Technisches Fachgebiet und Stand der Technik
1. Gebiet der Erfindung:
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Die Erfindung betrifft generell Vorrichtungen zur
Bestimmung und zum Messen der Konzentration einer Energie
absorbierenden Verbindung in einer Atemluftprobe eines
Menschen. Insbesonders betrifft sie ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur ausschließlichen Bestimmung von der
Ethanolkonzentration in einer Atemluftprobe ohne Beeinflussung
durch häufig vorkommende Störfaktoren, wie Aceton oder
Wasserdampf.
2. Beschreibung des Standes der Technik:
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Die grundlegenden physikalischen Gesetze der
Absorption von Energie eines Infrarotstrahles durch Ethanol und
andere Stoffe, auf welchen die vorliegende Erfindung beruht,
sind aus dem Stand der Technik bekannt. Ein solches Verfahren
ist im US Patent Nr. 3,562,254, herausgegeben am 9.
Februar 1971, lautend auf Donald F. Moore, vollständig
beschrieben und dargestellt worden. Bis jetzt gibt es eine
Vielzahl von bekannten Verfahren und Vorrichtungen, die die
Gesetze der Absorption durch Ethanol benutzen und die
praktische Ausführungen von Infraroteinrichtungen enthalten, um
die Ethanolkonzentration in einer Atemluftprobe zu messen.
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Im US-Patent Nr. 3,792,272 im Namen von Harte et
al. ist beispielsweise ein System zur Bestimmung und
Quantifizierung des Ethanolgehaltes einer Atemluftprobe
beschrieben, das eine einzige Infrarotwellenlänge verwendet
(3.39 Mikrometer). Da die Energie dieser einen Wellenlänge
sowohl durch Ethanol als auch durch andere, Energie
absorbierende Verbindungen absorbiert wird, die in natürlicher
Weise in der Atemluft vorkommen, wie etwa Aceton oder
aufgenommene Verbindungen, wie etwa Terpentin, wird die Messung
ungenau und übertrieben, wenn solche anderen Energie
absorbierenden Verbindungen vorliegen.
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Darüber hinaus ist im US-Patent 4,268,751 im Namen
von Fritzlen et al. und auf den selben Inhaber wie die
vorliegende Erfindung übertragen ein Verfahren und eine
Vorrichtung beschrieben, um die Konzentration einer Energie
absorbierenden Verbindung (d. h. Aceton) in einer Atemluftprobe
zu bestimmen, welche Verbindung die Messung einer
vorbestimmten, in der Probe vorliegenden, Energie
absorbierenden Verbindung (d. h. Ethanol) ungenau machen kann.
Fritzlen wendet zwei vorbestimmte Wellenlängen (3,39 Mikrometer
und 3,48 Mikrometer) auf die selbe Atemluftprobe an, die in
einer Kammer eingeschlossen ist, wobei zumindest eine dieser
Wellenlängen von Ethanol absorbiert wird. Die nach der
Absorption durch die Probe übrigbleibende Infrarotenergie jeder
dieser beiden Wellenlängen wird von einem Infrarotdetektor
empfangen, der die übrigbleibende Menge an Infrarotenergie in
eine äquivalentes elektrisches Signal umwandelt. Das
äquivalente elektrische Signal, das die erste Wellenlänge
repräsentiert, und das äquivalente elektrische Signal, das' die
zweite Wellenlänge, repräsentiert, werden laufend verglichen und
ihre Differenz soll über den gesamten Test im wesentlichen bei
einem vorbestimmten Wert konstant bleiben. Das Fehlen eines
vorbestimmten Vergleichswertes zeigt das Vorliegen einer von
Ethanol verschiedenen, Infrarotenergie absorbierenden
Verbindung an. Nachteilig ist jedoch bei Fritzlen, daß das
Vorliegen einer unbekannten, Energie absorbierenden Verbindung
lediglich angezeigt wird, die genaue Bestimmung der
Konzentration der vorbestimmten Verbindung aber nicht möglich
ist, wenn sowohl die unbekannte, Energie absorbierende
Verbindung als auch die vorbestimmte, Energie absorbierende
Verbindung in der Probe vorliegen. Darüber hinaus weist
Fritzlen et al. keine Kompensation für Wasserdampf auf, der
immer in einer Atemluftprobe gegenwärtig ist.
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Es ist also wünschenswert, einen Analysator für
Atemluft zu schaffen, um die Menge einer vorbestimmten, Energie
absorbierenden Verbindung, wie etwa Ethanol, in einer Probe zu
bestimmen, auch wenn unbekannte, Energie absorbierende
Verbindungen, wie Aceton oder Wasserdampf auch gegenwärtig
sind. Das Verfahren der Erfindung ist so allgemein, daß die
Konzentration jeder Energie absorbierenden Verbindung in einer
Atemluftprobe unabhängig von jeglichen möglichen Störgrößen
bestimmt werden kann.
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Die allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es daher, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte
Vorrichtung zur Bestimmung der Menge einer vorbestimmten,
Energie absorbierenden Verbindung in einer Probe zu schaffen,
die verhältnismäßig einfach und kostengünstig herstellbar ist
und leicht anzuwenden ist, jedoch die Nachteile der bekannten
Atemluftanalysatoren vermeidet.
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Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine
Vorrichtung zur Bestimmung der Menge einer vorbestimmten,
Energie absorbierenden Verbindung wie Ethanol in einer Probe zu
schaffen, auch wenn unbekannte, Energie absorbierende
Verbindungen, wie Aceton und Wasserdampf, ebenfalls vorliegen.
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Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine
Vorrichtung zur Bestimmung der Menge einer vorbestimmten,
Energie absorbierenden Verbindung zu schaffen, die
Schaltungseinrichtungen zur Erzeugung eines elektrischen
Ausgangssignales aufweist, das nur zu der vorbestimmten,
Energie absorbierenden Verbindung proportional ist.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine
Vorrichtung zur Bestimmung der Menge einer vorbestimmten,
Energie absorbierenden Verbindung, wie etwa Ethanol, in einer
Probe zu schaffen, die eine Anzeigeeinrichtung für das
elektrische Ausgangssignal angeschlossen ist, um visuell die
Menge einer vorbestimmten, Energie absorbierenden Verbindung in
der Probe anzuzeigen.
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Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung der Menge einer
vorbestimmten, Energie absorbierenden Verbindung in einer Probe
anzugeben, auch wenn unbekannte, Energie absorbierende
Verbindungen, wie etwa Aceton oder Wasserdampf ebenfalls
vorliegen.
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Unter den Haupteigenschaften und Vorteilen der
bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist, daß diese
eine schnelle und zuverlässige Bestimmung der Konzentration von
Ethanol in einer Atemluftprobe ermöglicht, auch wenn
unbekannte, Energie absorbierende Verbindungen, wie Aceton und
Wasserdampf ebenfalls vorliegen. Darüber hinaus ist die
vorliegende Vorrichtung durch Änderungen, die im optischen Weg
vorkommen können, durch Änderungen der Empfindlichkeit des
Detektors, durch Alterung elektrischer Komponenten, durch
Schwankungen der Intensität der Infrarotquelle, durch kleine
Temperaturschwankungen und durch Feuchtigkeit in der Atmosphäre
unbeeinflußt.
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Darüber hinaus werden weitere Eigenschaften und
Vorteile der vorliegenden Erfindung folgendermaßen aufgezählt:
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1. Sie ermöglicht ein direktes Verfahren zur
Messung der Ethanolkonzentration auch in Gegenwart anderer
unbekannter, Energie absorbierender Verbindungen ohne die
Benützung von Chemikalien.
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2. Die Vorrichtung ist äußerst einfach zu bedienen,
so daß die Schulungszeit minimal ist.
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3. Partikel im Lichtweg, wie Rauch oder Staub,
werden kompensiert.
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4. Die Notwendigkeit einer hochwertigen Optik wurde
eliminiert.
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Es wird auf die US-A-3825342 und auf die US-A-
4355233 Bezug genommen. Die letztere Druckschrift beschreibt
die Messung eines Stoffes mit zwei störenden Gasen (CO&sub2; und
H&sub2;O) in einer Probe bei einer ersten Wellenlänge, die Messung
beider störender Gase bei einer zweiten Wellenlänge und die
Messung eines einzelnen der störenden Gase bei einer dritten
Wellenlänge.
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Die unterscheidenden Merkmale der Erfindung sind in
dem Patentanspruch 1 dargestellt.
Kurze Beschreibung der Figuren
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Diese und andere Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung treten in der folgenden detaillierten
Beschreibung zusammen mit den beigefügten Figuren besser
zutage, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen
sind:
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Fig. 1a ist eine perspektivische Ansicht einer
Atemluft-Analysiervorrichtung, die die Grundsätze der
vorliegenden Erfindung verwirklicht;
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Fig. 1b ist ein Ansicht der vorliegenden Erfindung
von oben bei abgenommener Abdeckung;
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Fig. 2 ist ein kombiniertes Blockdiagramm mit
Schematischer Darstellung der Atemluft-Analysiervorrichtung;
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Fig. 3 ist ein detailliertes, schematisches
Diagramm der elektronischen Schaltungseinrichtungen von Fig. 2;
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Fig. 4 ist eine Ansicht des drehbaren Filterrades;
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Fig. 5 ist ein Diagramm der relativen Absorption
von Infrarotenergie durch Ethanol, Wasserdampf und Aceton bei
Wellenlängen zwischen 2,5 und 4 Mikrometer;
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Fig. 6 ist ein Diagramm des zeitlichen
Zusammenhanges von Infrarotenergie-Pulsen an bestimmten,
ausgewählten Schaltungsausgängen.
Detaillierte Beschreibung der dargestellten
Ausführungsvariante
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Es wird nun im Detail auf die verschiedenen
Darstellungen in den Figuren Bezug genommen, wobei in den
Fig. 1a und 1b eine Atemluft-Analysiervorrichtung 2
dargestellt ist, die die Merkmale der vorliegenden Erfindung
aufweist, wobei der Blutalkoholgehalt eines möglicherweise
betrunkenen Fahrers durch Analyse seiner Ausatmungsluft
bestimmt werden kann. Die Vorrichtung 2 hat einen
Einschaltdruckknopf 3, der Wechselstrom zuführt. Mit dem
Schalter 3 in der "ein"-Stellung besteht das Verfahren für die
Durchführung eines Atemlufttests lediglich aus einem Schritt,
in dem die ausführende Person den Testbeginn-Knopf 4 drückt.
Dies verursacht automatisch die Spülung der Meßkammer, die
Analyse der Atemluftprobe und neuerlich die Spülung der
Testkammer. Dieser Schritt wird dann für den nächsten
Atemlufttest wiederholt.
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Wie aus der Fig. 2 am besten gesehen werden kann,
ist ein Blockdiagramm und Schema der vorliegenden Erfindung
gezeigt, das eine Infrarotquelle 10 enthält, die von einer
hochstabilen, gut geregelten Gleichstromquelle versorgt wird.
Die Quelle 10 besteht vorzugsweise aus einer Quartz-Jodlampe
oder aus anderen Quarz-Halogenlampen. Es ist jedoch für den
Fachmann klar, daß eine Vielzahl anderer Infrarotquellen
verwendet werden kann, so wie etwa eine Glühlampe, Helium-Neon-
Laser oder Glühdrähte. Die Quelle 10 sendet einen Strahl 11
Infrarotenergie auf eine Modulatoreinrichtung 14, wie etwa ein
rotierendes Filterrad 15, das von einem Motor 16 angetrieben
ist. Das Filterrad 15 (Fig. 4) ist undurchsichtig für den
Strahl 11 mit Ausnahme von drei bestimmten Öffnungen. Die erste
Öffnung 18 ist mit einem schmalbandigen, optischen Filter 20
bedeckt, das weniger als 4 Mikrometer hat. Eine zweite
Öffnung 22 ist mit einem schmalbandigen, optischen 3,48
Mikrometer Filter 24 bedeckt und eine dritte Öffnung 26 ist mit
einem schmalbandigen, optischen 3,39 Mikrometer Filter 28
bedeckt. Die Quelle 10 produziert ein breites Energieband, bei
dem viele diskrete Wellenlängen von Energie vorliegen.
Andererseits wird ein schmales Energieband als solches
definiert, bei dem nur eine einzige oder eine enge Gruppe von
Wellenlängen vorliegt.
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Die Fig. 6a bis 6o zeigen das zeitbezogene
Auftreten von Eingangs- und Ausgangssignalen an bestimmten
ausgewählten Punkten an den Energiedetektor-Schaltkreisen und
in den elektronischen Schaltkreisen der vorliegenden Erfindung.
Die Zeit ist auf der waagrechten Achse aufgetragen in Grad der
Drehung des Filterrades, was eine Funktion der Geschwindigkeit
des Motors 16 ist (Umdrehungen pro Minute). Die vertikale Achse
stellt die relative Amplitude dieser verschiedenen elektrischen
Signale dar.
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Die Öffnungen 18, 22 und 26 sind gleichmäßig in
Abständen von 120 Grad am rotierenden Filterrad 15 verteilt.
Bei einer Aufteilung des Filterrades 15 in 360 Grad wird die
Öffnung 18 bei 60 Grad angenommen. Die Öffnung 22 ist
bei 180 Grad und die Öffnung 26 bei 300 Grad. Im Ergebnis ist
der Strahl nach dem Filterrad 15 nicht mehr kontinuierlich,
sondern erscheint als wiederkehrende Folge von einzelnen Pulsen
von Infrarotenergie im Abstand von 120 Grad. Der erste Puls
stellt ein schmales Band von Infrarotenergie von weniger als 4
Mikrometer dar. Zur Erleichterung der Darstellung ist dieser
erste Puls als schmales Band von 3,95 Mikrometer
Infrarotenergie dargestellt. Der erste Puls wird von einem
zweiten schmalbandigen Puls von 3,48 Mikrometer Infrarotenergie
gefolgt, welcher seinerseits von einem dritten Puls
schmalbandiger 3,39 Mikrometer Infrarotenergie gefolgt wird.
Die zeitlichen Zusammenhänge dieser drei Pulse sind in der
Fig. 6c dargestellt. Dieser Stahl, der aus diskreten Pulsen
besteht, wird durch eine Atemluft-Probenkammer 30 geleitet und
zwar mittels infrarotdurchlässiger Fenster 32 und 34, die an
beiden Seiten der Kammer angeordnet sind. Alternativ dazu kann
das Filterrad 15 neben dem Fenster 34 angeordnet werden, das
dem Fenster 32 gegenüberliegt, wie dies in der Fig. 2 gezeigt
ist. Die Kammer weist in angepaßter Weise einen Einlaß 36 und
einen Auslaß 38 auf, um die zu untersuchende Atemluftprobe
einzuführen, zu speichern und zu spülen, wie dies im Stand der
Technik wohlbekannt ist. Der aus dem Fenster 34 austretende
Strahl 11 trifft auf einen Infrarotdetektor 40, der
vorzugsweise als Bleiselenid-Photozelle ausgebildet ist. Die
Infrarotsignale des Detektors 40 werden in elektrische Signale
umgewandelt, um sie weiter in elektronischen
Schaltkreiseinrichtungen 42 zu verstärken, elektronisch zu
bearbeiten, gleichzurichten und anzuzeigen.
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Um jeden der drei unterschiedlichen Pulse von
Infrarotenergie präzise zuordnen und identifizieren zu können,
welche alle 360 Grad wiederkehren, besitzt die
Synchronisiereinrichtung 43 einen Einschnitt 44, der im
Filterrad 15 vorgesehen ist und der bei jeder Umdrehung von
einem Unterbrecherkreis 46 detektiert wird. Der
Unterbrecherkreis 46 umfaßt eine Leuchtdiode (LED) 48 und einen
Phototransistor 50, der jedesmal, wenn der Einschnitt 44 des
Filterrades 15 durchgeht, einen Puls erzeugt. Das Signal am
Ausgang des Unterbrechers 46 ist in der Fig. 6a dargestellt.
Diese Pulse werden zum Eingang 52 eines Phasenverriegelungs-,
d. h. PLL-Kreises 54 geleitet. Der PLL-Kreis ist vorzugsweise
ein IC vom Typ 4046, hergestellt und verkauft von der RCA-
Corporation. Nur die wesentlichen Teile diese PLL-Kreises sind
in Blockdarstellung in der Fig. 2 dargestellt. Für ein
vollständiges Verständnis der Grundlagen und Mittel zur Auswahl
der Parameter der Verbindungen, um den TC 4046 im Rahmen der
vorliegenden Anwendung vollständig implementieren zu können,
wird auf die Anweisung zur Anwendung ICAN 6101 in der SSD-203C
Datensammlungsserie der RCA-Corporation verwiesen. Der
Output 56 des PLL-Kreises wird mittels eines durch zehn
dividierenden Zählers 58 laufend durch zehn dividiert. Der
Ausgang 60 des Zählers 58 wird auf einen zweiten Eingang 62 des
PLL-Kreises gelegt, um die führende Flanke des 3,95 Mikrometer-
Signales am Eingang 52 mit jedem vierten Puls des Ausganges 56
zu synchronisieren. Das Signal am Ausgang 60 des Zählers 58 ist
in der Fig. 6b dargestellt. Durch Auswahl des passenden
Ausganges 64, 66 und 68 des Zählers 58 werden drei Pulse oder
Zeitfenster erzeugt, die um jeweils 120 Grad versetzt sind.
Diese drei getrennten Zeitfenster, die an den Ausgängen 64, 66
und 68 erscheinen, werden in Fig. 6e kombiniert und
dargestellt.
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Unter Bezugnahme auf die Fig. 3 umfaßt die
elektronische Schaltungseinrichtung 42 einen
Feldeffekttransistor-, d. h. (FET)-Verstärker 70 mit sehr hoher
Impedanz am Eingang, der als Detektor-Last für das elektrische
Signal dient, das aus allen drei Infrarotpulsen besteht
(Fig. 6c), und zwar stellen die Pulse insbesonders die
übrigbleibende Energie bei 3,95 Mikrometer Wellenlänge,
bei 3,48 Mikrometer Wellenlänge und bei 3,39 Mikrometer
Wellenlänge am Detektor 40 dar. Der Ausgang 71 des FET-
Verstärkers 70 ist an einen selbstregelnden (AGC) Verstärker 72
angeschlossen, dessen Ausgang 73 weiter an den anderen Eingang
des Verstärkers 72 über den Eingang 75 und den Ausgang 77 eines
FET-Gatters 79 zurückgeführt ist. Der Ausgang 77 des Gatters 79
ist mit dem Eingang eines stabilen, rauscharmen
Operationsverstärkers 74 verbunden, was in der Folge als 3,95
Mikrometer-Kanal bezeichnet wird. Der Ausgang 73 des AGC-
Verstärkers 72 ist auch mit den Eingängen eines zweiten
Operationsverstärkers 76, was in der Folge als 3,48 Mikrometer-
Kanal bezeichnet wird und eines dritten
Operationsverstärkers 78, was in der Folge als 3,39 Mikrometer-
Kanal bezeichnet wird, verbunden. Der andere Eingang 83 des
FET-Gatters 79 wird durch den Zeitfenster-Ausgang 64 des
Zählers 58 gesteuert. Die Signalstärken an den
Verstärkern 74, 76 und 78 sind daher nur durch die Faktoren
beeinflußt, die allen drei Fenstern gemeinsam sind, d h.
Temperatur, Teilchen oder Drift der Verbindungen.
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Der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 76
wird an den Eingang eines FET-Gatters 82 angelegt, dessen
anderer Eingang 81 durch den Zeitfenster-Ausgang des Zählers 58
gesteuert wird. Der Ausgang des Gatters 82 erzeugt daher
Signale, die die bei der Wellenlänge von 3,48 Mikrometer
übrigbleibende Energie darstellen, nur dann, wenn der
Zeitfenster-Ausgang 66 und der 3,48 Infrarotpuls gleichzeitig
auftreten. In gleicher Weise ist der Ausgang 84 des dritten
Operationsverstärkers 78 an den Eingang eines FET-Gatters 86
angelegt, dessen anderer Eingang 85 durch den Zeitfenster-
Ausgang 68 des Zählers 58 gesteuert ist. Der Ausgang des
Gatters 86 erzeugt daher Signale, die die bei der Wellenlänge
von 3,39 Mikrometer übrigbleibende Energie darstellen, nur
dann, wenn der Zeitfenster-Ausgang 68 und der 3,39 Infrarotpuls
gleichzeitig auftraten.
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Der Ausgang 77 des Gatters 79 erzeugt ein Signal,
das die bei der Wellenlänge von 3,95 Mikrometer übrigbleibende
Energie darstellt, wenn der Zeitfenster-Ausgang 64 und der 3,95
Infrarotpuls gleichzeitig auftreten. Der Ausgang 77 des
Gatters 79 ist in der Fig. 6f dargestellt. Der Output des
Gatters 82 ist in der Fig. 6g dargestellt und der Output des
Gatters 86 ist in der Fig. 6h dargestellt. Es ist daher
ersichtlich, daß die bei den Wellenlängen von 3,95, 3,48
und 3,39 übrigbleibende Energie vollständig in getrennte Pulse
aufgeteilt worden ist.
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Die Ausgänge 90, 92 und 94 des zugehörigen 3,95-
Kanals, des 3,48-Kanals und des 3,39-Kanals sind mit
herkömmlichen Gleichrichtern 96, 98 und 100 verbunden, um ihr
Puls-Amplitudensignal in eine Gleichspannung umzuwandeln, die
proportional zu der Energie ist, die bei den 3,95, 3,48
und 3,39 Wellenlängen nach dem Durchgang durch die
Atemluftprobe übrig bleibt. Die Fig. 6i, 6j und 6k zeigen
sowohl die Pulse an den Eingängen der Verstärker 96, 98 und 100
als auch die Gleichspannungen an den Ausgängen der
Gleichrichter, deren Amplituden proportional zu den
Spitzenamplituden der Pulse an den Eingängen der Gleichrichter
ist. Die Operationsverstärker 74, 76 und 78 sind im
wesentlichen gleiche Schaltkreise, so daß die Proportionalität
der bei den drei Wellenlängen übrigbleibenden Energie
elektrisch bewahrt wird.
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Für die Zwecke der Darstellung ist die 3,95
Mikrometer Wellenlänge des Referenzkanales unempfindlich oder
wird von keiner möglichen, Infrarotenergie absorbierenden
Verbindung absorbiert. In dieser bevorzugten
Ausführungsvariante werden drei Kanäle gezeigt. Es sollte
jedoch für den Fachmann offensichtlich sein, daß jede andere
Anzahl von Kanälen gewählt werden kann, wenn dies gewünscht
ist. Bei der vorliegenden Erfindung dient ein erster Kanal zur
Referenz, eine zweiter Kanal für Ethanol und ein dritter Kanal
für Aceton. Wie aus der Fig. 3 am besten ersichtlich ist, ist
der Ausgang 102 des Gleichrichters 96, der mit dem
Referenzkanal verbunden ist, mit dem einen Eingang eines ersten
Differenzverstärkers 104 verbunden und der Ausgang 106 des
Gleichrichters 98, der mit dem Ethanol-Kanal verbunden ist, mit
dem anderen Eingang des Differenzverstärkers 104 verbunden. Da
der Referenzkanal ausgewählt worden ist, um unempfindlich
gegenüber allen Infrarotenergie absorbierenden Verbindungen zu
sein, sollte der Eingang 103 des Verstärkers 104 bei einem
konstanten, vorbestimmten Wert verbleiben. Jede Abweichung
davon am Eingang 103 würde anzeigen, daß ein Fehler im System
oder eine Änderung der Umweltbedingungen vorliegt. Da Aceton im
Ethanolkanal ebenfalls absorbiert wird, ist der Eingang 103a
des Verstärkers 104 ebenfalls proportional zu der nach der
Absorption durch Ethanol und Aceton verbleibenden Energie. Der
Output 108 des Verstärkers 104 ist proportional zu der Ethanol-
und Acetonkonzentration unter der Annahme, daß das
Referenzsignal konstant bleibt. Der Output 108 des ersten
Differenzverstärkers 104 ist in der Fig. 6l dargestellt, wenn
nur Ethanol vorliegt. Der Output 108 ist in der Fig. 6m
gezeigt, wenn sowohl Ethanol als auch Aceton vorliegen.
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Der mit dem Ethanolkanal verbundene Ausgang 106 des
Gleichrichters 98 ist weiter mit einem Eingang eines zweiten
Differenzverstärkers 110 verbunden und der mit dem Acetonkanal
verbundene Ausgang 112 des Gleichrichters 100 ist mit dem
anderen Eingang des zweiten Differenzverstärkers 110 verbunden.
Die Verstärkung des Acetonkanales 78 ist so eingestellt, daß
der Output 114 des Verstärkers 110 Null ist, wenn nur Ethanol
in die Probenkammer eingeführt wird. Der Output 114 wird sich
daher nicht ändern, wenn in der Probenkammer nur Ethanol
vorliegt, aber es wird eine Änderung auftreten, wenn Aceton
eingeführt wird. Wenn Aceton vorliegt, ist die Änderung am
Ausgang 114 proportional zu der Änderung am Ausgang 108. Der
Output 114 des zweiten Differenzverstärkers 110 ist in der
Fig. 6n dargestellt.
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Der Ausgang 114 des zweiten
Differenzverstärkers 110 ist mit einem Eingang eines dritten
Differenzverstärkers 116 verbunden, und der Output 108 des
ersten Differenzverstärkers 104, der proportional zu der
Ethanol und Acetonkonzentration ist, ist mit dem anderen
Eingang des Differenzverstärkers 116 verbunden. Der
Verstärker 116 stellt einen Ethanol-Aceton-
Subtraktionsverstärker dar, der das Signal, das zum Aceton
proportional ist, vom Signal abzieht, das proportional zu der
Ethanol- und Aceton-Konzentration ist. Der Output 118 des
dritten Differenzverstärkers 116 wird sich also nicht ändern,
wenn nur Aceton in der Kammer vorliegt, aber es wird eine
Änderung stattfinden, wenn Ethanol eingeführt wird. Das
Ausgangssignal 118 wird daher proportional zu der
Ethanolkonzentration sein. Der Output 118 des dritten
Differenzverstärkers 116 ist in der Fig. 6o dargestellt.
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Der Referenzkanal mit der 3,95-Wellenlänge der
Energie kann passend gewählt werden, so daß er nur auf
Wasserdampf empfindlich ist, wobei dann das Ausgangssignal nur
zu der Konzentration von Ethanol proportional ist unter
Ausschaltung der Beeinflussung durch Wasserdampf. Zum Zweck der
Darstellung zeigt Fig. 5 die relative Absorptionsantwort von
Ethanol, Aceton und Wasserdampf in der 3,39 Mikrometer-
Umgebung, und die drei spezifischen Wellenlängen von 3,39, 3,48
und 3,95 Mikrometer der bevorzugten Ausführungsvariante, wie
oben beschrieben, sind in der Fig. 5 enthalten. Wie man sehen
kann, sind die Prozentsätze oder die Konzentrationen von
Infrarot, die von Aceton und Ethanol bei 3,39 Mikrometer
absorbiert werden, hoch. Die relative Konzentration von
Infrarotenergie, die von Aceton bei 3,48 Mikrometer absorbiert
wird, ist jedoch wesentlich kleiner als die, die von Ethanol
bei 3,48 Mikrometer absorbiert wird. Darüber hinaus ist die
relative Konzentration von Infrarotenergie, die durch
Wasserdampf bei 3,39 und 3,48 Mikrometer absorbiert wird
wesentlich kleiner als diejenige, die von Wasserdampf bei 2,95
Mikrometer absorbiert wird. Daher ist nur die 2,95 Mikrometer
Wellenlänge auf Wasserdampf empfindlich und ist unempfindlich
gegenüber allen anderen Wellenlängen im Gebiet von 3,39.
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Das Ausgangssignal 118 ist ein gleichgerichtetes
Gleichstromsignal, das einen elektrischen Wert aufweist, der
proportional zu der Menge an Ethanol in einer gesammelten
Atemluftprobe ist, auch dann, wenn andere unbekannte, Energie
absorbierende Verbindungen vorliegen. Das Ausgangssignal 118
wird einem elektronischen Prozessor 120 zugeleitet, der dessen
elektrischen Wert in digitale Form umwandelt, die auf den
Blutalkoholgehalt (BAC) oder jede andere gewünschte Skala
geeicht werden kann. Der Output des elektronischen
Prozessors 120 steuert eine digitale optische Anzeige 122 an,
wie etwa eine Siebensegment-Leuchtdiodenanzeige, um den BAC-
Wert anzuzeigen und/oder einen digitalen Drucker 124.
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Aus der obigen detaillierten Beschreibung ist
ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung ein verbessertes
Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Bestimmung der
Menge einer vorbestimmten, Energie absorbierenden Verbindung in
einer Atemluftprobe darstellt, auch wenn unbekannte, Energie
absorbierende Verbindungen gleichzeitig vorliegen. Insbesondere
wird ein Verfahren und eine Vorrichtung angegeben, um die reine
Ethanolkonzentration in einer Atemluftprobe zu bestimmen, ohne
Beeinflussung durch auftretende Störgrößen, wie etwa Aceton und
Wasserdampf.
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Während beschrieben und dargestellt worden ist, was
gegenwärtig die bevorzugte Ausführungsvariante ist, werden die
Fachleute verstehen, daß eine Vielzahl von Änderungen und
Modifikationen durchgeführt werden kann und daß Elemente durch
Äquivalente ersetzt werden können, ohne den Umfang der
Erfindung zu verlassen. Insbesonders können viele Änderungen
durchgeführt werden, um eine spezielle Situation oder ein
Material an die Lehre der Erfindung anzupassen, ohne den
Bereich der Erfindung zu verlassen. Es ist daher beabsichtigt,
daß die Erfindung nicht auf eine bestimmte Ausführungsvariante
der Erfindung beschränkt ist, die als vermutlich beste Variante
zur Ausführung der Erfindung dargestellt worden ist, sondern
daß die Erfindung sämtliche Ausführungen umfaßt, die in den
Schutzbereich der Patentansprüche fallen.