KR20150013358A - 호흡 알코올 농도 측정 장치 및 측정 방법 - Google Patents

호흡 알코올 농도 측정 장치 및 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 사용자의 호흡 알코올 농도를 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 내쉬는 호흡 샘플의 흐름이 호흡 샘플에 존재하는 알코올의 양에 비례하는 출력 신호를 발생시키는 연료 전지 센서를 통과한다. 압력의 측정에 의하여, 호흡 샘플을 내쉬는 시간에 대하여 압력을 적분하여 호흡 샘플의 용량이 계산되고, 연료 전지 출력 신호에 근거하여 호흡 알코올 농도가 계산된다. 샘플 용량 및 호흡 알코올 농도에 관한 두 값은 호흡 샘플 용량에 관계없이, 시간에 대하여 측정된 순간 압력 및 연료 전지 출력 신호를 적분하여 계속하여 업데이트된다. 사용자가 숨을 불어 넣는 것을 중단하면, 저장된 교정 용량을 이용하여 보상된 연료 전지 출력 신호를 얻기 위해서 용량 보상이 수행된다. 따라서, 실험 대상자의 호흡 알코올 농도를 정확하게 측정하기 위한 개선된 방법이 달성되고, 개선된 방법은 다양한 내쉬는 용량을 취급할 수 있고, 그에 따라 샘플링 기구에 대한 필요를 사전에 제거한다.

Description

호흡 알코올 농도 측정 장치 및 측정 방법{METHOD FOR MEASURING BREATH ALCOHOL CONCENTRATION AND APPARATUS THEREFOR}
본 발명은 청구항 제1항의 전제부에 정의된 바와 같이, 사용자의 호흡 알코올 농도 측정 방법에 관한 것이다. 측정 방법은 사용자가 내쉬는 호흡 샘플의 흐름을 받아들이는 단계 및 내쉬는 호흡 샘플의 흐름의 압력을 측정하는 단계를 포함한다. 그와 동시에, 호흡 샘플은 연료 전지 센서(fuel cell sensor)의 내부로 유입된다. 연료 전지 센서의 출력 신호는 호흡 샘플에 존재하는 알코올의 용량, 다시 말해서 호흡 알코올 농도를 결정하는 것에 이용된다.
또한, 본 발명은 두 번째 측면에서 청구항 제10항의 전제부에 정의된 바와 같이, 사용자의 호흡 알코올 농도 측정 장치에 관한 것이다. 측정 장치는 사용자가 내쉬는 호흡 샘플을 받아들이는 샘플링 수단, 내쉬는 호흡 샘플의 흐름의 압력을 측정하는 수단, 연료 전지 센서 및 마이크로컨트롤러(microcontroller)를 포함한다. 마이크로컨트롤러는 연료 전지 센서의 출력 신호에 기반하여 호흡 샘플에 존재하는 알코올의 용량, 다시 말해서 호흡 알코올 농도를 산출한다. 또한, 본 발명은 세 번째 측면에서, 사용자의 호흡 알코올 농도를 측정하는 장치를 포함하는 호흡 알코올 연동 장치에 관한 것이다. 네 번째 측면에서, 본 발명은 호흡 알코올 연동 장치를 포함하는 차량에 관한 것이다.
일반적으로, 사람의 혈중 알코올 농도를 결정하기 위한 호흡 알콜 농도를 측정하는 기술은 두 가지가 있다. 첫 번째 방법으로, 사람의 호흡 샘플에 적외선을 조사하는 적외선 분광법(infrared spectroscopy)이 사용된다. 호흡 샘플에 포함된 분자들은 공진 주파수라고 불리는 해당 분자들의 특성에 따른 특정 주파수를 흡수한다. 예를 들어, 에탄올 분자들의 흡수는 호흡 샘플에 존재하는 에탄올의 양, 다시 말해서 호흡 알코올 농도를 결정하는데 사용될 수 있는 특정한 적외선 스펙트럼을 발생시킨다. 이러한 방법은 측정에 있어서 높은 정확도를 제공하지만, 적외선 분광법에 구비되는 센서들의 가격이 높고, 그로 인해서 장치를 대량으로 생산하기 위한 적용에는 한계가 있다.
두 번째로 일반으로 사용되는 기술은 전기 화학 반응에 따라 알코올(에탄올) 형태의 연료를 전류로 변환하는 연료 전지 센서를 기반으로 한다. 연료 전지 센서들은 적외선 분광법에 구비되는 센서들에 비해 정확도는 어느 정도 낮지만, 가격이 월등히 저렴하다. 그러나, 연료 전지 센서들은 호흡 알코올 농도를 정확하게 결정하기 위해서, 결정하기에 충분한 용량의 호흡 샘플을 필요로 한다.
기존의 연료 전지를 기반으로 하는 분석 시스템은, 분석을 위해서 미리 지정된 호흡의 용량을 연료 전지에 유입하는 기계적인 샘플링 시스템을 통하여 동작한다. 이러한 기계적인 수단은 모터들, 솔레노이드 밸브들(solenoid valves), 피스톤-실린더 장치들, 칸막이 장치들(diaphragm mechanisms) 또는 펌프 또는 벨로우즈 시스템(bellows system)과 연결되는 누름 버튼들을 포함할 수 있다. US 6,167,746는 호흡의 필요한 용량이 연료 전지를 통과하였는지 여부를 확인하기 위해서, 전자적으로 제어되는 밸브를 포함하는 장치를 개시한다. US 2005/0241871는 서로 독립적으로 동작하여 가변적인 호흡의 흐름을 연료 전지에 제공하는 압력 변환기 및 솔레노이드 밸브를 포함하는 음주 연동 장치(sobriety interlock device)를 개시한다. 마이크로프로세서는 미리 결정된 호흡 샘플의 용량을 전달하기 위해서 일정한 시간 동안 솔레노이드 밸브가 열리도록 제어하고, 압력이 보상된 알코올 결과를 제공하기 위해서, 압력 측정값에 기반하여 알고리즘 보정 인자를 계산한다.
선행 기술로서 언급된 방법들은 시스템에 추가적인 비용을 발생시키는 고성능의 제어 회로 및 복잡하거나 또는 부피가 큰 기계적인 구성요소들을 포함하고, 정확도를 손상시키지 않으면서 시스템의 크기를 감소시킬 수 있는 능력을 제한한다.
국제출원 PCT/SE2010/051421는 선행 기술들과 연관되는 많은 문제점들을 극복하는 호흡 알코올 농도를 측정하는 방법 및 장치를 개시하는 출원이다. 그러나, 해당 장치의 마우스피스(mouthpiece)의 디자인은 유속과 결과치 사이에 비선형적인 관계가 있음을 보여 주었다. 다시 말해서, 유속의 변화는 심지어 유사하거나 또는 동일한 알코올 농도들에서조차, 호흡 알코올 농도의 측정값들의 차이를 발생시킨다.
그러므로, 높은 정확도로 호흡 알코올 농도를 측정하고, 낮은 비용으로 생산될 수 있는 소형 장치들을 위한 개선된 방법에 대한 필요성이 요구된다.
본 발명의 목적은 높은 정확도로 호흡 알코올 농도를 측정하고, 낮은 비용으로 생산될 수 있는 소형 장치를 위한 개선된 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따르면, 호흡 알코올 농도를 결정하는 방법이 제공된다. 그 방법은 독립 청구항 제1항의 특징부에 정의된 바와 같이, 다음의 구체적인 측정들을 포함한다. 측정된 압력으로부터 호흡 샘플이 내쉬어진 시간에 대하여 압력을 적분하여 호흡 샘플의 용량을 계산한다. 호흡 샘플을 내쉬는 동안, 측정된 순간 압력 및 연료 전지 출력 신호를 시간에 대하여 적분하여, 호흡 샘플 용량 및 호흡 샘플에 존재하는 알코올의 용량이 계속해서 업데이트된다. 사용자가 숨 불어 넣기를 중단하면, 용량 보상이 수행된다. 여기서, 용량이 보상된 연료 전지 출력 신호를 얻기 위해서, 저장된 교정 용량을 이용하여 연료 전지 출력 신호가 보상된다.
연료 전지 출력 신호에 대한 용량 보상에 의하여, 호흡 샘플의 용량에 관계없이. 측정 방법 및 측정 장치의 정확성이 보장된다. 그 방법은 미리 정해진 호흡 샘플 용량을 요구하지 않기 때문에, 선행기술에서 이용되는 기구적인 샘플링 시스템이 필요하지 않고, 그 측정 장치는 움직이는 부품이 거의 없거나 또는 전혀 없고, 보다 소형으로 제작될 수 있다. 그로 인해서, 장치의 크기 및 제작 비용은 월등히 감소될 수 있다.
다른 예로, 본 발명에 따른 방법은 호흡 샘플 용량 및 기록된 내쉬는 시간에 기반하여, 호흡 샘플의 유속을 계산하는 단계 및 유속이 보상된 연료 전지 출력 신호를 얻기 위해서, 계산된 유속에 대응되는 저장된 유속 조절 인자를 이용하여, 용량이 보상된 연료 전지 출력 신호를 보상하는 단계를 포함한다. 이러한 과정을 통하여 연료 전지 출력 신호에 영향을 미치는 유속의 변화에도 호흡 알코올 농도의 정확한 측정이 유지된다.
유리한 실시 예로, 본 발명에 따른 방법은 온도를 측정하는 단계 및 측정된 온도에 대응하는 저장된 온도 조정 인자를 이용하여, 보상된 연료 전지 출력 신호를 보상하는 단계를 포함한다. 이러한 과정을 통하여 연료 전지 출력 신호에 영향을 미치는 온도가 변화해도 호흡 알코올 농도의 정확한 측정이 유지된다.
바람직한 실시 예로, 본 발명에 따른 방법은, 만일 미리 결정된 시간 동안 측정이 없는 경우, 미리 결정된 용량 및 농도의 샘플에 관한 측정을 통하여 교정을 수행하는 단계, 적어도 한번 더 해당 교정을 수행하는 단계를 반복하는 단계 및 연료 전지 출력 신호의 평균값을 교정 용량으로 저장하는 단계를 포함한다. 이러한 과정을 통하여 연료 전지의 처음 측정값에서 발생되는 큰 오차에도 호흡 알코올 농도의 정확한 측정이 유지된다.
바람직한 실시 예로, 본 발명에 따른 방법은 호흡 알코올 농도에 기반하여 혈중 알코올 농도를 결정하는 단계 및 혈중 알코올 농도의 결과를 디스플레이하는 단계를 포함한다.
바람직한 실시 예로, 본 발명에 따른 방법은 다음 식을 이용하여 보상을 수행하는 단계를 포함한다.
Figure pct00001

더 바람직한 실시 예로, 본 발명에 따른 방법은 계산된 호흡 알코올 농도가 미리 결정된 임계값을 초과하면, 차량의 시동이 걸리는 것을 방지하는 단계를 포함한다.
더 바람직한 실시 예로, 본 발명에 따른 방법은 압력-기반 압력 센서, 바람직하게는 압력 센서와 조합된 벤튜리 미터 또는 오리피스 판을 통하여 압력을 측정하는 단계를 포함한다. 압력-기반 압력 센서는 움직이는 부품이 거의 없거나 또는 전혀 없고, 크기가 작은 구성요소를 제공하는 이점이 있고, 본 발명의 방법을 수행하는 장치에 있어 공간을 효율적으로 사용하도록 보장한다.
본 발명에 따르면, 독립 청구항 제10항에 정의된 바와 같이, 호흡 알코올 농도를 결정하기 위한 장치도 제공된다. 그 장치는 독립 청구항 제1항의 특징부에서 정의된 바와 같이 다음의 구체적인 특징들을 포함한다. 마이크로컨트롤러는 호흡 샘플이 내쉬어 진 시간에 대하여 압력을 적분하여 호흡 샘플의 용량을 계산한다. 이와 함께 마이크로컨트롤러는 시간에 대하여 측정된 순간 압력 및 연료 전지 출력 신호를 적분하여 호흡 샘플 용량 및 호흡 알코올 농도를 계속해서 업데이트한다. 마이크로컨트롤러는 사용자가 숨 불어 넣기를 중단하면, 용량이 보상된 연료 전지 출력 신호를 얻기 위해서, 연료 전지 출력 신호에 대한 용량 보상을 수행한다.
본 발명에 따른 장치의 바람직한 실시 예는 앞서 설명한 측정 방법에 대응하는 특징들을 포함한다.
바람직한 실시 예로, 본 발명에 따라 호흡 알코올 농도를 결정하는 장치를 포함하는 호흡 알코올 연동 장치 및 그러한 연동 장치를 포함하는 차량이 제공된다.
본 발명에 따른 호흡 알코올 농도 측정 장치 및 측정 방법의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 높은 정확도로 호흡 알코올 농도를 측정하고, 낮은 비용으로 생산될 수 있는 소형 장치를 위한 개선된 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 시간에 따른 연료 전지의 출력 신호를 그래프로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 호흡 알코올 농도 측정 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 호흡 알코올 농도 측정 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
내쉬는 호흡 샘플이 Breathalyser®(
Figure pct00002
가 소유한 상표)라는 명칭으로 널리 알려진 호흡 알코올 측정 장치를 통과할 때, 호흡 샘플에 존재하는 몇몇 알코올(에탄올)은 전기 화학 반응에 따라 산화된다. 도 1은 시간에 따른 출력 전압에 관한 그래프로서, 연료 전지의 일반적인 출력 응답을 나타낸다. 곡선 아래의 영역은 시간에 대하여 전압을 적분하여 계산되고, 그 계산된 값은 호흡에 포함된 알코올 농도와 정비례(directly proportional)하는 값(FC)을 제공한다.
호흡 알코올 농도(breath alcohol concentration, BrAC)의 정확한 측정값을 제공하기 위해서, Breathalyser는 미리 결정된 알코올 농도 및 용량의 샘플을 이용하여 교정(calibration)되어야만 한다. 그 뒤에 실험 대상자에 대한 호흡 알코올 실험을 수행할 때, Breathalyser는 교정에 사용될 용량에 해당하는 미리 결정된 샘플 용량을 요구한다. 미리 정해진 샘플 용량이 공급될 때, Breathalyser는 교정 과정으로 저장된 값과 실험 샘플에 대한 연료 전지 출력 신호(전압)의 곡선 아래의 영역을 비교하고, 실험된 호흡 알코올 농도에 관한 측정값을 산출한다.
특정한 샘플 용량의 요구는 기술 분야에서 알려진 Breathalyser의 측정 장치의 큰 불편함이다. 첫째, 예를 들어 측정 대상자의 심폐 능력이 떨어지거나 또는 미리 결정된 호흡 샘플의 용량을 제공할 수 없는 다른 이유들이 있는 경우, 유효한 측정이 수행될 수 없다. 둘째, Breathalyser에서 어떤 선택된 샘플을 획득하고, 측정하고, 그것을 연료 전지에 공급하기 위해서 필요한 샘플링 기구(예를 들어, 압력 센서들, 밸브들, 펌프들 등)가 상당히 비싸거나 그리고/또는 부피가 클 수 있고, 그러한 점이 측정 장치의 크기를 소형화하고, 생산 비용을 감소시키는데 제약이 된다.
연료 전지 출력 신호 영역을 측정할 때의 유사한 방법에서, 호흡 샘플의 용량은 시간에 대하여, 호흡 샘플 흐름의 압력에 정비례하는, 호흡 샘플의 체적 유량(volumetric flow rate)에 관한 곡선 아래 영역을 계산하여 결정될 수 있다. 따라서, 더 간단하게 측정될 수 있는 압력 곡선 아래의 영역을 계산하여 동일한 결과를 얻을 수 있다. 압력은 예를 들어 기계적인 센서, 압력-기반 센서, 광학 센서, 열 센서 또는 전자기 센서와 같은 적당한 압력 센서를 이용하여 손쉽게 측정된다. 본 발명의 바람직한 실시 예에서, 압력-기반 압력 센서는 벤튜리 미터(Venturi meter), 오리피스 판(orifice plate) 또는 압력 센서가 조합된 등가물 등이 이용된다. 물론, 직접적으로 유속을 측정하는 것 역시 본 발명의 범위에 포함된다.
실험실 테스트는 어떤 특정한 알코올 농도에서 호흡 용량(Vb)의 변화가 수학식 1과 같이 연료 전지 출력 신호(FCout)와 선형적인 상관관계가 있다는 것을 증명하였다.
Figure pct00003
연료 전지 출력 신호(FCout)의 용량 보상을 수행하기 위해서, 측정되어 저장된 교정 용량(Vcal)을 이용하여, 측정 장치가 미리 결정된 용량 및 알코올 농도의 샘플로 교정될 때, 수학식 1이 연료 전지 출력 신호의 결과이고, 상수를 나타내는 표현(
Figure pct00004
)을 수학식 1에 대입하면, 연료 전지 출력 신호의 보상 값(FCcomp)은 수학식 2와 같이 얻어진다.
Figure pct00005
따라서, 다양한 내쉬는 용량들이 취급될 수 있고, 샘플링 기구에 대한 필요가 사전에 제거되며, 실험 대상자의 호흡 알코올 농도를 정확하게 측정하는 새롭고 진보적인 방법이 수행될 수 있다. 다시 말해서, 본 발명에 따른 측정 방법 및 측정 장치는 내쉬는 호흡 샘플의 용량에 의존하지 않기 때문에, 호흡 알코올 농도의 측정을 위해서, 용량 또는 유속에 대한 임계값의 초과에 관한 요구가 필요하지 않다.
호흡 알코올 농도를 측정할 때 발생되는 다른 문제는 내쉬는 호흡 샘플의 유속에 의존하여 연료 전지 출력 신호가 달라진다는 것이다. 이러한 문제는 측정에 이용되는 측정 장치의 마우스피스 또는 인렛튜브(inlet tube)의 디자인 때문이다. 여기서, 마우스피스 또는 인렛튜브(inlet tube)의 디자인은 유속과 연료 전지 출력 신호 사이에 비선형적인 관계를 발생시킨다.
내쉬는 호흡 샘플의 유속은 내쉬는 호흡 샘플의 용량을 호흡 샘플을 내쉬는 시간으로 나누어 계산될 수 있다. 여기서, 내쉬는 시간은 사용자가 전체 호흡 샘플을 제공하는데 걸린 총 시간이다. 그러므로, 본 발명에 따른 측정 방법에서, 내쉬는 시간은 유속을 계산하는데 사용되도록 기록된다.
내쉬는 시간이 다양하게 변하는 동안, 미리 설정된 용량 및 알코올 농도의 샘플을 이용하여, 넓은 범위의 다른 유속들에 관한 실험 데이터를 얻는 과정에서, 유속에 관한 함수로서 연료 전지 출력 신호는 2차 다항식에 잘 대응되는 것이 발견되었다. 따라서, 주어진 어떤 유속(Q)에서 연료 전지 출력 신호를 유속 보상하는데 사용되는 유속 조절 인자(Qf)를 추론하는 것이 가능하다. 그 결과, 연료 전지 출력 신호에 영향을 미치는 유속이 변화해도, 호흡 알코올 농도의 정확한 측정은 유지될 수 있다.
그러므로, 첫 단계로 앞서 간략히 설명한 바와 같이, 내쉬는 호흡 샘플의 유속을 계산한다. 그 다음으로, 연료 전지 출력 신호에 계산된 유속에 대응하는 유속 조절 인자를 곱하고, 계산된 유속(Q)으로 나누어 연료 전지 출력 신호에 대하여 유속 보상을 수행하여, 수학식 3과 같이 유속 보상이 수행된 연료 전지 출력 신호를 얻는다.
Figure pct00006
호흡 알코올 농도의 측정에 대한 정확성에 영향을 미치는 다른 문제는 측정 장치가 일정 시간 동안 남겨진 때, 즉, 측정이 수행되지 않을 때, 재교정(recalibrate)에도 불구하고, 처음에는 높은 측정값의 오차가 발생될 수 있다는 것이다. 그러한 처음의 높은 측정값의 오차들이 발생하는 것을 방지하기 위해서, 적어도 두 번의 교정을 수행하는 것이 제안된다. 미리 정해진 용량 및 알코올 농도에 관한 적어도 두 개의 샘플들을 측정한 후에, 연료 전지 출력 신호의 평균값은 다음의 용량 보상을 위해 사용될 교정 용량으로 저장된다. 그러한 과정으로 이후에 실시되는 호흡 알코올 농도의 측정은 원하는 정확도를 유지할 것이다.
연료 전지 출력 신호는 온도에 따라 달라진다는 것은 알려진 사실이다. 온도가 감소하면, 연료 전지 출력 신호 역시 감소한다. 이러한 특성은 연료 전지 출력 신호에 온도 보상을 적용하여 상쇄시킬 수 있다.
미리 결정된 용량 및 알코올 농도의 샘플을 이용하여, 넓은 범위의 다른 온도에 대한 실험 데이터를 얻는 과정에서, 온도에 관한 함수로서 연료 전지 출력 신호는 2차 다항식에 잘 대응되는 것이 발견되었다. 따라서, 주어진 어떤 온도에서 연료 전지 출력 신호를 온도 보상하는데 사용되는 온도 조절 인자(Tf)를 추론하는 것이 가능하다. 그 결과, 연료 전지 출력 신호에 영향을 미치는 온도가 변화해도, 호흡 알코올 농도의 정확한 측정은 유지될 수 있다. 실험된 온도들의 범위는 섭씨 영하 10도에서 섭씨 영상 50도가 바람직하다.
그러므로, 첫 단계로 연료 전지 및/또는 주변의 온도를 측정한다. 그 다음으로, 연료 전지 출력 신호에 측정된 온도(T)에 대응하는 온도 조절 인자(Tf)를 곱하고, 측정된 온도로 나누어 연료 전지 출력 신호에 대하여 온도 보상을 수행하여 수학식 4와 같이 온도 보상이 수행된 연료 전지 출력 신호를 얻는다.
Figure pct00007
호흡 알코올 농도의 측정에 대한 정확성에 영향을 미치는 또 다른 인자로서 연료 전지 출력 신호가 알코올 농도의 증가에 대하여 서서히 감소하거나 또는 포화된다는 사실이 알려져 있다. 다시 말해서, 연료 전지가 주어진 알코올 농도에 기대되는 출력 신호보다 낮은 틀린 출력 신호를 출력한다.
미리 결정된 용량의 샘플 및 다양한 알코올 농도들을 이용하여, 넓은 범위의 다른 알코올 농도에 대한 실험 데이터를 얻는 과정에서, 알코올 농도의 함수로서 연료 전지 출력 신호는 약 0.5 mg/l를 초과한 알코올 농도에서는 비선형적이라는 것이 발견되었다. 따라서, 주어진 어떤 알코올 농도에서 연료 전지 출력 신호를 선형성(linearity) 보상하는데 사용되는 선형성 조절 인자를 추론하는 것이 가능하다. 그 결과, 연료 전지 출력 신호에 영향을 미치는 알코올 농도가 변화해도, 호흡 알코올 농도의 정확한 측정이 유지될 수 있다. 단지, 약 0.5 mg/l을 초과한 알코올 농도에서 선형성을 보상하는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 호흡 알코올 농도 측정 방법을 나타내는 순서도이다. 먼저, 사용자들에게 위생적인 환경을 보장하기 위해서, 일반적으로, 플라스틱 또는 교체 가능하고 생산 비용이 저렴한 다른 적당한 물질로 만들어진 샘플링 튜브 또는 파이프를 통하여 사용자가 측정 장치에 숨을 불어 넣기 시작한다(S201).
사용자가 측정 장치에 숨을 불어 넣음에 따라, 내쉬는 호흡 샘플의 흐름으로 가해진 압력이 측정되고, 그 압력은 시간에 대하여 측정된 순간 압력(instantaneous pressure)을 적분하여 호흡 샘플의 용량(Vb)을 계산하는 데 이용된다. 계산된 호흡 샘플의 용량(Vb)은 시간에 대하여 압력을 적분하는 측정 절차를 통하여 계속적으로 업데이트된다(S202).
그와 동시에, 호흡 알코올 농도(BrAC)는 연료 전지 출력 신호(FCout)로부터 계산되고, 호흡 알코올 농도(BrAC) 역시 시간에 대하여 연료 전지 출력 신호(FCout)를 적분하여 계속적으로 업데이트된다(S202).
이 후, 사용자가 숨을 불어 넣는 것을 중단하였는지 여부를 판단한다(S204). 만일 사용자가 숨을 불어 넣는 것을 중단하였다면, 앞서 설명한 바와 같이 용량 보상이 수행된다(S205). 여기서, 연료 전지 출력 신호에 대하여 용량 보상이 수행된 값(FCcomp)이 얻어지고, 얻어진 값은 보상이 수행된 호흡 알코올 농도(BrACcomp)를 계산하는데 사용된다. 이 후, 계산된 값은 사용자에게 디스플레이되거나 그리고/또는 사용자의 혈중 알코올 농도를 결정하는데 사용된다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 호흡 알코올 농도(BrAC) 측정 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다. 측정 장치는 하우징(1)의 내부에 포함되고, 사용자 또는 실험 대상자로부터 내쉬는 호흡 샘플을 받아들이기 위한 교체 가능한 호흡 샘플 인렛튜브(2)를 포함한다. 화살표는 측정 장치를 통과하는 호흡 흐름의 방향을 나타낸다. 호흡 흐름은 말단부가 닫힌 제1 채널(3)을 통해서 유도된다. 압력 센서(5)는 제1 채널(3)d의 말단부 주변에 위치하고, 측정 장치를 통과하는 호흡 샘플의 순간 압력을 측정한다.
바람직한 실시 예에서, 압력 센서(5)는 벤튜리 미터, 오리피스 판 또는 그와 동등한 압력 센서의 조합과 같은 압력-기반 압력 센서를 포함한다. 그러나, 압력은 예를 들어, 기계적인 센서, 압력-기반 센서, 광학 센서, 열 센서 또는 전자기 센서와 같은 적당한 압력 센서를 이용하여 측정된다.
호흡 흐름의 일부는 샘플링 채널(4)을 통해서 유도되고, 중심부에 위치하는 제1 채널(3)의 끝부분 주변에 위치하는 연료 전지 센서(6)로 들어간다. 호흡 샘플에 존재하는 어떤 알코올(에탄올)은 연료 전지(5)의 전기 화학 반응에 연료로 공급되어 전류가 생성된다. 이 전류는 호흡 샘플에 존재하는 알코올 양의 측정 수단이 되고, 연료 전지 출력 신호(FCout)로서 일반적으로 연료 전지(6)에서 측정되는 전압으로 기술된다.
압력 센서(5) 및 연료 전지(6)는 압력 및 연료 전지 전압의 측정을 처리하는 수단을 포함하는 마이크로컨트롤러(7)에 연결된다. 이와 관련해서, 처리는 시간에 대하여 압력 및 연료 전지 출력 신호(FCout)의 곡선 아래의 영역을 찾는 것을 포함한다. 영역은 각각 호흡 샘플의 용량(Vb) 및 호흡 알코올 농도(BrAC)에 대응된다. 이것은 시간에 대하여 압력 및 연료 전지 출력 신호(FCout)를 각각 적분하여 얻을 수 있다. 마이크로컨트롤러(7)는 호흡 검사의 기간에 걸쳐 호흡 샘플 용량(Vb) 및 연료 전지 출력 신호(FCout)를 계속해서 업데이트하도록 구성된다.
앞서 언급된 바와 같이, 유속(Q)은 호흡 샘플의 용량(Vb)을 기록되어 있는 호흡 샘플을 내쉬는 시간으로 나누어 계산된다. 이러한 목적을 위해서, 마이크로컨트롤러(7)는 클럭 또는 타이머 수단들을 포함한다. 압력 센서(5)에서 측정된 압력이 미리 정해진 임계값을 초과하는 상황에서 내쉬는 시간은 기록될 수 있다. 여기서, 임계값은 호흡 샘플이 제공되는 것을 나타낸다.
온도 측정을 위해서, 측정 장치(1)는 온도 센서(미도시)를 포함한다. 온도 센서는 연료 전지의 온도 및/또는 주변 온도를 측정한다. 마이크로컨트롤러(7)는 측정된 온도에 대응하는 저장된 온도 조절 인자에 기반하여 오도 보상을 수행하기 위하여 측정된 온도를 이용한다. 섭씨 영하 10도 내지 섭씨 영상 50도의 범위에 포함되는 온도에 대한 조절 인자들은 마이크로컨트롤러(7)에 저장될 수 있다.
호흡 샘플이 연료 전지(6)를 통과할 때, 호흡 샘플은 배기관(8)을 통하여 측정 장치의 하우징(1)을 빠져나간다.
또한, 배터리(9) 또는 압력 센서(5), 연료 전지(6) 및/또는 마이크로컨트롤러(7)에 전력을 공급하는 적당한 에너지 소스가 측정 장치에 포함된다.
본 발명의 바람직한 실시 예에서, 측정 장치는 측정된 호흡 알코올 농도(BrAC) 및/또는 혈중 알코올 농도(BAC)를 디스플레이하는 디스플레이 수단을 포함한다. 혈중 알코올 농도(BAC)는 혈액에 대한 공기의 분배율, 즉 주어진 호흡 용량에 포함된 알코올의 양과 혈액 사이의 관계로부터 결정될 수 있다. 대부분의 Breathalyser의 측정 장치는 2100:1의 국제 표준 분배율을 이용한다. 즉, 호흡에 포함된 하나의 알코올은 혈액에 포함된 2100 개의 알코올에 해당한다.
본 발명에 따른 알코올 측정 장치는 매우 소형으로 제작될 수 있고, 음주 연동 장치(sobriety interlock device)에 포함될 수 있다. 이러한 연동 장치는 기술 분야에 널리 알려져 있고, 여기에서 자세히 설명하지 않겠다. 연동 장치는 온도, 습도 및/또는 사용자의 호흡에 포함된 알코올 농도를 측정하고, 허용된 범위(알코올에 취하지 않은 사용자에 대응하는) 내에서 해당하는 이러한 측정치에 기초하여, 연동 장치는 차량 또는 연동 장치에 연결된 다른 기계 장치를 시작을 허용한다. 뿐만 아니라, 연동 장치는 알코올 측정 장치의 결과를 분석하기 위한 마이크로프로세서 및 차량 또는 기계의 시동에 전기적으로 연결되는 릴레이에 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 알코올 측정 장치가 제공되면, 크기가 작고, 낮은 비용으로 제작되는 금주 연동 장치를 제작할 수 있고, 어떤 차량 또는 기계의 시작을 제어하는데 이용될 수 있다.
따라서, 이상의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (19)

  1. 사용자의 호흡 알코올 농도(BrAC)를 측정하는 방법에 있어서,
    사용자로부터 내쉬는 호흡 샘플의 흐름을 받아들이는 단계;
    상기 내쉬는 호흡 샘플의 흐름의 순간 압력을 측정하는 단계;
    상기 사용자가 상기 호흡 샘플을 내쉬는 시간을 기록하는 단계;
    상기 호흡 샘플을 연료 전지 센서(6)에 유도하는 단계;
    상기 연료 전지 센서(6)의 출력 신호(FCout)에 기반하여, 상기 호흡 알코올 농도(BrAC)를 계산하는 단계;
    상기 측정된 압력에 기반하여, 상기 호흡 샘플의 용량(Vb)을 계산하는 단계;
    상기 호흡 샘플의 용량(Vb)에 관계없이, 시간에 대하여 상기 측정된 순간 압력 및 상기 연료 전지 센서의 출력 신호(FCout)를 적분하여, 상기 호흡 샘플의 용량(Vb) 및 상기 호흡 알코올 농도(BrAC)를 계속적으로 업데이트하는 단계;
    상기 사용자가 숨을 불어 넣는 것을 중단하면, 상기 호흡 알코올 농도(BrAC)의 최종 값을 계산하기 전에, 다음 단계를 수행하는 단계; 및
    용량이 보상된 연료 전지 출력 신호(FCVcomp)를 얻기 위해서, 저장된 교정 용량(Vcal)을 이용하여, 상기 연료 전지 센서의 출력 신호(FCout)를 보상하는 단계를 포함하는 호흡 알코올 농도 측정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 호흡 샘플의 용량(Vb) 및 상기 기록된 내쉬는 시간에 기반하여, 상기 호흡 샘플의 유속(Q)을 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 유속(Q)에 대응하는 저장된 유속 조절 인자(Qf)를 이용하여, 유속이 보상된 연료 전지 출력 신호(FCQcomp)를 얻기 위해서, 상기 용량이 보상된 연료 전지 출력 신호(FCVcomp)를 보상하는 단계를 더 포함하는 호흡 알코올 농도 측정 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    온도를 측정하는 단계(T); 및
    상기 측정된 온도에 대응하는 저장된 온도 조절 인자(Tf)를 이용하여, 상기 보상된 연료 전지 출력 신호를 보상하는 단계를 더 포함하는 호흡 알코올 농도 측정 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    만일 미리 정해진 시간 동안 측정이 없다면,
    미리 정해진 용량 및 농도의 샘플에 관한 측정을 통하여 교정을 수행하는 단계;
    적어도 한번 더 상기 교정을 수행하는 단계를 반복하는 단계; 및
    상기 연료 전지 센서의 출력 신호(FCout)의 평균값을 상기 교정 용량(Vcal)으로 저장하는 단계를 더 포함하는 호흡 알코올 농도 측정 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 호흡 알코올 농도(BrAC)에 기반하여, 혈중 알코올 농도(BAC)를 결정하는 단계를 더 포함하는 호흡 알코올 농도 측정 방법.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 혈중 알코올 농도(BAC)의 결과를 디스플레이하는 단계를 더 포함하는 호흡 알코올 농도 측정 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 용량 보상은 다음 식을 이용하여 수행되는 호흡 알코올 농도 측정 방법.
    Figure pct00008

  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 계산된 호흡 알코올 농도(BrAC)가 미리 정해진 임계값을 초과하면, 차량의 시동이 걸리는 것을 방지하는 단계를 더 포함하는 호흡 알코올 농도 측정 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 압력은 압력-기반 압력 센서(5), 바람직하게는 압력 센서와 조합된 벤튜리 미터(Venturi meter) 또는 오리피스 판(orifice plate)을 통해서 측정되는 호흡 알코올 농도 측정 방법.
  10. 호흡 알코올 농도(BrAC)를 측정하는 장치에 있어서,
    사용자의 내쉬는 호흡 샘플을 받아들이는 수단(2);
    상기 내쉬는 샘플의 흐름의 순간 압력을 측정하는 수단(5);
    상기 사용자가 상기 호흡 샘플의 내쉬는 시간을 기록하는 수단;
    연료 전지 센서(6);
    상기 연료 전지 센서의 출력 신호(FCout)에 기반하여 상기 호흡 알코올 농도(BrAC)를 계산하고, 상기 측정된 압력에 기반하여, 상기 호흡 샘플의 용량(Vb)을 계산하는 마이크로컨트롤러(7)를 포함하고,
    상기 마이크로컨트롤러(7)는,
    상기 호흡 샘플의 용량(Vb)에 관계없이, 시간에 대하여 상기 측정된 순간 압력 및 상기 연료 전지 센서의 출력 신호(FCout)를 적분하여, 상기 호흡 샘플의 용량(Vb) 및 상기 호흡 알코올 농도(BrAC)를 계속적으로 업데이트하고, 용량이 보상된 연료 전지 출력 신호(FCVcomp)를 얻기 위해서, 저장된 교정 용량(Vcal)을 이용하여, 상기 연료 전지 센서의 출력 신호(FCout)에 용량 보상을 수행하는 호흡 알코올 농도 측정 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 마이크로컨트롤러(7)는,
    상기 호흡 샘플의 용량(Vb) 및 상기 기록된 내쉬는 시간에 기반하여, 상기 호흡 샘플의 유속(Q)을 계산하고,
    상기 계산된 유속(Q)에 대응하는 저장된 유속 조절 인자(Qf)를 이용하여, 유속이 보상된 연료 전지 출력 신호(FCQcomp)를 얻기 위해서, 상기 용량이 보상된 연료 전지 출력 신호(FCVcomp)에 유속 보상을 수행하는 호흡 알코올 농도 측정 장치.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    온도(T)를 측정하는 수단을 더 포함하고,
    상기 마이크로컨트롤러(7)는,
    상기 측정된 온도에 대응하는 저장된 온도 조절 인자(Tf)를 이용하여, 상기 보상된 연료 전지 출력 신호를 보상하는 호흡 알코올 농도 측정 장치.
  13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    만일 미리 정해진 시간 동안 측정이 없다면, 적어도 두 번 미리 정해진 용량 및 농도의 샘플에 관한 측정을 수행하여 교정이 되고,
    상기 마이크로컨트롤러(7)는,
    상기 연료 전지 센서의 출력 신호(FCout)의 평균값을 상기 교정 용량(Vcal)으로 저장하는 호흡 알코올 농도 측정 장치.
  14. 제 10 항 내지 제 13 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 마이크로컨트롤러(7)는,
    상기 호흡 알코올 농도(BrAC)에 기반하여, 혈중 알코올 농도(BAC)를 결정하는 호흡 알코올 농도 측정 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 혈중 알코올 농도(BAC)의 결과를 디스플레이하는 디스플레이 수단을 더 포함하는 호흡 알코올 농도 측정 장치.
  16. 제 10 항 내지 제 15 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 용량 보상은, 다음 식을 이용하여 수행되는 호흡 알코올 농도 측정 장치.
    Figure pct00009

  17. 제 10 항 내지 제 16 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 압력을 측정하는 수단은,
    압력-기반 압력 센서(5), 바람직하게는 압력 센서와 조합된 벤튜리 미터 또는 오리피스 판을 포함하는 호흡 알코올 농도 측정 장치.
  18. 제 10 항 내지 제 17 항 중 어느 하나의 항에 따른 호흡 알코올 농도 측정 장치를 포함하는 호흡 알코올 연동 장치.
  19. 제 18 항에 따른 호흡 알코올 연동 장치를 포함하는 차량.
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