schaltung nach Fig. 1 erzeugt ein im Atemluftstrom angeordneter
Meßsensor 1 ein der Alkoholkonzentration der Atemluft proportionales Alkoholsignal
U, welches dem einen Eingang eines Komparators 3 zugeführt wird. An den anderen
Eingang des Komparators 3 ist der Ausgang eines Digital/Analog-Wandlers 5 angeschlossen,
der mit einem Zähler 7 verbunden ist und ein dem Inhalt des Zählers 7 proportionales
Signal abgibt. Der Zähler 7 zählt Impulse eines Impulsgenerators 9, die ihm über
ein Tor, beispielsweise ein UND-Gatter 11,zugeführt werden.
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Das UND-Gatter 11 wird vom Komparator 3 gesteuert. Der Digital/Analog-Wandler
5, der Zähler 7, der Impulsgenerator 9 und das UND-Gatter 11 bilden einen Schwellwertgeber,
dessen an den Komparator 3 abgegebenes Schwellwertsignal schrittweise erhöht werden
kann. Das UND-Gatter 11 ist für die Impulse des Impulsgenerators 9 gesperrt, so
lange das Alkoholsignal U kleiner als das vom Digital/Analog-Wandler 5 abgegebene
Schwellwertsignal ist. Ist das Alkoholsignal U größer als das Schwellwertsignal,
so öffnet der Komparator 3 das UND-Gatter 11 und der Inhalt des Zählers 7 wird durch
einen oder mehrere aufeinanderfolgende Impulse des Impulsgenerators 9 so lange erhöht,
bis das Schwellwertsignal wieder größer ist als das Alkoholsignal U. Jedem Impuls
des Impulsgenerators 9 entspricht somit ein Schwellwertschritt vorgegebener Größe.
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Fig. 2a zeigt den Verlauf der Alkoholspannung U abhängig von der Zeit
t. Fig. 2b läßt in Verbindung mit Fig. 2a erkennen, daß jeweils dann ein Impuls
R das UND-Gatter 11 passiert, wenn die Alkoholspannung U um einen dem Zählschritt
entsprechenden Schwellwertschritt tU angewachsen ist. Solange das Alkoholsignal
U rasch anwächst, folgen die Impulse R häufig aufeinander. Nähert sich das Alkoholsignal
dem Sättigungswert, so wächst der Abstand der Impulse R.
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Die Impulse R lösen eine Zeitstufe 13 aus, die mit der Periodendauer
At aufeinanderfolgende Impulse T (Fig. 2c) abgibt. Die Zeitstufe 13 umfaßt einen
Ringzähler 15, der Impulse eines Impulsgenerators 17 kontinuierlich zählt. Der Ringzähler
15 ist mit seinem Rücksetzeingang an den Ausgang des UND-Gatters 11 angeschlossen
und wird von den Impulsen R in eine vorbestimmte Zählstellung, beispielsweise 0,
rückgesetzt. Die Zählkapazität des Ringzählers 15 und die Frequenz des Impulsgenerators
17 bestimmen die Periodendauer ~ist, mit der die Impulse T aufeinanderfolgen. Die
beispielsweise vom Überlauf des Ringzählers 15 erzeugten Impulse T werden in einem
Zähler 19 gezählt. Der Zähler 19 gibt an einem einer vorbestimmten Anzahl Impulse
T entsprechenden Ausgang ein die Gültigkeit der Alkoholmessung repräsentierendes
Signal ab, welches ein Flip-Flop 21 setzt.
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An den bei gesetztem Flip-Flop eingeschalteten Ausgang des Flip-Flops
21 ist eine Anzeigeeinrichtung 23, beispielsweise eine Signallampe, angeschlossen.
Ebensogut kann von diesem Ausgang des Flip-Flops 21 eine Hellsteuerung für die im
übrigen nicht näher dargestellte Anzeigeeinrichtung des Meßgeräts angeschlossen
sein, an der die Alkoholspannung U zahlenmäßig abgelesen werden kann.
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Wie Fig. 2a zeigt, ändert sich das Alkoholsignal U ungleichmäßig in
Abhängigkeit von der Zeit, wobei bereits vor Erreichen des tatsächlichen Sättigungszustands
Zeitbereiche existieren
können, in welchen sich das Alkoholsignal
U nur wenig ändert.
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Folgen die Impulse R in Abständen größer als das Zeitintervall dt
aufeinander, so zählt der Ringzähler 15 vollständig um und erzeugt mit jedem Umlauf
einen der Impulse T. Die Impulse T werden von dem Zähler 19 gezählt, unabhängig
davon, ob der Ringzähler nachfolgend wieder rückgesetzt wird. In einer bevorzugten
Ausführungsform ist der Digital/Analog-Wandler 5 so ausgelegt, daß er den Schwellwert
in Schritten von 0,1 %o der Blutalkoholkonzentration erhöht. Der Ringzähler 15 und
die Frequenz des Impulsgenerators 17 sind so bemessen, daß das Zeitintervall At,
mit welchem die Impulse T ohne Rücksetzung des Ringzählers 15 aufeinanderfolgen,
eine Sekunde beträgt.
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Der Zähler 19 gibt das die Gültigkeit repräsentierende Signal beispielsweise
nach 4 Zählschritten ab.
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Da der Zähler 19 auch nach Blasende weiterzählen würde, ist das negierte
Ausgangssignal des Flip-Flops 21 über ein UND-Gatter 25 mit dem Ausgangssignal einer
auf die Atemluftströmung ansprechenden Stufe 27 verknüpft. Eine an das UND-Gatter
25 angeschlossene Anzeigeeinrichtung 29 zeigt eine Fehlmessung an, wenn der an und
für sich die Gültigkeit anzeigende Zählinhalt des Zählers 19 erst nach Blasende
erreicht wurde.
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Andere Schaltungen zur Verknüpfung des Blasendes mit dem die Gültigkeit
repräsentierenden Signal können ebenfalls benutzt werden.
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Fig. 3 zeigt eine bevorzugte, auf Luftströmungen ansprechende Stufe,
wie sie für die Stufe 27 benutzt werden kann. Die Schaltung weist einen im Atemluftstrom
angeordneten Heißleiter 51 auf, welcher zwischen eine mit einem Betriebsspannungsanschluß
55 verbundene Stromquelle 53 und Masse geschaltet ist. Die Stromquelle 53 ist vorzugsweise
eine Konstantstromquelle. An dem Verbindungspunkt des Heißleiters 51 und der Stromquelle
53 ist der invertierende Eingang eines Komparators 57
angeschlossen,
dessen nicht invertierenden Eingang eine Bezugsspannung Uref zugeführt wird. Am
Ausgang 59 des Komparators 57 ist über einen als Strombegrenzung dienenden Widerstand
61 die Basis eines Transistors 63 angeschlossen, dessen Emitter über einen Widerstand
65 mit der Betriebsspannungsquelle 55 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors
63 ist an den Verbindungspunkt des Heißleiters 51 und der Stromquelle 53 angeschlossen.
Zur Vorspannungserzeugung des Transistors 63 sind zwischen die Basis des Transistors
63 und den Betriebsspannungsanschluß 55 zwei in Serie geschaltete Dioden 67 angeschlossen.
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Der Transistor 63 bildet zusammen mit dem Widerstand 65 eine vom Ausgangssignal
des Komparators 57 steuerbare Stromquelle, die der Stromquelle 53 parallelgeschaltet
ist.
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Die Stromquelle 53 bestimmt den Ruhestrom des Heißleiters 51 und dessen
sich hierbei einstellende Temperatur. Wird der Heißleiter 51 angeblasen, so wird
er gekühlt, womit sein Widerstand steigt. Bei Blasende muß sich der Heißleiter 51
wieder erwärmen. Die steuerbare Stromquelle 69 verkürzt die zum Einstellen der Gleichgewichts
lagen erforderlichen Zeiten. Solange der Heißleiter 51 nicht angeblasen wird, ist
er relativ niederohmig. Mit Beginn des Anblasens wird er gekühlt, so daß sein Widerstand
wächst.
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Mit wachsendem Widerstand nimmt auch der vom Komparator 57 mit der
Bezugsspannung Uref verglichene Spannungsabfall an dem Heißleiter 51 zu, so daß
bei Überschreiten der Bezugsspannung Uref die zusätzliche Stromquelle 69 eingeschaltet
wird. Der Strom der zusätzlichen Stromquelle führt aufgrund der Kühlung des Heißleiters
51 beim Anblasen nicht zur Zerstörung. Bei Blasende heizt die zusätzliche Stromquelle
69 den nicht mehr gekühlten Heiß-
leiter 51 sehr rasch auf. Der
Heißleiter wird dadurch rasch niederohmig, womit der Komparator die Stromquelle
69 wieder abschaltet. Das Signal am Ausgang'59 wechselt vom Pegel 1 beim Anblasen
auf den Pegel 0 und bezeichnet Anfang und Ende des Blasvorgangs, wobei insbesondere
das Blasende durch einen relativ steilen Signalübergang bezeichnet wird.
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L e e r s e i t e