PL237347B1 - Sposób i układ do zdalnego, bezinwazyjnego wykrywania par alkoholu etylowego - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ do zdalnego, bezinwazyjnego wykrywania par alkoholu etylowego w komorach, zwłaszcza kabin pojazdów bez zakłócania ruchu drogowego pojazdów.

Celem wynalazku jest zbudowanie urządzenia, które w sposób bezinwazyjny i bez zakłócania ruchu drogowego będzie pomagało odpowiednim służbom na stwierdzenie obecności alkoholu etylowego w kabinie kierujących pojazdami. Wynalazek oparty jest na pomiarze zjawiska absorpcji promieniowania elektromagnetycznego, o określonej długości fali, przez pary alkoholu etylowego. Rozwiązanie dotyczy sposobu, pozwalającego na stwierdzenie obecności par alkoholu etylowego w kabinie kierującego, w poruszającym się pojeździe, na drogach lub wjazdach na drogi szybkiego ruchu, umożliwiające dokonanie pomiaru w sposób bezinwazyjny i bez zakłócania ruchu drogowego.

Znane jest z opisu zgłoszenia wynalazku PL364687 ręczne urządzenie do pomiaru stężenia par alkoholu etylowego w wydychanym powietrzu. Urządzenie służy do testowej i dowodowej kontroli stanu trzeźwości, zwłaszcza u kierowców. Urządzenie posiada mieszalnik, który z jednej strony połączony jest przewodem z komorą pomiarową, a z drugiej strony z przewodem wlotowym ogniwa elektrochemicznego, oraz poprzez elektromagnetyczny zawór połączony jest z otoczeniem, natomiast przewód wylotowy ogniwa elektrochemicznego połączony jest przewodem z pompką elektryczną. Działanie zaworu elektromagnetycznego i pompki sterowane jest przez czujnik półprzewodnikowy. Cyfrowy układ sterowania i obróbki sygnału z czujnika półprzewodnikowego steruje poborem próbki do badania przez ogniwo elektrochemiczne i wykrywa nieprawidłowe pomiary związane z parametrami wydechu. Wentylator zasysa wydychane przez badaną osobę powietrze do komory pomiarowej przy badaniu testowym oraz wymusza przepływ powietrza przez układ pomiarowy po każdym badaniu.

Znane jest z opisu zgłoszenia wynalazku PL389627 urządzenie do zdalnego wykrywania par alkoholu w jadącym samochodzie, które posiada układ laserowy emitujący dwie wiązki światła monochromatycznego w niewielkich odstępach czasowych, z których jedna jest emitowana na częstotliwości dopasowanej do pasma absorpcji par alkoholu, a druga na częstotliwości nie pokrywającej się z pasmem absorpcji tych par, które po „prześwietleniu” wnętrza badanego samochodu, są rejestrowane przez układ detekcji, dając sygnał różnicowy na podstawie którego układ przetwarzania danych określa i sygnalizuje zawartość par alkoholu w kontrolowanym samochodzie.

Znany jest z opisu zgłoszenia wynalazku PL399354 sposób i urządzenie do zdalnego wykrywania par alkoholu w atmosferze. Wiązkę światła, wygenerowaną przez źródło światła o długości fali odpowiadającej widmie absorpcji etanolu, korzystnie w zakresie długości fal od 3,28-3,52 μπ lub w jednym lub kilku zakresach długości fal 6,49-7,46 μπ, 7,74-8,3 μπ, 8,84-10,10 μπ, 10,7-12,00 μπ, przesyła się przez przestrzeń pomiarową zawierającą próbkę wydychanego powietrza, a następnie mierzy się natężenie światła po przejściu wiązki przez przestrzeń pomiarową, po czym, w oparciu o analizę spektralną, zależności natężenia światła od zawartości etanolu, określa się poziom stężenia par etanolu i dostarcza informacje o ustalonym poziomie etanolu do odpowiedniego wyświetlacza lub urządzenia. Urządzenie do realizacji sposobu jest wyposażone w laser, detektor do wykrywania natężenia światła wyemitowanej wiązki, o długości fali odpowiadającej widmu absorpcji etanolu, oraz moduł synchronizacyjno-obliczeniowy, do określania stężenia etanolu na podstawie analizy sygnału spektroskopowego, połączony z detektorem, przy czym laser jest tak skonfigurowany, by wysyłać wiązkę światła w badaną przestrzeń, zawierającą próbkę wydychanego powietrza. Zaletą rozwiązania według wynalazku jest możliwość oznaczania istnienia nawet do 0.5 cząstek na milion, co odpowiada 0.001 mg/L stężenia alkoholu.

Znane jest z opisu zgłoszenia wynalazku PL412840 urządzenie do wykrywania par alkoholu w poruszających się pojazdach z wykorzystaniem międzypasmowych laserów kaskadowych. Wynalazek dotyczy urządzenia do zdalnego wykrywania par alkoholu w poruszających się pojazdach. Zastrzeżone urządzenie zawierające dwa lasery emitujące odpowiednio promieniowanie pochłaniane przez pary alkoholu i promieniowanie odniesienia, połączone przy pomocy płytki światło-dzielącej w jedną wiązkę, która po prześwietleniu sprawdzanego samochodu, pada na detektor, charakteryzuje się tym, że wykorzystywanymi laserami są międzypasmowe lasery kaskadowe emitujące promieniowanie z zakresu odpowiednio 3,42 μπ i 3,55 μm, dla których są zbliżone współczynniki absorpcji szkła szyb samochodowych i bardzo różne współczynniki absorpcji par alkoholu.

Istotą wynalazku jest sposób zdalnego bezinwazyjnego wykrywania par alkoholu etylowego, zwłaszcza w kabinach pojazdów poruszających się na drogach. Do detekcji par alkoholu wykorzystuje się wiązkę promieniowania podczerwonego o długości fali powyżej 3 μπ, która przechodzi przez komorę w przestrzeni par alkoholu etylowego. W wyniku absorpcji par alkoholu ustala się obecność par alkoholu

PL 237 347 B1 w kabinie. Istota wynalazku charakteryzuje się tym, że wytwarza co najmniej jedną wiązkę światła podczerwonego o widmie ciągłym, która przechodzi przez filtr odcinający, powodując ograniczenie promieniowania, odcinając tym samym promieniowanie widzialne i przepuszcza przez komorę o różnym stężeniu alkoholu etylowego, następnie poddaje modulacji poprzez tarczę choppera, jako przerywacza wiązki o zadanej częstotliwości. Następnie rozdziela wiązkę przez płytkę na dwie wiązki: czynną i referencyjną. Wiązka czynna przechodząca przez filtr interferencyjny przepuszcza promieniowanie o długości fali 3,4 gm, natomiast wiązka promieniowania podczerwonego przechodząca przez filtr interferencyjny o długości fali 3,8 gm jest wiązką odniesienia. Po przejściu przez filtry interferencyjne, wiązki kierowane są odpowiednio do detektora dla promieniowanie o długości fali 3,4 gm oraz detektora promieniowania o długości fali 3,8 gm. Zmienne sygnały z detektorów, są kierowane odpowiednio do wzmacniacza typu Lock-in - 1 dla promieniowanie o długości fali 3,4 gm oraz wzmacniacza typu Lock-in - 2 dla promieniowanie o długości fali 3,8 gm. Absorpcja wiązki w komorze, przez pary alkoholu etylowego, powoduje zmniejszenie natężenia promieniowania o długości fali 3,4 gm, co wpływa na zmniejszenie się sygnału wyjściowego z detektora dla wiązki czynnej, przy czym im większe stężenie par alkoholu w komorze tym większa absorpcja i mniejszy sygnał wyjściowy wiązki czynnej. Wielkość sygnału wiązki odniesienia dla długości fali 3,8 gm, po przejściu przez pary alkoholu, praktycznie nie ulega zmianie. Obecność alkoholu w komorze badanej określa się z różnicy stosunków sygnałów wiązki czynnej i odniesienia, po nieobecność par alkoholu i w obecności par alkoholu. Iloraz tych sygnałów, w obecności par alkoholu jest większy od jedności.

Skalowanie układu odbywa się w przestrzeni wolnej od par alkoholu.

Istotą wynalazku jest układ do zdalnego, bezinwazyjnego wykrywania par alkoholu etylowego składający się ze źródła promieniowania elektromagnetycznego, które przechodzi przez badaną komorę oraz układu rejestrującego wiązki, wykrywaniu pary alkoholu etylowego. Układ detekcyjny charakteryzuje się tym, że ma umieszczony poza badaną komorą, emiter ciągłego źródła światła podczerwonego, w którym umieszczony jest filtr odcinający światło widzialne i emitujące wiązkę ograniczoną do promieniowania o długości fali powyżej 3 gm. Po drugiej stronie, poza badaną komorą w linii przechodzącej wiązki jest układ rejestrujący zadane długości fali przechodzącej wiązki. Układ detekcyjny składa się z tarczy choppera do przerywania wiązki, płytki: (beam splitter) dzielącej wiązkę na dwie części: czynną i referencyjną. Wiązka po przejściu przez filtr interferencyjny dla fali o długości: 3,4 gm pada na detektor, który jest połączony z wzmacniaczem typu Lock-in - 1. Wiązka po przejściu przez filtr interferencyjny dla fali o długości 3,8 gm, pada na detektor, który jest połączony z wzmacniaczem typu Lock- in - 2. Poprzez porównanie sygnałów pochodzących od absorpcji wiązki czynnej o długości fali 3,4 gm, której natężenie jest wynikiem absorpcji poprzez pary alkoholu oraz wiązki odniesienia o długości fali 3,8 gm, która nie jest absorbowana przez pary alkoholu, można określić stężenie par alkoholu etylowego w badanej kabinie. Ciągłe źródło promieniowania podczerwonego stanowi żarówka halogenowa osadzona w gnieździe, osłonięta przed czynnikami zewnętrznymi obudową, w której w miejscu ukierunkowania promieniowania podczerwonego, w celu uniknięcia obecności światła widzialnego, umieszczony jest filtr odcinający fale o długości mniejszej niż 3,0 gm, przytwierdzony do obudowy pierścieniem mocującym. Źródło promieniowania podczerwonego ma reflektor paraboliczny, przy czym na zewnętrznej płaszczyźnie ściany tylnej ma tuleję mocującą gniazdo żarówki z prowadnicą oraz nakrętkę blokującą prowadnicę, w celu odpowiedniego ogniskowania wiązki.

Rozwiązanie, według wynalazku do zdalnej detekcji par alkoholu etylowego oparte jest na pomiarze absorpcji promieniowania podczerwonego przez wybrany ośrodek (np. kabinę kierowcy) i detekcji stopnia absorpcji tego promieniowania dla wybranych, praktycznie dowolnych długości fali. Najważniejszą częścią jest zespół urządzeń, które powodują, że emitowana wiązka referencyjna będzie jak najmniej zakłócana, gdyż pochodzi z tego samego źródła emitującego, co promieniowanie absorbujące. Wiązka ta następnie jest rejestrowana poprzez systemy analizatorów, pozwalających operatorowi uzyskać jak najbardziej wiarygodny wynik. Na wstępie prowadzonych badań skupiono się nad znalezieniem metody wytwarzania i emisji wiązki referencyjnej, która zastąpiłaby laser oraz użycie odpowiednich metod detekcji tego promieniowania. Wynalazek pozwala na powszechność jego stosowania. Jest urządzeniem prostym w obsłudze oraz w serwisie. Jest niezawodny, może być eksploatowany w różnych, bardzo zmiennych warunkach otoczenia. Proponowane rozwiązanie z łatwością można adoptować do detekcji innych par, bądź związków w powietrzu, absorbujących w zakresie bliskiej i średniej podczerwieni, poprzez zastosowanie odpowiednich wąskopasmowych filtrów interferencyjnych. Zaproponowane rozwiązanie jest bardzo nisko kosztowe, można oszacować że stanowi ok. 1/10 kosztów rozwiązania, które wykorzystuje lasery, a ponadto jest mniej podatne na zakłócenia związane ze stosowaniem

PL 237 347 B1 urządzenia w warunkach polowych, gdzie występują bardzo zmienne warunki zewnętrzne (zmiany temperatur i wilgotności, drgania itp.). W wynalazku zastosowano osłonięte przed czynnikami zewnętrznymi źródło promieniowania ciągłego, zwłaszcza w postaci żarówki halogenowej. Ośrodek absorbujący poddawany jest badaniom za pomocą widma ciągłego promieniowania elektromagnetycznego, zaś detekcja absorpcji par alkoholu realizowana jest przy wykorzystaniu dwóch wiązek w zakresie wybranej długości fali, w tym przypadku 3, 4 mikrometra oraz detekcji wiązki odniesienia poprzez 3,8 mikrometra nie absorbowanej przez alkohol etylowy. Zastosowane źródło światła ciągłego, gdzie wiązka jest pochodząca z jednego źródła tworzącego wiązkę absorpcyjną i wiązkę referencyjną, prowadzi do tego, że mamy pewność stabilności wiązek: absorpcyjnej i referencyjnej.

Przedmiot wynalazku uwidoczniony został na rysunku, gdzie Fig. 1 przedstawia schemat układu zdalnego bezinwazyjnego wykrywania par alkoholu etylowego, zwłaszcza w kabinach poruszających się na drogach pojazdach, Fig. 2 przedstawia ciągłe źródło promieniowania podczerwonego.

P r z y k ł a d wykonania I

W przykładzie wykonania sposób zdalnego bezinwazyjnego wykrywania par alkoholu etylowego w kabinach poruszających się na drogach pojazdów, polega na wytworzeniu wiązki promieniowania, która przechodzi przez komorę w przestrzeni par alkoholu etylowego i poddaniu jej detekcji polegającej na ustaleniu poziomu stężenia tego alkoholu. W sposobie wytwarza się wiązkę światła podczerwonego o widmie ciągłym przez emiter 1, która przechodzi przez filtr odcinający 1.3 powodując ograniczenie promieniowania do długości fali powyżej 3 gm, odcinając tym samym promieniowanie widzialne. Wiązka ta jest przepuszczana przez komorę 2 o różnym stężeniu alkoholu etylowego. Dalej wiązkę poddaje się modulacji poprzez tarczę choppera 3 jako przerywacza wiązki o zadanej częstotliwości i rozdziela przez płytkę dzielącą 4 na dwie wiązki: czynną i referencyjną. Wiązki przepuszczane są odpowiednio przez filtr interferencyjny 5 przepuszczający promieniowanie o długości fali 3,4 gm i filtr interferencyjny 8 przepuszczający promieniowanie o długości fali 3,8 gm, po czym wiązki kierowane są odpowiednio do detektora 6 dla promieniowania o długości fali 3,4 gm oraz detektora 9 dla promieniowania o długości fali 3,8 gm, w których rejestrowane są natężenia promieniowania o zadanej częstotliwości i generowane elektryczne sygnały napięciowe o takiej samej częstotliwości. Wygenerowane sygnały kierowane są odpowiednio do wzmacniacza typu Lock-in -1 7 dla promieniowania o długości fali 3,4 gm oraz wzmacniacza typu Lock-in - 2 10 dla promieniowania o długości fali 3,8 gm, w których odcina się część sygnału o stałym napięciu. Detektorami są odpowiednie fotorezystory, czułe w analizowanym obszarze długości fal.

Absorpcja wiązki w komorze 2 przez pary alkoholu etylowego powoduje zmniejszenie natężenia promieniowania o długości fali 3,4 gm, co wpływa na zmniejszenie się sygnału wyjściowego dla wiązki czynnej. Im większe stężenie par alkoholu w komorze 2 tym większa absorpcja i mniejszy sygnał wyjściowy wiązki czynnej. Obecność alkoholu w komorze badanej określa się z różnicy stosunków sygnałów wiązki czynnej i odniesienia, pod nieobecność par alkoholu i w obecności par alkoholu. Iloraz tych sygnałów, w obecności par alkoholu jest większy od jedności.

P r z y k ł a d wykonania II

W przykładzie wykonania układ do zdalnego, bezinwazyjnego wykrywania par alkoholu etylowego składa się ze źródła promieniowania wiązki, która przechodzi przez badaną komorę 2 oraz ośrodek absorbujący wiązkę, w którym wiązka poddawana jest wykrywaniu par alkoholu etylowego. Układ ma umieszczony poza badaną komorą 2, emiter 1 ciągłego źródła światła podczerwonego, w którym umieszczony ma filtr 1.3 odcinający światło widzialne emitujące wiązkę ograniczoną do promieniowania o długości fali powyżej 3 gm, zaś po drugiej stronie poza badaną komorą 2 w linii przechodzącej wiązki ma ośrodek absorbujący wiązkę. System rejestrujący wiązkę stanowi tarczę choppera 3 do przerywania wiązki oraz ma płytkę 4 (beam splitter) dzielącą wiązkę na dwie wiązki: czynną i referencyjną i ma filtr interferencyjny 5 dla fali o długości: 3,4 gm współpracujący poprzez detektor 6 z wzmacniaczem typu Lock-in - 1 7 oraz ma filtr interferencyjny 8 dla fali o długości 3,8 gm współpracujący poprzez detektor 9 z wzmacniaczem typu Lock- in - 2 10, w których występuje odczyt stężenia par alkoholu etylowego w badanej kabinie 2.

Obecność alkoholu w komorze badanej określa się z różnicy stosunków sygnałów wiązki czynnej i odniesienia, pod nieobecność par alkoholu i w obecności par alkoholu. Iloraz tych sygnałów, w obecności par alkoholu jest większy od jedności.

PL 237 347 B1

P r z y k ł a d wykonania III

W przykładzie wykonania układ do zdalnego, bezinwazyjnego wykrywania par alkoholu etylowego w kabinach poruszających się na drogach pojazdów składa się ze źródła promieniowania wiązki, która przechodzi przez badaną komorę 2 oraz ośrodka absorbującego wiązkę, w którym wiązka poddawana jest wykrywaniu par alkoholu etylowego. Układ ma umieszczony poza badaną komorą 2, emiter 1 ciągłego źródła światła podczerwonego, w którym umieszczony ma filtr 1.3 odcinający światło widzialne emitujące wiązkę ograniczoną do promieniowania o długości fali powyżej 3 ąm, zaś po drugiej stronie poza badaną komorą 2 w linii przechodzącej wiązki układ rejestrujący wiązkę. Układ rejestrujący wiązkę stanowi tarcza choppera 3 do przerywania wiązki oraz ma płytkę 4 (beam splitter) dzielącą wiązkę na dwie wiązki: czynną i referencyjną i ma filtr interferencyjny 5 dla fali o długości: 3,4 ąm współpracujący poprzez detektor 6 z wzmacniaczem typu Lock-in - 1 7 oraz ma filtr interferencyjny 8 dla fali o długości 3,8 ąm współpracujący poprzez detektor 9 z wzmacniaczem typu Lock- in - 2 10, w których występuje odczyt obecności par alkoholu etylowego w badanej kabinie 2. Ciągłe źródło promieniowania podczerwonego 1 stanowi żarówka halogenowa 1.1 osadzona w gnieździe 1.2, osłonięta przed czynnikami zewnętrznymi w obudowie 1.5, w której ma w miejscu ukierunkowania promieniowania filtr odcinający 1.3 fale o długości mniejszej niż 3,0 ąm przytwierdzony do obudowy 1.5 pierścieniem mocującym 1.4, zaś za źródłem promieniowania podczerwonego 1 ma reflektor paraboliczny 1.6, przy czym na zewnętrznej płaszczyźnie ściany tylnej 1.7 ma tuleję 1.8 mocującą gniazdo żarówki 1.1 z prowadnicą 1.9 oraz nakrętkę blokującą 1.10 prowadnicę 1.9.

Claims (3)

1. Sposób zdalnego bezinwazyjnego wykrywania par alkoholu etylowego, zwłaszcza w kabinach poruszających się na drogach pojazdów, polegający na wytworzeniu wiązki promieniowania o długości fali powyżej 3 ąm, która przechodzi przez komorę w przestrzeni par alkoholu etylowego i poddaniu jej detekcji polegającej na ustaleniu obecności par alkoholu, znamienny tym, że wytwarza się co najmniej jedną wiązkę światła podczerwonego o widmie ciągłym, która przechodzi przez filtr odcinający (1.3), powodując ograniczenie promieniowania, odcinając tym samym promieniowanie widzialne i przepuszcza się przez komorę (2) o rożnym stężeniu alkoholu etylowego, następnie poddaje się modulacji poprzez tarczę choppera (3) jako przerywacza wiązki o zadanej częstotliwości, po czym rozdziela się przez płytkę dzielącą (4) na dwie wiązki: czynną i referencyjną, które przepuszcza się odpowiednio przez filtr interferencyjny (5) przepuszczający promieniowanie o długości fali 3,4 ąm i filtr interferencyjny (8) przepuszczający promieniowanie o długości fali 3,8 ąm, po czym wiązki kierowane są odpowiednio do detektora (6) dla promieniowania o długości fali 3,4 ąm oraz detektora (9) dla promieniowania o długości fali 3,8 ąm, w których rejestrowane są natężenia promieniowania o zadanej częstotliwości i generowane sygnały napięciowe o takiej samej częstotliwości, następnie wygenerowane sygnały kieruje się odpowiednio do wzmacniacza typu Lock-in - 1 (7) dla promieniowania o długości fali 3,4 ąm oraz wzmacniacza typu Lock-in - 2 (10) dla promieniowania o długości fali 3,8 ąm, w których odcina się sygnał o stałym napięciu, przy czym sygnałem wyjściowym jest amplituda zmiennego sygnału o zadanej częstotliwości, zaś absorpcja wiązki w komorze (2) przez pary alkoholu etylowego powoduje zmniejszenie natężenia promieniowania o długości fali 3,4 ąm, co wpływa na zmniejszenie się sygnału wyjściowego dla wiązki czynnej, przy czym im większe stężenie par alkoholu w komorze (2) tym większa absorpcja i mniejszy sygnał wyjściowy wiązki czynnej, przy czym obecność alkoholu w komorze badanej określa się z różnicy stosunków sygnałów wiązki czynnej i odniesienia, pod nieobecność par alkoholu i w obecności par alkoholu, zaś iloraz tych sygnałów, w obecności par alkoholu jest większy od jedności.

2. Układ do zdalnego, bezinwazyjnego wykrywania par alkoholu etylowego składający się ze źródła promieniowania wiązki, która przechodzi przez badaną komorę oraz ośrodka absorbującego wiązkę, w którym wiązka poddawana jest wykrywaniu par alkoholu etylowego, znamienny tym, że ma umieszczony poza badaną komorą (2) emiter (1) ciągłego źródła światła podczerwonego, w którym umieszczony ma filtr (1.3) odcinający światło widzialne emitujące wiązkę ograniczoną do promieniowania o długości fali powyżej 3 ąm, zaś po drugiej stronie

PL 237 347 B1 poza badaną komorą (2) w linii przechodzącej wiązki ma układ rejestrujący wiązkę, który stanowi tarczę choppera (3) do przerywania wiązki oraz ma płytkę (4) (beam splitter) dzielącą wiązkę na dwie wiązki: czynną i referencyjną i ma filtr interferencyjny (5) dla fali o długości: 3,4 gm współpracujący poprzez detektor (6) z wzmacniaczem typu Lock-in - 1 (7) oraz ma filtr interferencyjny (8) dla fali o długości 3,8 gm współpracujący poprzez detektor (9) z wzmacniaczem typu Lock- in - 2 (10), w których występuje odczyt obecności par alkoholu etylowego w badanej kabinie (2).

3. Układ według zastrz. 2, znamienny tym, że ciągłe źródło promieniowania podczerwonego (1) stanowi żarówkę halogenową (1.1) osadzoną w gnieździe (1.2) osłoniętą przed czynnikami zewnętrznymi w obudowie (1.5), w której ma w miejscu ukierunkowania promieniowania filtr odcinający (1.3) fale o długości mniejszej niż 3,0 gm przytwierdzony do obudowy (1.5) pierścieniem mocującym (1.4), zaś za źródłem promieniowania podczerwonego (1) ma reflektor paraboliczny (1.6), przy czym na zewnętrznej płaszczyźnie ściany tylnej (1.7) ma tuleję (1.8) mocującą gniazdo żarówki (1.1) z prowadnicą (1.9) oraz nakrętkę blokującą (1.10) prowadnicę (1.9).