呼出氣體酒精含量檢測儀檢定裝置

申俊峰 朱正 郭佩華 李瑞敏 侯靜

摘?要：呼出氣體酒精含量檢測儀是通過檢測駕駛員呼出氣體的酒精含量，判斷其是否飲酒駕駛或者醉酒駕駛。國家市場監(jiān)管局已經(jīng)將酒檢儀列入強(qiáng)制管理的計量器具目錄，其準(zhǔn)確性直接影響交警執(zhí)法的公正性。因此，本項目以檢定校準(zhǔn)酒檢儀為目的，開發(fā)出了新一代酒檢儀檢定裝置。

關(guān)鍵詞：酒檢儀；檢定裝置；交通安全

呼出氣體酒精含量檢測儀（酒檢儀）作為確認(rèn)駕駛員是否飲酒及飲酒量多少的儀器，其測定結(jié)果是交警現(xiàn)場出具執(zhí)法憑證的唯一手段。酒檢儀檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，關(guān)系到公民權(quán)益和交通執(zhí)法的嚴(yán)肅性、公平性。因此，對酒檢儀的檢定就尤為重要，我國已將酒檢儀作為強(qiáng)檢計量器具列入了強(qiáng)檢目錄，并頒布了相應(yīng)的鑒定規(guī)程，規(guī)程中對檢定條件、檢定設(shè)備、檢定項目、檢定方法及標(biāo)準(zhǔn)氣體的配制都做了具體的要求［12］。JJG6572006《呼出氣體酒精含量探測器檢定規(guī)程》［3］實施十幾年來，在確保酒檢儀使用中量值的準(zhǔn)確度方面起到了一定的保障作用。但是，隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，該規(guī)程中的相關(guān)條例已經(jīng)變得滯后于現(xiàn)實環(huán)境。經(jīng)過多方的協(xié)同努力，國家市場監(jiān)管總局2019年9月27日發(fā)布了JJG6572019《呼出氣體酒精含量檢測儀檢定規(guī)程》（以下簡稱：新《規(guī)程》）［4］，并于2020年3月27日開始實施。新《規(guī)程》主要的測試項目中，對流量和溫度的控制要求較高，這使得原有的檢定設(shè)備已經(jīng)不能滿足規(guī)程的要求［5］。因此，研發(fā)一款新型且實用的滿足新《規(guī)程》要求的酒檢儀檢定裝置是一個十分迫切和必要的研究課題。

本文依據(jù)新《規(guī)程》的要求，研發(fā)出一款新型酒檢儀的檢定裝置，以期對計量檢定方法的改進(jìn)起到一定的促進(jìn)作用，為計量裝置的發(fā)展提供寶貴的數(shù)據(jù)和實物，同時為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步起到一定的推動作用。

1?新《規(guī)程》解讀

新《規(guī)程》的實施，對酒檢儀檢定裝置提出了更高的要求，其中大部分檢定方法已經(jīng)不能由人工操作來實現(xiàn)，必須借助自動控制系統(tǒng)，才能按照新《規(guī)程》完成酒檢儀的檢定工作。該檢定《規(guī)程》對計量器具的主要要求如下：

（1）乙醇標(biāo)準(zhǔn)氣三個濃度點：0.1mg/L，0.4mg/L，06mg/L；

（2）檢定酒檢儀范圍用乙醇?xì)怏w不低于2.0mg/L；

（3）干擾氣體丙酮濃度為0.5mg/L和一氧化碳?xì)怏w濃度為0.2mg/L；

（4）測試計時分辨力10ms；

（5）進(jìn)樣流量不小于15L/min，流量控制器6～36L/min（2.5級）；

（6）差壓計0～3000Pa（MPE±50Pa）；

（7）大氣壓力計分辨力0.1hPa（MPE±2.5hPa）；

（8）溫度計15～35℃（MPE±0.2℃）；

（9）出氣口溫度34±0.5℃。

部分指標(biāo)新《規(guī)程》與之前相差較大，部分檢測方法也有很大的改變，新《規(guī)程》中規(guī)定的檢定項目如表1所示。

根據(jù)新《規(guī)程》要求，設(shè)備的設(shè)計指標(biāo)如下：

（1）預(yù)熱時間短，10分鐘內(nèi)到達(dá)設(shè)定溫度；

（2）參數(shù)可設(shè)定，根據(jù)實驗需求，吹氣時間、加熱溫度、氣體流量等關(guān)鍵參數(shù)可以隨時設(shè)定并存儲；

（3）采用醫(yī)療呼吸器級別微壓差傳感器，高精度高可靠性，每年0.2%的滿量程漂移為長期穩(wěn)定性奠定基礎(chǔ)；

（4）功能根據(jù)規(guī)程開發(fā)，具有濃度實驗、呼氣阻力試驗、最小流量和最短持續(xù)時間試驗等功能，方便檢定工作；

（5）具有呼氣檢測功能，無須手動，自動呼氣，并具備蜂鳴提示音；

（6）小型化設(shè)計，可以現(xiàn)場檢定；

（7）觸摸屏智能化操作，簡單快捷。

2?酒檢儀的設(shè)計

2.1?酒檢儀原理

目前交警使用的酒檢儀大部分采用電化學(xué)傳感器，其原理是人體呼出的含有酒精的氣體通過采樣系統(tǒng)進(jìn)入傳感器，與傳感器內(nèi)部的物質(zhì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生微小的電流信號，通過運(yùn)算放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等電路輸出與酒精含量相對應(yīng)的電信號，再通過軟件算法將電信號轉(zhuǎn)換成酒精含量，顯示在酒檢儀的屏幕上。

酒檢儀檢定裝置按照新《規(guī)程》的實驗要求，要完成對各種酒檢儀的檢定，就需要匹配不同品牌和型號的酒檢儀。

2.2?酒檢儀檢定裝置方案設(shè)計

根據(jù)新《規(guī)程》中規(guī)定的檢定條件、檢定項目和檢定方法，本裝置的原理框圖如圖1所示。

圖1?酒檢儀檢定裝置原理框架圖

考慮到干擾氣體的危險性（CO需要在通風(fēng)櫥操作）和管路的吸收殘留，沒有集成到本裝置中去，直接使用標(biāo)準(zhǔn)氣即可。

四個進(jìn)氣口分別接空氣和三個濃度酒精氣體，通過電磁閥切換選擇輸入氣體種類，氣體經(jīng)過電磁閥后，進(jìn)入流量控制器進(jìn)行流量調(diào)節(jié)及控制。通過流量控制器后，進(jìn)行壓力檢測和溫度控制，保證出氣口恒溫在34±0.5℃。

整個系統(tǒng)由自動控制電路負(fù)責(zé)控制，完成用戶交互和邏輯功能的實現(xiàn)。預(yù)留通信接口，可以與計算機(jī)通信。以下就各部件的功能進(jìn)行逐一說明。

2.2.1?流量控制器

流量控制器采用氣體質(zhì)量流量控制器MFC（Mass?Flow?Controller），利用熱擴(kuò)散原理及PID控制原理，測量和控制管道的氣體質(zhì)量流量輸出，不需要溫度和壓力補(bǔ)償，可以精確控制氣體流量。質(zhì)量流量控制器與自控系統(tǒng)之間通過RS485總線進(jìn)行通信。

2.2.2?差壓計（變送器）

使用醫(yī)用級微壓差傳感器，測試呼氣阻力，通過與大氣壓力比對，記錄呼氣阻力，滿足呼氣阻力測試實驗要求。傳感器與自控系統(tǒng)之間通過IIC總線進(jìn)行通信。

2.2.3?溫控系統(tǒng)

由于出氣量較大而且流量也在變化，因此對溫控系統(tǒng)的要求較高，為了在各種流量下滿足新《規(guī)程》要求的溫度范圍，溫控系統(tǒng)采用單獨(dú)的軟硬件控制。

2.2.4?硬件

溫度傳感器上采用PT100精確測溫，由于實時性要求較高，傳統(tǒng)鎧裝PT100的響應(yīng)速度達(dá)不到要求，因此采用裸片形式的PT100，最大限度地加快響應(yīng)時間。加熱器采用定制結(jié)構(gòu)，能夠使氣體在加熱腔室中被均勻加熱。微處理器使用32位ARM單片機(jī)，采集的溫度數(shù)據(jù)通過軟件算法處理后，通過SSR固態(tài)繼電器控制加熱核心的工作頻率，完成檢測和控制的閉環(huán)，實現(xiàn)自動溫控控制的邏輯。

2.2.5?軟件

采用改進(jìn)的PID算法，傳統(tǒng)的PID算法只有一個輸入?yún)?shù)，本系統(tǒng)有進(jìn)氣溫度和出氣溫度兩個參數(shù)，要求調(diào)整速度快，超調(diào)小，通過不斷的實驗積累數(shù)據(jù)和整定，最終達(dá)到了34±0.5℃的要求。溫控系統(tǒng)與主控系統(tǒng)通過RS485總線進(jìn)行通信。

2.2.6?自動控制系統(tǒng)

整體系統(tǒng)采用ARM微處理器進(jìn)行集中控制，顯示和操作使用工業(yè)彩色觸摸屏，可以在觸摸屏上完成所有操作，無須外接鍵盤或物理按鍵。自動控制系統(tǒng)的主要功能包括電磁閥控制、MFC控制、差壓計數(shù)據(jù)讀取、溫度采集與控制、檢定實驗過程的邏輯實現(xiàn)等。系統(tǒng)具有操作簡單、功能豐富、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點，后續(xù)可以根據(jù)使用要求，按需調(diào)整功能配置?？煽啃愿咔曳螮MC電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)；其電源及全部I/O端子均通過了4kV的群脈沖（EFT）抗干擾測試，能在強(qiáng)干擾環(huán)境下可靠工作。

2.2.7?外殼與接口

整機(jī)采用鈑金外殼，正面設(shè)計有顯示屏和出氣口，背面有進(jìn)氣口、電源接口和通信接口等。

3?設(shè)備測試

3.1?溫度測試

設(shè)備經(jīng)過預(yù)熱后，使用經(jīng)過檢定的數(shù)字溫度計測試本裝置的出氣口溫度，數(shù)據(jù)如表2所示。

經(jīng)溫度測試實驗可知，該裝置的出口溫度在30s內(nèi)可穩(wěn)定在34.2±0.1℃之間，能夠滿足新規(guī)程的要求。

3.2?流量測試

使用經(jīng)過檢定的玻璃浮子流量計驗證氣體質(zhì)量流量控制器的控制效果，測試數(shù)據(jù)如表3所示。

流量測試表明，該裝置可以依據(jù)設(shè)定的流量自動調(diào)節(jié)氣體流量的大小，端口讀取流量與設(shè)定流量完全一致。滿足新《規(guī)程》規(guī)定的誤差范圍。

經(jīng)過測試，本設(shè)備各項參數(shù)到達(dá)設(shè)計指標(biāo)要求，能夠按照新《規(guī)程》完成酒檢儀的檢定工作。

4?設(shè)備功能介紹

打開設(shè)備電源后，設(shè)備自動進(jìn)入自檢過程，此過程不需要任何操作。自檢完成后，主頁面如圖2所示。

其中的各項標(biāo)志介紹如下：

（1）環(huán)境溫度（℃）、環(huán)境濕度（%RH）根據(jù)新《規(guī)程》要求，在溫度（18～28℃）和濕度（20～80%RH）符合檢定環(huán)境條件時，顯示綠色指示，否則顯示紅色指示。

（2）實時壓差（kPa）是指出氣口相對于大氣環(huán)境的壓力差；加熱溫度（℃）用來設(shè)置加熱器的溫度參數(shù)，點擊數(shù)字可以更改設(shè)置，如圖3所示，默認(rèn)值為34.0。

（3）主頁面右側(cè)是四個主要的實驗功能，根據(jù)新《規(guī)程》中檢定項目要求，示值誤差、重復(fù)性、零點漂移、示值漂移和記憶殘留效應(yīng)實驗通過點擊濃度實驗，在濃度實驗界面完成；呼氣阻力實驗通過點擊呼氣阻力，在呼氣阻力界面完成；最小流量實驗通過點擊最小流量，在最小流量界面完成；最短持續(xù)時間實驗通過點擊最短時間，在最短時間界面完成。

5?設(shè)備校準(zhǔn)實驗

進(jìn)行實驗前需要連接好氣源，做好如下準(zhǔn)備。

各個實驗需要?dú)怏w驅(qū)動MFC質(zhì)量流量控制器才能正常運(yùn)行，因此，請通入相應(yīng)的鋼瓶標(biāo)準(zhǔn)氣，零點氣源可以使用高純氮?dú)饣蛘邼崈舻膲嚎s空氣，進(jìn)氣口1、2、3、4分別對應(yīng)零氣，第一點0.1mg/L，第二點0.4mg/L，第三點0.6mg/L。氣管外徑6mm，進(jìn)氣壓力不得超過0.4MPa（4bar），使用鋼瓶氣或者壓縮空氣請加裝調(diào)壓閥，將出氣壓力調(diào)整到03MPa（3bar）附近。

準(zhǔn)備工作完成后，即可依次點擊主頁面右側(cè)的相關(guān)選項，進(jìn)行如下實驗。

5.1?濃度實驗

濃度實驗頁面如圖4所示。

呼氣濃度（mg/L）出氣口的氣體濃度，右側(cè)按鍵用于切換進(jìn)氣。第一點對應(yīng)0.1mg/L，第二點對應(yīng)0.4mg/L，第三點對應(yīng)0.6mg/L。

出口流量（L/min）實時的流量值，可以與設(shè)備上的浮子流量計做比對。

出口溫度（℃）實時的出氣口氣體溫度，如果間斷檢測，出氣口溫度就會變化。如剛開機(jī)或者環(huán)境溫度較低，設(shè)備內(nèi)部加熱裝置溫度還沒有達(dá)到預(yù)設(shè)值，此時需要預(yù)熱，可以適當(dāng)增加吹氣時間，待吹氣過程中，出口溫度指示變?yōu)榫G色，便可接上酒檢儀進(jìn)行測試。

設(shè)定流量（L/min）用于設(shè)置出氣口的流量，默認(rèn)值15。

吹氣時間（sec）吹氣過程中顯示倒計時，否則顯示吹氣時長，可以通過點擊數(shù)字進(jìn)行更改（范圍1～255s），默認(rèn)值6。

觸發(fā)紅外反射傳感器開始吹氣，紅外反射開關(guān)具有自動抗干擾功能，觸發(fā)時間超過1s才會發(fā)送觸發(fā)信號。吹氣開始和結(jié)束會有蜂鳴提示音。吹氣過程中，吹氣時間進(jìn)行倒計時。

在呼氣過程中，呼氣濃度為紅色指示，呼氣完成后，變?yōu)榫G色，可以進(jìn)行下一次呼氣測試。

點擊返回鍵可以返回主頁面。

5.2?呼氣阻力實驗

在主頁面上點擊“呼氣阻力實驗”，進(jìn)入濃度實驗頁面，如圖5所示。

界面上顯示的各功能介紹如下：

（1）實時壓差（kPa）：出氣口相對于大氣環(huán)境的壓力差。

（2）呼氣阻力（kPa）：實驗中出口流量是慢慢變大的，呼氣阻力是一次實驗中最大的實時壓差。呼氣阻力小于2500Pa，指示為綠色，否則為紅色。

（3）出口流量（L/min）：實時的流量值，可以與設(shè)備上的浮子流量計做比對。

（4）設(shè)定流量（L/min）：用于設(shè)置吹氣的流量，默認(rèn)值12。

（5）吹氣時間（sec）：吹氣過程中顯示倒計時，否則顯示吹氣時間長度，可以通過點擊數(shù)字進(jìn)行更改，默認(rèn)值8。由于新《規(guī)程》要求緩慢調(diào)節(jié)輸入流量，所以吹氣時間不能低于6，否則出口流量可能達(dá)不到設(shè)定值。

新《規(guī)程》要求緩慢調(diào)節(jié)輸入流量，當(dāng)流量達(dá)到（12±0.6）L/min時，記錄差壓計的數(shù)值。

在測試酒檢儀的呼氣阻力時，設(shè)備會自動扣除設(shè)備本身的阻力底數(shù)。例如：

A.測試儀器阻力底數(shù)。不接酒檢儀，擋住觸發(fā)開關(guān)，運(yùn)行一次呼氣阻力實驗，記錄呼氣阻力數(shù)值，例如，呼氣阻力顯示為0.100kPa。

B.測試總壓差。接上酒檢儀，運(yùn)行一次呼氣阻力實驗，記錄呼氣阻力數(shù)值，例如，呼氣阻力顯示為0.200kPa。

C.計算酒檢儀呼氣阻力。酒檢儀的呼氣阻力實驗結(jié)果為：0.200-0.100=0.100（kPa）。

點擊返回鍵可以返回主頁面。

5.3?最小流量實驗

最小流量實驗頁面如圖6所示。

按照新《規(guī)程》要求，出口流量小于6L/min時，酒檢儀應(yīng)不啟動采樣系統(tǒng)。

設(shè)定流量（L/min）：用于設(shè)置吹氣的流量，默認(rèn)值5。

出口流量（L/min）：實時的流量值，可以與設(shè)備上的浮子流量計做比對。

吹氣時間（sec）：吹氣過程中顯示倒計時，否則顯示吹氣時間長度，可以通過點擊數(shù)字進(jìn)行更改，默認(rèn)值6。

點擊返回鍵可以返回主頁面。

5.4?最短持續(xù)時間實驗

最短持續(xù)時間實驗頁面如圖7所示。

按照規(guī)程要求，以36L/min流量通入酒檢儀，持續(xù)2.0秒時將氣體流量降至6L/min以下，酒檢儀應(yīng)發(fā)出中斷或報警信號。

起始流量（L/min）和停止流量（L/min）按照新《規(guī)程》要求設(shè)置，默認(rèn)值分別為36和0，點擊數(shù)字可以更改。如果停止流量不為零，則測試完成后會維持設(shè)定的流量輸出，直到返回主界面。

吹氣時間（sec）：吹氣過程中顯示倒計時，否則顯示吹氣時間長度，可以通過點擊數(shù)字進(jìn)行更改，默認(rèn)值2。

點擊返回鍵可以返回工作主頁面。

6?總結(jié)與完善

通過實際使用，本裝置能夠按照新《規(guī)程》完成酒檢儀的各種檢定實驗，尤其是溫度和流量控制，有著非常高的精度。但還存在一些不足之處，例如，界面不夠美觀，沒有集成干擾氣檢測功能等，可以在后續(xù)版本中升級完善。

參考文獻(xiàn)：

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［4］JJG6752019呼出氣體酒精含量檢測儀.國家市場監(jiān)督管理總局，2019.

［5］劉沂玲，劉春宇，蔡春洪.JJG6572019《呼出氣體酒精含量檢測儀檢定規(guī)程》解讀［J］.中國計量，2020（07）：123126.

基金項目：本文受邯鄲市重大共性關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新專項重點項目（呼出氣體酒精含量檢測儀智能檢定裝置的研發(fā)，21112903030）資助完成

作者簡介：申俊峰（1972—?），男，漢族，工程師，研究方向：質(zhì)量工程。

*通訊作者：侯靜（1988—?），女，漢族，實驗師，研究方向：化學(xué)分析檢測。