RU219910U1 - Анализатор паров этанола в выдыхаемом воздухе - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к приборостроению, а именно к портативным устройствам, таким как анализаторы состава выдыхаемого воздуха по спектральным характеристикам газовой смеси, и может использоваться для мгновенного определения содержания паров этанола (этилового спирта) в воздухе, выдыхаемом человеком, с целью идентификации факта и степени опьянения данного лица, подлежащего соответствующему контролю. Анализатор паров этанола в выдыхаемом воздухе включает корпус, содержащий лицевую (1) сторону с проемом (3) для подачи входящего газа и заднюю (2) сторону с проемом (12) для выхода газа, установленные в корпусе модуль подогрева входящего газа, включающий газопроницаемый теплообменник (7), расположенный на верхней стенке (20) газовой кюветы (8), инфракрасный спектрофотометр, включающий газовую кювету (8), установленную с возможностью прохождения через ее внутреннее пространство инфракрасного излучения, и оптический узел, при этом корпус инфракрасного спектрофотометра состоит из несущей печатной платы (16), соединенных между собой стенок (20, 21, 22, 23, 24, 25) газовой кюветы (8) в виде печатных плат, на которых установлены средства термостабилизации, проем (26) для подачи входящего газа и проем (9) для выхода газа, подключенный к инфракрасному спектрофотометру модуль обработки сигнал (14), при этом оптический блок (11) оптического узла выполнен цельнометаллическим, а между оптическим блоком (11) оптического узла и газовой кюветой (8) установлен теплоизолирующий переходник (18), а в проеме (9) для выхода газа, расположенном на стенке (24) газовой кюветы (8), установлен анемометр (17). Технический результат - высокая точность анализатора паров этанола в выдыхаемом воздухе в широком диапазоне температур от -40°С до +55°С. 8 з.п. ф-лы, 8 ил.

Description

[01] Область техники

[02] Полезная модель относится к приборостроению, а именно к портативным устройствам, таким как анализаторы состава выдыхаемого воздуха по спектральным характеристикам газовой смеси, и может использоваться для мгновенного определения содержания паров этанола (этилового спирта) в воздухе, выдыхаемом человеком, с целью идентификации факта и степени опьянения данного лица, подлежащего соответствующему контролю. Такие устройства также известны под широко употребляемыми терминами, как «алкотестеры» или «алкометры».

[03] Уровень техники

[04] Анализаторы паров этанола в выдыхаемом воздухе с использованием инфракрасного излучения обладают рядом преимуществ по отношению к аналогам с электрохимическими датчиками. Устройства имеют ресурс около 100000 часов, что определяется ресурсом свето- и фотодиодов, при этом показания не зависят от количества измерений и не подвержены деградации чувствительности в процессе работы.

[05] Поскольку портативные устройства используют в широком диапазоне температур, а также существует высокий риск механических воздействий на такие устройства, то для соблюдения требований к точности измерения исследуемых параметров, в частности, концентрации паров этанола в выдыхаемом воздухе, важной характеристикой прибора является стабильность работоспособности в различных температурных условиях с требуемой точностью. При низкой температуре воздуха выдох человека сопровождается конденсацией водяных паров, что может привести к некорректному определению концентрации паров этанола и других компонентов в воздухе, выдыхаемом человеком. При высокой температуре элементы устройства подвергаются значительному нагреву, что также может влиять на стабильность работоспособности с требуемой точностью.

[06] Наиболее близким аналогом полезной модели является анализатор паров этанола в выдыхаемом воздухе, описанный в патенте РФ на полезную модель №218729, 07.06.2023 г. Анализатор паров этанола в выдыхаемом воздухе содержит корпус с проемом для подачи входящего газа и установленные в корпусе модуль подогрева входящего газа, содержащий теплообменник, инфракрасный спектрофотометр и подключенный к нему модуль обработки сигналов. Инфракрасный спектрофотометр включает корпус в виде газовой кюветы, установленной с возможностью прохождения через ее внутреннее пространство инфракрасного излучения, и оптический узел, имеющий излучатели и приемники инфракрасного излучения. Кювета имеет стенки, несущие защитные стекла, которые могут быть выполнены в виде печатных плат, а также средства термостабилизации кюветы, содержащие нагреватели, размещенные на стенках и защитных стеклах, и термистор.

[07] Недостатком технического решения по ближайшему аналогу является заявленная работоспособность устройства с требуемой высокой точностью в диапазоне температур от -10 до +40°С, в то время, согласно открытым данным, температура воздух зимой в России в среднем -11°С, а средняя минимальная температура составляет -24°С, что свидетельствует о недостаточной точности прибора при эксплуатации в реальных условиях зимнего периода. При этом время, необходимое для подготовки указанного устройства к работе с заданной точностью в условиях пониженных температур (до -10°С), согласно документам по эксплуатации, составляет около 7-ми минут, что не соответствует цели использования устройства, заключающейся в оперативном (быстром, мгновенном) определении концентрации паров этанола выдыхаемого подконтрольным лицом воздуха.

[08] Таким образом, технической проблемой, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является недостаточно широкий диапазон температур, при котором оперативно (мгновенно) осуществляют измерение содержания паров этанола в выдыхаемом воздухе с высокой точностью.

[09] Раскрытие сущности полезной модели

[010] Техническим результатом полезной модели является высокая точность анализатора паров этанола в выдыхаемом воздухе в широком диапазоне температур от -40 до +55°С. Под высокой точностью анализатора паров этанола в выдыхаемом воздухе следует понимать погрешность измерения не более 0,1 мг/л.

[011] Указанная проблема решается, а технический результат достигается в полезной модели за счет того, что анализатор паров этанола в выдыхаемом воздухе включает корпус, содержащий лицевую сторону с проемом для подачи входящего газа и заднюю сторону с проемом для выхода газа, установленные в корпусе модуль подогрева входящего газа, включающий газопроницаемый теплообменник, расположенный на верхней стенке газовой кюветы, инфракрасный спектрофотометр, включающий газовую кювету, установленную с возможностью прохождения через ее внутреннее пространство инфракрасного излучения, и оптический узел, содержащий зеркало, защитное стекло, оптический блок, который состоит из канала воды и канала спирта, корпус инфракрасного спектрофотометра состоит из несущей печатной платы, соединенных между собой стенок газовой кюветы в виде печатных плат, на которых установлены средства термостабилизации, проем для подачи входящего газа и проем для выхода газа, подключенный к инфракрасному спектрофотометру модуль обработки сигнала, при этом оптический блок оптического узла выполнен цельнометаллическим, а между оптическим блоком оптического узла и газовой кюветой установлен теплоизолирующий переходник, а в проеме для выхода газа, расположенном на стенке газовой кюветы, установлен анемометр.

[012] Указанный технический результат также достигается в частных вариантах реализации полезной модели за счет того, что:

[013] - теплоизолирующий переходник изготовлен из фторопласта;

[014] - газопроницаемый теплообменник модуля подогрева входящего газа выполнен в форме гироида или сетки;

[015] - канал воды оптического блока образован светодиодом воды, фотодиодом воды, светофильтром, а канал спирта оптического блока образован светодиодом спирта, двумя фотодиодами спирта, двумя светофильтрами;

[016] - модуль обработки сигнала выполнен в виде печатной платы, на которой установлены требуемые каскады для обработки сигнала;

[017] - несущая печатная плата включает источники питания, систему термостабилизации, датчик температуры и влажности;

[018] - газовая кювета включает верхнюю стенку, первую торцевую стенку, служащую для обогрева защитного стекла, левую и правую боковые стенки, нижнюю стенку, а также вторую торцевую стенку, служащую для обогрева зеркала;

[019] - стенки кюветы соединены между собой клеевыми соединениями и/или элементами крепежа;

[020] - стенки кюветы соединены между собой электрически, а также с узлом обработки сигнала и несущей печатной платой при помощи соединительных гибких печатных плат и разъемных соединений, образованных парными разъемами.

[021] Заявленный анализатор паров этанола в выдыхаемом воздухе содержит в своей конструкции оптический узел, который включает оптический блок, а также зеркало и защитное стекло. В оптическом блоке размещены излучатели и приемники инфракрасного излучения, при этом оптический блок выполнен цельнометаллическим, в то время как в ближайшем аналоге оптический блок выполнен из пластмассы и не является цельным. Такая конструкция оптического блока, и, соответственно, оптического узла обеспечивает стабильную работу инфракрасного спектрофотометра в широком диапазоне температур с высокой точностью измерений. Дополнительно к этому, чтобы уменьшить влияние нагревающейся газовой кюветы на оптический блок, и соответственно, на точность измеряемого показателя, между газовой кюветой и оптическим блоком размещен теплоизолирующий переходник, который изготовлен из материала, обладающего повышенной стойкостью к воздействию высоких и низких температур.

[022] Газопроницаемый теплообменник, размещенный в проеме для подачи входящего газа перед газовой кюветой инфракрасного спектрофотометра, выполненный с возможностью малого сопротивления входному потоку газа при достаточном его нагреве, например, в форме гироида или сетки, позволяет обеспечить равномерный нагрев входящего газа, исключив конденсацию водяных паров, что также повышает точность работы устройства.

[023] Также, в отличие от ближайшего аналога, заявленный анализатор паров этанола содержит анемометр, установленный на проеме для выхода проанализированного газа из газовой кюветы. Анемометр измеряет объем проходящего через прибор входящего газа и на основе данных измерений обеспечивает алгоритмическую компенсацию результатов определения содержания паров этанола в выдыхаемом воздухе, поскольку его объем зависит от индивидуальных особенностей пользователя. Кроме того, наличие анемометра позволяет осуществить пользователем простую калибровку устройства сухими воздушными смесями. Соответственно, наличие анемометра в конструкции устройства также влияет на высокую точность заявленного анализатора паров этанола в выдыхаемом воздухе.

[024] Краткое описание чертежей

[025] Полезная модель поясняется фигурами, где:

На фиг. 1 показан вид спереди анализатора паров этанола в выдыхаемом воздухе,

На фиг. 2 показан вид спереди анализатора паров этанола в выдыхаемом воздухе в разрезе,

На фиг.3 показан вид сзади анализатора паров этанола в выдыхаемом воздухе,

На фиг. 4 показан внутренний вид анализатора паров этанола в выдыхаемом воздухе (в отсутствии лицевой стороны корпуса),

На фиг. 5 показан внутренний вид анализатора паров этанола в выдыхаемом воздухе в разрезе,

На фиг. 6 показан общий вид газовой кюветы анализатора паров этанола в выдыхаемом воздухе,

На фиг. 7 показан общий вид газовой кюветы и оптического узла анализатора паров этанола в выдыхаемом воздухе,

На фиг. 8 показан общий вид кюветы и оптического узла в разрезе анализатора паров этанола в выдыхаемом воздухе.

[026] Элементы конструкции обозначены на фигурах следующими позициями:

1 - лицевая сторона корпуса,

2 - задняя сторона корпуса,

3 - проем для подачи входящего газа, расположенный на лицевой стороне (1) корпуса,

4 - защитное окно графического дисплея,

5 - вход-футорка для неразъемного входного кабеля,

6 - зеркало,

7 - газопроницаемый теплообменник,

8 - газовая кювета инфракрасного спектрофотометра,

9 - проем для выхода газа, расположенный на нижней стенке (24) газовой кюветы (8)

10 - защитное стекло,

11 - оптический блок оптического узла,

12 - проем для выхода газа, расположенный на задней стороне (2) корпуса,

13 - отверстие для соединения атмосферы с датчиком температуры и влажности,

14 - модуль обработки сигнала,

15 - гибкая соединительная печатная плата,

16 - несущая печатная плата,

17 - анемометр,

18 - теплоизолирующий переходник,

19 - элемент крепежа,

20 - верхняя стенка газовой кюветы (8),

21 - первая торцевая стенка газовой кюветы (8) для обогрева защитного стекла (10),

22 - левая боковая стенка газовой кюветы (8),

23 - правая боковая стенка газовой кюветы (8),

24 - нижняя стенка газовой кюветы (8),

25 - вторая торцевая стенка газовой кюветы (8) для обогрева зеркала (6),

26 - проем для подачи входящего газа в инфракрасный спектрофотометр, расположенный на верхней стенке (20) газовой кюветы (8),

27 - светодиод воды,

28 - фотодиод спирта,

29 - фотодиод воды,

30 - светодиод спирта,

31 - светофильтр.

[027] Осуществление полезной модели

[028] Заявленный анализатор (фиг. 1) паров этанола в выдыхаемом воздухе включает внешнюю оболочку в виде корпуса, состоящего из лицевой (1) и задней (2) сторон. На лицевой (передней) стороне (1) корпуса размещен проем (3) для подачи выдыхаемого подконтрольным лицом воздуха (далее - входящий газ). На лицевой стороне (1) корпуса может быть также предусмотрено защитное окно (4) графического дисплея и вход-футорка (5) для неразъемного входного кабеля. В проеме (3) для подачи входящего газа, расположенном на лицевой стороне (1) корпуса, установлен модуль подогрева входящего газа с термодатчиком (не показан) и газопроницаемым теплообменником (7) (фиг. 2). На задней стороне (2) (фиг. 3) корпуса предусмотрен проем (12) для выхода проанализированного газа и отверстие (13) для соединения атмосферы с датчиком температуры и влажности.

[029] Внутри корпуса рассматриваемого устройства размещен инфракрасный спектрофотометр, который включает газовую кювету (8), а также оптический узел. Корпус спектрофотометра состоит из соединенных между собой несущей печатной платы (16) и стенок (20, 21, 22, 23, 24, 25) газовой кюветы (8), которые также являются печатными платами (фиг. 4, 5). Также к инфракрасному спектрофотометру подключен модуль обработки сигнала (14). Соединения между стенками (20, 21, 22, 23, 24, 25) газовой кюветы (8), несущей печатной платой (16) и модулем обработки сигнала (14) могут быть организованы при помощи гибких соединительных печатных плат (15) и разъемных соединений, образованных парными разъемами. Стенки (20, 21, 22, 23, 24, 25) газовой кюветы (8) могут быть соединены между собой клеевыми соединениями и/или элементами крепежа (19), образуя герметичные стыки, что упрощает техническое обслуживание газовой кюветы (8).

[030] Печатные платы стенок (20, 21, 22, 23, 24, 25) газовой кюветы (8), модуля обработки сигнала (14), а также несущая печатная плата (16) изготовлены по стандартной технологии печатных плат из стеклотекстолита. Гибкие соединительные печатные платы (15) могут быть изготовлены из полиимида или аналогичного по гибкости материала, позволяющего наносить на основу проводники.

[031] Газовая кювета (8) (фиг. 6) включает верхнюю стенку (20), первую торцевую стенку (21), служащую для обогрева защитного стекла (10), левую и правую боковые стенки (22, 23), нижнюю стенку (24), а также вторую торцевую стенку (25), служащую для обогрева зеркала (6), выполненные в виде печатных плат и снабженные средствами термостабилизации, которые включают нагреватели (не показаны) и датчики температуры (не показаны). Нагреватели средств термостабилизации могут быть изготовлены по технологии печатного монтажа. На верхней стенке (20) газовой кюветы предусмотрен проем (26) для подачи входящего газа в газовую кювету (8) для анализа посредством инфракрасного спектрофотометра, а также установлен газопроницаемый теплообменник (7), который подогревается нагревателями печатных плат газовой кюветы (8), а оптическое излучение проходит сквозь защитное стекло (10), отражаясь от зеркала (6), и выходит наружу через проем (9) для выхода газа, расположенный на нижней стенке (24) газовой кюветы (8), и анемометр (17), расположенный в указанном проеме (9). Анемометр (17) представляет собой средство измерения расхода входящего газа в виде электронной схемы на основе терморезисторов (резисторов, чье сопротивление сильно зависит от температуры). Модуль обработки сигнала (14) непрерывно обрабатывает сигнал с анемометра (17).

[032] Теплообменник (7) выполнен проходным (газопроницаемым) и может быть изготовлен по технологии селективного лазерного спекания в форме гироида или путем штамповки из металлической сетки, или другим способом, обеспечивающим достаточно малое сопротивление входному потоку газа при достаточном его нагреве. Такое выполнение теплообменника (7) позволяет обеспечить равномерный нагрев входящего газа и повысить точность работы устройства. Газопроницаемый теплообменник (7) может быть выполнен съемным с возможностью очистки.

[033] Модуль обработки сигнала (14) производит анализ сигналов с единого оптического узла. Оптический узел (фиг. 7, 8) инфракрасного спектрофотометра включает оптический блок (11), выполненный цельнометаллическим, зеркало (6) и защитное стекло (10). В оптическом блоке (11) размещены канал воды, образованный светодиодом воды (27), фотодиодом воды (29), светофильтром (31) и канал спирта, образованный светодиодом спирта (30), двумя фотодиодами спирта (28), двумя светофильтрами (31). Между оптическим блоком (11) оптического узла и верхней стенкой (20) газовой кюветы (8) расположен теплоизолирующий переходник (18). Теплоизолирующий переходник (18) может быть изготовлен в виде плоского элемента, предпочтительно, из фторопласта, который обладает повышенной стойкостью к воздействию высоких и низких температур (или иного схожего по свойствам материала, например, полиамида, акрила). Использование теплоизолирующего переходника (18), изготовленного из материалов с указанными выше свойствами, обеспечивает минимизацию влияния греющейся газовой кюветы (8) на оптический блок (11) оптического узла.

[034] В конструкции устройства могут быть предусмотрены защитное окно (4) графического дисплея и сам графический дисплей (не показан) для отображения информации пользователю, звуковой индикатор (не показан) обнаружения заданной концентрации паров этанола, модуль бесконтактного взаимодействия с внешней системой по ИК-диапазону.

[035] Кабель подключения к анализатору паров этанола в выдыхаемом воздухе может быть выполнен несъемным (входит в корпус, неразъемный) для исключения возможности несанкционированного отключения анализатора во время эксплуатации прибора.

[036] Устройство работает следующим образом.

[037] При необходимости анализа выдыхаемого пользователем воздуха, указанный пользователь берет в руки анализатор в соответствии с настоящей полезной моделью и делает выдох в проем (3) для подачи входящего газа, после чего выдыхаемый воздух (входящий газ), проходя сквозь обогреваемый газопроницаемый теплообменник (7), попадает внутрь обогреваемой газовой кюветы (8) для анализа. Для подачи входящего газа в устройство не требуются какие-либо приспособления, однако, если это необходимо, пользователь может использовать дополнительные приспособления, например, мундштук.

[038] Анализ выдыхаемого воздуха (входящего газа) основан на диодной оптической спектроскопии зондировании исследуемой области излучением светодиодов и анализе рассеянного оптического сигнала в нескольких спектральных диапазонах. Инфракрасное излучение от светодиодов (27, 30) проходит через область выдоха, где концентрируется объем анализируемой пробы выдыхаемого воздуха, и после отражения от зеркала (6) попадает на оптические приемники излучения (фотодиоды, светофильтры) (28, 29, 31). Поскольку содержание углекислого газа, паров воды и этанола в выдыхаемом воздухе выше, чем в атмосферном воздухе, поглощение излучения во время выдоха изменяется. В зависимости от изменения поглощения разных зон спектра анализируется содержание паров этанола в выдыхаемом воздухе.

[039] Прибор в течение 0,5-1 секунды проводит анализ и, в зависимости от величины концентрации алкоголя (в частности, этанола) в выдыхаемом воздухе, высвечивает на графическом дисплее результат измерения массовой концентрации этанола в выдыхаемом воздухе. Через 30 секунд - 1 минуту после измерения прибор готов к следующему измерению.

[040] Исследованная проба выдыхаемого воздуха проходит через проем (9) для выхода газа, расположенный на нижней стенке (24) газовой кюветы (8), который содержит анемометр (17). В момент, когда терморезисторы анемометра (17) интенсивно остывают, то есть обдуваются входящим потоком воздуха, модуль обработки сигнала (14) обрабатывает соответствующий сигнал, который свидетельствует, что сквозь газовую кювету (8) проходит воздух. В зависимости от заполненности входящим газом газовой кюветы (8), зависящей от индивидуальных особенностей пользователя, модуль обработки сигнала (14) задает алгоритмическую компенсацию измерений содержания паров этанола в пробе с помощью поправочных коэффициентов.

[041] При необходимости осуществления калибровки устройства пользователь может использовать сухие газовые смеси в баллонах на месте эксплуатации устройства, при этом заявленный анализатор паров этанола различает калибровочную смесь и выдыхаемую пользователем пробу воздуха за счет наличия дополнительного канала воды, образованного фотодиодом воды (29) и светодиодом воды (27).

[042] В таблице 1 приведены сравнительные данные точности измерения концентрации паров этанола в выдыхаемом воздухе заявленного устройства и ближайшего аналога (прототипа) в виде значений погрешности в зависимости от температуры внешней среды, при которой осуществляется эксплуатация указанных устройств.

[044] Таким образом, из таблицы 1 следует, что конструкция заявленного устройства позволяет расширить рабочий диапазон внешних температур прибора с сохранением его высокой точности, таким образом, что погрешность прибора не превышает предельно допустимую погрешность измерений (не более 0,1 мг/л) во всем заявленном диапазоне температур, в отличие от устройства по прототипу, работоспособность которого отсутствует при температуре окружающего воздуха выше +40°С и ниже -10°С.

Claims (9)

1. Анализатор паров этанола в выдыхаемом воздухе, включающий корпус, содержащий лицевую (1) сторону с проемом (3) для подачи входящего газа и заднюю (2) сторону с проемом (12) для выхода газа, установленные в корпусе модуль подогрева входящего газа, включающий газопроницаемый теплообменник (7), расположенный на верхней стенке (20) газовой кюветы (8), инфракрасный спектрофотометр, включающий газовую кювету (8), установленную с возможностью прохождения через ее внутреннее пространство инфракрасного излучения, и оптический узел, содержащий зеркало (6), защитное стекло (10), оптический блок (11), который состоит из канала воды и канала спирта, при этом корпус инфракрасного спектрофотометра состоит из несущей печатной платы (16), соединенных между собой стенок (20, 21, 22, 23, 24, 25) газовой кюветы (8) в виде печатных плат, на которых установлены средства термостабилизации, проем (26) для подачи входящего газа и проем (9) для выхода газа, подключенный к инфракрасному спектрофотометру модуль обработки сигнала (14), отличающийся тем, чтооптический блок (11) оптического узла выполнен цельнометаллическим, а между оптическим блоком (11) оптического узла и газовой кюветой (8) установлен теплоизолирующий переходник (18), а в проеме (9) для выхода газа, расположенном на стенке (24) газовой кюветы (8), установлен анемометр (17).

2. Анализатор паров этанола по п.1, отличающийся тем, что теплоизолирующий переходник (18) изготовлен из фторопласта.

3. Анализатор паров этанола по п.1, отличающийся тем, что газопроницаемый теплообменник (7) модуля подогрева входящего газа выполнен в форме гироида или сетки.

4. Анализатор паров этанола по п.1, отличающийся тем, что канал воды оптического блока (11) образован светодиодом (27) воды, фотодиодом воды (29), светофильтром (31), а канал спирта оптического блока (11) образован светодиодом спирта (30), двумя фотодиодами спирта (28), двумя светофильтрами (31).

5. Анализатор паров этанола по п.1, отличающийся тем, что модуль обработки сигнала (14) выполнен в виде печатной платы, на которой установлены требуемые каскады для обработки сигнала.

6. Анализатор паров этанола по п.1, отличающийся тем, что несущая печатная плата (16) включает источники питания, систему термостабилизации, датчик температуры и влажности.

7. Анализатор паров этанола по п.1, отличающийся тем, что газовая кювета (8) включает верхнюю стенку (20), первую торцевую стенку (21), служащую для обогрева защитного стекла (10), левую и правую боковые стенки (22, 23), нижнюю стенку (24), а также вторую торцевую стенку (25), служащую для обогрева зеркала (6).

8. Анализатор паров этанола по п.7, отличающийся тем, что стенки (20, 21, 22, 23, 24, 25) газовой кюветы (8) соединены между собой клеевыми соединениями и/или элементами крепежа (19).

9. Анализатор паров этанола по п.7, отличающийся тем, что стенки (20, 21, 22, 23, 24, 25) газовой кюветы (8) соединены между собой электрически, а также с модулем обработки сигнала (14) и несущей печатной платой (16) при помощи гибких соединительных печатных плат (15) и разъемных соединений, образованных парными разъемами.