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。國家市場監管局已經將酒檢儀列入強制管理的計量器具目錄，其準確性直接影響交警執法的公正性。因此，本項目以檢定校準酒檢儀為目的，開發出了新一代酒檢儀檢定裝置。

關鍵詞：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）作為確認駕駛員是否飲酒及飲酒量多少的儀器，其測定結果是交警現場出具執法憑證的唯一手段。酒檢儀檢測結果的準確性，關系到公民權益和交通執法的嚴肅性、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檢計量器具列入了強檢目錄，并頒布了相應的鑒定規程，規程中對檢定條件、檢定設備、檢定項目、檢定方法及標準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程》［3］實施十幾年來，在確保酒檢儀使用中量值的準確度方面起到了一定的保障作用。但是，隨著國民經濟的飛速發展，該規程中的相關條例已經變得滯后于現實環境。經過多方的協同努力，國家市場監管總局2019年9月27日發布了JJG6572019《呼出氣體酒精含量檢測儀檢定規程》（以下簡稱：新《規程》）［4］，并于2020年3月27日開始實施。新《規程》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備已經不能滿足規程的要求［5］。因此，研發一款新型且實用的滿足新《規程》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。

本文依據新《規程》的要求，研發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起到一定的促進作用，為計量裝置的發展提供寶貴的數據和實物，同時為我國經濟發展和社會進步起到一定的推動作用。

1?新《規程》解讀

新《規程》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不能由人工操作來實現，必須借助自動控制系統，才能按照新《規程》完成酒檢儀的檢定工作。該檢定《規程》對計量器具的主要要求如下：

（1）乙醇標準氣三個濃度點：0.1mg/L，0.4mg/L，06mg/L；

（2）檢定酒檢儀范圍用乙醇氣體不低于2.0mg/L；

（3）干擾氣體丙酮濃度為0.5mg/L和一氧化碳氣體濃度為0.2mg/L；

（4）測試計時分辨力10ms；

（5）進樣流量不小于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℃。

部分指標新《規程》與之前相差較大，部分檢測方法也有很大的改變，新《規程》中規定的檢定項目如表1所示。

根據新《規程》要求，設備的設計指標如下：

（1）預熱時間短，10分鐘內到達設定溫度；

（2）參數可設定，根據實驗需求，吹氣時間、加熱溫度、氣體流量等關鍵參數可以隨時設定并存儲；

（3）采用醫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定性奠定基礎；

（4）功能根據規程開發，具有濃度實驗、呼氣阻力試驗、最小流量和最短持續時間試驗等功能，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）小型化設計，可以現場檢定；

（7）觸摸屏智能化操作，簡單快捷。

2?酒檢儀的設計

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進入傳感器，與傳感器內部的物質發生電化學反應，產生微小的電流信號，通過運算放大器、模數轉換器等電路輸出與酒精含量相對應的電信號，再通過軟件算法將電信號轉換成酒精含量，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計

根據新《規程》中規定的檢定條件、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，直接使用標準氣即可。

四個進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，氣體經過電磁閥后，進入流量控制器進行流量調節及控制。通過流量控制器后，進行壓力檢測和溫度控制，保證出氣口恒溫在34±0.5℃。

整個系統由自動控制電路負責控制，完成用戶交互和邏輯功能的實現。預留通信接口，可以與計算機通信。以下就各部件的功能進行逐一說明。

2.2.1?流量控制器

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

2.2.2?差壓計（變送器）

使用醫用級微壓差傳感器，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。傳感器與自控系統之間通過IIC總線進行通信。

2.2.3?溫控系統

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

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，傳統鎧裝PT100的響應速度達不到要求，因此采用裸片形式的PT100，最大限度地加快響應時間。加熱器采用定制結構，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，采集的溫度數據通過軟件算法處理后，通過SSR固態繼電器控制加熱核心的工作頻率，完成檢測和控制的閉環，實現自動溫控控制的邏輯。

2.2.5?軟件

采用改進的PID算法，傳統的PID算法只有一個輸入參數，本系統有進氣溫度和出氣溫度兩個參數，要求調整速度快，超調小，通過不斷的實驗積累數據和整定，最終達到了34±0.5℃的要求。溫控系統與主控系統通過RS485總線進行通信。

2.2.6?自動控制系統

整體系統采用ARM微處理器進行集中控制，顯示和操作使用工業彩色觸摸屏，可以在觸摸屏上完成所有操作，無須外接鍵盤或物理按鍵。自動控制系統的主要功能包括電磁閥控制、MFC控制、差壓計數據讀取、溫度采集與控制、檢定實驗過程的邏輯實現等。系統具有操作簡單、功能豐富、擴展性強等特點，后續可以根據使用要求，按需調整功能配置。可靠性高且符合EMC電磁兼容標準；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，能在強干擾環境下可靠工作。

2.2.7?外殼與接口

整機采用鈑金外殼，正面設計有顯示屏和出氣口，背面有進氣口、電源接口和通信接口等。

3?設備測試

3.1?溫度測試

設備經過預熱后，使用經過檢定的數字溫度計測試本裝置的出氣口溫度，數據如表2所示。

經溫度測試實驗可知，該裝置的出口溫度在30s內可穩定在34.2±0.1℃之間，能夠滿足新規程的要求。

3.2?流量測試

使用經過檢定的玻璃浮子流量計驗證氣體質量流量控制器的控制效果，測試數據如表3所示。

流量測試表明，該裝置可以依據設定的流量自動調節氣體流量的大小，端口讀取流量與設定流量完全一致。滿足新《規程》規定的誤差范圍。

經過測試，本設備各項參數到達設計指標要求，能夠按照新《規程》完成酒檢儀的檢定工作。

4?設備功能介紹

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

其中的各項標志介紹如下：

（1）環境溫度（℃）、環境濕度（%RH）根據新《規程》要求，在溫度（18～28℃）和濕度（20～80%RH）符合檢定環境條件時，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境的壓力差；加熱溫度（℃）用來設置加熱器的溫度參數，點擊數字可以更改設置，如圖3所示，默認值為34.0。

（3）主頁面右側是四個主要的實驗功能，根據新《規程》中檢定項目要求，示值誤差、重復性、零點漂移、示值漂移和記憶殘留效應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；最短持續時間實驗通過點擊最短時間，在最短時間界面完成。

5?設備校準實驗

進行實驗前需要連接好氣源，做好如下準備。

各個實驗需要氣體驅動MFC質量流量控制器才能正常運行，因此，請通入相應的鋼瓶標準氣，零點氣源可以使用高純氮氣或者潔凈的壓縮空氣，進氣口1、2、3、4分別對應零氣，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壓閥，將出氣壓力調整到03MPa（3bar）附近。

準備工作完成后，即可依次點擊主頁面右側的相關選項，進行如下實驗。

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，右側按鍵用于切換進氣。第一點對應0.1mg/L，第二點對應0.4mg/L，第三點對應0.6mg/L。

出口流量（L/min）實時的流量值，可以與設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。如剛開機或者環境溫度較低，設備內部加熱裝置溫度還沒有達到預設值，此時需要預熱，可以適當增加吹氣時間，待吹氣過程中，出口溫度指示變為綠色，便可接上酒檢儀進行測試。

設定流量（L/min）用于設置出氣口的流量，默認值15。

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

觸發紅外反射傳感器開始吹氣，紅外反射開關具有自動抗干擾功能，觸發時間超過1s才會發送觸發信號。吹氣開始和結束會有蜂鳴提示音。吹氣過程中，吹氣時間進行倒計時。

在呼氣過程中，呼氣濃度為紅色指示，呼氣完成后，變為綠色，可以進行下一次呼氣測試。

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，可以與設備上的浮子流量計做比對。

（4）設定流量（L/min）：用于設置吹氣的流量，默認值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，可以通過點擊數字進行更改，默認值8。由于新《規程》要求緩慢調節輸入流量，所以吹氣時間不能低于6，否則出口流量可能達不到設定值。

新《規程》要求緩慢調節輸入流量，當流量達到（12±0.6）L/min時，記錄差壓計的數值。

在測試酒檢儀的呼氣阻力時，設備會自動扣除設備本身的阻力底數。例如：

A.測試儀器阻力底數。不接酒檢儀，擋住觸發開關，運行一次呼氣阻力實驗，記錄呼氣阻力數值，例如，呼氣阻力顯示為0.100kPa。

B.測試總壓差。接上酒檢儀，運行一次呼氣阻力實驗，記錄呼氣阻力數值，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《規程》要求，出口流量小于6L/min時，酒檢儀應不啟動采樣系統。

設定流量（L/min）：用于設置吹氣的流量，默認值5。

出口流量（L/min）：實時的流量值，可以與設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，可以通過點擊數字進行更改，默認值6。

點擊返回鍵可以返回主頁面。

5.4?最短持續時間實驗

最短持續時間實驗頁面如圖7所示。

按照規程要求，以36L/min流量通入酒檢儀，持續2.0秒時將氣體流量降至6L/min以下，酒檢儀應發出中斷或報警信號。

起始流量（L/min）和停止流量（L/min）按照新《規程》要求設置，默認值分別為36和0，點擊數字可以更改。如果停止流量不為零，則測試完成后會維持設定的流量輸出，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，可以通過點擊數字進行更改，默認值2。

點擊返回鍵可以返回工作主頁面。

6?總結與完善

通過實際使用，本裝置能夠按照新《規程》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，可以在后續版本中升級完善。

參考文獻：

［1］宋潔.呼出氣體酒精含量檢測儀檢測注意事項及儀器維護［J］.化學分析計量，2020，29（S1）：128130.

［2］李茂權，付潔，何國政，等.呼出氣體酒精含量檢測儀檢定裝置發生氣體濃度示值誤差測量值的不確定度評定［J］.計量與測試技術，2018，45（10）：118120.

［3］JJG6752006呼出氣體酒精含量探測器.國家質量監督檢驗檢疫總局，2006.

［4］JJG6752019呼出氣體酒精含量檢測儀.國家市場監督管理總局，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鍵技術創新專項重點項目（呼出氣體酒精含量檢測儀智能檢定裝置的研發，21112903030）資助完成

作者簡介：申俊峰（1972—?），男，漢族，工程師，研究方向：質量工程。

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