DE2906876C2 - Verfahren und Anordnung zur Bestimmung des Meßzeitpunktes bei Kontrollgeräten für den Alkoholgehalt in der ausgeatmeten Luft - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren entsprechend dem Gattungsbegriff des Anspruches 1 und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Nach der bekannten Auffassung über den Mechanismus 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 Alkohoüionzentration in der Ausatemluft sich nicht nur aus dem in der Lunge bewirkten Gasaustausch mit dem Blut und aus dem Totraum ergibt, sondern ganz wesentlich auch von 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 Zeitintervalls bestimmt. Der Atemluftdurchsatz darf dabei innerhalb dieses Zeitintervalls 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

ίο Mundhöhle und der Luftröhre ausgeatmet hat und das Meßgerät dann die Alkoholkonzentration der Atemluft aus den Alveolen der Lunge mißt. Der Ablauf des vorgegebenen Zeitintervalls wird durch den Zeitpunkt bestimmt, zu dem ein Mindestatemluftvolumen von vorzugsweise mindestens 80% des gesamten Atemluftvolumens abgeatmet ist Ein Integrator kann den Atemluftdurchsatz be^;m Ein- und Ausatmen zeitlich integrieren und daraus den Ablauf des Zeitintervalls 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

2-> 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 entscheidenden Alveolarluft

so wird dann nicht voll erfaßt (DE-OS 24 28 352).

Eine Weiterentwicklung dieser bekannten Anordnung soll die korrekte Messung ohne einen festgelegten Mindestdurchsatz, der dann nicht von allen zu Prüfenden erreicht werden kann, und ohne vorgebbarcs

v> Zeitintervall ermöglichen. Statt dessen gelten hier die beiden Bedingungen, daß das von einer Volumenmeßeinrichtung während des Ausatmens kontinuierlich ermittelte Atemluftvolumen zum Zeitpunkt der Messung einen vorgegebenen Wert übersteigen muß und die

v) Atemluft bis zum Erreichen des vorgegebenen Werts nicht in Einatemrichtung geströmt ist. Ist die zweite Bedingung nicht erfüllt, so stellt ein Fehlerdetektor die Ungültigkeit der Messung fest. Sind beide Bedingungen erfüllt, so gibt der Fehlerdetektor ein die Gültigkeit der

4i Messung bezeichnendes Signal ab. Eine Sicherheit gegen Meßfehler wird jedoch nicht erreicht, denn durch die körperlichen Unterschiede der zu Prüfenden kann ein allgemein zutreffender Mindestwert für das Atemluftvolumen nicht vorgegeben werden, der einerseits auch von Personen mit kleiner Lungenkapazität erbracht werden kann und andererseits bei Personen mit großer Lungenkapazität das Vorliegen reiner Alveolarluft sichern würde. Eine individuelle Vorgabe des Mindestwerts ist auf Schätzungen angewiesen und Fehlern und Täuschung ausgesetzt. Durch die Notwendigkeit der Überwachung des Atemluftvolumens und der Strömungsrichtung ergibt sich eine aufwendige Ausführung(DE-OS 26 54 248).
Ein bekanntes Verfahren zur Erkennung und Abtrennung des Alveolarluftanteiles aus der Atemluft und die zugehörige Anordnung gehen von der Überlegung aus, daß die Temperatur der Ausatemluft eine Funktion des ausgeatmeten Volumens ist und mit dem Beginn des Ausatmens des Alveolarluftanteiles ein

b5 konstantes Niveau erreicht. Die Anstiegsgeschwindigkeit der Temperatur ist dabei gegen Null gegangen. Mit Rücksicht auf die individuellen Schwankungen der absoluten Höhe der alveolaren Atemlufttemperaturen

wird als Kriterium die Temperaturänderung der Ausatemluft verfolgt, während die Ausatemluft durch ein mit Ventilen ausgerüstetes Atemluftrohr über einen Temperaturfühler in die Umgebung ausgeblasen wird. Wenn die zeitliche Änderung der Temperatur einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet, wird eine Umschaltung der Ventile am Aterduftrohr ausgelöst. Die weitere Atemluft wird dann einer Meßkammer zugeleitet, in der der gewünschte Atemgasbestandteil festgestellt wird. Zur Sicherung gegen eine Verfälschung der Meßwerte durch nicht kontinuierliches Ausatmen oder Rückatmung erfolgt die Umschaltung der Ventile nur, wenn durch einen im Atemluftrohr angeordneten Strömungsmesser eine Mindestgeschwindigkeit der Strömung und ein geringer Oberdruck gegenüber der Atmosphäre festgestellt werden. Eine beheizte Wärmekapazität ist nicht vorhanden und somit auch eine Bestimmung des Meßzeitpunktes aufgrund der Abkühlung einer solchen Wärmekapazität nicht durchführbar (DE-AS 28 16 499).

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 CO2-Gehalt ein Maß für den Austausch des O2 in der Lunge ist, muß ein hoher CCb-Gehalt auf Atemluft aus der Lunge hinweisen. Das Meßgerät mißt zur Prüfung zuerst laufend den CO?-Gehalt der ausgeatmeten Luft, um nach Erreichung des vorgegebenen Schwellwertes — nach dem Ausführungsbeispiel sind es 4,5% CO2 — den Alkoholmeßteil einzuschalten, um dann den Atemalkoholgehalt zu messen. Eine Ungenauigkeit 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, wk; 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).

i) Generell läßt sich der Stand der Technik in zwei Kategorien einteilen:

a) Abatmung eines Mindestvolumens als Produkt Flow χ Zeit als Integral über den Flow oder

.·(> volumetrisch;

b) Korrelation mit dem zeitlichen Verlauf der sich während der Ausatmung ändernden Gasparameter, wie z. B. der Temperatur, der Alkohollconzentration oder der CCVKonzentration.

Nachteilig an der Kategorie a) ist, daß die Festlegung des Mindestvolumens nicht für jeden Probanden individuell geschieht jnd daß nicht neuen Messungen Rechnung getragen wird, die erwiesen haben, daß die

in 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.

J) Wenn der Probarid vor der Ausatmung die Luft vorübergehend anhält, ergibt sich bereits nach Abatmung eines relativ kleinen Volumens ein hoher Alkohuivvort. Ein weiteres Merkmal dieser Kategorie a) ist. daß der Fiow 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 GCVSensor, verwendet werden müssen bzw. daß die Korrelation wie über die

4") Temperatur nicht zuverlässig nachweisbar ist.

Die Aufgabe der Erfindung ist ein einfaches und zuverlässiges Verfahren und eine Anordnung dazu zur Bestimmung des Meßzeitpunktes bei Kontrollgeräten für den Alkoholgehalt in der ausgeatmeten Luft, mit ι) dem die ganze Vielfalt möglicher Probanden unter allen Umgebungsbedingungen erfaßt wird.

Die Lösung der Aufgabe, soweit sie das Verfahren umfaßt, erfolgt gemäß dem Kennzeichen des Anspruches 1. Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens ist im Anspruch 2 beschrieben.

Das Verfahren 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

w) auch aus den übrigen Atemorganen zusammensetzt. Es kann daher auch die zu Beginn der Ausatmung strömende Atemluft zur Bestimmung des Meßzeitpunk- <es ausgenutzt werden. Die Einleitung der Ausatemluft in die Meßkammer, also der Probe für das Alkoholmeß-

b3 gerät, erfolgt mit dem Erreichen der Abkühlung der Wärmekapazität C um die Temperatur AT. Die Abkühlung ist von dem insgesamt vorbeigeströmten Luftvolumen und der Zeitdauer, in der es vorbeiströmt,

abhängig. Die Bedingung für den Zeitpunkt der Probennahme ist daher entweder durch ein in kurzer Zeit abgeatmetes großes Volumen oder durch ein in längerer Zeit abgeatmetes kleines Volumen erfüllt. In beiden Fällen erhäit man zuverlässige Alkoholmeßwer- ■> te. Die individuellen Unterschiede der einzelnen Probanden wirken sich dabei nicht auf das Meßergebnis aus.

Zur Bestimmung des Meßzeitpunktes muß lediglich die Temperaturdifferenz ΔTan der Wärmekapazität C in festgestellt werden. Komplizierte Volumenmessungen der abgeatmeten Luft und/oder Strömungsmessungen, möglicherweise zusätzlich bezogen auf die Meßzeiten, sind nicht notwendig.

Mit der Beheizung der Wärmekapazität C auch r, während der Probennahme lassen sich in einfacher Weise extreme Umweltbedingungen ausgleichen.

Die Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Kennzeichen des Anspruches 3 mit den vorteilhaften Weiterbildungen in den Ansprüchen 4 und >u 5 zeigen den zur Durchführung des Verfahrens nur notwendigen einfachen Aufbau. Es wird lediglich die Wärmekapazität C benötigt. Sie besteht aus zuverlässigen Bauteilen, die auch in bezug auf mögliche Nachjustierungen keine Probleme bringen. 2>

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

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

Die durch die Gasströmung hervorgerufene, vorgege- a bene Temperaturänderung Δ T wird durch eine dazu proportionale abgeführte Wärmemenge ΔΟ erreicht. Beide hängen von der Zeitdauer der Gasströmung und dem dabei herrschenden Gasdurchsatz V ab. So ist bei

einem zylindrischen Körper die Abkühlung —— der ⁴"

dt

Wurzel aus dem Gasdurchsatz proportional. Bei Vorgabe einer festen Temperaturänderung Δ T an der Wärmekapazität C 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 P₀, die die Wärmekapazität C auf Anfangstemperatur 7o bringt, auch eine möglicherweise unerwünschte Eigenabkühlung ohne Gasdurchsatz erfolgt WQl man diese Eigenabkühlung vermeiden, kann man die Heizleistung Po auch nach Beginn der Ausatmung konstant weiter der Wärmekapazität Czuführen.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt F i g. 1 das atemgasführende Rohr,

Fig. 2 den Körper der Wärmekapazität C F i g. 3 die elektrische Schaltung.

Wesentliches Bauelement ist die im Ausatemluftstrom angeordnete Wärmekapazität C Sie 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 F i g. 3. Der Temperaturregler 8 regelt die Heizung 4 auf die Anfangstemperatur To von z.B. 120⁰C, die über den Temperaturfühler 5 gemessen wird. Der Regler wird pulsweise über den Pulsgeber 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 dTals Temperaturänderung und di als Impulswiederholzeit zu—j—. Wenn

—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 Schwellwertkomparators 15 der Sample + hold-Kreis 13 angesteuert, der den bei Testbeginn gerade vorliegenden Temperaturwert Γι des Körpers 2 speichert

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 ί3 gespeicherten Temperaturwert die an dem Geber 19 eingestellte Temperaturdifferenz Δ Γ, 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 Γι— dTwird, steuert das Ausgangssignal des 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 AIkohol-Sensor51 ein.

AT

Falls der Schwellwert für—— an dem Schweflwertdr

komparator 15 unterschritten wird, bevor die Schweflwertbedmgung 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 Flip-Flop 24, das umschaltet, wenn an ihm eine negative Flanke des logischen Ausgangssignals vom Schwellwertkomparator 15 anliegt. Die Verschaltung des Flip-Flops 24 mit dem Flip-Flop 27 verhindert eine Löschung der »In-op«-An-

/eige, falls — mehrfach wechselnd unter und über der durch den Schwellwertgeber 16 vorgegebenen Schwelle

liegt. Erst die Betätigung der Reset-Taste 28 bringt bei Bereitstellung des Gerätes für einen neuen Probanden alle Flip-Flops, den Sample+ hold-Kreis 13 und das Zeitverzögerungsglied 21 wieder in die Ausgangslage. Das Zeitverzögerungsglied 21 hat erstens die Aufgabe, eine 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 zublasen.

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

Hm/u 2 Bkü!

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bestimmung des Meßzeitpunktes bei Kontrollgeräten für den Alkoholgehalt in der ausgeatmeten Luft, bei dem die geführte Ausatemluft nach dem Erreichen des Meßzeitpunktes in oder durch eine Meßkammer geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausatemluft im Wärmekontakt an einer vor Testbeginn auf eine Anfangstemperatur 7J aufgeheizten und mit Testbeginn nicht mehr beheizten Wärmekapazität C vorbeigeführt wird und der Meßzeitpunkt mit Einleitung der Ausatemluft in die Meßkammer (50) dann erreicht ist, wenn die Wärmekapazität C um die Temperatur Δ 7abgekuh.lt ist

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach Testbeginr. die Wärmekapazität C mit einer Wärmemenge beheizt wird, mit der die Eigenabkühlung Rn ohne Ausatemluftfluß ausgeglichen wird.

3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch eine in einem die Ausatemluft führenden Rohr(l) angeordnete Wärmekapazität C die durch einen mit einer elektrischen Heizung (4) und einem Temperaturfühler (5) ausgerüsteten, zwischen zwei wärmeisolierenden Stegen (3) angebrachten metallischen Körper (2) gebildet wird.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Körper (2) eine Form besitzt, mit der seine Abkühlgeschwindigkeit

—— die folgende Wurzelabhängigkeit
άι

durchsetz V hat: