KR100478280B1 - 에탄올증기농도측정방법및장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에탄올 증기 농도 측정장치 및 방법에 관계한다. 본 방법 및 장치는 피크높이에 도달되기 이전에 연료전지 출력의 일정한 상태 부위에 대한 그래디언트를 측정하고 그 측정치를 에탄올 증기 농도 신호 발생에 사용한다.

Description

에탄올 증기 농도 측정방법 및 장치

본 발명은 에탄올 증기 농도 측정방법에 관계하며, 특히 호흡 알코올 농도(BAC) 측정에 관계한다.

연료전지는 에탄올 증기 농도 탐지 또는 측정장치에서 광범위하게 사용된다. 알려진 바와 같이 연료전지에서 휘발성 성분의 산화는 작업전극과 상대전극간에 전위차가 생성되게 하며, 전위차는 휘발성 성분의 농도에 비례한다. 이러한 전위차는 전압 또는 전류를 모니터 함으로써 에탄올 증기의 정량적인 측정을 하는데 사용될 수 있으며, 기존의 측정방법은 곡선의 피크 높이나 곡선아래의 면적을 활용한다. 피크높이나 곡선아래의 면적으로부터 의미 있는 결과를 얻기 위해서 고정된 부피의 샘플이 연료전지에 적용되어야 하며 샘플링 시스템이 필요하다. 샘플을 연료전지 및 측정치 표시장치에 전달하는데 걸리는 시간은 20 내지 30초이다. 샘플링 시스템은 장치를 꽤 크고 비싸게 하지만 과도한 스크린 프로그램이 작동할 때 응답 시간은 빠르다.

도 1 은 전형적인 연료전지 출력을 나타내는 다이아그램이다.

도 2 는 본 발명장치에 사용하는 연료전지의 단면도이다.

도 3 은 도 2 연료전지를 포함한 호흡알콜 측정기의 개략도이다.

도 4 는 증기농도를 표시하기 위한 회로의 개략도이다.

도 5 는 특정 연료전지에서 초기 그래디언트와 에탄올 증기 농도간의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 6 은 특정 연료전지에서 초기 그래디언트와 온도간의 관계를 나타낸다.

* 부호 설명

10 ... 연료전지 11 ... 케이스

12 ... 연료전지 홀더 13 ... 연료전지

14,15 ... 전극 16,17 ... 접촉부

18 ... 입구 19 ... 막

20 ... 셔터 21 ... 튜브

22 ... 호흡 튜브 23 ... 샘플부분

24 ... 압력탐지기와 타이머의 조합

25 ... 클록 26 ... AND게이트

27 ... 그래디언트 측정회로 28,29 ... 라인

30 ... 비교기 31 ... 지연회로

32 ... 게이트 33 ... 라인

34 ... 연산장치 35 ... 디스플레이

본 발명의 한 측면은 다음으로 구성된 에탄올 증기 농도 측정방법이다:

샘플을 연료전지에 도입해서 증기 농도에 비례하는 출력을 발생시키고, 상기 출력은 초기 비선형 부위 이후에 일정한 속도로 피크까지 상승하며;

출력의 일정한 속도 부위의 그래디언트를 결정하고;

결정된 그래디언트로부터 에탄올 농도 신호를 발생한다.

따라서, 본 출원인은 그래프의 일정상태 부위의 그래디언트가 증기 농도에 비례하므로 연료전지를 에탄올 증기에 노출시킴으로써 매우 짧은 시간 후에(대체로 5초미만) 판독이 가능함을 발견하였다. 즉, 예전에 활용된 종류의 샘플링 시스템이 불필요하다.

출력 개시후 예정된 타임윈도우에서 그래디언트가 편리하게 결정될 수 있다. 판독은 5초이내에 이루어지지만 출력의 초기 비선형 부위 때문에 즉각적이지는 않다. 추가로, 본 방법은 연속 그래디언트 측정치를 비교하고 적어도 한 쌍의 연속 측정치가 동일해진 이후에 농도신호를 발생시키기 위해 그래디언트 측정치를 선택하는 단계를 포함한다. 이러한 동일성은 출력의 선형 부위에 관련해서 측정이 이루어짐을 나타내어야 한다.

본 발명의 또다른 측면은 다음을 포함하는 에탄올 증기 농도 측정장치이다:

전지에 노출된 증기의 농도에 비례하는 출력을 발생시키는 연료전지, 상기 출력은 초기 비선형 부위 이후에 일정한 속도로 피크까지 상승하며;

출력의 일정한 속도 부위의 그래디언트를 결정하는 수단;

결정된 그래디언트로부터 에탄올 증기 농도를 발생시키는 수단.

BAC와 같은 측정장치에서, 일정한 흐름의 증기를 포함한 가스를 샘플링 하는 것이 바람직하며, 흐름으로 유도된 국지적 가스운동을 방지하는 가스투과성막 또는 다른 구조물이 작업전극 위에 놓인다면 이러한 연료전지는 유속에 대해 민감하지 않을 수 있음이 발견되었다. 그러므로 장치는 이러한 막 또는 구조물을 포함한다. 막이 존재하는 경우에 막은 소수성이며 PTFE막 일수 있다.

본 장치는 샘플경로를 형성하는 물체(예, 호흡튜브)를 가질 수 있으며 샘플 경로에 있는 증기 연료전지를 노출시키는 수단을 더욱 포함할 수 있다.

한 구체예에서 연료전지는 흐름 부위에 인접 위치할 수 있지만 홍채 셔터와 같은 셔터에 의해서 분리된다. 혹은, 연료전지 근처와 샘플 부분간의 상대압력 변화에 의해 샘플이 연료전지의 작업전극에 빨려들어갈 수 있다. 지정 부피가 빨려들어갈 필요는 없으므로 샘플경로에 제한부를 도입함으로써 가능하다.

도 1 은 전지가 에탄올 증기 농도에 노출된 후 연료전지 출력을 보여준다. 제 1 비선형 부위(a) 이후에 피크(c)에 도달될 때까지 그래프는 선형적으로(b) 상승한다. 부위(b)의 그래디언트는 "초기 그래디언트" 이다. 지금까지는 피크(c)의 높이나 피크(c) 아래의 면적으로부터 증기 농도가 계산되었다. 이러한 방법의 예는 영국특허 제 2201245 호에 기술되어 있다. 이 경우에 응답이 발생되는데 걸리는 시간이 꽤 길며 정확도는 연료전지로 전달되는 샘플의 부피에 의존한다.

본 출원인은 연료전지 응답의 초기 그래디언트가 선형적이며 농도 종속적이므로 초기 그래디언트를 측정함으로써 알콜 농도에 비례하는 신속한 판독이 가능함을 발견하였다.

따라서 표 1 에서와 같이 에탄올 증기 농도와 초기 그래디언트간의 관계가 확립될 수 있다. 표 1 의 결과는 도 5 의 그래프에 표시된다.

20-21℃에서 상이한 농도의 연속 샘플에 대해 LION(RTM) Alcolmeter SD-400을 사용하여 측정이 수행된다. 이 장치는 고정된 부피로 작동한다. 초기 그래디언트의 온도 민감성 역시 고정된 35㎍100ml-¹에탄올 표준을 사용하여 측정되고 결과는 표 2 에 도시된다.

상기표의 결과는 도 6 에 그래프화 되며 직선 관계가 있음을 알 수 있다. 따라서 이러한 온도변화는 연료전지를 일정온도에 유지시키거나 온도를 가지하고 보충 알고리즘 또는 참고표를 사용함으로써 극복될 수 있다.

이후에 연료전지는 분당 1리터의 증기 샘플에 노출되고 가변적인 플러슁(flushing)타입이 사용된다. 여러 플러쉬 타임에 대해(즉, 여러 상이한 부피에 대해) 초기 그래디언트가 측정되고 20㎍100ml-¹에탄올 증기 표준에 대한 결과가 표 3 에 나타난다.

상기 표는 초기 그래디언트가 부피 종속적이지 않음을 보여준다. 그러나 유 속의 변호는 PTFE막이 작업전극을 엎는데 사용될 때까지 출력변화를 초래한다. 이후에 분당 2-30리터의 유속변화는 초기 그래디언트 변화를 일으키지 않는다.

유속 민감성은 극복하기 위해서 일정한 유 속의 입구를 가지는 호흡 튜브를 도입할 수 있다.

도 2 는 본 발명에 특히 효과적인 소형 연료전지(10)를 보여준다. 연료전지(10)는 케이스(11); 케이스(11)에 나사잠금되는 연료전지 홀더(12); 상대전극(14)과 전극(14, 15)에 각각 맞물리는 환형 금도금된 스텐레스강 접촉부(16, 17)를 포함하는 연료전지(13)로 구성된다. 전극(14, 15)은 다공성 PVC 매트릭스상에 지탱되는 촉매등급의 백금 블랙으로 제조되며 5밀리미터 이하의 직경을 가진다. 전극은 조립에 앞서서 수성 황산 전해질로 함침된다.

케이스(11)는 입구(18)를 가지며, 이를 가로질러 PTFE 막과 같은 소수성 가스투과성막(19)이 연장된다. 혹은, 환형 접촉부(17)상에 막이 장착될 수 있다.

셔터(20)는 입구(18)위에 놓인다; 이것은 카메라형 홍채 또는 미끄럼판 형태일 수 있다. 혹은, 샘플은 입구(18)에 제시하기 위해서 다른 수단이 사용될 수 있다.

호흡 테스트장치는 도 3 에 도시되며 호흡튜브(22)가 삽입되는 물체(21)를 포함한다. 물체(21)는 튜브(21)의 연속으로서 샘플부분(23)을 형성한다. 연료전지(10)는 호흡튜브(22)의 출구 근처에서 샘플부분(23)에 대해 직각으로 장착된다. 전지는 초기 호흡을 판독하도록 단순히 개방되거나 종래의 수단에 의해 조절될 수 있는 셔터(20)에 의해 폐쇄되어서 충분한 공기가 사용자의 폐로부터 테스트 기포호흡으로 빠져나가도록 한다. 대개의 이러한 시스템은 당해분야에 공지된 압력 탐지기 및 타이머의 조합(24)을 포함한다.

도 4 는 장치(21)의 처리회로를 보여준다. 따라서 연료전지(10)의 출력은 클록(25), AND게이트(26) 및 그래디언트 결정회로(27)에 동시에 공급된다. 연료전지(10)의 출력은 짧은 기간(비선형 부위(a)의 수명에 해당하는)이 경과한 후 라인(28)상에 자신의 출력을 생성하는 클록(25)을 개시시킨다. 이 출력은 AND 게이트(26)에 공급되고 개시신호는 회로(27)에 보내고 연료전지 출력의 그래디언트를 측정하고 라인(29)상에서 클록(25)으로부터 중지신호를 수신하거나 클록이 정지할 때까지 계속한다. 그래디언트 측정회로(27)의 출력은 비교기(30)의 한 입력에 직접 공급되고 지연회로(31)를 경유하여 비교기(30)의 다른 입력에 공급된다. 비교기가 두 연속 그래디언트 측정이 동일하다고 판별하면 게이트(32)로 통과되는 게이츠 출력을 발생한다. 이것은 교대로 라인(33)상에서 연속 그래디언트 측정치를 수신하고 게이트 통과 수신시 전류 측정치를 연산장치(34)에 통과시켜 도 5 의 그래프에 따라 측정 그래디언트로부터 에탄올 증기 농도 신호를 발생시킨다. 이 신호는 이후에 디스플레이(35)로 보내진다.

곡선의 직선부위 그래디언트로부터 증기 농도를 획득하는 원리는 연료전지에 일반적으로 적용가능하며 도면에 도시된 구성에 국한되지 않는다.

Claims (9)

1. 증기 농도에 비례하며 초기 비선형 부위 이후에 일정한 속도로 피크까지 상승하는 출력을 발생하기 위해서 연료전지에 샘플을 도입하고;

   출력의 일정한 속도부위의 그래디언트를 측정하고;

   측정된 그래디언트로부터 에탄올 증기 농도 신호를 발생시키는 단계를 포함하는 에탄올 증기 농도 측정방법.
2. 제 1 항에 있어서, 그래디언트는 출력 개시후 예정된 시간 후에 측정됨을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1 항 또는 2 항에 있어서, 최소한 한 쌍의 연속 측정치가 동일한 이후에 농도 신호를 발생하기 위해서 연속 그래디언트 측정치를 비교해서 하나의 그래디언트 측정치를 선택하는 단계를 더욱 포함하는 방법.
4. 노출된 증기의 농도에 비례하며 초기 비선형 부위 이후에 일정한 속도로 피크까지 상승하는 출력을 발생하는 연료전지;

   출력의 일정한 속도 부위에 대한 그래디언트를 측정하는 수단;

   측정된 그래디언트로부터 에탄올 증기 농도 신호를 발생시키는 수단을 포함하는 에탄올 증기 농도 측정장치.
5. 제 4 항에 있어서, 연료전지의 작업전극 위에 놓이는 가스투과성막을 더욱 포함하는 장치.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 막이 PTFE막임을 특징으로 하는 장치.
7. 제 4 항 내지 6 항중 한 항에 있어서, 샘플 경로를 형성하는 물체를 가지며 연료전지를 샘플 경로에 있는 증기에 노출시키는 수단을 더욱 포함하는 장치.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 노출 수단이 연료전지에 인접하여 상대적 가스압력을 변화시키는 수단을 포함함을 특징으로 하는 장치.
9. 제 7 항에 있어서, 노출 수단이 셔터임을 특징으로 하는 장치.