УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ АЛКОГОЛЯ В ВЫДЫХАЕМОМ ВОЗДУХЕ

Полезная модель относится к медицинской технике, а именно, к устройствам для определения концентрации алкоголя в выдыхаемом воздухе, предназначенным для использования, в том числе, и в дорожно-полевых условиях.
Из авторского свидетельства СССР №769428, опубл. 07.10.1980, известен прибор для определения количества алкоголя в воздухе, содержащий вертикальный цилиндрический корпус, соединенную с нижней частью корпуса и установленную по ее оси барботажную трубку с оттянутым концом, поглотительную пробирку, надетую на барботажную трубку, патрубок ввода анализируемого воздуха, соединенный с верхней частью корпуса, и патрубок отвода паров. Прибор снабжен горизонтальной перегородкой с образованием верхней и нижней камер, обратным клапаном, установленным в патрубке ввода анализируемого воздуха, и спиральной трубкой, соединяющей обратный клапан с барботажной трубкой, закрепленной в перегородке, а патрубок отвода паров подсоединен к нижней камере.
Известно также устройство для обнаружения паров этилового спирта в выдыхаемом воздухе, содержащее герметичную стеклянную капсулу удлиненной формы и размещенный внутри капсулы порошкообразный реагент, выполненный с возможностью изменения его цвета при химическом взаимодействии с парами этилового спирта. Устройство снабжено трубкой из эластичного материала, внутри которой установлена стеклянная капсула, и двумя заглушками из проницаемого для воздушного потока материала, причем длина трубки из эластичного материала превышает длину стеклянной капсулы, а заглушки установлены внутри трубки из эластичного материала с двух сторон от стеклянной капсулы (полезная модель РФ №91629 U1, опубл. 20.02.2010).
Известным является устройство для определения алкоголя в выдыхаемом воздухе, содержащее канал забора воздушной пробы, датчик давления, датчик паров алкоголя, аналого-цифровой преобразователь, встроенный персональный компьютер, блок отображения информации и внутренний принтер (заявка США №20090205407, опубл. 20.08.2009).
Из полезной модели РФ №93158 U1, опубл. 20.04.2010, известно устройство для определения концентрации алкоголя в выдыхаемом воздухе, включающее корпус, размещенные в канале забора воздушной пробы датчик давления и датчик паров алкоголя, а также содержащее аналогово-цифровой преобразователь, блок управления и обработки измерений и блок отображения информации. Выход датчика давления и выход датчика паров алкоголя соединены соответственно с первым и вторым входами аналогово-цифрового преобразователя, выход которого соединен с первым входом блока управления и обработки измерений, первый выход которого соединен со входом блока отображения информации. Кроме того, устройство содержит встроенный блок для передачи цифровых данных по радиоканалу (GPRS модем типа Siemens MC 55/56), вход которого соединен со вторым выходом блока управления и обработки измерений.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предложенной полезной модели является устройство для определения концентрации алкоголя в выдыхаемом воздухе, известное из полезной модели РФ №93541 U1, опубл. 27.04.2010. Известное устройство включает мундштук, корпус, размещенные в канале забора воздушной пробы датчик давления и датчик паров алкоголя, а также содержит аналогово-цифровой преобразователь, блок управления и обработки измерений и блок отображения информации. Выход датчика давления и выход датчика паров алкоголя соединены соответственно с первым и вторым входами аналогово-цифрового преобразователя, выход которого соединен с первым входом блока управления и обработки измерений, первый выход которого соединен со входом блока отображения информации. Кроме того, устройство содержит принтер, вход которого соединен со вторым выходом блока управления и обработки измерений, и приемник системы определения координат.
Недостатки всех известных вышеупомянутых технических решений заключаются в том, что они не обеспечивают необходимую точность измерений алкоголя в выдыхаемом воздухе, особенно в области малых концентраций, в широком диапазоне температур окружающей среды, не обеспечивают отбор пробы выдыхаемого воздуха из глубины легких обследуемого, что снижает достоверность полученных результатов измерения концентрации алкоголя. Кроме того, в указанных технических решениях не предусмотрено введение оператором необходимых для правильной работы устройства настроек и необходимых для правильного атрибутирования результатов данных, не обеспечивается также сохранение протоколов измерения и просмотр сохраненных протоколов.
Технической задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является устранение указанных недостатков.
Техническим результатом, который обеспечивается заявленной полезной моделью, является повышение точности измерения концентрации алкоголя в выдыхаемом воздухе в широком диапазоне температур окружающей среды и повышение достоверности измерения за счет отбора пробы выдыхаемого воздуха, наиболее близкой к воздуху в глубине легких обследуемого, и обеспечения предварительного анализа окружающей среды и воздуховода (мундштука) на отсутствие паров алкоголя.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что устройство для определения концентрации алкоголя в выдыхаемом воздухе, содержащее корпус, мундштук, датчик давления, датчик паров алкоголя, аналого-цифровой преобразователь, блок управления и обработки измерений, блок отображения информации, блок определения координат и принтер, дополнительно снабжено каналом забора воздушной пробы, в котором установлены узел забора воздушной пробы и упомянутый датчик паров алкоголя, преобразователем «ток-напряжение», каналом измерения давления, в котором установлен упомянутый датчик давления, усилителем, датчиком температуры, коммутатором аналоговых сигналов, дополнительным аналого-цифровым преобразователем, при этом также содержит блок ввода информации оператором, блок определения текущей даты и времени, блок связи с персональным компьютером и блок хранения информации, а мундштук выполнен в виде трубки с двумя отверстиями на базовой поверхности с возможностью их соединения посредством штуцеров соответственно с датчиком давления и датчиком паров алкоголя, при этом датчик давления соединен с первым входом коммутатора аналоговых сигналов через расположенный между ними усилитель, датчик температуры соединен со вторым входом коммутатора аналоговых сигналов, а выход упомянутого коммутатора соединен с первым входом блока управления и обработки измерений через расположенный между ними аналого-цифровой преобразователь, при этом блок управления и обработки измерений первым выходом соединен с третьим входом коммутатора аналоговых сигналов, вторым выходом - с узлом забора воздушной пробы, а третьим выходом - с блоком отображения информации, причем датчик паров алкоголя соединен с блоком управления и обработки измерений через последовательно расположенные между ними преобразователь «ток-напряжение» и дополнительный аналого-цифровой преобразователь, а блок управления и обработки измерений соединен двусторонними связями соответственно с блоком хранения информации, блоком определения текущей даты и времени, блоком связи с персональным компьютером, блоком определения координат и принтером.
Устройство также может дополнительно содержать блок контроля наличия мундштука, вход которого соединен с мундштуком, а выход - с блоком управления и обработки измерений, а также карт-ридер для считывания и обмена информацией с внешними носителями, фото- или видеокамеру и блок для удаленной передачи данных, каждый из которых соединен двусторонней связью с блоком управления и обработки измерений. Кроме того, устройство может содержать блок контроля наличия мундштука, карт-ридер, фото- или видеокамеру и блок для удаленной передачи данных в различных комбинациях друг с другом.
Полезная модель поясняется чертежами, где изображены варианты структурно-функциональной схемы устройства для определения концентрации алкоголя в выдыхаемом воздухе:
на фиг.1 - в соответствии с п.1 формулы (форма мундштука показана условно);
на фиг.2 - в соответствии с п.2 формулы;
на фиг.3 - в соответствии с п.3 формулы;
на фиг.4 - в соответствии с п.4 формулы;
на фиг.5 - в соответствии с п.5 формулы;
на фиг.6 - в соответствии с вариантом по п.3 формулы;
на фиг.7 - в соответствии с вариантом по п.4 формулы;
на фиг.8 - в соответствии с вариантом по п.5 формулы;
на фиг.9 - в соответствии с п.6 формулы;
на фиг.10 - в соответствии с п.7 формулы;
на фиг.11 - в соответствии с п.8 формулы;
на фиг.12 - в соответствии с п.9 формулы;
на фиг.13 - в соответствии с п.10 формулы;
на фиг.14 - в соответствии с п.11 формулы;
на фиг.15 в соответствии с вариантом по п.12 формулы;
на фиг.16 - в соответствии с вариантом по п.12 формулы.
Устройство содержит корпус (на фиг. не показан), мундштук (воздуховод) 1, канал 2 измерения давления, в котором установлен датчик 3 давления (MPXV10G), датчик 4 температуры (микросхема ТС1047), канал 5 забора воздушной пробы, в котором установлены узел 6 забора воздушной пробы и датчик 7 паров алкоголя (Fuel Cell), усилитель 8 (на основе двух микросхем операционных усилителей МСР6001), преобразователь 9 «ток-напряжение» (микросхема MCP6V01), коммутатор 10 аналоговых сигналов, аналого-цифровой преобразователь и дополнительный аналого-цифровой преобразователь - 11 и 12 (микросхема ADS7822), блок 13 хранения информации (две микросхемы EEPROM AT45DB321D), блок 14 управления и обработки измерений (микроконтроллер PIC24FJ256GB110), блок 15 ввода информации оператором, блок 16 определения текущей даты и времени (микросхема часов реального времени PCF8563 с независимым источником питания - литиевой батарейкой типоразмера CR1220), блок 17 отображения информации (TTF-дисплей VT032C6C), блок 18 определения координат (GPS-приемник на основе модуля NEO-5Q), блок 19 связи с персональным компьютером (ПК) и встроенный принтер 20 (на основе печатающей головки SS2305).
Устройство также может содержать блок 21 контроля наличия мундштука, карт-ридер 22 для считывания и обмена информацией с внешними носителями, фото- или видеокамеру 23 и блок 24 для удаленной передачи данных.
Мундштук 1 представляет собой воздуховод, выполненный в виде трубки с двумя отверстиями на базовой поверхности для подсоединения посредством штуцеров к датчику 3 давления в канале 2 измерения давления и к датчику 7 паров алкоголя в канале 5 забора воздушной пробы.
Выход датчика 7 паров алкоголя соединен со вторым входом 2 блока 14 управления и обработки измерений через преобразователь 9 «ток-напряжение» и дополнительный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 12.
Выход датчика 3 давления соединен с первым входом 1 коммутатора 10 аналоговых сигналов через усилитель 8. Выход датчика 4 температуры соединен со вторым входом 2 коммутатора 10 аналоговых сигналов. Выход коммутатора 10 аналоговых сигналов соединен с первым входом 1 блока 14 управления и обработки измерений через АЦП 11. Первый выход 1 блока 14 управления и обработки измерений соединен с третьим входом 3 коммутатора 10 аналоговых сигналов, второй выход 2 - с узлом 6 забора воздушной пробы, а третий выход - с блоком 17 отображения информации.
Блок 13 хранения информации, блок 16 определения текущей даты и времени, блок 18 определения координат, блок 19 связи с ПК и принтер 20 соединены с блоком 14 управления и обработки измерений двусторонними связями, соответственно, 4, 5, 6, 7 и 8.
Блок 15 ввода информации оператором соединен с третьим входом 3 блока 14 управления и обработки измерений, при этом карт-ридер 22 для считывания и обмена информацией с внешними носителями, фото- или видеокамера 23 и блок 24 для удаленной передачи данных соединены с блоком 14 управления и обработки измерений двусторонними связями 10, 11 и 12, соответственно, а блок 21 контроля наличия мундштука соединен с ним односторонней связью 9.
Одноразовый мундштук имеет сложную форму внутренней поверхности, которая, с одной стороны, позволяет создать избыточное давление воздуха вблизи входного штуцера канала 2 измерения давления, с другой стороны, изменяет направление потока воздуха вблизи входного штуцера канала 5 забора воздушной пробы, за счет чего улучшается защита датчика 7 паров алкоголя от влаги и частиц слюны.
При выдохе воздуха в мундштук 1 датчик 3 давления преобразует давление воздуха в канале 2 измерения давления в электрический сигнал, пропорциональный давлению. Электрический сигнал с датчика 3 давления поступает на усилитель 8, далее усиленный сигнал поступает на вход 1 коммутатора 10 аналоговых сигналов, далее - на АЦП 11 и затем оцифрованный сигнал поступает на вход блока 14 управления и обработки измерений. На основании данных о давлении в воздушном канале 2 измерения давления блок 14 управления и обработки измерений формирует и передает управляющий сигнал для узла 6 забора воздушной пробы, обеспечивающий отбор пробы в определенный момент выдоха.
Узел 6 забора воздушной пробы использует электромеханический принцип и управляется сигналами, поступающими с блока 14 управления и обработки измерений. Использование управляемого узла 6 забора воздушной пробы позволяет производить отбор дозированной пробы выдыхаемого воздуха из мундштука 1 в строго определенный момент выдоха и ее прокачивание через датчик 7 паров алкоголя, чем достигается повышение точности измерения алкоголя в выдыхаемом воздухе и достоверности результатов измерения.
Кроме того, использование управляемого узла 6 забора воздушной пробы дает возможность произвести принудительный отбор пробы воздуха из мундштука 1 по управляющему сигналу, сформированному блоком 14 управления и обработки измерений. Принудительный забор воздушной пробы используется, во-первых, при проведении предварительного анализа окружающей среды и воздуховода (мундштука) на отсутствие паров алкоголя, и, во-вторых, в ситуациях, когда обследуемое лицо не в состоянии поддерживать необходимые для автоматического отбора пробы параметры выдоха. Во втором случае управляющий сигнал формируется блоком 14 управления и обработки измерений в ответ на сигнал, поступивший с блока 15 ввода информации оператором.
В устройстве используется датчик 7 паров алкоголя электрохимического типа. При заполнении камеры датчика 7 паров алкоголя отобранной пробой воздуха, содержащей пары алкоголя, в объеме датчика начинается электрохимическая окислительно-восстановительная реакция, и на выходе датчика формируется электрический сигнал. Пропорциональный концентрации алкоголя электрический сигнал с датчика 7 паров алкоголя поступает на преобразователь 9 «ток-напряжение», далее преобразованный сигнал напряжения поступает на дополнительный АЦП 12 и затем на вход блока 14 управления и обработки измерений.
Использование имеющего малое сопротивление преобразователя 9 «ток-напряжение» на выходе датчика 7 паров алкоголя приводит к тому, что электроды датчика находятся практически в короткозамкнутом состоянии. Благодаря этому, во-первых, увеличивается скорость протекания окислительно-восстановительной реакции в объеме датчика, во-вторых, не требуется время на очистку датчика после измерения, чем обеспечивается повышение быстродействия устройства.
Введение для оцифровки сигнала с датчика 7 паров алкоголя дополнительного АЦП 12 позволяет применить АЦП, использующий более высокую тактовую частоту и разрядность, что повышает точность измерений.
Датчик 4 температуры расположен в непосредственной близости к датчику 7 паров алкоголя. Он формирует электрический сигнал, который поступает на второй вход коммутатора 10 аналоговых сигналов, далее - на АЦП 11 и затем оцифрованный сигнал поступает на вход блока 14 управления и обработки измерений.
На основании полученных данных о температуре в непосредственной близости к датчику 7 паров алкоголя блок 14 управления и обработки измерений, во-первых, рассчитывает температурную поправку результата измерения, благодаря чему достигается расширение диапазона рабочих температур устройства, и, во-вторых, блокирует работу устройства для определения концентрации алкоголя в выдыхаемом воздухе, если значение температуры находится вне пределов диапазона рабочих температур устройства, благодаря чему достигается повышение достоверности результатов измерения.
Коммутатор 10 аналоговых сигналов, управляемый сигналами, формируемыми блоком 14 управления и обработки измерений, обеспечивает считывание аналоговых сигналов с датчика 3 давления и датчика 4 температуры в определенной последовательности, и, тем самым, своевременную передачу информации о давлении и температуре в блок 14 управления и обработки измерений, что повышает точность измерения концентрации алкоголя в выдыхаемом воздухе в широком диапазоне температур окружающей среды.
Блок 16 определения текущей даты и времени обеспечивает определение даты и времени каждого измерения, поддержание текущей даты и времени и передачу соответствующих данных в блок 14 управления и обработки измерений для предъявления оператору при посредстве блока 17 отображения информации или, например, обеспечивает блокирование устройства при наступлении заданной даты.
Блок 18 определения координат обеспечивает прием сигналов систем позиционирования (например, GPS, ГЛОНАСС и др.), определение географических координат и передачу соответствующих данных в блок 14 управления и обработки измерений.
Блок 15 ввода информации оператором обеспечивает формирование сигналов, соответствующих командам оператора (переход в тот или иной режим, старт процедуры измерения, принудительный отбор пробы, выбор единиц измерения), или введение оператором данных (пользовательские настройки, коррекция даты и времени, данные об обследуемом лице и операторе) и их передачу в блок 14 управления и обработки измерений. Ввод информации оператором может быть выполнен с использованием кнопочной клавиатуры, сенсорного экрана или их сочетания. Благодаря применению блока 15 ввода информации оператором достигается возможность введения оператором необходимых для правильной работы устройства настроек и необходимых для правильного атрибутирования результата данных.
Блок 17 отображения информации обеспечивает предъявление оператору визуальной и звуковой информации на основе данных, получаемых с блока 14 управления и обработки измерений.
Блок 19 связи с ПК позволяет осуществлять подключение устройства к ПК для передачи информации о проведенных измерениях, а также для изменения настроек устройства. Связь этого блока с ПК может быть осуществлена любым проводным (например, USB, Ethernet и пр.) или беспроводным (например, Wi-Fi, WiMax, Bluetooth и пр.) способом.
Принтер 20 позволяет распечатать протокол измерения (как текущий, так и любой, сохраненный в блоке 13 хранения информации). Кроме того, он может быть выполнен как отдельный блок с проводной или беспроводной связью любого вида (например ИК, оптическая связь, радиосвязь и пр.) с блоком 14 управления и обработки измерений.
Блок 14 управления и обработки измерений, получив сигналы с упомянутых датчиков 3, 4 и 7, осуществляет сбор данных, формирует на основании этих данных управляющие работой других блоков сигналы и вычисляет результат измерения паров алкоголя. Этот блок также получает из упомянутых блока 16, блока 18 и блока 15 необходимые данные о текущих дате и времени, географических координатах и данные об обследуемом лице и операторе. Затем он автоматически формирует результат измерения паров алкоголя в виде протокола, включающего вышеперечисленные данные, и передает его в блок 13 хранения информации. Блок 14 также обеспечивает передачу сохраненных в блоке 13 протоколов на принтер 20, или в блок 19 связи с ПК или в блок 17 отображения информации для ее дальнейшего предъявления оператору.
Блок 13 хранения информации сохраняет данные о необходимых настройках устройства: параметры выдоха, необходимые для автоматического отбора пробы, границы диапазона рабочих температур, единицы измерения концентрации, и кроме того, пользовательские настройки оператора и протоколы измерения концентрации паров алкоголя.
Узел 6 забора воздушной пробы обеспечивает в нужный момент времени по команде от блока 14 управления и обработки измерений забор необходимого объема выдыхаемого воздуха из одноразового мундштука и направления его в камеру датчика 7 паров алкоголя для анализа. После завершения анализа происходит выталкивание продуктов окислительно-восстановительной реакции из камеры датчика 7 обратно в воздуховод. Пробой воздуха в этом случае является не весь выдохнутый испытуемым воздух, а тот небольшой объем, который забран в камеру датчика 7, за счет чего повышается достоверность измерений концентрации алкоголя в выдыхаемом воздухе.
Устройство для определения концентрации алкоголя в выдыхаемом воздухе работает следующим образом.
Перед началом измерения оператор вставляет мундштук 1 в виде трубки с двумя отверстиями на базовой поверхности в соответствующее углубление в корпусе устройства, при этом отверстия посредством штуцеров соединяются с каналом 2 измерения давления и каналом 5 забора воздушной пробы, и, соответственно, с датчиком 3 давления и датчиком 7 паров алкоголя. С помощью блока 15 ввода информации оператор имеет возможность ввести необходимые для протоколирования измерения данные, которые будут сохранены в форме протокола измерения. С помощью блока 15 ввода информации оператор дает команду на запуск процедуры измерения. После этого автоматически производится контрольный забор пробы для предварительного анализа окружающей среды и воздуховода (мундштука) на отсутствие паров алкоголя. В случае присутствия паров алкоголя выводится соответствующее сообщение, и устройство не производит измерение. Если алкоголя в контрольной пробе нет, то выводится сообщение, предлагающее произвести измерение. Обследуемое лицо производит выдох через одноразовый мундштук. Если интенсивность и объем выдоха достаточны, происходит автоматический отбор пробы выдыхаемого воздуха и измерение концентрации паров алкоголя. Результат измерения предъявляется оператору, при этом протокол измерения сохраняется. Если интенсивность и объем выдоха недостаточны, автоматический отбор пробы выдыхаемого воздуха не производится, оператору предъявляется соответствующее сообщение. В этом случае оператор может прибегнуть к принудительному забору пробы.
В том случае, если температура вблизи датчика паров алкоголя выходит за пределы диапазона рабочих температур устройства, после соответствующего сообщения устройство отключается.
После процедуры измерения алкоголя оператор имеет возможность распечатать протокол измерения с помощью принтера, просмотреть и распечатать сохраненные в блоке хранения информации протоколы и передать данные протоколов на ПК при посредстве блока 19 связи с ПК.
Использование устройства для определения концентрации алкоголя в выдыхаемом воздухе обеспечивает повышение точности измерений алкоголя в выдыхаемом воздухе при малых его концентрациях в выдыхаемом воздухе (менее 0,02 мг/литр) в широком температурном диапазоне окружающей среды (от -5°С до +50°С), а также повышение достоверности измерения за счет отбора из выдыхаемого воздуха пробы, наиболее близкой к воздуху в глубине легких обследуемого и за счет проведения предварительного анализа окружающей среды на наличие (отсутствие) в ней паров алкоголя.