湿气法呼出气体酒精含量探测器标准气体发生装置的设计和实现*

孔小平　李　博

(河南省计量科学研究院，郑州 450008)

0　引言

呼出气体酒精含量检测仪(以下简称仪器)用于分析测量人体肺深部呼出气体中的酒精含量。2011年5月1日，修订后的《中华人民共和国道路交通安全法》开始实施，呼出气体酒精含量探测器成为公安部门进行是否饮酒驾驶初步筛选的重要计量器具。对其进行周期检定，确保其量值的准确可靠就显得尤为重要。JJG 657—2006《呼出气体酒精含量探测器》国家检定规程对检定用乙醇标准气体做了明确规定，不确定度不大于3%(k=2)，其来源有三个途径。一是应用于干气配制法的标准气体稀释装置配制，该装置准确度高，比较简便，但配气效率低，湿度、温度与人体呼出的气体有很大差别，造成检定和实际使用状态不一致；二是应用于湿气的酒精模拟器配制，目前国内的该类装置虽然使用方便，但存在量值差异大，数值不稳定的缺点；最后一种是瓶装空气中乙醇气体标准物质，浓度范围为(30～500)×10-6mol/mol，准确、稳定，属干气范畴，湿度、温度与人体呼出的气体有差别。目前，国内外仪器生产厂家出厂检定、校准均采用湿气，为此，研制出一种稳定可靠的湿气法酒精呼出气体酒精含量标准气体发生装置，解决呼出气体酒精含量探测器检定中存在的问题，具有实际意义。

1　装置测量原理及组成

1.1　测量原理

依据气体扩散定律模拟人体呼气系统配制乙醇标准气体。用无水乙醇标准物质和蒸馏水配制乙醇溶液，密闭容器中加热到34℃(人体呼出气体的温度)，在一定的温度、压力和组成条件下，当密闭容器中水分子的蒸发和凝结形成平衡，即空气中的水汽达到饱和时，酒精分子的蒸发和凝结也达到平衡，产生具有稳定浓度和温度的酒精气体。根据OIMLR126和BSEN16280:2012，该酒精气体中的酒精浓度可由Dubowski公式计算：

cair=0.04145×10-3×caqua×exp(0.06583t)

(1)

式中，caqua为乙醇水溶液的质量浓度，g/L；cair为空气中乙醇浓度，mg/L；t为温度，℃。当t=34℃时，式(1)可表达为：

cair=0.38866×10-3×caqua

(2)

此时，只需控制系统的温度、压力和气体输出时间，装置即会输出具有特定压力、流量、温度和湿度的乙醇标准气体。

1.2　装置的组成

装置由气体发生系统、气路控制系统及气路定时监控系统组成。气体发生系统用于在一定温度和压力下，形成酒精水溶液与酒精气体的两相平衡；气路控制系统用于控制气源、气路压力和气路流量；气路定时监控系统用于控制装置的气体输出量，以保证输出气体的量值稳定。整个装置示意图见图1。

图1　呼出气体酒精含量探测器标准气体发生装置示意图

2　系统设计

2.1　气路控制系统

2.1.1气源控制

本装置使用瓶装空气作为气源，由于一般呼出气体酒精探测器的分辨率为0.001mg/L，相对封闭的环境空气若反复用于配气，空气中残存的酒精气体会对仪器传感器信号产生背景干扰。使用瓶装洁净空气，一可以保证气体纯度，二可方便控制气路的压力、流量。

2.1.2气路压力控制

气路压力参照人体吹气压力设定，通常情况下，持续呼气3s以上，人的呼气压力一般在2～4kPa。为保证仪器使用正常，工作压力通常低于人体吹气压力。进口呼出气体酒精探测器要求的吹气压力会高一些，如国际建议OIMLR126要求的最小吹气压力在1.0kPa以上，欧盟国家如德国、英国、法国等一些国家执行BSEN16280:2012，要求最小吹气压力在1.5kPa以上。鉴于中国国情，部分被测试者主观上不愿意配合酒精测试，压力设定大的时候易造成仪器分析失败，所以国产仪器吹气压力设置一般比国外仪器的低。GB/T 21254—2007要求呼气压力不小于250Pa。

本装置使用数字压力表对吹气压力进行设定，该数字压力表调节范围为0～6kPa，通常情况下，检定压力设定为1kPa，满足标准及实际需要，该数字压力表精度为0.5%，可满足检定规程中呼气压力的检定。

2.1.3气路流量控制

要呼出肺深部气体，按成年男性的完全呼出气体量600mL，呼气时间达3s来计算呼气流量，则实际使用时呼出气体流量应达到0.2L/s左右。考虑到仪器灵敏度和方便实用，GB/T 21254—2007、OIMLR126、BSEN16280:2012对气流的规定均为恒定流速。其中GB/T 21254—2007和OIMLR126要求气体流量大于或等于0.10L/s，BSEN16280:2012要求气体流量大于或等于0.20L/s。本检定装置流量设定默认值为6L/min，流量计调节流量范围1.5～15L/min，最大允许误差±4.0%。

2.2　气体发生系统

该系统为主要由气体发泡、温度控制和气体输出等几部分组成。为了获得稳定、连续准确的标准气体，该系统必须密封良好、产气均匀、升温速度快、准确度高和温度波动小。

2.2.1气体发泡

气体发泡部分是该装置设计最为重要也是最为复杂的部分。发泡部分由搅拌叶片、进气孔、环形配气槽和毛细圆孔组成。气体通过进气孔进入腔体内，因为有一定的压力差，气体会以一定的流速冲击搅拌叶片，然后，气体被高速运动的叶片打散进入环形配气槽，并与酒精溶液融和。气体打的越散，产生的气泡越小，最后产生的标准气体浓度越均匀，两次使用的时间间隔也就越短。酒精呼气模拟器的发泡装置设计图如图2所示。

2.2.2温度控制部分

酒精水溶液在密闭空间达到液相或汽相平衡状态后，其产生的酒精标准气体浓度恒定不变；改变密闭空间的温度、压力或其他组成条件，改变酒精标准气体的浓度。

通过实验得到的温度变化对酒精气体浓度产生的影响见图3。由图可见，当温度恒定为34.0℃时，乙醇气体浓度为0.264mg/L；若温度在33.4℃～34.4℃之间波动，所产生的气体浓度在0.260～0.267之间波动。本装置采用PID技术进行温度控制，以分辨率达到0.01℃的铂电阻数显温度计作为测温装置。升温速度快，4min左右从室温升至34℃，MPE:±0.05℃，波动性小于±0.05℃，使得配气过程中温度变化引入的不确定度可忽略不计。

图3　温度变化对气体浓度的影响

2.2.3气体输出控制

气体输出所需的压力与出气孔设计密切相关。如输出管路密封性差，出气口就无法产生高压，酒精标准气体的流量和压力会与设计要求有较大差距；出气口长，会使气体温度、湿度短时间内发生变化；水汽多对传感器产生干扰。

本装置出气口口径5mm，长度4cm，连接水汽过滤嘴。出气口气体压力几乎无变化，温度：33.9℃，湿度：90%RH，与人体呼出气体一致。

2.3　气量定时监控系统

一定体积、浓度的酒精水溶液在汽液平衡状态下产生同种浓度的气体，在一定时间内浓度保持恒定，但超出一定时间限度，原来的平衡状态将无法持续，气体浓度会逐渐降低。如配制500mL酒精水溶液，产生0.265mg/L的乙醇标准气体，若以6L/min的流量输出，可在400s范围内保持标准气体的浓度稳定，400s之后气体浓度将发生变化，具体变化趋势见图4。所以，必须对标准气体输出时间进行控制。监控设置如下：1)设定单次采集时间：根据被检仪器采集时间设定单次标准气体输出时间；2)累计气体输出时间：根据不同浓度、体积的酒精水溶液，规定气体发生时间，累计计数，达到规定时间后控制系统将自动停止输出气体。

图4　气体浓度随时间变化趋势

3　数据验证试验

因瓶装空气中乙醇气体标准物质与采用液态有机气体配气装置配制的乙醇标准气体量值基本一致，所以，用本配气装置与液态有机气体配气装置配制的乙醇标准气体进行比对，以验证装置的准确性。

方法：1)选择仪器：选取读数稳定的呼出气体酒精含量探测器，重复性小于0.5%，用同种浓度气体标定后测量；2)乙醇标准气体：用液态有机气体配气装置配制不同浓度的乙醇标准气体，以干气表示；用本文装置配制同样浓度的乙醇标准气体，以湿气表示；3)测量次数：所有气体每一浓度点测量10次，取中间段气体进行测量，取数据稳定读数组的平均值进行统计。测量结果见表1。

表1　不同配气方法数据比对

续表

试验表明，两种方法配制同样浓度的乙醇标准气体，湿气法配制的浓度偏低，但两者差值小于规程所规定乙醇标准气体的不确定度，与仪器所在测量段允许的最大误差相比，多为十分之一以上，满足检定规程对乙醇标准气体的要求。

4　结束语

呼出气体酒精含量探测器列入国家强检计量器具目录，其重要性不言而喻。我国法定计量检定机构依据JJG 657—2006对呼出气体酒精含量探测器进行强制检定，但现有用于产生湿气的检定装置使用状况一直不太理想，产生的乙醇标准气体浓度差异大，数值也不稳定。本项目研制的标准气体发生装置，解决了现有湿气发生装置存在的问题，与OIMLR126、BSEN16280:2012接轨，可大幅提高检定效率，使呼出气体酒精含量探测器的检定更加科学、合理。

[1]JJG 657—2006呼出气体酒精含量探测器[S].北京：中国计量出版社，2007

[2]GB/T 21254—2007呼出气体酒精含量检测仪[S].北京：中国标准出版社，2008

[3]胡树国，韩桥.乙醇气体标准物质研制过程中出现的一些问题.化学分析计量，2008(2)

[4]沈正生，刑奇风，赵海波.呼出气体酒精含量探测器计量检定标准装置的研究.中国计量，2007(10)

[5]陈成新，一种校准呼气酒精测试仪的新方法.计量学报，2006，27(2)