孔小平　李　博

(河南省計(jì)量科學(xué)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(shí)施，呼出氣體酒精含量探測器成為公安部門進(jìn)行是否飲酒駕駛初步篩選的重要計(jì)量器具。對其進(jìn)行周期檢定，確保其量值的準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)途徑。一是應(yīng)用于干氣配制法的標(biāo)準(zhǔn)氣體稀釋裝置配制，該裝置準(zhǔn)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(shí)際使用狀態(tài)不一致；二是應(yīng)用于濕氣的酒精模擬器配制，目前國內(nèi)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(diǎn)；最后一種是瓶裝空氣中乙醇?xì)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，濃度范圍為(30～500)×10-6mol/mol，準(zhǔn)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(nèi)外儀器生產(chǎn)廠家出廠檢定、校準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(kuò)散定律模擬人體呼氣系統(tǒng)配制乙醇標(biāo)準(zhǔn)氣體。用無水乙醇標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)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(dāng)密閉容器中水分子的蒸發(fā)和凝結(jié)形成平衡，即空氣中的水汽達(dá)到飽和時(shí)，酒精分子的蒸發(fā)和凝結(jié)也達(dá)到平衡，產(chǎn)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(jì)算：

cair=0.04145×10-3×caqua×exp(0.06583t)

(1)

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

cair=0.38866×10-3×caqua

(2)

此時(shí)，只需控制系統(tǒng)的溫度、壓力和氣體輸出時(shí)間，裝置即會輸出具有特定壓力、流量、溫度和濕度的乙醇標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(shí)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(gè)裝置示意圖見圖1。

圖1　呼出氣體酒精含量探測器標(biāo)準(zhǔn)氣體發(fā)生裝置示意圖

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(fù)用于配氣，空氣中殘存的酒精氣體會對儀器傳感器信號產(chǎn)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(shè)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(jìn)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(shè)定大的時(shí)候易造成儀器分析失敗，所以國產(chǎn)儀器吹氣壓力設(shè)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(jìn)行設(shè)定，該數(shù)字壓力表調(diào)節(jié)范圍為0～6kPa，通常情況下，檢定壓力設(shè)定為1kPa，滿足標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)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(shí)間達(dá)3s來計(jì)算呼氣流量，則實(shí)際使用時(shí)呼出氣體流量應(yīng)達(dá)到0.2L/s左右。考慮到儀器靈敏度和方便實(shí)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(shè)定默認(rèn)值為6L/min，流量計(jì)調(diào)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(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)氣體，該系統(tǒng)必須密封良好、產(chǎn)氣均勻、升溫速度快、準(zhǔn)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(shè)計(jì)最為重要也是最為復(fù)雜的部分。發(fā)泡部分由攪拌葉片、進(jìn)氣孔、環(huán)形配氣槽和毛細(xì)圓孔組成。氣體通過進(jìn)氣孔進(jìn)入腔體內(nèi)，因?yàn)橛幸欢ǖ膲毫Σ?，氣體會以一定的流速沖擊攪拌葉片，然后，氣體被高速運(yùn)動的葉片打散進(jìn)入環(huán)形配氣槽，并與酒精溶液融和。氣體打的越散，產(chǎn)生的氣泡越小，最后產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度越均勻，兩次使用的時(shí)間間隔也就越短。酒精呼氣模擬器的發(fā)泡裝置設(shè)計(jì)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(dá)到液相或汽相平衡狀態(tài)后，其產(chǎn)生的酒精標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)氣體的濃度。

通過實(shí)驗(yàn)得到的溫度變化對酒精氣體濃度產(chǎn)生的影響見圖3。由圖可見，當(dāng)溫度恒定為34.0℃時(shí)，乙醇?xì)怏w濃度為0.264mg/L；若溫度在33.4℃～34.4℃之間波動，所產(chǎn)生的氣體濃度在0.260～0.267之間波動。本裝置采用PID技術(shù)進(jìn)行溫度控制，以分辨率達(dá)到0.01℃的鉑電阻數(shù)顯溫度計(jì)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(jì)。

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(shè)計(jì)密切相關(guān)。如輸出管路密封性差，出氣口就無法產(chǎn)生高壓，酒精標(biāo)準(zhǔn)氣體的流量和壓力會與設(shè)計(jì)要求有較大差距；出氣口長，會使氣體溫度、濕度短時(shí)間內(nèi)發(fā)生變化；水汽多對傳感器產(chǎn)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(shí)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(chǎn)生同種濃度的氣體，在一定時(shí)間內(nèi)濃度保持恒定，但超出一定時(shí)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(chǎn)生0.265mg/L的乙醇標(biāo)準(zhǔn)氣體，若以6L/min的流量輸出，可在400s范圍內(nèi)保持標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)氣體輸出時(shí)間進(jìn)行控制。監(jiān)控設(shè)置如下：1)設(shè)定單次采集時(shí)間：根據(jù)被檢儀器采集時(shí)間設(shè)定單次標(biāo)準(zhǔn)氣體輸出時(shí)間；2)累計(jì)氣體輸出時(shí)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(shí)間，累計(jì)計(jì)數(shù)，達(dá)到規(guī)定時(shí)間后控制系統(tǒng)將自動停止輸出氣體。

圖4　氣體濃度隨時(shí)間變化趨勢

3　數(shù)據(jù)驗(yàn)證試驗(yàn)

因瓶裝空氣中乙醇?xì)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)與采用液態(tài)有機(jī)氣體配氣裝置配制的乙醇標(biāo)準(zhǔn)氣體量值基本一致，所以，用本配氣裝置與液態(tài)有機(jī)氣體配氣裝置配制的乙醇標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行比對，以驗(yàn)證裝置的準(zhǔn)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(fù)性小于0.5%，用同種濃度氣體標(biāo)定后測量；2)乙醇標(biāo)準(zhǔn)氣體：用液態(tài)有機(jī)氣體配氣裝置配制不同濃度的乙醇標(biāo)準(zhǔn)氣體，以干氣表示；用本文裝置配制同樣濃度的乙醇標(biāo)準(zhǔn)氣體，以濕氣表示；3)測量次數(shù)：所有氣體每一濃度點(diǎn)測量10次，取中間段氣體進(jìn)行測量，取數(shù)據(jù)穩(wěn)定讀數(shù)組的平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。測量結(jié)果見表1。

表1　不同配氣方法數(shù)據(jù)比對

續(xù)表

試驗(yàn)表明，兩種方法配制同樣濃度的乙醇標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)氣體的要求。

4　結(jié)束語

呼出氣體酒精含量探測器列入國家強(qiáng)檢計(jì)量器具目錄，其重要性不言而喻。我國法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)依據(jù)JJG 657—2006對呼出氣體酒精含量探測器進(jìn)行強(qiáng)制檢定，但現(xiàn)有用于產(chǎn)生濕氣的檢定裝置使用狀況一直不太理想，產(chǎn)生的乙醇標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度差異大，數(shù)值也不穩(wěn)定。本項(xiàng)目研制的標(biāo)準(zhǔn)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(xué)、合理。

[1]JJG 657—2006呼出氣體酒精含量探測器[S].北京：中國計(jì)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(biāo)準(zhǔn)出版社，2008

[3]胡樹國，韓橋.乙醇?xì)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研制過程中出現(xiàn)的一些問題.化學(xué)分析計(jì)量，2008(2)

[4]沈正生，刑奇風(fēng)，趙海波.呼出氣體酒精含量探測器計(jì)量檢定標(biāo)準(zhǔn)裝置的研究.中國計(jì)量，2007(10)

[5]陳成新，一種校準(zhǔn)呼氣酒精測試儀的新方法.計(jì)量學(xué)報(bào)，2006，27(2)