SE1050671A1 - Spektroskopisk gassensor och förfarande för fastställande av en alkoholkoncentration i en tillförd luftvolym, särskilt en utandningsvolym - Google Patents

Abstract

Uppfinningen avser en spektroskopisk gassensor (1) som åtminstone uppvisar:. en IR-strålningskälla (2) för utsändande av IR-strålning (3),. en mätvolym (4) för fullständig eller partiell fyllning med en lufttillförselvolym, särskilt en utandningsluft (9),. en detektoranordning (6) med åtminstone en, företrädesvis två detektorelement (6-1, 6-2, 6-3) som detekterar IR-strålningen (3a) som nått igenom mätvolymen (4) i olika våglängdsområden och utger mätsignaler (S1, S2, S3), och. en utvärderingsanordning (8) för upptagande av mätsignalerna (S1, S2, S3) och fastställande av en koncentration av en mätsubstans i ufttillförselvolymen 9,. Uppfinningsenligt är ombesörjt att. ett första detektorelement (6-1) mäter IR-strålning i ett våglängdsområde hos ett absorptionsband hos mätsubstansen och. utvärderingsanordningen (8) fastställer en koncentration av mätsubstansen i lufttillförselvolymen (9) från den fastställda koncentrationen av mätsubstansen och en ytterligare komponent i mätvolymen (4).Härvid mäter ett andra detektormedel koncentrationen av den ytterligare komponenten av lufttillförselvolymen (9), företrädesvis som andra spektroskopiskt detektorelement (6-2).(Fig. 1)

Description

15 20 25 30 för en uppblåsbar påse t ex en fast behållarkropp användas vilken inte fylls fullständigt av tillförselluften, d v s utandningsluften.

Uppfinningsenligt sker ett indirekt fastställande av alkoholkoncentrationen i utandningsluften via en kompletterande mätning av en ytterligare komponent resp. substans. Uppfinningsenligt mäts därmed i mätvolymen inte endast koncentrationen av alkohol utan även koncentrationen av den andra komponenten.

Denna mätning av den ytterligare komponenten kan särskilt också ske spektroskopiskt, således uppvisar den uppfinningsenliga detektor- anordningen åtminstone två detektorelement, av vilka ett första detektorelement detekterar IR-strålning i ett våglängdsområde av ett absorptionsband hos mätsubstansen och ett andra detektorelement detekterar lR-strålning i ett våglängdsområde av ett absorptionsband hos den ytterligare komponenten. Kompletterande sker företrädesvis en ytterligare mätning i en referenskanal, för att (på i sig känt sätt) kalibrera resp. omräkna mätvärdena som först utgör relativvärden med denna referenskanal.

I stället för en spektroskopisk mätning av den andra komponenten kan dock även en andra mätning ske, tex via en kemisk sensor som är anordnad i reflektorvolymen.

Uppfinningsenligt kan först en första mätning ske i mätvolymen innan upptagande av utandningsluft och efterföljande sker mätningen i mätvolymen med upptagen utandningsluft som andra mätning; allt efter utföringsform är eventuellt den första mätningen inte nödvändig.

Kompletterande fastställs halten av denna komponent i utandningsluften.

Företrädesvis väljs en lämplig komponent vars koncentration i utandningsluften kan uppskattas med tillräcklig noggrannhet, så att alkoholkoncentrationen i utandningsluften indirekt kan fastställas genom 10 15 20 25 30 detta uppskattade värde av komponenten i utandningsluften och genom mätvärdet av denna komponent samt alkoholhalten i mätvolymen, i förekommande fall under beaktande av ytterligare kompenserig.

En kompensering kan speciellt ske via en fastställd temperatur i utandnings- luften och/eller i mätvolymen. Härtill kan t ex temperatursensorer resp. temperaturkännare med hög mätnoggrannhet och snabb reaktionstid användas, t ex ett motståndselement med positiv eller negativ karakteristik.

Uppfinningsenligt identifieras att speciellt vatten, syre och koldioxid är särskilt lämpliga som ytterligare komponent eftersom halten av dessa komponenter i utandningsluften kan uppskattas med hög noggrannhet. Vattenhalten i en människas utandningsluft beror huvudsakligen av temperaturen av dess utandningsluft. Vidare är även syrehalten resp. syrekoncentrationen och koldioxidhalten i en människas utandningsluft känd med tillräcklig noggrannhet.

Uppfinningen uppvisar flera fördelar. Därmed kan för mätning av alkohol- koncentrationen den höga mätnoggrannheten av den spektroskopiska gas- sensoriken användas vilket i jämförelse med andra mätförfaranden, som t ex kemiska mätförfaranden genom färgning av en indikator eller kemiska sensorer, för det första är noggrannare och för det andra möjliggör en flerfaldig användningsbarhet och därmed repeterbarhet av mätningen. Vidare kan det Uppfinningsenligt avstås från ett munstycke vid mätvolymens inlopp, så att en hygieniskt fördelaktig lösning och speciellt också en återanvändningsbarhet av den spektroskopiska gassensorn möjliggörs.

Användaren kan också, utan kontakt med gassensorns kåpa, inandas i ett inlopp så att användaren i allmänhet endast fyller en del av mätvolymen med utandningsluft, varvid Uppfinningsenligt ändå en hög mätnoggrannhet uppnås genom det indirekta fastställandet. Uppfinningsenligt uppnås därmed att mätningen är oberoende från mängden resp. andelen utandningslufti mätvolymen. 10 15 20 25 30 Den uppfinningsenliga gassensorn kan genom i sig kända, även för andra mätanordningar standardiserade komponenter som t ex detektor- halvledarelement med mikromekaniskt utformade detektorelement och optiska filter, vara utformad för våglängdsselektiv mätning, som är kostnadseffektiv och flerfaldigt användningsbar. Mätvolymen kan vara bildad av en styv kåpa, varvid också större absorptionsvägar och därmed en högre mätnoggrannhet kan uppnås i en i sig mindre mätvolym genom t ex reflektorer. Härvid kan t ex mätvolymen fullständigt upptas mellan motsvarande reflektoranordningar, vilka genom en flerfaldig reflektion möjliggör långa absorptionsvägar.

Kortfattad ritningsbeskrivning Fig. 1 visar den schematiska uppbyggnaden av en uppfinningsenlig gassensor; Fig. 2 visar ett flödesdiagram av ett uppfinningsenligt utvärderingsförfarande.

Beskrivning av utföringsformer En uppfinningsenlig spektroskopisk gassensor 1 uppvisar enligt Fig. 1 en IR- strälningskälla 2 som utger IR-strålning 3 i ett bredbandigt område. l-lärtill kan lR-strålningskällan 2 t ex vara utformad som glödlampa i lågströmdrift, som motsvarande utger bredbandig termisk lR-strålning 3. IR-strålningen 3 när efterföljande genom en mätvolym 4 som tjänar som absorptionssträcka.

Mätvolymen 4 kan speciellt vara fastställd genom, här ej detaljerat visade, reflektorer 4a för att förlänga absorptionsvägen vid begränsat konstruktions- utrymme. Vidare är ett inlopp 4b och ett utlopp 4c för in- och utlopp av en gasvolym 9 som skall tillföras in i mätvolymen 4 schematiskt inritade.

Gasvolymen 9 som skall tillföras kan speciellt vara en utandningsluft 9 från en person. lnloppet 4b kan uppfinningsenligt vara utformat utan munstycke. 10 15 20 25 30 l mätvolymen 4 sker, i beroende av sammansättningen av den upptagna gasen resp. gasblandningen, en partiell absorption av den bredbandiga IR- strålningen 3, så att efterföljande en lR-strålning 3a lämnar mätvolymen 4 och når fram till flera optiska filter 7-1, 7-2, 7-3 som respektive är anordnade framför ett detektorelement 6-1, 6-2, 6-3 hos en detektor 6 och genomsläpper olika våglängdsområden hos den ankommande lR-strålnihgen 3a.

Detektorelementen 6-1, 6-2, 6-3 kan t ex vara utformade mikromekaniskt i den gemensamma detektorn 6, som är utformad som ett eller flera detektor -halvledarelement 6. Därmed detekterar detektorelementen 6-1, 6-2, 6-3 IR -strålningen 3a i olika våglängdsområden som fastställs av de optiska filtren 7-1, 7-2, 7-3. Härvid kan t ex det tredje detektorelementet 6-3 tjäna som referenskanal och bredbandigt mäta den inkommande lR-strålningen, det första detektorelementet 6-1 mäter i ett absorptionsband av alkohol vid t ex 9,3 um. Det andra detektorelementet 6-2 tjänar Uppfinningsenligt som ytterligare mätkanal för detektering av en ytterligare komponent S, som speciellt kan vara H20 (vatten), 02 (syre) eller C02 (koldioxid).

Uppfinningsenligt är det härvid också möjligt att utforma flera sådana ytterligare detektorelement 6-2 för att öka mätningens noggrannhet. Så kan tex två andra detektorelement 6-2 vara ombesörjda av vilka det första detekterar 02 och det andra detekterar H20. Vid en sådan utformning kan de fyra detektorelementen 6-1, 6-2, 6-2 och 6-3 t ex vara utformade i två detektorhalvledar-konstruktionselement med vardera två kanaler.

Detektorelementen 6-1, 6,2, 6,3 utger, var och en för sig, mätsignaler S1, S2, S3 till en utvärderingsanordning 8, som t ex kan vara utformad som ytterligare halvledar-konstruktionselement, t ex ASIC eller också realiserad i mikroprocessorn, som styr lR-strålningskällan 2. Utvärderingsanordningen 8 utger en utsignal S4.

För fastställande av alkoholhalten i utandningsluften 9 kan, i beroende av den ytterligare komponenten S som tjänar för fastställandet, först en första 10 15 20 25 30 mätning ske före tillförseln av utandningsluften 9, vid vilken mätning IR- strålningskällan 2 utstrålar lR-strålningen 3 genom mätvolymen 4 och mätsignalen upptas. Den första mätningen är speciellt behjälplig vid utnyttjande av H20 som ytterligare komponent; vid 02 eller C02 kan denna första mätning i princip bortfalla, eftersom utgångsvärdet då kan uppskattas.

Efterföljande upptas utandningsluften 9 i mätvolymen 4 genom inloppet 4b, varvid i allmänhet den totala mätvolymen 4 inte fylls med utandningsluft 9. Så är särskilt fallet när inte något munstycke är ombesörjt vid inloppet 4b, utan användaren utandas i en öppning som motsvarar inloppet 4b. För mätningen försluts sedan inloppet 4b och utloppet 4c, så att IR-strålningskällan 2 efterföljande utstrålar lR-strålningen 3 genom mätvolymen 4.

Uppfinningen grundar sig på att andelen utandningsluft 9 i mätvolymen 4 indirekt kan uppskattas om koncentrationen av den ytterligare komponenten S i mätvolymen mäts och uppskattas i utandningsluften. Är för en komponent S, som t ex kan vara H20 eller 02 eller C02, C(S)v koncentrationen av komponenten S i mätvolymen 4 innan partiell fyllning med utandningsluft 9, C(S)n koncentrationen av komponenten S i mätvolymen 4 efter partiell fyllning med utandningsluft 9, C(S)9 C(Al)v koncentrationen av komponenten S i utandningsluften 9, alkoholhalten i mätvolymen 4 före partiell fyllning med utandningsluft 9, alkoholhalten i mätvolymen 4 efter partiell fyllning med utandningsluft 9, crAljn samt 10 15 20 25 30 C(Al)9 alkoholhalten i utandningsluften 9, d v s det värde som skall bestämmas, Den följande kvoten x från de relevanta differenserna ger det proportionella resp. relativa värdet av luften som kvarblivit i mätvolymen 4: X = (C(S)n - C(S)9 / (C(S)v - C(S)9), därmed ger y = 1 - x det relativa värdet av den undanträngda volymen i mätvolymen 4.

Om nu alkoholmätvärden före och efter fyllning resp. utandning sätts i relation och divideras med (1-x) erhåller man alkoholhalten C(Al)9 som skall bestämmas i utandningsluften 9: C(Al)9 = (C(Al)n - X*C(Al)v) / (1-X) Vid S = H20 kan också den relativa fuktigheten, d v s värden upp till 100% medtas, varvid det då i förekommande fall skall kompenseras för temperaturen.

Uppfinningsenligt kan C(Al)v, C(Al)n, C(S)v och C(S)n detekteras i mätningarna, varvid samtliga värden detekteras spektroskopiskt, eller så kan C(S)v och C(S)n även detekteras kemiskt. Speciellt kan C(Al)v, d v s alkohol- halten i mätvolymen 4 före den partiella fyllningen med utandningsluft 9 praktiskt taget sättas till noll genom en föregående rening resp. genomspolning med omgivningsluft. Vidare kan koncentrationsvärdet C(S)9 för några komponenter S, d v s koncentrationen av komponenten S l utandningsluften 9, uppskattas eller vara kända för vissa komponenter.

Uppfinningsenligt inses att vattnet i en persons utandningsluft har en koncentration som huvudsakligen endast beror av temperaturen T. För S = 10 15 20 25 30 H20 kan därmed C(H20)9, d v s vattenkoncentrationen i utandningsluften 9 uppskattas genom en kännedom om temperaturen T, som mäts via temperaturavkännaren 10, som utger en temperatursignal S5. Därmed införs CT som temperaturkorrektionsfaktor.

Efterföljande beräknas ett exempel varvid fuktigheten direkt medtas (med värden upp tiil 100%) och temperaturen är kompenserad genom en temperaturfaktor CT: Om koncentrationen i mätvolymen av H20 före mätningen är 50% (fuktighet) så stiger koncentrationen till 75% efter partiell fyllning med utandningsluften 9. Därmed undanträngs den följande andelen x av utandningsluften 9: x = (75%-1oo%)/(so%-1oo%) = 0,5, d v s 50% Om alkoholkoncentrationen före fyllning är 100 ppm, uppmäts efter partiell fyllning med utandningsluft 150 ppm. För att beräkna alkoholkoncentrationen C(Al)9 i utandningsluften 9 måste formeln ovan ställas om: C(Al)9 = (150 ppm -0,5*100 ppm) l (1-0,5) = 200 ppm Som redan beskrivits kan genom föregående rening av mätvolymen 4 principiellt även uppnås att ingen alkohol finns i mätvolymen 4 före fyllning.

Således förenklas beräkningen.

För S = C02 kan värdet C(CO2)v hos CO2~halten i mätvolymen 4 hos den första mätningen, d v s före den partiella fyllningen ansättas som försvinnande liten (under en promille) gentemot C(CO2)9, d v s CO2~värdeti utandningsluften 9, som är känt för en person och uppgår till ca 4%. Därmed resulterar X = (C(CO2)n - C(CO2)9 / (C(CO2)v - C(CO2)9 w 1 - (C(CO2)n/0,04 10 15 20 25 30 Koncentrationsvärden från C(Al)v och C(Al)n samt C(CO2)n kan t ex fastställas av detektoranordningen 6 med detektorelementen 6-1, 6-2, 6-3, varvid t ex 6-'l detekterar ett absorptionsband hos alkohol och 6-2 ett absorptionsband hos C02 och 6-3 tjänar som referenskanal.

Enligt en tredje utföringsform utnyttjas som andra substans S = 02, d v s syre.

Koncentrationsvärden av alkohol och syre i mätvolymen 4 fastställs företrädesvis av detektionsanordningen 6 med detektorelementen 6-1, 6-2, 6- 3, varvid t ex 6-1 detekterar ett absorptionsband hos alkohol och 6~2 ett absorptionsband hos syre och 6-3 tjänar som referenskanal.

Vid denna utföringsfonn uppskattas återigen C(O2)9, d v s koncentrationen av syre i utandningsluften 9. Syrehalten i atmosfärsluften kan uppskattas med tillräcklig noggrannhet som 21%. I utandningsluften från en person föreligger i allmänhet en syrekoncentration av 17%, vilket med tillräcklig noggrannhet är känt.

Därmed kan enligt denna formel likaså alkoholkoncentratlonen C(Al)9 fastställas i utandningsluften 9.

Dessa tre utföringsformer kan speciellt också kombineras med varandra genom att syre, koldioxid och vatten används som ytterligare substans för indirekt fastställande av alkoholkoncentratlonen i utandningsluften.

Det uppfinningsenliga mätförfarandet startar alltså enligt Fig. 2 i steg StO vid inkopplande av användaren. Efterföljande, i steg St1, upptas utandningsluften 9 i mätvolymen 4 varvid utandningsluften i allmänhet inte fullständigt utfyller mätvolymen 4, speciellt när inte något ytterligare munstycke är ombesörjt vid inloppet 4b. Efterföljande, i steg St2, stängs 10 15 10 ínloppet 4b och motsvarande utloppet 4c. I steg St2 utges lR-strålningen 3 från lR-strålnlngskällan 2 och leds genom mätvolymen -4 varpå detektorelement 6-1, 6-2, 6-3 och i förekommande fall ytterligare detektorelement efterföljande utger sina mätsignaler S1, S2, S3 i i steg St3.

Vidare skapas temperatursignalen S5 av temperatursensorn 10 och utges till utvärderingsanordningen 8.

Efterföljande sker i steg St4 fastställandet av C(Al)9 som alkohol- koncentrationen i utandningsluften 9 enligt en av utföringsformerna eller en kombinerad utföringsform, eller också via referensbildning resp. fastställande med hjälp av en ytterligare substans som finns i utandningsluften och utgivande av utsignalen S4. Utsignalen S4 kan t ex direkt visa värdet av C(Al)9, t ex på en displayanordning hos den uppfinningsenliga mätanordningen.

Claims (14)

10 15 20 25 30 ll Patentkrav

1. Spektroskopisk gassensor (1), som åtminstone uppvisar: en IR-strålningskälla (2) för utsändande av IR-strålning (3), en mätvolym (4) för fullständig eller partiell fyllning med en lufttillförselvolym, särskilt en utandningsluft (9), en detektoranordning (6) med åtminstone ett detektorelement (6-1, 6-2, 6-3) för att detektera den IR-strålning (3a) som nått igenom mätvolymen (4) i åtminstone ett första våglängdsområde och för att utge åtminstone en mätsignal (S1, S2, S3), och en utvärderingsanordning (8) för upptagande av åtminstone en mätsignal (S1, S2, S3) och för fastställande av en koncentration (C(Al)9) av en mätsubstans i lufttillförselvolymen 9, kännetecknad av att ett första detektorelement (6-1) mäter lR-strålning i ett våglängdsområde av ett absorptionsband hos mätsubstansen och utger en första mätsignal (S1) till utvärderingsanordningen (8), ett andra detektormedel (6-2) mäter en koncentration av en ytterligare komponent hos lufttillförselvolymen (9) och utger en andra mätsignal (S2), och utvärderingsanordningen (8) fastställer en koncentration C(Al)9 hos mätsubstansen i lufttillförselvolymen (9) från de fastställda koncentrationerna C(S)v, C(S)n, C(Al)v, C(Al)n hos mätsubstansen och den ytterligare komponenten i mätvolymen (4).

2. Spektroskopisk gassensor enligt krav 1, kännetecknad av att utvärderingsanordningen (8) uppskattar en koncentration av den ytterligare komponenten i lufttillförselvolymen (9) och fastställer koncentrationen C(Al)9 av mätsubstansen i lufttillförselvolymen (9) från den uppskattade koncentrationen av den ytterligare komponenten i lufttillförselvolymen (9) och 10 15 20 25 30 12 den uppmätta koncentrationen av mätsubstansen och den ytterligare komponenten i mätvolymen (4).

3. Spektroskopisk gassensor enligt krav 1 eller 2, kännetecknad av att det andra detektormedlet (6-2) är ett andra detektorelement (6-2) hos detektor- anordningen (6), varvid det andra detektorelementet (6-2) detekterar IR- strålningen (3a) som nått igenom mätvolymen i ett andra våglängdsområde som skiljer sig från det första våglängdsområdet, vilket andra våglängdsområde är samordnat ett absorptionsband hos den ytterligare komponenten hos lufttillförselvolymen (9).

4. Spektroskopisk gassensor enligt något av föregående krav, kännetecknad av att mätsubstansen är etanol.

5. Spektroskopisk gassensor enligt något av föregående krav, kännetecknad av att en temperaturavkännare (10) för mätning av en temperatur i utandningsluften (9) och/eller temperaturen i mätvolymen (4) är ombesörjd, vilken temperaturavkännare utger en mätsignal (S5) till utvärderingsanordningen (8) för fastställande av koncentrationen (C(Al)9) av mätsubstansen i lufttillförselvolymen (9).

6. Spektroskopisk gassensor enligt något av föregående krav, kännetecknad av att som en ytterligare komponent utnyttjas vatten (H20), varvid vattenkoncentrationen (C(H20)9) uppskattas i utandningsluften (9), företrädesvis genom en temperaturmätning.

7. Spektroskopisk gassensor enligt något av föregående krav, kännetecknad av att som en ytterligare komponent mäts syre (02) och/eller koldioxid (C02) och koncentrationen (C(C02)9), C(02)9 av syre (02) och/eller koldioxid (C02) uppskattas i utandningsluften (9). 10 15 20 25 30 13

8. Spektroskopisk gassensor enligt något av föregående krav, kännetecknad av att före det åtminstone ena detektorelementet (6-11, 6-2, 6- 3) är ett optiskt filter (7-1, 7-2, 7-3) ombesörjt för våglängdsselektiv transmission av den infallande IR-strålningen (Sa).

9. Spektroskopisk gassensor enligt något av föregående krav, kännetecknad av att det åtminstone ena detektorelementet (6-1, 6-2, 6-3), företrädesvis även de optiska filtren (7~1, 7-2, 7-3), är mikromekaniskt utformade i ett detektorhalvledar-konstruktionselement (6) eller flera detektorhalvledar-konstruktionselement (6).

10. Spektroskopisk gassensor enligt något av föregående krav, kännetecknad av att mätvolymen (4) har ett inlopp (4b) som år utformat utan ett munstycke.

11. Förfarande för spektroskopisk mätning av en koncentration (C(Al)9 av en mätsubstans i en tillförd iuftvolym (9), särskilt en utandningsluft (9), med åtminstone följande steg: - upptagande av lufttillförselvolymen (9) i en mätvolym (4); - utgivande av IR-strålning (3) från en IR-strålningskälla (2) genom mätvolymen (4) och våglängdsselektiv mätning av IR-strålning (Sa) som nått igenom mätvolymen (4) i åtminstone ett våglängdsområde (St2), varvid koncentrationen (C(Al)v), (C(Al)n) av mätsubstansen i mätvolymen fastställs i åtminstone en mätning i ett våglängdsområde och vidare fastställs koncentrationen av en ytterligare komponent (02, H20, C02) i mätvolymen (4): -fastställande av koncentrationen (C(Al)9) av mätsubstansen i lufttiilförsel- volymen (9) genom åtminstone mätvärdet av koncentrationen i mätvolymen (4) och koncentrationen av den ytterligare komponenten i mätvolymen och 10 15 14 fastställande av en koncentration av den ytterligare komponenten i lufttillförselvolymen (9).

12. Förfarande enligt krav 11, kännetecknat av att koncentrationen (C(C02)9), (C(H20)9), (C(O2)9) av den ytterligare komponenten (H20, C02, 02) i lufttillförselvolymen (9) uppskattas.

13. Förfarande enligt krav 12, kännetecknat av att koncentrationen av den ytterligare komponenten (H20, C02, 02) i mätvolymen (4) före och/eller efter upptagande av lufttillförselvolymen (9) i mätvolymen (4) fastställs våglängds- selektivt i ett ytterligare våglängdsområde.

14. Förfarande enligt något av kraven 11-13, kännetecknat av att mätsubstansen är etanol och den ytterligare komponenten är vatten, syre och/ eller koldioxid och att koncentrationen av den ytterligare komponenten i utandningsluften (9) fastställs eller uppskattas under mätning av temperaturen i utandningslutten (9) och/elleri mätvolymen (4).