KR20090104852A - 상호작용형 알콜측정 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 호기(expired air)의 알콜 농도를 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 측정이 진행되는 동안, 현재 또는 누적된 측정 값과 오류를 실시간으로 시각화함으로써, 정확도 및 시간 경과에 관하여 알콜 측정의 상호작용형(interactive) 제어가 가능해진다. 바람직하게 상기 측정은, 호흡 샘플의 희석에 대한 보상과 함께 무접촉으로(without contact) 행해지는바, 이는 기온 및 수증기 또는 이산화탄소의 농도에 대한 측정과 동시에 행해진다. 본 발명의 방법은 호기의 희석에 대한 측정 오차 및 축적 시간에 의존하는 단계별 절차들로 나뉘어 지는바, 시험 개체 또는 조작자는 이들 둘다에 영향을 미칠 수 있다. 농도 제한에 관한 측정에 있어, 특별한 이점들이 얻어진다. 바람직하게는, 알콜 측정은 적외선 파장범위 내에서 흡수 분광기(absorption spectroscopy) 수단에 의하여 수행된다. 본 발명에 따른 장치는 위에서 언급된 엔티티(entity)들을 위한 센서(sensor)들, 신호 및 데이터 처리를 위한 전자 유닛 및 표시 유닛을 포함하고, 휴대용 및 통합(integration)을 위한 컴팩트한(compact) 하우징 내에 수납된다. 실시간 작동의 요구조건을 충족시키기 위해서, 센서들의 응답 시간은 0.5초를 초과하여서는 안된다. 하우징은 측정시에 열 수 있도록 제어 가능하고, 조준된 적외선이 조사되는 측정 셀(cell)과 능동적인 공기 흐름을 위한 수단(means)을 포함한다.
알콜 농도, 호기, 적외선, 희석

Description

상호작용형 알콜측정{INTERACTIVE ALCOMETRY}
본 발명은 호기(expird air)의 알콜 농도 결정에 관한 것이다. 그리고 본 발명은 측정 정확도, 응답시간 및 측정하는 대상 또는 조작자(한편으로는)와 측정 장치(다른 한편으로는) 사이에서의 상호작용에 관한 양상들을 주로 다룬다.
알콜측정(alcometry : 이하에서는 '알콜측정' 또는 '알코메트리' 라함)를 위한 많은 방법들과 디바이스들, 즉 호기의 알콜 농도를 결정하는 것은 많은 문헌에 개시되어 있다. 이들 중 몇몇은 측정 장비로서 그리고 제어 디바이스 양자로서 널리 사용되어 왔다. 알콜 잠금장치(alcohol interlock)는 후자의 일례 중 하나로서, 승인된 호흡 견본이 없으면(즉, 알콜 농도가 통상적인 농도 제한을 초과하지 않아야 함), 차량 운전자가 차량 운행을 시작하는 것을 금지시킨다.
알코메트리에 있어서는, 2가지의 측정 원리들이 가장 우세한데, 이는 알콜의 물리적 특성들 및 화학적 특성들을 이용하는 것이다. 후자의 범주(category)는 촉매에 의해 조정되는 연소(combustion)에 본질적으로 기반한다. 알콜 농도는, 예를 들면, 연료 전지(fuel cell)나 반도체 센서 내에서 전개된(developed) 연소 에너지를 측정함으로써 결정될 수 있다. 이러한 센서 유형은 설계상의 간단함과 가령, 전자회로들과 같은 주변회로가 간단해진다는 관점에서 볼때 매우 유용하다. 또한, 이 러한 반도체 센서는 물리적으로 작은 크기를 가졌으며, 저 비용으로 생산될 수 있다.
촉매의 특성들과 그리고 실제 연소 온도가, 촉매 센서(catalytic sensor)의 선택도(selectivity)를 결정한다. 다른 유기 물질들 역시도 유사한 방식으로 연소되고 있기 때문에, 절대특이성(absolute specificity)은 획득하기 어렵다. 또 다른 문제점들 중 하나는 촉매의 장기적인 속성(long term property)들에 관한 것이다. 소정의 물질들로부터 받은 영향은, 반복적인 교정(calibration)을 하게 만들며, 그리고 조작(manipulation)에 대한 위험을 만들어 낸다. 이러한 물질들, 예컨대 황(sulphur)을 포함하는 가스들은 호기(expired air)나 대기 오염 물질 내에 보편적으로 존재한다. 유감스럽게도, 촉매 센서들은 신뢰성 문제를 겪고 있는데, 이러한 신뢰성 문제는 아직까지 만족할만한 방식으로 해결되지 않았다. 이러한 속성들은 음주 운전에 대한 증거 목적으로 경찰에 의해 사용되고 있다. 그러나, 낮은 농도를 측정하는 것은 정확도를 필요로 하며, 시장에 나와있는 적외선(IR)에 기반한 증거 장비들은 매우 고가이다.
적외선 분광기(infrared spectroscopy: IR 분광기)는 위에서 언급된 문제들을 겪지 않는 물리적 측정 방식을 대표한다(represent). 상기 방식은, 적외선에 조사되었을 때 가스 상태의(gas-phase) 알콜이 생성하는 특정한 "지문(finger print)"을 이용한다. 흡수 스펙트럼(absorption spectrum)은 공명하는 분자 진동(resonant molecular vibration)에 기인한 것이며, 이는 분자 내의 원자 결합(atomic bond)에 특유한 것이다. 이로부터 흡수 스펙트럼의 고유한 속성들이 추 론될 수 있으며, 이와 관련한 다른 물질들에 대한 고도의 선택도 및 조작에 대한 안정성이 얻어질 수 있다. 더 나아가 IR에 기반한 장비를 사용하기 위해서는 숙련된 지식을 필요로 한다.
취도계(alcometer)의 성능은, 소정 범위의 측정에 대한 정확도에 관하여 종종 언급된다. 증거 장비(evidential instrument)에 대해서는 ±5%의 정확도가 빈번히 요구된다. 이에 반하여 검진(screening) 및 유사한 목적들에 대해서는 ±20%가 적당한 것으로 간주된다. 일반 소비자를 위한 취도계는 더 낮은 정확도를 갖는다. 이러한 것들과 검진 장비들에서는, 서툴게 제어된 촉매 상태로부터 야기되는 계통 오차(systematic error)가 두드러지고 있다. IR에 기반한 장비들에 있어서, 계통 오차는 교정 절차를 통해 최소화될 수 있다. 남은 오차는 정보를 운반하는 센서 신호 또는 신호들로부터 오는 확률적인 잡음(stochastic noise)의 성격을 가진다. 오차와 잡음 레벨은 통계적인 엔티티(statistic entity), 예컨대, 특정 대역폭에 걸친 임의 변수들의 제곱 평균(mean square of random variations)으로 표현될 수 있다.
알코메트리의 중요한 일면은, 권장 농도 제한 또는 법정 농도 제한에 관련된 알콜 측정(예컨대, 차량 운전에 대한 것)에 관한 것이다. 스웨덴에서는 0.02%의 혈중 알콜 농도가 차량 운전자에 대한 상한선으로 보편화되어 있는데, 이는 호기(expired air) 샘플 내에서의 0.1 mg/L에 대략 대응한다. 대부분의 유럽 연합에서는, 해당 상한선이 각각 0.05%와 0.25mg/L이다.
소정의 농도 제한에 관한 측정에 있어서, 양성 오류 출력 또는 음성 오류 출 력의 비율(the ratio of false positive and negative output)은, 성능의 적정값(relevant value of performance)이다. 높은 정확도, 다시 말하면 작은 오차(error)는 오류가 출력될 확률을 낮게 하고, 그 역도 성립한다. 다른 한편으로는, 이러한 목적을 위해서, 정확도는 오직 농도에 근접한 범위(interval)에만 관심이 있을 뿐, 이러한 범위를 벗어난 부분에는 관심이 없다.
경찰 통제 또는 도로 봉쇄하에서 행해지는 음주 테스트(sobriety test)은, 점점 증가하는 추세이다. 스웨덴 경찰은 챠량 운전자에 대해 연간 2백만 회에 가까운 음주 테스트를 실시하고 있고, 약 15,000명의 음주 운전자가 이 방법으로 검거된다. 따라서, 음주 측정 케이스의 99% 이상에서 부정적인 결과(negative ouput)가 발견되고 있다. 단위 시간당 행해지는 음주 테스트의 횟수와 술 마신 운전자의 퍼센티지 사이에는 어떠한 연관이 있는 것으로 보인다. 단위 시간당 알콜과 관련된 사고의 횟수 사이에서도 마찬가지다. 어떤 국가에서는 음주 운전자의 비율이 스웨덴 보다 높을 수도 있다. 그러나 많은 국가에서는 술을 마시지 않고 하는 운전(sober vehicle driving)에 대해서 각종 지원을 증대하고 있다. 또한, 알콜 잠금장치의 사용은, 음주 운전 유죄 판결 후 운전 면허의 조건부 취소를 위해서 뿐만 아니라, 운송 서비스의 질적 보장을 위해서도 성공적이었다.
교통 안전의 영역 이외에도, 개인(person)에 대한 음주 테스트의 동기가 될 만한 많은 상황과 사정이 있다. 정교함(precision), 옳은 판단 및 특정 개인에게 의존하는 전문적인 일의 수행(practice of professions)은, 음주 테스트의 좋은 이유가 될 수 있다. 더 나아가, 예컨데 통행 규제 구역(passage control station)과 같은, 다른 종류의 이벤트(event)에 있어서도 음주 테스트의 이유가 있을 수 있다.
유감스럽게도, 알콜 측정의 많은 응용 영역들은, 현재의 기술과 공학적 해결책(solution)의 실제적이고도 경제적인 한계들로 인해 방해를 받아왔다. 이미 언급된 것 외에도, 실제의 견본 추출(sampling) 기법에 관련된 실질적인 문제들이 존재한다. 최신의 해결법들은 교체 가능하고, 사용 후 버릴 수 있는 마우스피스를 요구하는데, 이는 위생적인 이유로 인한 것이다. 각각의 측정 때마다 마우스피스를 교체하는 것은 시간을 소모하고 비용을 증대시킨다. 추운 날씨에서는, 1회 측정을 위한 총 경과 시간이 수 분에 달할 수 있는데, 예컨데 통행 규제(passage control) 상황 또는 알콜 잠금장치가 이미 구비되어 있는 차량 운전자의 경우에는 이와 같은 지체를 받아들일 수 없을 것이다.
요약하자면, 최신의 알코메트리는 다수의 문제점들을 겪고 있다고 결론낼 수 있는데, 간단히 말해 정확도, 경과 시간(time lapse), 접근성, 신뢰성 및 비용과 관련된 것들이 주요한 이슈이다.
본 발명의 목적은 위에서 언급된 문제 및 이와 관련된 것들을 해결하는 것이다.
본 발명에 따른 방법 및 장치의 특성들은, 첨부된 청구항들에서 기술되었다. 방법과 장치의 기본 요소들에 대한 포괄적인 내용이 아래에서 설명된다.
호기 내의 알콜 농도 결정을 위한 새로운 방법 및 장치인 본 발명은, 현재 시점에서의 기술적 수준에 비했을 때 중요한 이점들을 보인다. 첫 번째로, 정확도와 경과시간이 각각의 측정에 따른 특정한 요구사항에 맞춰질 수 있다. 두 번째로, 각각의 측정에 대한 재료 비용 및 경과 시간 양자가 상당히 줄어들 수 있기 때문에, 상당한 비용 절감이 달성된다. 세 번째로, 촉매 센서의 노화 현상(aging phenomena)를 회피함으로써 매우 높은 신뢰도가 달성된다. 네 번째로, 장치가 반복된 교정을 요구하지 않으므로, 장치의 보수 관리 필요성이 감소된다. 이는 또한 보수 관리 비용을 감소시킨다. 다섯 번째로, 이 기법의 접근성은 넓은 사용자 집단에 대하여 향상되었다. 여섯 번째로, 낮은 생산 비용으로 장치를 구현할 수 있기 때문에, 더 큰 사용자 집단이 저렴해진 가격에 접근할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 방법의 흐름도를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 알콜 측정 동안 사건(event)들의 시간측정(timing)을 개략적으로 도시한다.
도 3은 서로 다른 응용들 간의 정확도의 예를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 기구의 한 구현을 개략적으로 도시한다.
본 발명에 따르면, 호흡 견본(sample)의 알콜 농도 결정은, 주로 위생적인 이유들 때문에, 되도록이면 장치와 시험 대상의 호흡 기관(respiratory organ) 간에 물리적 접촉 없는 샘플링을 통해 행해진다. 시험 대상, 또는 개체(person)는, 통상적으로 의식이 있는 개인(conscious individual)이다. 이 개인이 종국적으로 취했는지 여부가 조사의 목적이다. 그러나, 본 발명은 시험 대상들 또는 검출된 물 질에 관하여 제한되지 않는다. 본 발명은 고등 동물 종들 및 의식이 없는 사람에게도 적용 가능하고, 알콜 외의 다른 휘발성 물질들에 대해서도 적용 가능하다.
본 발명의 바람직한 구현예에서는, 시험 개체에 의해 입과 코로부터 10-30cm 거리에 위치한 센서 장치를 향해 숨을 불어냄으로써 호흡 견본이 전달된다. 그 결과, 호흡 견본은 주위의 공기와 희석(dilute)되며, 호기에 대한 알콜 농도 결정을 가능하게 하기 위하여 이 희석에 대한 보상을 요구한다. 외부적으로 측정된 알콜 농도 Cext와 폐포(alveolar)에서의 Calv 간의 관계는 수식 (1)로서 단순히 표현될 수 있다.
C ext = D·C alv (1)
변수 D는 희석의 정도를 나타낸다. 희석되지 않은 호기의 경우 D = 1 이고, 희석도가 매우 높은 경우 D → 0 이다.
수식 (2)는 대응하는 알콜 농도 측정이 수행되는 것과 동시에, 본질적으로 같은 지점에서, 실시간으로 희석의 정도(D)를 결정하는 것을 가능하게 하는 관계식에 관한 것이다. Cext 및 Calv 와 같은 동일한 희석 과정에 노출되는 측정 엔티티(entity) X가 있는 것으로 가정된다. D에 대한 수식은 다음과 같다.
Figure 112009047735379-PCT00001
(2)
Xamb는 시험 대상 주위의 대기(ambient)에서 측정 엔티티 X에 의해 취해지는 피측정 값(measured value)을 의미한다. 반면에 Xalv는 대응 측정값(measuring value)이다. 가정의 기준을 충족시키는 것으로 간주될 수 있는 엔티티들의 예는 각각 온도와 수증기 및 이산화탄소의 농도가 있다.
아래의 테이블에는, 실내 환경에서 이러한 엔티티들의 측정 값들에 대한 전형적인 값들이 주어져 있다.
온도(℃) 수증기 농도 (mg/l) 이산화탄소 농도 (% / 부피)
Xamb 18-28 4-20 <0.1
Xalv 37 44 5.3
Xext 및 Xamb 를 측정하고, 상수로 간주될 수 있는 Xalv 를 대입하면, 값 D가 결정될 수 있다. 상기 테이블은 CO2 농도가 다른 것들에 비해 중요한 두 가지 이점이 있음을 가리킨다. 하나는 주위 대기(ambient)의 농도가 폐포(alveolar)에 비해 아주 작다는 것이다. 따라서, 주위 대기(ambient)에 의한 영향이 가장 적다. 또 다른 이점은 CO2 농도에 있어 검출된 차이가 대부분 폐포에서 발단된 것 같다는 점이다. 반면에 폐포의 CO2 농도는 온도나 수증기 농도에 비해 다소 넓은 범위의 변동성(variability)을 보인다. 온도와 습도 측정은 단순성, 속도 및 비용의 관점에서 장점들이 있다. 최대한의 안전을 달성하기 위해 하나 이상의 특정 엔티티의 조합을 사용하는 것도 물론 가능하다.
해부학적(anatomical) 및 생리학적 사강(死腔, deadspace)이 또한 호기의 희석을 야기할 수 있음을 주의해야 한다. 해부학적 사강은 상부 기도(upper airway)를 포함하고, 일반 성인의 경우 대략 150ml 이다. 해부학적 사강으로부터의 호기는 폐포 공기와 거의 혼합되지 않는다. 생리학적 사강은 어떤 물질과 관계하느냐에 따라 좌우되며, 예컨데 점막(mucosa) 내에서의 상기 물질의 용해도(solubility)에 따라 영향받는다. 이러한 차이점들을 고려할 때, 위의 논거는 마우스피스를 사용한 견본 추출에 적용될 수 있다.
온도, 수증기 및 CO2 농도 측정은 각각의 엔티티에 특화된 센서를 사용하여 보다 바람직하게 실행될 수 있다. 온도는 저항 센서(resistive sensor) 또는 열전 소자(thermo element)들을 사용하여 측정될 수 있는바, 이들 양자는 적절한 정확도를 제공한다. 0.5 초 또는 그보다 짧은 필요한 응답 속도를 얻기 위해, 작은 물리적 치수(dimension) 및 그 결과로 작은 열 부피(thermal mass)가 요구된다. 적절한 응답 시간을 가진 소형화된 온도 센서를 상업적으로 입수할 수 있다. 수증기 농도 및 이산화탄소 농도 측정에 대해서도 같은 것이 적용된다. 첫 번째 경우는, 물의 높은 유전체 유전율(dielectric permittivity)을 이용한 전기 용량(capacitive) 측정 원리를 다룬다. CO2 측정에 있어서는 IR 흡수가 사용될 수 있고, 따라서 위에서 기술된 알콜 측정과 통합될 수 있다. CO2 는 4.26μm 부근의 좁은 파장 대역에서 특유한 흡수를 보인다. 반면에, 알콜은 3.4 및 9,5μm 에서 최대의 흡수를 보이고, 수증기는 2,6 에서 2,8μm 까지인 비교적 넓은 흡수 대역을 나타낸다.
수식 (1) 및 (2)에서의 기준을 충족시키기 위해, 센서들의 크기와 위치에 대한 요구 사항에 따라 조정이 된 채로, 알콜 및 엔티티 X들에 대한 센서들이 동일 지점에서 측정될 것이 요구된다. 대안적으로는, 장치의 공기 견본 추출부는, 실제 의 견본 추출 지점으로부터 센서의 물리적 위치로 호흡 견본을 수송하는 튜브 라인과 펌프 설비에 의해 공급된다.
현재의 D 및 Camb 값을 대입함으로써, 수식 (1)로부터 Caiv를 쉽게 결정할 수 있다. 실험에 따르면, 시험 개체의 입 또는 코와 견본 추출 지점 사이의 거리가 30 cm 에 이를 때까지 물리적 접촉 없이 알콜 농도를 측정하는 것이 가능하다. 그러나, 이는 호기를 센서에게 불어대는 시험 개체의 능동적인 참여를 가정한 것이다. 시험 개체의 협조가 없는 수동적인 측정은, 단지 휴면 호흡(resting respiration)만을 가정할 수 있기 때문에 10cm 정도까지인 더 짧은 측정 거리를 필요로 한다.
상기 방법에 있어, IA의 부정확성은 현재 측정된 값 Calv에 관한 측정 오차 Cerror에 의해 결정되며, 이는 이것들 사이의 비율에 의해 적절히 기술될 수 있다. Cerror는 또한, 상대적으로 일정한 팩터들로 분할(partition)될 수 있으며, 따라서 경우에 따라 그리고 심지어는 진행중인 측정 동안에도 영향을 받을 수 있다. 이러한 분할에 따른 결과가 수식 (3)에 나타나 있다.
Figure 112009047735379-PCT00002
(3)
Cresolution은 장비(instrument)의 제어하기가 어려운 잔존 해상도(remaining resolution)를 의미하며, 근원지(fundamental origin)의 잡음원(noise source)들 또는 다른 임의의 팩터(random factor)들로 인해 제한된다. 충분히 정확한 교정 절 차를 통하여, 계통 오차원들은 제거되는 것으로 가정한다. Cresolution은 측정량(measurand)의 차원으로 함축된다(connotated). 이 알콜 농도의 경우에서는, 현재 대역폭 Δf의 제곱 근으로 나뉘어진다.
Figure 112009047735379-PCT00003
수식 (3)의 엔티티 Calv와 D는 특정한 측정 시간 Δt동안 누적되어 측정되는 값들로 가정된다. 따라서, 이 시간의 연장은 대역폭의 감축과 동일한 것으로 간주될 수 있다.
수식 (3)은 희석의 정도 D 또는 측정 시간 Δt에 의하여 부정확함에 영향을 미칠 가능성을 설명한다. 정확도를 주어진 출발점(Starting Point)에서부터 어떤 팩터만큼 높이기 위하여, D를 상응하는 팩터만큼 증가시키거나, 측정 시간을 이 팩터의 제곱만큼 증가시키거나, 또는 이러한 조치들의 조합이 요구된다.
본 발명에 따른 방법에 의하면, 수식 (3)의 관련은 각각 한 번의 알콜 농도 측정에, 측정 시간 및 정확도를 목표 또는 이때의 요구 사항에 적응시키기 위하여 사용된다. 상기 적응은 측정 장치와 사용자, 시험 개체 또는 조작자 사이에서 상호작용형으로 수행된다. 더욱 상세하게는, 장치는 실시간으로 현재 또는 축적된 측정 값 및 오차 또는 그에 관련된 엔티티의 표시(indication)를 남긴다. D 율이 이러한 엔티티가 될 수 있다.
사용자, 시험 개체 또는 조작자는 측정을 마칠지 또는 정확도를 증대시키기 위해 측정을 계속할지를 어느 때건 선택할 수 있다. 수식 (3)에 따르면 이러한 증대는 측정 시간을 늘리던가, 장치와 관련하여 시험 개체의 내쉬는 숨(expiration) 을 변경함으로써 가능하다. 이는 희석도 D의 증대와, 그에 상응하는 정확도의 증대를 가져온다. D는 시험 개체에 대한 센서들의 위치에 의해서도 영향을 받는다. 조작자는, 표시된 정확도의 안내를 받아, 원하는 수준(level)이 얻어질 때까지 시험 개체의 호흡 기관들에 대한 견본 추출 지점을 이동시킬 수 있다. 실시간 측정은 그 또는 그녀 편으로부터의 능동적인 협조 없이도, 시험 개체의 통상 호흡 행위를 통해서 절차 수행이 가능하다는 것을 의미한다. 따라서, 의식이 없는 사람이나 동물들에 대해서도 측정을 실시하는 것이 가능하다.
이와 같이, 본 발명에 따른 방법은 알콜 측정에 있어 상호작용형의 정확도 제어 및 시간 경과 제어를 가능하게 한다. (1), (2) 및 (3) 간의 관계식은 진행중인 측정 동안, 일반적으로 발생하는 무작위의 변동은 별문제로 하고, 중요한 차이 Xext - Xamb 가 발생하자마자 실시간으로 Caiv 및 D의 순간(instant) 값들을 계산하기 위하여 사용된다. Caiv 및 Cerror의 계산에 대한 시작 기준은 D가 어떤 최소값 Dmin을 초과한다는 것이다. 임계값 Dmin에 도달한 후 첫 번째 측정의 정확도는 정의에 따라 낮다. 그러나, D의 더 높은 값이 얻어짐에 따라 빠르게 개선될 수 있다.
현재의 논점이 알콜 농도가 어떤 특정 농도 제한 Climit를 넘었는가 또는 그렇지 아니한가를 결정하는 것에만 제한된다면, 본 발명에 따른 방법은 특별한 이점들을 제공한다. 현 측정값 Calv에 오차 Cerror를 더한 것이 Climit 보다 적다면, 즉, 식(4)와 같다면,
Calb < Climit - Cerror (4)
측정 시간을 연장하거나 또는 센서 위치를 조정하는 등의 정확도를 향상시키려는 시도 없이, 측정이 곧바로 끝날 수 있다. 이와 유사하게, 제한 값에 오차를 더한 값보다 알콜 농도의 순간 측정값이 더 큰 경우에도 동일한 절차가 적용될 수 있다.
Calv > Climit + Cerror (5)
그러나, 만약
Climit - Cerror ≤ Calv ≤ Climit + Cerror (6)
이면, 오차를 줄이기 위해서 순간 값들의 축적(accumulation)은 계속되어야만 하는바, 이는 농도 제한을 초과했는지 그렇지 않은지에 대한 정확한 지식을 목적으로 한다.
위에 기술된 것에 따르면, (4)의 경우, 임의로 선택된 스웨덴 차량 운전자들 중 99%를 넘는 사람들에게 유효하였다. 본 발명에 따른 방법은, 측정 시간을 크게 감소시킬 수 있으며, 그럼으로써 샘플당 비용을 줄였다.
본 발명은 첨부된 도 1 내지 도 4와 관련되어 더 상세하게 기술된다. 도 1은 본 발명에 따른 방법의 흐름도를 도시한다. 도 2는 본 발명에 따른 알콜 측정 동안 사건(event)들의 타이밍을 개략적으로 도시한다. 도 3은 서로 다른 응용예들 간의 정확도의 예를 도시한다. 도 4는 본 발명에 따른 장치에 대한 일 구현예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1의 흐름도는 본 발명의 장치의 상태들에 대응하는 다수의 단계(step)들을 포함한다. 먼저, 시작 위치 1에서 장치가 활성화되며, 곧바로 대기 모드 2로 진행한다. 상기 활성화는 on/off 버튼을 통해 수동으로 수행될 수도 있고, 또는 상기 장치에 연결된 어떤 다른 기기(equipment)를 통해 자동으로 될 수도 있다. 대기 모드 2 동안에, 알콜 농도와 희석의 정도에 각각 대응하는 센서 신호들에 대한 안정성 테스트가 실시된다. 상기 센서 신호들이 어떤 방식으로든 방해받는다면, 안정성이 달성될 때까지 상기 대기 모드가 계속된다.
위에 언급된 신호들의 시간 내 변동이 소정의 임계값 S를 넘지 않는다는 기준이 충족될 때, 상기 장치는 측정 모드로 이동한다. 이 모드에서 시험 개체는 상기 장치의 센서들을 향해 숨을 내쉬도록 지시받을 수 있다. 대안적으로는, 상기 센서들은 상기 시험 개체의 능동적인 협조 없이 그 또는 그녀의 호흡 기관들의 부근으로 위치할 수 있다. 희석에 관한 상기 센서 신호들의 분석이 연속적으로 행해지게 되며, 희석 팩터에 대한 기준이 D > Dmin 를 충족하면 상기 장치는 계산 모드 4로 이동한다. 이 모드에서 엔티티(Entity) D, Caiv 및 IA의 측정과 계산이 실시간으로 동시에 수행되며, 적어도 후자의 현재 값들이 마찬가지로 실시간으로 조작자, 사용자 또는 시험 객체에게 전달된다.
측정 및 계산 모드 4 동안, 조작자, 사용자 또는 시험 객체는 충분한 정확도가 이미 얻어진 경우 측정을 끝낼 것을 선택할 수 있다. 시험 객체가 상기 장치의 센서들을 향해 호기를 내쉬는 것을 그만둠으로써 측정이 종료되거나, 또는 호흡 기 관들의 인근으로부터 센서들을 뒤로 물림으로써 측정이 종료된다. 조작자, 사용자 또는 시험 객체는 측정 포인트를 더 축적하기 위해서 상기 센서들을 향해 날숨을 내쉬는 것을 계속할 수 있으며, 결국에는 정확도를 증대시키기 위해서 희석도 D를 증대시킬 수 있다.
측정과 계산을 실시간으로 동시에 수행하는 작업은 본 발명에 따른 장치에 특별한 요구사항을 부과한다. 한편으로는, 센서들로부터 나오는 신호들은 샘플링되어야만 하고, 버퍼 메모리에 입력되며, 버퍼 메모리로부터 산술-논리(Arithmetic-Logic) 계산 유닛으로 전달되어 수식 (1), (2) 및 (3) 또는 대응하는 것들이 실행된다. 종국적인 잠정 결과들(eventual interim results) 뿐만 아니라 상기 계산의 결과는 또한 버퍼 메모리에 저장되어야 하며, 그곳으로부터 시험 개체 또는 조작자가 인식할 수 있도록 시각화되어야 한다.
각각의 표시 사이의 시간 간격은 시험 개체 또는 조작자가 표시 정보를 즉각적으로 인식하게 하기 위해서 0.5초를 넘어서는 안된다. 버퍼 메모리와 산술-논리 유닛을 포함하는 상업적으로 이용가능한 마이크로프로세서를 가지고 이 조건을 충족시키는 것이 가능하다. 바람직하게는, 상기 마이크로프로세서는 또한 계산 및 데이터 통신 제어를 하는 프로그램을 저장하기 위한 영구(permanent) 메모리를 포함한다.
오차 측정의 시간상 변화는 실시간으로 계산되고, 실시간으로 표시되며, 다음의 단계(phase) 5 동안에 시험 개체 또는 조작자에게 명확하게 보여진다. 축적된 부정확성(accumulated inaccuracy) IA가 최저값에 도달할 때에, 마지막 상태 6으로 자동적으로 이동할 수 있다. 여기서, 축적된 Calv와 Cerror의 값이 각각 현재 측정의 최종값으로서 유효할 수 있을 것이다. 그러나, 측정 계속 또는 측정 종료에 관한 조작자, 사용자 또는 시험 개체의 지시는, 상기 자동화(마지막 상태 6으로 자동적 이동)보다 우위에 있으며(overrule)하며, 상기 개체에 의해 제어되는 스위치 포지션(switch position) 7에 의해 제어될 수도 있다. 예를 들면, 한 번 또는 연속적인 몇 번의 호흡들 동안에 측정을 계속하는 것도 가능하다.
본 발명에 따른 장치에 의해 표시되는 다양한 상태 1 내지 6은, 시청각적인(audiovisual) 또는 촉각적인(haptic) 수단(arrangement)들을 통해 표시될 수 있다. 예를 들면, 측정된 값과 부정확도는, 측정 눈금(scale)(8a, 8b) 상의 위치 및 너비로서 표시될 수 있는바, 여기서 8a는 상대적으로 큰 측정 오차를 나타내며, 반면에 8b는 본질적으로는 같은 측정값이지만 더 작은 오차를 나타낸다.
상태들을 표시하는 것에 관한 대안적인 실시예가 시퀀스 9a 내지 9e에서 보여지는바, 여기에서는 교통신호등(traffice light)의 기호(symbol)들이 이용된다. 시작 및 대기 상태인 1과 2는 9a에서 적, 황, 녹 램프들의 조명으로 표시되었다. 측정 상태 3은 황색 램프의 조명으로 표시되며(9b), 이는 주의를 끌기 위해 깜빡거린다. 측정 및 계산 상태 4는 적색 및 녹색 램프 양자의 조명으로 표시된다(9c). 녹색 램프와 적색 램프는, (4), (5) 및 (6)의 관계식을 사용하여, 농도 제한과 비교되는 측정값의 현재 크기에 따라, 상이한 강도(intensity)를 방사한다(emit). 최종 상태 (6)에서, 대부분의 경우에 있어 부정확도가 매우 작기 때문에, 농도 제한 을 초과했는가 또는 그렇지 아니한가에 대한 명확한 응답이 제공될 수 있다. 상기 경우에서, 농도 제한을 초과한 때에는 적색 정지 신호가 발생되며(9d), 그렇지 않은 경우에는 녹색 빛이 발생된다(9e).
도 2는 센서 신호 X, 수식(2)로부터 추론되는 희석도 D, 그리고 수식 (1) 및 (3)로부터 계산되는 폐포의 알콜 농도에 대한 전형적인 타임 시퀀스를 도시한 것으로서, 축적된 측정 오차는 측정값에 대한 하한 및 상한으로서 도면에 삽입되어 있다. 변수 X(상단 그래프), D(중간 그래프) 및 Calv, Cerror(하단 그래프)에 대한 시간의 함수로서의 변동값들이 도2에 도시되어 있는바, 일부는 술 취하지 않은 실험개체에 대한 것이고(0 ~ 3 초까지의 시간 범위), 일부는 알콜 농도가 농도 제한 Climit 보다 약간 아래인 실험개체에 대한 것이다(100 ~ 105 초까지의 시간 범위).
주위 대기(ambient)에 유효한 것에 해당하는 것인, 안정적인 초기 값 Xamb로부터, 시험 객체가 센서를 향해 숨을 불어 내쉬는 한, X는 계속해서 높은 값으로 증가한다. 시험 객체로부터의 호기가 상기 센서에 충돌할 때, 신호 평탄부(plateau)에 도달하게 되고, 공기 흐름이 유지되는 동안, 즉 숨을 내쉬는 동안, 신호 평탄부가 유지된다. 이후, 상기 레벨은 감소되고, 그리고 초기 값 Xamb 으로 유지된다.
변수 D는 변수 X와 동일한 방식으로 시간 동안 변화하는데, 이는 수식 (2)로 부터 명백하다. 이것은 도 2의 가운데 곡선에 도시되어 있다. 실험에 따르면, D = 0.3 ~ 0.5가 현실적인 레벨이 될 수 있으며, 이는 10-30 cm의 거리에서 센서를 향 해 숨을 강제적으로 내쉼으로써 획득될 수 있다. 그러나, 상기 레벨은 1 내지 수초 동안의 불어냄(blowing) 이후에 얻어진다. 시간상 초기 시점에서, 앞서 언급한 레벨 Dmin에 도달하게 되며, 이때 상기 장치는 측정 및 계산 상태로 스위칭한다. 적절한 값으로 Dmin = 0.1 ... 0.2가 될 수 있다. 하단 곡선 상에서 도시된 측정 오차와 함께, 알콜 농도의 측정 값이 나타나는 부분이 Dmin을 초과하는 시간 내 첫 시점이다. 일련의 왼쪽 곡선들에서, 술 취하지 않은 시험 개체에 대하여, 상기 레벨(Level)이 농도 제한보다 아래에 있다는 즉각적인 응답이 제공되며, 따라서 시험 개체는 측정을 끝낼 것을 선택할 수 있다.
일련의 오른쪽 곡선들에서는, 농도 제한이 초과될 것인지 또는 그렇지 않은지가 처음부터 불분명한바, 이는 상기 제한이 측정 값의 허용 오차(tolerance) 내에 있기 때문이다. 따라서, 시험 개체는 측정을 계속할 것을 선택하여, 측정 오차를 감소시킨다. 축적된 측정 오차는 호흡의 말미에서 최소값에 접근한다.
도2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 방법에 의하면, 술 취하지 않은 개체가 소정의 농도 제한에 대해서 음주 측정을 받을 때, 측정 및 계산을 위한 시간이 상당한 정도로 감소될 수 있다.
도 3은 두 개의 도표들을 도시한다. 상단의 도표는 현재 기술 상태에 따른 측정 장치에 관한 것이며 반면에, 하단의 도표는 본 발명에 따른 일례를 제공한다. 2개의 도표들에서, 출력 신호(실선 : solid line)와 측정 오차(점선 : dashed line)가 알콜 농도의 함수로서 도시되었다. 또한, 농도 제한 L은 알콜 농도의 축 위에 표시되었고, 트리거 레벨(trigger level) T는 출력 신호 축 위에 표시되었다. 따라서, 상기 도표 내에는 4개의 사분면들(quadrants)인 11, 12, 13, 14가 표시되어 있다. 사분면 12 및 14는 측정 장치의 옳바른(true) 음성 또는 양성 출력을 각각 나타낸다. 반면에, 사분면 11 및 13은 각각 오류있는(false) 양성 또는 음성 출력을 각각 나타낸다.
통상적인 측정 장치에서는, 사용자가 측정 오차에 영향을 미칠 수 없었는데, 상단 도표에 따르면 이는 오류있는 출력의 위험을 함축하고 있는 것이다. 하지만, 본 발명에 따르면, 농도 제한 L과 트리거 레벨 T 부근에서 측정 오차가 최소화되도록, 측정 오차를 적응시키는 것이 가능하다. 전술한 바와같이, 이러한 적응은 한편으로는 사용자, 조작자 또는 시험 개체와, 다른 한편으로는 측정 장치 사이에서 수행된다.
도4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 측정 장치의 설계를 개략적으로 도시한 도면이다. 상기 측정 장치는 장치 상자(apparatus box) 또는 하우징(housing)(31) 내에 수납되는 것이 바람직한바, 그 크기는 휴대용에 적합하도록 조절되거나 또는 예컨대, 차량 스티어링 휠(steering wheel)과 같은 차량 장비 내에 통합되도록 조절된다. 하우징(31)의 물리적 치수는 12O x 120 x 30 mm 를 넘지 않아야 한다. 하우징(31)은 호흡 견본의 입력 및 출력 흐름을 위한 개구(32, 33)들을 구비한다. 이에 의하여, 측정 셀(41)이 정의되고, 광원(34)으로부터 나오는 조준된(collimated) 적외선 광이 조사된다(trans-illuminated). IR 빔(38)은 검출기(35, 36)와 만나기 전에 측정 셀(41) 내의 반사면(39, 40)에 여러번 부딪혀서 복 수회 반사한다. 상기 검출기는, 한 편으로는 알콜이, 다른 한편으로는 수증기와 이산화탄소가 물질에 따른 특유한 흡수(substance specific absorption)를 나타내는 파장 대역(wavelength band) 내에서의 방사(radiation)를 선택적으로 검출하기 위해 조정된다.
0.5초 또는 이보다 더 짧은 응답시간을 갖는 온도 센서 또는 흐름 센서(37)는 측정 셀(41)의 입구(32)의 근처에 위치된다. 상기 센서(37)는, 들어오는 호흡 견본을 데우기 위한 전기 가열 디바이스(electric heating device)와 결합될 수도 있다. 그 목적은 부분적으로는 열선 풍속측정(hot wire anemometry) 원리에 따라 흐름 속도(flow velocity)를 측정하기 위한 것이고, 그리고 부분적으로는 호기의 습도(humidity)로 인한 응축(condensation)을 방지하기 위한 것이다. 더 나아가, 측정 셀(41)을 관통하는 능동적인 공기 흐름을 위한 디바이스(42)가 존재한다. 상기 디바이스는 예를 들어서 소형 팬(miniature fan) 또는 펌프(pump)가 될 수 있다.
두 가지 이유로 인하여, 측정 셀(41)의 개구들(32, 32)이 도4에서 이중 격자로서 도시되었다. 부분적으로는, 상기 격자 그 자체는, 측정 셀(41) 내에 있는 민감한 광학 요소가 더럽혀지는 것을 방지하며, 그리고 특별히 거친 환경에서 사용될 경우에 서로 다른 종류의 필터들을 제공받을 수 있다. 부분적으로는, 측정 시에만 짧게 열리는 이중의 빗나간(deflectable) 격자들은 측정과 측정 사이에서 효과적인 보호를 제공한다.
센서(35, 36, 37)에 의해 생성되는 전기 신호들은 전자 유닛(43) 내에서 증 폭(amplification), 필터링(filtering) 및 다른 신호 처리를 받게 된다. 상기 전자 유닛(43)은 IR 광원(34), 센서(37) 내의 가열 디바이스, 그리고 흐름 디바이스(42)의 제어 및 구동을 또한 수행한다. 상기 전자 유닛(43)은 바람직하게는 전술한 계산들 및 상태 지시들을 포함하는 메모리 내에 저장된 프로그램들을 실행하기 위해, 마이크로프로세서(microprocessor) 또는 이에 상응하는 것들을 포함한다.
IR 광원(34)는 바람직하게는 2Hz 또는 그보다 높은 진동수로 변조된다. 이에 의하여 IR 감지기 및 입력 증폭기의 오프셋 드리프트(offset drift)에 관한 문제점들이 제거되며, 한편으로는 적합한 응답시간이 얻어진다. 응답 시간에 대한 요구는 조작자나 시험 개체들이 즉각적으로 인식할 수 있는 측정 값들의 실시간적인 시각화로서 주로 정의된다. 실제로, 이것은 0.5초 또는 그보다 적은 응답시간에 상당한다.
바람직하게는, 전자 유닛(43)은 측정 값들을 표시하기 위한 통합 표시 유닛(44) 또는 다른 유닛들과 디지털 신호 통신을 하기 위한 회로를 포함한다. 표시 유닛(44)은, 가장 간단한 경우에는 도1과 관련하여 설명된 바와같이, 적은 개수의 램프들이거나, 발광다이오드(LED)들이다. 하지만, 센서 신호들의 시간에 따른 변화를 더욱 상세하게 나타내기 위해서는, 도4에 도시된 것처럼, 그래픽(graphic) 및/또는 문자숫자(alphanumeric) 표시장치가 될 수도 있다. 전자 유닛(43)에 대한 사용자 또는 조작자의 제어는, 수동 제어 장치(45)를 통해 이루어진다. 공급 전압은 내장 전지(built-in battery) 또는 외부 전원(external voltage source)으로부터 얻어질 수 있다.
본 발명에 따른 장치는 재료들의 선택과 구성 요소들의 선택에 있어서, 적어도 15년 또는 30,000회의 측정에 대해서 보수관리 없이 동작하도록 설계되었다.
본 발명에 따른 장치는 일반적인 재능을 가진 사람이 어려움을 겪지 않고 사용할 수 있도록 설계되었다. 측정 종료 시점을 선택하는 것을 포함하는 전술한 상호작용은, 직관적인 특징(intuitive chracter)을 지녔으며, 따라서 최소한의 선행 교습을 필요로 한다.
나아가, 도4에 개략적으로 도시된 장치는, 저비용으로 순차적으로(serially) 생산될 수 있는 재료 및 구성요소들을 가지고 만들어진다는 점을 유의해야 한다. 더 나아가, 상기 장치의 설계는 수동 제조 절차의 횟수가 최소임을 의미하는 자동화 조립에 적응된다. 또한, 교정(calibration), 시험 및 품질 보장(quality assurance)은 자동화된 방법들로 효율적으로 수행될 수 있다. 결론적으로, 이는 본 발명에 따른 장치는 매력적인 가격으로 주어질 수 있고, 그 때문에 넓은 사용자 집단에 이를 수 있음을 함축한다. 제품의 수명 동안에 주기적인 교정을 하지 않아도 되는 것은, 본 발명에 따른 방법 및 장치에 낮은 가격과 높은 접근성을 제공하는데 기여한다.
이미 지적하였듯이, 도1 내지 도4의 실시예는 본 발명의 응용 가능성을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 발명의 특성들은 첨부된 청구항들에 의해 정의된다.

Claims (10)

  1. 호기(expired air) 내의 알콜 농도를 결정하는 방법으로서,
    - 장치와 실험 개체(test person) 또는 조작자 간 상호작용(interaction)하는 단계를 포함하며,
    - 상기 상호작용은 현재의 목적 또는 요구사항에 따라 상기 알콜 농도 결정의 정확도 및 경과시간을 적응시키는 것이며,
    - 상기 상호작용은, 측정이 진행되는 동안 상기 시험 개체나 또는 조작자에게 실시간으로 시각화되는, 상기 알콜 농도 결정의 측정값과 측정오차 또는 이와 관련된 엔티티를 측정하는 것을 포함하며, 그리고 상기 정확도를 높이기 위해서, 연장된 측정 시간과 상기 호기의 잠재적인 희석에 대한 보상이 선택 가능하며,
    - 상기 시각화는, 상기 장치 내의 표현 유닛(presentation unit)의 시청각(audiovisual) 수단 또는 촉각 표시(haptic indication) 수단에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 호기 내의 알콜 농도 결정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시각화는 기호(symbol), 수치적 문자(numerical character)를 가지며, 상기 시험 개체 또는 조작자를 향하게 되는 것을 특징으로 하는 호기 내의 알콜 농도 결정 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 측정오차는 상기 호기의 희석, 상기 결정의 누적된 시간 및 잡음이나 간섭 또는 상기 측정 값의 다른 임의 변수들에 종속되는 것을 특징으로 하는 호기 내의 알콜 농도 결정 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    온도, 수증기의 농도, 이산화탄소의 농도 또는 이러한 엔티티(entity)들의 조합(combination)을 측정함에 의해서, 샘플의 희석에 대한 보상과 함께 상기 호기의 무접촉 샘플링(contactless sampling)을 특징으로 하는 호기 내의 알콜 농도 측정 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 장치가 활성화되는 시작 상태, 다음으로 상기 측정 값과 다른 값들에 대응하는 센서 신호들이 안전성에 관하여 제어되는 대기 상태, 다음으로 폐포(alveolar) 알콜 농도 및 오차 측정이 실시간으로 수행되고 시각화되는 측정 및 계산 상태, 그리고 축적된 부정확도가 최소값에 도달하는 마지막 상태를 포함하는 단계별 절차들을 특징으로 하는 호기 내의 알콜 농도 결정 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 알콜 농도 결정은, 예컨데 적외선 흡수와 같은 물리적 특성에 기반하 며, 최소화 이후 상기 측정 오차는 본질적으로 확률적인(stochastic) 속성을 갖는 것을 특징으로 하는 호기 내의 알콜 농도 측정 방법.
  7. 제1항에 따른 알콜 농도 결정을 위한 장치로서,
    - 출력 신호가 알콜 농도의 단조 함수(monotonous function)인 하나의 제 1 센서,
    - 출력 신호가 상기 호기의 희석 또는 이와 관련된 엔티티의 단조 함수인 하나의 제 2 센서, 상기 제 1 및 제 2 센서의 응답시간은 0.5초를 초과하지 않으며,
    - 메모리 유닛에 저장된 프로그램으로 상기 신호들을 처리하는 하나의 전자 유닛, 상기 프로그램은 상기 알콜 농도 결정에 대한 제어 및 계산들을 목적으로 하는 것이며,
    - 상기 농도 결정, 측정값 또는 다른 관련 정보의 시청각적인 구상화(audiovisual visualization) 또는 촉각적인 구상화(haptic visualization)를 위한 하나의 표현 유닛
    을 적어도 포함하는 알콜 농도 결정을 위한 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 장치는, 외부 치수가 120 x 120 x 30 mm를 초과하지 않는 하우징 내에 수납되며,
    상기 호기를 받아들이기 위해 상기 하우징의 개방을 제어하는 디바이스를 포 함하는 것을 특징으로 하는 알콜 농도 결정을 위한 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 장치는, 온도 또는 상기 호기의 흐름 속도(flow velocity)를 측정하기 위한 적어도 하나의 센서를 가지며, 상기 센서의 응답 속도는 0.5초를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 알콜 농도 결정을 위한 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 호기를 받아들이기 위한 개구를 가지며, 조준된(collimated) 적외선 방사가 조사되는 측정 셀(measuring cell)과, 그리고
    상기 측정 셀을 통한 능동적인(active) 공기 흐름을 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 알콜 농도 결정을 위한 장치.
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