交互式醉度计 【技术领域】
本发明涉及对呼气中酒精浓度的测定，并提出有关测量准确度、响应时间以及一方面的测量对象或操作者与另一方面的测量装置之间的交互的主要方面。
背景技术
文献中描述过用于醉度计(alcometry)的多种方法和设备，即测定呼气中的酒精浓度。这些方法和设备中的一些已经给予广泛使用，既用做测量仪器，又用做控制设备。酒精自锁是后者的一个示例，防止车辆驾驶员在不具备安全的呼吸样本-即酒精浓度不超过现行浓度限制的情况下发动车辆。
在醉度计中，主要有两种测量原理，使用酒精的物理性质和化学性质。后一类主要基于由催化剂作为媒介促成的燃烧。可通过测量例如在燃料电池或半导体传感器中产生的燃烧能量来确定酒精浓度。这种类型的传感器在设计和例如电子电路的外设的简化方面是有利的。另外，半导体传感器具有小物理尺寸且可以低成本制造。
催化剂的特征和实际燃烧温度决定了催化传感器的选择。由于其它有机物质也以类似方式燃烧，因此难以获得绝对的特异性。另一难题与催化剂的长期性质有关。受到某些物质的影响使得重复校准成为必要，并构成对操纵的危险性。这种物质，例如包含硫磺的气体，在呼气和如空气污染物中都很普遍。催化传感器不幸被可靠性问题所困扰，该问题尚未以令人满意的方式得到解决。这些性质被警察用于对醉酒驾驶的证据目的。不过，测量低浓度在精度方面有要求，而市场上基于红外(IR)的证据仪器价格昂贵。
红外(IR)光谱表现物理测量方法，该方法不被上述问题所困扰。该方法使用当受到红外光照射时气相酒精产生的特定“指纹”。吸收谱是由于分子内原子键所特有的分子共振振动(resonant molecularvibration)。由此可推导出吸收谱的特定性质，和对于其它物质的其相关的高度选择性，及对于操纵的安全性。另外，基于IR仪器的使用需要专门知识。
醉度计(alcometer)的性能经常记录为关于一定测量范围内的准确度。对于证据仪器，经常需要的准确度为±5％，而对于筛选和类似目的，±20％的准确度被认为足够。用于消费者市场的醉度计具有较低的准确度。在这些仪器和筛选仪器当中，由于催化剂的不良受控条件引起的系统误差是主要的。对基于IR的仪器，可通过校准程序来使系统误差最小化。剩余误差(remaining error)具有由于来自载有一个或多个传感器信号的信息中的随机噪声的特征。可将误差和噪声水平表达为统计要素(entity)，例如在特定带宽上随机变化的均方值。
醉度计的一个重要方面涉及与例如对车辆驾驶的建议或法定的浓度限制有关的酒精测定。在瑞典，0.02％血液酒精浓度是现行的作为针对车辆驾驶员的上限，相应于在呼气样本中大约0.1mg/L。在欧盟的大多数地区中，相应的限制分别为0.05％mg/L和0.25mg/L。
测量时参考一定浓度限制，错误的肯定和否定输出的比率是性能的相关值。高准确度，即小误差，导致小概率的错误输出，反之亦然。另一方面，为此目的，准确度只关注接近于该浓度的区间，而不关注该区间之外。
在警察控制和路障处，正在越来越多地执行清醒测试。瑞典警察部门每年对车辆驾驶员执行接近于两百万次清醒测试，由此捉住大约15000个醉酒驾驶员。因此在超过99％的测试机会中发现否定输出。看起来在每单位时间执行的测试数量和喝醉驾驶员地百分比以及每单位时间酒精相关事故的数量之间存在关联。在某些国家，醉酒驾驶员的百分比高于瑞典，但在许多国家对清醒的车辆驾驶存在增长性支持。酒精自锁的使用也已经成功，不仅用于在确信醉酒驾驶之后有条件吊销驾驶员的执照，而且用于运输服务的质量保证。
在可以促使对人员进行清醒测试时，存在许多行车安全领域范围之外的形势和情况。专业实践需要精确、良好的判断，对一定个体的依赖性是清醒测试的有益前提。另外，在不同类型事件中，可能存在清醒测试的原因，例如在道路控制站(passage control station)处。
不幸地是，酒精测定的许多应用领域已被现有技术和工程解决方案的实际限制和经济限制所阻碍。除了上述之外，存在与实际采样技术相关的实际问题。技术解决方案的状态出于卫生原因需要可更换和一次性的吹口。每次测量时更换吹口既浪费时间又增加成本。在寒冷天气下一次测试耗用的总时间可能是数分钟，这在例如道路控制处或在车载酒精自锁情况下是无法接受的。
总之，可以得出的结论是现有醉度计技术的状态受多个问题困扰，触及的中心问题与准确度、时间耗用、方便性、可靠性和成本有关。
【发明内容】
本发明的目的是解决上述问题和相关事务。本发明提供了一种测定呼气中酒精浓度的新颖的方法和装置，与该技术的现有状态相比可呈现显著的优点。首先，在每个测量机会中准确度和时间耗用能适于特定需求。第二，能获得相当大的成本节省，因为对每次测量而言原料成本和时间耗用都被相当大地降低。第三，通过避免例如催化传感器的老化现象获得非常高的可靠性。第四，降低了装置维护的需要，因为该装置不需要重复校准。这也降低了维护成本。第五，对大量用户而言提高了技术的方便性。第六，低造价的装置的实施使其价格易于被大量用户接受。
在所附权利要求中描述了根据本发明的方法和装置的特征。下面是该方法和装置的基本元件的综合性描述。
主要出于卫生原因，通过在装置与测试对象的呼吸器官之间不物理接触而采样，根据本发明优选执行呼吸样本的酒精浓度测定。测试对象或人员通常是有知觉的个人，其最后的醉度是调查目的。不过，本发明既不关于测试对象进行限制，也不关于被测物质进行限制。它们还可应用于较高的物种和没有知觉的人，以及除酒精以外的其它挥发性物质。
在本发明的优选实施例中，由测试人员通过向位于距离嘴和鼻子10-30cm的传感器装置吹气而提供呼吸样本。从而，呼吸样本被周围环境空气稀释，需要对该稀释进行补偿以使呼气的酒精浓度测定成为可能。外部测量的酒精浓度Cext与肺泡(alveolar)酒精浓度Calv之间的关系可简单表达为等式(1)：
Cext＝D·Calv (1)
变量D表示稀释程度。对于未稀释的呼气，D＝1，而在非常高度的稀释时，D→0。
等式(2)涉及一种关系，该关系使得在基本上同一点处实时确定稀释程度D、同时执行酒精浓度的相应测量成为可能。假设存在暴露于与Cext、Calv相同的稀释过程的测量要素X。D的表达式为：
D=Xext-XambXalv-Xamb---(2)]]>
Xamb意味着在测试对象的周围环境中由要素X采用的被测值，而Xalv是相应的测量值。可视为满足假设标准的要素的示例分别是温度、及水蒸汽和二氧化碳的浓度。
下表中典型值给出为室内环境下这些要素的测量值：
温度(℃) 水蒸气浓度(mg/l) 二氧化碳浓度(体积％) Xamb 18-28 4-20 ＜0.1 Xalv 37 44 5.3
通过测量Xext和Xamb并插入其值可视为常数的Xalv，可确定D。该表指示CO2浓度与其它浓度相比具有两个显著的优点。一个是周围环境浓度与肺泡浓度相比非常小。因此来自周围环境的影响处于最小值。另一优点是探测(检测)到的CO2浓度方面的差异很可能有肺泡来源。另一方面，肺泡CO2浓度呈现某种比温度和水蒸气浓度更大的变化。温度和湿度测量在简单性、速度和成本方面具有优点。为了获得最大的安全性，当然可以使用多于一种测量要素的组合。
应该注意到解剖学和生理学死腔(deadspace)也会引起呼气的稀释。解剖学死腔包括上气道，对正常成年人而言大约是150ml。来自解剖学死腔的呼气与肺泡气体少许混合。生理学死腔取决于它参考的是什么物质，并受到例如该物质在粘膜内的溶解性的影响。考虑到这些差异，也可将上述论证应用于利用吹口进行采样。
依靠专用于每个要素的传感器优选执行温度、水蒸气和二氧化碳的浓度的测量。可利用电阻传感器或热敏元件来测量温度，两者都提供足够的准确度。为了获得必要的响应速度，0.5秒或更短，需要小的物理尺寸和因此小的热质(thermal mass)。可以买到具有足够响应时间的小型温度传感器。该传感器支持水蒸气浓度和二氧化碳的测量。第一种情况涉及电容测量原理，使用水的高电介质电容率。对于CO2测定可使用IR吸收，并由此与如上所述的酒精测定合并。CO2在4.26μm附近的窄波长波段内呈现特定吸收，而酒精的吸收峰值在3.4μm和9.5μm处。水蒸气在2.6-2.8μm处呈现相对宽的吸收带。
为了满足等式(1)和(2)的标准，需要在同一点测量用于酒精和要素X的传感器，设置对传感器的尺寸和定位的要求。可选地，装置的气体采样部分提供有管线，和将呼吸样本从实际采样点传送到传感器的物理位置的泵送设备。
通过插入D和Camb的当前值，易于由等式(1)确定Calv。实验已经显示可以在测试(待测)人员的嘴/鼻子与采样点之间上至多30cm的距离处不物理接触而确定酒精浓度。不过，这假设测试人员积极参与将呼气吹向传感器。测试人员不合作的被动测量需要更短的测量距离，至多10cm，因为能假设为仅静止呼吸。
该方法的不准确度IA由与当前被测值Calv相关的测量误差Cerror确定，并可由它们之间的比率适当地描述。Cerror可按其次序划分为多个相对不变的因子从而可受到从一个机会(时期，occasion)到另一个机会的影响，甚至在测量进行期间。这种划分的结果在等式(3)中示出：
IA=CerrorCalv=CresolutionCalv·D·Δt---(3)]]>
Cresolution是指仪器的持续分辨率(remaining resolution)，该分辨率难以控制，并受到基本来源(fundamental origin)的噪声源或其它随机因素的限制。假设通过足够准确的校准过程来消除系统误差源。Cresolution意味着被测变量的尺度(dimension)，在这种情况下是酒精浓度，其被除以当前带宽的平方根，Δf，
假设等式(3)的要素Calv和D是在一定测量时间Δt期间积累的被测值。因此该时间的延长可视为等同于带宽的减小。
等式(3)例示由稀释程度D或由测量时间Δt影响不准确度的可能性。为了增加来自给定起始点的某因子的准确度，需要通过相应的因子增大D，或通过增大测量时间(该因子的平方)，或这些措施的组合。
在根据本发明的方法中，等式(3)的关系式在每次单独测定酒精浓度中使用，以使测量时间和准确度适于那个机会的对象或需求。在测量装置与用户/测试人员或操作者之间交互式执行这种适应。更具体地，装置实时地，即无有限时间延迟地给出当前或积累的测量值和误差、或其相关要素的指示。因子D可以是这种要素。
用户、测试人员或操作者可在任何时刻选择是否结束测定，或继续以便增加准确度。通过延长测量时间，或通过与改变与装置相关的测试人员的呼吸(这带来稀释因子D的增大和准确度的相应增大)，根据等式(3)的这种增大是可能的。D还受到传感器相对于测试人员的位置的影响。操作者可由指示的准确度引导，相对于测试人员的呼吸器官移动采样点直到获得可接受的水平。实时测量意味着该过程在测试人员的正常呼吸活动下是可行的，不用他/她一方的积极合作。因此即使在无知觉个人和动物的情况下也可以执行测量。
因此，根据本发明的方法使酒精测定的准确度(精确度)和时间耗用的交互式控制成为可能。一旦显著差(Xext-Xamb)产生，除正常产生的随机变量以外，关系式(1)、(2)和(3)用于在测量进行期间实时计算Calv和D的瞬时值。计算Calv和Cerror的开始标准是D高于某最小值Dmin。达到阀值Dmin之后最初测定的准确度被定义为低，但当获得更高的D值时可被迅速提高。
如果当前问题被限制为确定酒精浓度是否超过某浓度限制Climit，则根据本发明的方法提供特殊优点。如果当前测量值Calv加上误差Cerrorr小于Climit，即如果
Calv＜Climit-Cerror (4)
则可直接结束测定，不用试图通过延长测量时间或调整传感器位置等来提高准确度。因此，当酒精浓度的瞬时测量值超过与误差相加的限制值时：
Calv＞Climit+Cerror (5)
可采用同一程序。
不过，如果
Climit-Cerror≤Calv≤Climit+Cerror (6)
则瞬时值的积累应继续以便减小误差，真实信息的客观目的是浓度限制是否被超过。
根据以上描述，对超过99％的随机选择的瑞典车辆驾驶员而言情况(4)是有效的。根据本发明的方法对于这些人应该意味着每个样本显著减小的测量时间，和因此更低的成本。
【附图说明】
结合附图1-4更详细地描述本发明。
图1示出根据本发明的方法的流程图。
图2示意性示出在根据本发明的酒精测定期间事件的定时。
图3示出不同应用的准确度示例。
图4示意性示出根据本发明的装置的一个实施例。
【具体实施方式】
图1的流程图包含相应于装置状态的多个步骤。以装置启动的开始位置1产生而开始，并直接转移到等待模式2。可通过开/关按钮手动、或由与该装置相连的一些其它设备自动地执行启动。在等待模式2期间，分别执行相应于酒精浓度和稀释程度的传感器信号的稳定性测试。如果传感器信号以任何方式被干扰，则等待过程继续，直至达到稳定性。
当上述信号随时间的变化不超过某阀值S的标准得到满足时，装置转移到测量模式3。在该模式中可以命令测试人员向装置的传感器呼气，可选地，这些传感器不用测试人员积极合作而被定位到他/她的呼吸器官附近。继续执行相应于稀释的传感器信号的分析，并在已达到用于稀释因子D＞Dmin的标准时，装置被转移到计算模式4中。在该模式中，实时地同步执行要素D、Calv和IA的测量和计算，并将至少后者的当前值同样实时地通信给操作者、用户或测试人员。
在测量和计算4的状态下，如果已经获得足够的准确度，则操作者、用户或测试人员可选择结束测量。通过测试人员完成将呼气吹向装置的传感器、或通过将装置的传感器从呼吸器官附近收回而实现完成。操作者、用户或测试人员还可选择继续将呼气吹向传感器以便积累更多的测量点，或最终增大稀释因子D以便增大准确度。
实时同步执行测量和计算的任务对根据本发明的装置提出特定要求。一方面，来自传感器的信号必须被采样并放入缓冲存储器中，并从那里转移到算术逻辑计算单元，在该单元中执行等式(1)、(2)和(3)，或相应的等式。计算的结果以及最终的临时结果也应存储在缓冲存储器中，并从那里被显现以便被测试人员或操作者感知。
每次指示之间的时间间隔应该不超过0.5秒以便于测试人员或操作者即时感知指示信息。利用商业上可买到的微处理器，包括缓冲存储器和算术逻辑单元，可以满足该需求。优选地，微处理器还包括永久性存储器，用于存储程序控制的计算和数据通信。
对测量误差随时间的改变进行实时计算和指示，使其在后续阶段5期间对测试人员或操作者而言清晰可视。当积累的不准确度IA达到最低值时，会发生自动转移到最后的状态6，因此分别积累的Calv和Cerror值对当前测定而言可为最终有效的。不过，与测量的最终继续或其终止有关的操作者、用户或测试人员的命令是否决这种自动化，并可以由受该人员控制的开关位置7来控制。例如，可以在一个或数个后续呼吸期间继续测量。
由根据本发明的装置通过视听或触觉装置指示不同的状态1-6。例如，被测值和不准确度可以指示为测量刻度8a、8b上的位置和宽度，其中8a指示相对大的测量误差，而8b指示基本相同的测量值但误差较小。
指示多种状态的可选实施例在使用交通灯符号的序列9a-9e中示出。在9a中通过由红、黄和绿灯照明来指示开始状态1和等待状态2。通过由黄灯9b照明、最终闪烁以便引起注意来指示测量状态3。通过由红和绿灯9c都照明来指示测量和计算的状态4。绿和红灯依据与浓度限制相比测量值的当前幅度(使用关系式(4)、(5)和(6))而发射出不同强度。在最后的状态6中，在大多数情况下不准确度如此小以致于可提供明确的响应，关于是否超过浓度限制。在这种情况下，如果超过则引起红色停止信号9d，如果没超过则引起绿光9e。
图2示意性示出传感器信号X的典型时间序列，和由等式(2)推导出的稀释程度D，以及由等式(1)和(3)计算出的计算肺泡酒精浓度，其中积累测量误差插入到图中作为测量值的下限和上限。作为时间的函数的变化示出变量X(上图)、D(中图)和Calv、Cerror(下图)，一部分用于清醒的测试人员(时间刻度0-3秒)，另一部分用于酒精浓度稍低于浓度限制Climit的人员(时间刻度100-105秒)。
从相应于对周围环境有效的稳定初始值Xamb开始，只要测试人员向传感器装置吹气，X就将继续上升到更高值。当来自测试人员的呼气已碰到传感器装置时，只要保持气流(即在呼吸期间)，就达到稳定状态信号并保持。之后该水平降低，并维持初始值Xamb。
变量D以与变量X等同的方式随时间改变，从等式(2)来看这是显然的。这种情况在图2的中间曲线中例示。实验已经显示D＝0.3-0.5可能是理想水平，可通过在10-30cm距离处向传感器装置用力呼气而获得。不过，该水平是在吹气一秒或数秒之后获得的。在更早的时间点上，上述水平Dmin被达到，在该处装置转换到测量和计算状态。适当值可以是Dmin＝0.1...0.2。最初在超过Dmin的时间点上酒精浓度的被测值出现，该值与测量误差一起在下图(曲线)上例示。在曲线的左边系列中，以清醒的测试人员，提供该水平低于浓度限制的立即响应，而因此测试人员可选择完成测定。
在右边曲线系列中，从开始并不清楚浓度限制是否将被超过开始，因为该限制落入测量值的容许量内。由此测试人员选择继续测定，因此测量误差减小。呼吸结束时积累的测量误差接近最小值。
如图2中所示，当清醒人员关于给定的浓度限制经历清醒测试时，根据本发明的方法容许显著减少用于测量和计算的时间。
图3示出两个图，上图与根据目前的技术状况的测量仪器有关，而下图提供本发明的示例。在两个图中，输出信号(实线)和测量误差(虚线)示出为酒精浓度的函数。另外，在酒精浓度轴上指示浓度限制L，在输出信号轴上指示启动水平T。因此在图中标出四个象限11、12、13、14。象限12和14分别表示装置的真否定和肯定输出，而象限11和13分别表示假肯定和否定输出。
在传统装置中测量误差不受用户影响，暗含有根据上图的假输出的危险。不过，根据本发明，可以适应测量误差而在大约浓度限制L和触发水平T处使其最小化。如上所述，在一方面的用户、操作者或测试人员与另一方面的装置之间执行该适应。
图4示意性示出根据本发明根据优选实施例的装置设计。装置优选嵌入装置盒或外壳31中，盒或外壳的尺寸适于手持使用或集成在例如车辆方向盘的车辆仪表内。外壳31的物理尺寸应不超过120×120×30mm。外壳31设有孔32、33，用于呼吸样本的流入和流出。因此测量单元41被限定并被来自源34的准直红外光透射。在碰到探测器35、36之前，红外(IR)光束38在测量单元41内对着反射表面39、40反射几次，探测器35、36适于在某波长波段范围内选择性地探测辐射，在该波长波段范围内一方面的酒精和另一方面的水蒸气及二氧化碳呈现物质特定吸收。
响应时间0.5秒或更短的温度或流量传感器37位于测量单元41的入口32附近。传感器37还可与电加热设备组合以便加热进入的呼吸样本。一部分目的可以是根据热线风速表的原理来测量流速，另一部分目的是防止由于呼气的湿气导致的冷凝。另外还有设备42用于活空气(active air)流过测量单元41。该设备可例如是小型风扇或泵。
在图4中测量单元41的孔32和33出于两个原因示意性画为双栅格(grating)。一部分原因是栅格自身可防止测量单元41内的灵敏光学元件被弄脏，并可设有不同类型的滤波器以便在特殊的严酷环境中使用。另一部分原因是在测量期间仅短暂打开的双重可偏转栅格(deflectable grating)在测量机会之间提供有效保护。
由传感器35、36、37产生的电信号在电子单元43中经历放大、滤波和其它信号处理，电子单元43还执行IR源34、传感器37内的加热设备和流通设备42的控制和驱动。电子单元43优选包括微处理器或相应物，用于执行存储器中存储的程序，包括上述的计算和状态指示。
将IR源34优选调制在2Hz或更高的频率处。因此消除了IR探测器和输入放大器的偏置漂移(offset drift)问题，同时获得足够的响应时间。对响应时间的要求主要由测量值的实时呈现来限定，如操作者或测试人员所即时感知的。在实践中这对应于0.5秒或更少的响应时间。
电子单元43优选包括对集成显示单元44进行数字信号通信以便指示测量值的电路，和对其它单元进行数字信号通信的电路。在最简单的状态下显示单元44具有少量的灯或发光二极管，如结合图1所示，但还可以是如图4中所示的图形和/或字母数字显示，以便更详细地指示传感器信号随时间的变化。用户或操作者对电子单元43的控制由手动控制设备45执行。可由内置电池或由外部电压源供电。
根据本发明的装置与原料和组件的选择相关地进行设计，以便在至少15年或30000次测量机会中免于维护操作。
将根据本发明的装置设计成使得正常技术人员毫无疑问能够使用。包括选择测定的完成点的上述交互具有直观特征并因此需要最少的上述命令。
应该进一步注意到，图4示意性示出的装置利用原料和可以低成本连续制造的组件进行构造。另外，装置的设计适于自动装配，这意味着手工制作过程的数量最少。同样，可利用自动手段有效执行校准、测试和质量保证。最后，这暗含可给予根据本发明的装置吸引人的价格，并由此得到大量用户。在产品寿命期间周期性校准的消除也有助于提供低漂移成本和高度方便性的根据本发明的方法和装置。
图1-4的实施例并未指出对本发明的应用性的限制。本发明的特征由所附权利要求限定。