濕氣法呼出氣體酒精含量探測器標準氣體發(fā)生裝置的設計和實現(xiàn)*

孔小平　李　博

(河南省計量科學研究院，鄭州 450008)

0　引言

呼出氣體酒精含量檢測儀(以下簡稱儀器)用于分析測量人體肺深部呼出氣體中的酒精含量。2011年5月1日，修訂后的《中華人民共和國道路交通安全法》開始實施，呼出氣體酒精含量探測器成為公安部門進行是否飲酒駕駛初步篩選的重要計量器具。對其進行周期檢定，確保其量值的準確可靠就顯得尤為重要。JJG 657—2006《呼出氣體酒精含量探測器》國家檢定規(guī)程對檢定用乙醇標準氣體做了明確規(guī)定，不確定度不大于3%(k=2)，其來源有三個途徑。一是應用于干氣配制法的標準氣體稀釋裝置配制，該裝置準確度高，比較簡便，但配氣效率低，濕度、溫度與人體呼出的氣體有很大差別，造成檢定和實際使用狀態(tài)不一致；二是應用于濕氣的酒精模擬器配制，目前國內的該類裝置雖然使用方便，但存在量值差異大，數(shù)值不穩(wěn)定的缺點；最后一種是瓶裝空氣中乙醇氣體標準物質，濃度范圍為(30～500)×10-6mol/mol，準確、穩(wěn)定，屬干氣范疇，濕度、溫度與人體呼出的氣體有差別。目前，國內外儀器生產廠家出廠檢定、校準均采用濕氣，為此，研制出一種穩(wěn)定可靠的濕氣法酒精呼出氣體酒精含量標準氣體發(fā)生裝置，解決呼出氣體酒精含量探測器檢定中存在的問題，具有實際意義。

1　裝置測量原理及組成

1.1　測量原理

依據(jù)氣體擴散定律模擬人體呼氣系統(tǒng)配制乙醇標準氣體。用無水乙醇標準物質和蒸餾水配制乙醇溶液，密閉容器中加熱到34℃(人體呼出氣體的溫度)，在一定的溫度、壓力和組成條件下，當密閉容器中水分子的蒸發(fā)和凝結形成平衡，即空氣中的水汽達到飽和時，酒精分子的蒸發(fā)和凝結也達到平衡，產生具有穩(wěn)定濃度和溫度的酒精氣體。根據(jù)OIMLR126和BSEN16280:2012，該酒精氣體中的酒精濃度可由Dubowski公式計算：

cair=0.04145×10-3×caqua×exp(0.06583t)

(1)

式中，caqua為乙醇水溶液的質量濃度，g/L；cair為空氣中乙醇濃度，mg/L；t為溫度，℃。當t=34℃時，式(1)可表達為：

cair=0.38866×10-3×caqua

(2)

此時，只需控制系統(tǒng)的溫度、壓力和氣體輸出時間，裝置即會輸出具有特定壓力、流量、溫度和濕度的乙醇標準氣體。

1.2　裝置的組成

裝置由氣體發(fā)生系統(tǒng)、氣路控制系統(tǒng)及氣路定時監(jiān)控系統(tǒng)組成。氣體發(fā)生系統(tǒng)用于在一定溫度和壓力下，形成酒精水溶液與酒精氣體的兩相平衡；氣路控制系統(tǒng)用于控制氣源、氣路壓力和氣路流量；氣路定時監(jiān)控系統(tǒng)用于控制裝置的氣體輸出量，以保證輸出氣體的量值穩(wěn)定。整個裝置示意圖見圖1。

圖1　呼出氣體酒精含量探測器標準氣體發(fā)生裝置示意圖

2　系統(tǒng)設計

2.1　氣路控制系統(tǒng)

2.1.1氣源控制

本裝置使用瓶裝空氣作為氣源，由于一般呼出氣體酒精探測器的分辨率為0.001mg/L，相對封閉的環(huán)境空氣若反復用于配氣，空氣中殘存的酒精氣體會對儀器傳感器信號產生背景干擾。使用瓶裝潔凈空氣，一可以保證氣體純度，二可方便控制氣路的壓力、流量。

2.1.2氣路壓力控制

氣路壓力參照人體吹氣壓力設定，通常情況下，持續(xù)呼氣3s以上，人的呼氣壓力一般在2～4kPa。為保證儀器使用正常，工作壓力通常低于人體吹氣壓力。進口呼出氣體酒精探測器要求的吹氣壓力會高一些，如國際建議OIMLR126要求的最小吹氣壓力在1.0kPa以上，歐盟國家如德國、英國、法國等一些國家執(zhí)行BSEN16280:2012，要求最小吹氣壓力在1.5kPa以上。鑒于中國國情，部分被測試者主觀上不愿意配合酒精測試，壓力設定大的時候易造成儀器分析失敗，所以國產儀器吹氣壓力設置一般比國外儀器的低。GB/T 21254—2007要求呼氣壓力不小于250Pa。

本裝置使用數(shù)字壓力表對吹氣壓力進行設定，該數(shù)字壓力表調節(jié)范圍為0～6kPa，通常情況下，檢定壓力設定為1kPa，滿足標準及實際需要，該數(shù)字壓力表精度為0.5%，可滿足檢定規(guī)程中呼氣壓力的檢定。

2.1.3氣路流量控制

要呼出肺深部氣體，按成年男性的完全呼出氣體量600mL，呼氣時間達3s來計算呼氣流量，則實際使用時呼出氣體流量應達到0.2L/s左右?？紤]到儀器靈敏度和方便實用，GB/T 21254—2007、OIMLR126、BSEN16280:2012對氣流的規(guī)定均為恒定流速。其中GB/T 21254—2007和OIMLR126要求氣體流量大于或等于0.10L/s，BSEN16280:2012要求氣體流量大于或等于0.20L/s。本檢定裝置流量設定默認值為6L/min，流量計調節(jié)流量范圍1.5～15L/min，最大允許誤差±4.0%。

2.2　氣體發(fā)生系統(tǒng)

該系統(tǒng)為主要由氣體發(fā)泡、溫度控制和氣體輸出等幾部分組成。為了獲得穩(wěn)定、連續(xù)準確的標準氣體，該系統(tǒng)必須密封良好、產氣均勻、升溫速度快、準確度高和溫度波動小。

2.2.1氣體發(fā)泡

氣體發(fā)泡部分是該裝置設計最為重要也是最為復雜的部分。發(fā)泡部分由攪拌葉片、進氣孔、環(huán)形配氣槽和毛細圓孔組成。氣體通過進氣孔進入腔體內，因為有一定的壓力差，氣體會以一定的流速沖擊攪拌葉片，然后，氣體被高速運動的葉片打散進入環(huán)形配氣槽，并與酒精溶液融和。氣體打的越散，產生的氣泡越小，最后產生的標準氣體濃度越均勻，兩次使用的時間間隔也就越短。酒精呼氣模擬器的發(fā)泡裝置設計圖如圖2所示。

2.2.2溫度控制部分

酒精水溶液在密閉空間達到液相或汽相平衡狀態(tài)后，其產生的酒精標準氣體濃度恒定不變；改變密閉空間的溫度、壓力或其他組成條件，改變酒精標準氣體的濃度。

通過實驗得到的溫度變化對酒精氣體濃度產生的影響見圖3。由圖可見，當溫度恒定為34.0℃時，乙醇氣體濃度為0.264mg/L；若溫度在33.4℃～34.4℃之間波動，所產生的氣體濃度在0.260～0.267之間波動。本裝置采用PID技術進行溫度控制，以分辨率達到0.01℃的鉑電阻數(shù)顯溫度計作為測溫裝置。升溫速度快，4min左右從室溫升至34℃，MPE:±0.05℃，波動性小于±0.05℃，使得配氣過程中溫度變化引入的不確定度可忽略不計。

圖3　溫度變化對氣體濃度的影響

2.2.3氣體輸出控制

氣體輸出所需的壓力與出氣孔設計密切相關。如輸出管路密封性差，出氣口就無法產生高壓，酒精標準氣體的流量和壓力會與設計要求有較大差距；出氣口長，會使氣體溫度、濕度短時間內發(fā)生變化；水汽多對傳感器產生干擾。

本裝置出氣口口徑5mm，長度4cm，連接水汽過濾嘴。出氣口氣體壓力幾乎無變化，溫度：33.9℃，濕度：90%RH，與人體呼出氣體一致。

2.3　氣量定時監(jiān)控系統(tǒng)

一定體積、濃度的酒精水溶液在汽液平衡狀態(tài)下產生同種濃度的氣體，在一定時間內濃度保持恒定，但超出一定時間限度，原來的平衡狀態(tài)將無法持續(xù)，氣體濃度會逐漸降低。如配制500mL酒精水溶液，產生0.265mg/L的乙醇標準氣體，若以6L/min的流量輸出，可在400s范圍內保持標準氣體的濃度穩(wěn)定，400s之后氣體濃度將發(fā)生變化，具體變化趨勢見圖4。所以，必須對標準氣體輸出時間進行控制。監(jiān)控設置如下：1)設定單次采集時間：根據(jù)被檢儀器采集時間設定單次標準氣體輸出時間；2)累計氣體輸出時間：根據(jù)不同濃度、體積的酒精水溶液，規(guī)定氣體發(fā)生時間，累計計數(shù)，達到規(guī)定時間后控制系統(tǒng)將自動停止輸出氣體。

圖4　氣體濃度隨時間變化趨勢

3　數(shù)據(jù)驗證試驗

因瓶裝空氣中乙醇氣體標準物質與采用液態(tài)有機氣體配氣裝置配制的乙醇標準氣體量值基本一致，所以，用本配氣裝置與液態(tài)有機氣體配氣裝置配制的乙醇標準氣體進行比對，以驗證裝置的準確性。

方法：1)選擇儀器：選取讀數(shù)穩(wěn)定的呼出氣體酒精含量探測器，重復性小于0.5%，用同種濃度氣體標定后測量；2)乙醇標準氣體：用液態(tài)有機氣體配氣裝置配制不同濃度的乙醇標準氣體，以干氣表示；用本文裝置配制同樣濃度的乙醇標準氣體，以濕氣表示；3)測量次數(shù)：所有氣體每一濃度點測量10次，取中間段氣體進行測量，取數(shù)據(jù)穩(wěn)定讀數(shù)組的平均值進行統(tǒng)計。測量結果見表1。

表1　不同配氣方法數(shù)據(jù)比對

續(xù)表

試驗表明，兩種方法配制同樣濃度的乙醇標準氣體，濕氣法配制的濃度偏低，但兩者差值小于規(guī)程所規(guī)定乙醇標準氣體的不確定度，與儀器所在測量段允許的最大誤差相比，多為十分之一以上，滿足檢定規(guī)程對乙醇標準氣體的要求。

4　結束語

呼出氣體酒精含量探測器列入國家強檢計量器具目錄，其重要性不言而喻。我國法定計量檢定機構依據(jù)JJG 657—2006對呼出氣體酒精含量探測器進行強制檢定，但現(xiàn)有用于產生濕氣的檢定裝置使用狀況一直不太理想，產生的乙醇標準氣體濃度差異大，數(shù)值也不穩(wěn)定。本項目研制的標準氣體發(fā)生裝置，解決了現(xiàn)有濕氣發(fā)生裝置存在的問題，與OIMLR126、BSEN16280:2012接軌，可大幅提高檢定效率，使呼出氣體酒精含量探測器的檢定更加科學、合理。

[1]JJG 657—2006呼出氣體酒精含量探測器[S].北京：中國計量出版社，2007

[2]GB/T 21254—2007呼出氣體酒精含量檢測儀[S].北京：中國標準出版社，2008

[3]胡樹國，韓橋.乙醇氣體標準物質研制過程中出現(xiàn)的一些問題.化學分析計量，2008(2)

[4]沈正生，刑奇風，趙海波.呼出氣體酒精含量探測器計量檢定標準裝置的研究.中國計量，2007(10)

[5]陳成新，一種校準呼氣酒精測試儀的新方法.計量學報，2006，27(2)