Способ и устройство для дистанционного обнаружения паров алкоголя в атмосфере Российский патент 2018 года по МПК G01N21/35 

Изобретение относится к способу дистанционного обнаружения паров алкоголя в атмосфере, особенно выгодному для определении концентрации паров алкоголя в выдыхаемом человеком воздухе, особенно в местах, в которых запрещено пребывание под влиянием алкоголя и/или предупредительно перед посадкой в автомобиль или в качестве теста во время управления автомобилем, а также к устройству для обнаружения паров алкоголя в атмосфере.

Уже в 1975 г. Alobadi et al. использовал лазер HeNe, работающий на длине волны 3,39 мкм, для обнаружения паров алкоголя в выдыхаемом воздухе. Однако при такой длине волны селективность измерения низкая из-за присутствия похожих абсорбционных полос других органических молекул. Данная система достигла минимальную фиксируемую концентрацию 3 ppm. Лазер HeNe не является перестраиваемым, а его использование для обнаружения газов опирается на счастливое стечение обстоятельств между линией эмиссии лазера и абсорбционной полосой измеряемого газа. В случае эмиссии лазера HeNe длина волны эмиссии 3,39 мкм совпадает с абсорбционными полосами V3 полосы метана, которые при такой длине волны дадут сильный искажающий сигнал абсорбции. Так как автомобильные двигатели генерируют метан, он может в небольших количествах присутствовать в салоне автомобиля. Вследствие чего длина волны 3,39 мкм не является соответствующей для обнаружения этанола в такой среде, так как она не является исключительно типичной для абсорбционного спектра паров этанола, а значит, существует возможность помех и искажений, исходящих от других газов, в особенности от метана.

Похожая система известна из заявки PL 389627, в которой описан способ и устройство для дистанционного обнаружения паров алкоголя в движущемся автомобиле при помощи лазера HeNe с длиной волны 3,49 мкм. Способ заключается в эмиссии лазерной системой двух пучков монохроматического света в небольших промежутках времени, один из пучков эмитируют с частотой совпадающей с полосой абсорбции паров алкоголя, а другой - с частотой несовпадающей с полосой абсорбции этих паров. После «просвечивания» салона контролируемого автомобиля система детекции регистрирует пучки и выдает дифференциальный сигнал, на основе которого система обработки данных определяет и сигнализирует концентрацию паров алкоголя в контролируемом автомобиле. Лазерная система может состоять из двух соединенных в оптической системе лазеров, причем после прохождения пучков, их разделяют при помощи дифракционной решетки или линзы и передают дальше на два детекторы. Взяв во внимание то, что измерение базируется на разнице между двумя сигналами, взятыми на двух неизменных длинах волн, система является очень уязвимой к помехам, исходящим от других частиц присутствующих в салоне автомобиля, а также в атмосфере снаружи транспортного средства. Кроме того, сила абсорбции паров этанола при длине волны 3,49 мкм отвечает только 1/3 максимально достижимого пика абсорбции (предложенное в данном рапорте), а значит, предел обнаружения для этой системы, будет недостаточным для обнаружения низких уровней концентрации этанола в салоне, а как показывает практика, присутствующих и составляющих около 53 ppm, у лиц с наличием концентрации алкоголя 0,2 промилле. Авторы изобретения не указывают предела определения, достижимого при помощи их системы, эксперимент проводили лишь при помощи испарения в салоне автомобиля, 10 g ректификованного алкоголя. Взяв во внимание, что объем салона автомобиля выносит 4 м³, то уровень этанола в состоянии пара, выносит около 1200 ppm, что является очень высоким показателем, несоответствующим уровню алкоголя, который в реальности генерирует нетрезвый водитель.

Очень похожий способ детекции алкоголя представлен в японской заявке JP 2000230900. Заявка эта позднее была аннулирована. В системе используют два лазерные диоды, один - с длиной волны совпадающей с абсорбционной полосой паров этанола а другой - с длиной волны вне абсорбционной полосы этанола. Автор предлагает обслуживание лазеров в импульсном режиме, чтобы сохранить перемещение во времени между длинами волн, которые дают возможность использовать один датчик и секвенционный прием обоих каналов. Диапазон времени каждого импульса составляет меньше 60 нс, не использовали дополнительной модуляции лазеров. Для обнаружения алкоголя предлагается способ измерения высоты импульса, а также применение критериев обнаружения наличия алкоголя, при помощи системы логических ворот. Такая обработка и анализ сигнала недостаточны для обнаружения концентрации этанола в салонах автомобилей, в которых находятся водители с наличием алкоголя в крови, близким предела допустимой нормы, которая в большинстве стран составляет 53 ppm. Больше того, волны, которые были выбраны для обнаружения паров этанола, соответственно 2,75 мкм для абсорбции и 2,70 мкм или 2,80 мкм для референции, не позволяют достичь соответствующих чувствительности и селективности, которые необходимы для работы датчика. 2,75 мкм лежит на краю абсорбционного спектра этанола, в области слабой абсорбции, которая в 20 раз ниже, чем пиковая абсорбция спектра на длине волны 3,345 мкм, предложенной в данном изобретении. Дополнительной проблемой предложенного решения является очень высокая, при выбранной для измерения длине волны, абсорбция водяного пара и углекислого газа, одновременно присутствующих в окружающей атмосфере. Даже в умеренных климатических условиях (1% уровень водяного пара и 380 ppm углекислого газа), пучок лазера будет полностью абсорбирован на дистанции, которая необходима, чтобы пучок достиг автомобиля. Для сравнения: изменение мощности пучка лазера, вследствие абсорбции этанола, после прохождения через салон автомобиля шириной 1,8 м, при использовании света с длиной волны 2,75 мкм, составляет только 0,0001%. Дифференциация такого небольшого изменения, при таком большом изменении фона, а также при помощи предложенных способов обработки сигнала, является невозможной.

Похожее дифференциальное измерение описано в публикации M. Schuetz et al. "A mid-IR DIAL system using interband cascade laser diodes", Proceedings of OSA/CLEO 2007 paper JthD88). Авторы использовали два лазера типа ICL (Interband cascade Laser), работающие на длине волны 3,38 мкм и 3,34 мкм. Предложенные длины волн, совместно с способом измерения, не позволяют достичь необходимой чувствительности и селективности измерения. В лабораторных условиях достигнут лимит детекции составляющий 40 ppm, что почти в 100 раз больше, чем необходимо для того, чтобы система могла быть применена в практике.

Способ, описанный в статье M. Azzazy et al. Дистанционный датчик для обнаружения алкоголя oslabionej kierowcow", IEEE-Laser i Electro-Optics Society Annual Meeting, cz.2, s.320-321, 1995) впервые, для обнаружения и измерения паров алкоголя, использует перестраиваемый лазерный диод, совместно с применением техники модуляции длины волны (способ WMS). Система использует узкую Q полосу этанола при длине волны эмиссии 1,392 мкм. Остальные абсорбционные полосы авторами отбрасываются, так как эти полосы подвергаются сильным помехам, исходящим от других газов, или требуют использования лазеров с обязательным криогеническим охлаждением. Система была установлена на лабораторном столе при использовании абсорбционной емкости длиной 1 метра, с целью симуляции типичной ширины салона автомобиля. Не указана достигнутая при помощи этой системы минимальная обнаруженная концентрация паров этанола. Дополнительно, система не предвидит одновременного измерения газов-индикаторов в выдыхаемом воздухе, таких как CO₂ или H₂O, что не позволяет количественно измерить уровень алкоголя в крови водителей.

Те же авторы в патенте № US 5349187 представляют лазерную систему для неинвазивного обнаружения нетрезвых водителей. В описанном устройстве применен лазер с модулированной длиной распространения волны света, детектор и анализатор сигнала, использующий спектроскопическую количественную детекцию паров алкоголя, причем элементы системы размещены по противоположных сторонах контролируемого транспортного средства. Это решение предлагает использование лазера типа external cavity на длине волны 1,5 мкм или полупроводникового, с криогеническим охлаждением лазера на солях олова и с длиной волны 3,393 мкм, где, по мнению авторов, присутствуют абсорбционные полосы паров алкоголя. Этанол не имеет абсорбционных полос в области 1,5 мкм, а также не имеет отизолированных абсорбционных полос на длине 3,393 мкм, где присутствует только однородный абсорбционный спектр. Так же как и в вышеописанных заявках, на длине волны 3,393 мкм, находящиеся в салоне автомобиля или в атмосфере другие газы, (такие как метан, метанол, пропан и пропилен) имеют сходные с парами алкоголя абсорбционные свойства, в связи с чем, проведение селективного измерения паров алкоголя, при использовании только лишь спектрального анализа абсорбции на длине волны 3,393 мкм, является невозможным. Сверх того, широкий абсорбционный спектр на этом участке не в состоянии генерировать отизолированный абсорбционный сигнал используя способ WMS, что, в свою очередь, не разрешает отличить сигнал, исходящий от паров алкоголя от сигнала абсорбции фона, исходящего от других газов, находящихся в тоже время в салоне автомобиля или же снаружи транспортного средства.

Из патентной заявки № US 2003160173 известна система, в которой для дистанционного обнаружения паров этанола, использован перестраиваемый лазер распространяющий световую волну длиной 1,392 мкм. После прохождения через исследуемое пространство, луч отражается в системе линз и падает на детектор. Способ измерения, опирающийся на детекции паров алкоголя на длине волны 1,392, не позволяет достичь необходимой чувствительности и селективности измерения не только в связи с небольшой силой абсорбции паров алкоголя на этой длине волны, а также - из-за сильных искажений сигнала, обусловленных влиянием водяного пара, который, на этой длине волны, очень сильно абсорбирует. В заявке не указаны данные касающиеся достигнутой точности измерения и лимита детекции. Однако та же группа авторов опубликовала две статьи (A. Nadezhdinskii et al. Spectrochimica Acta A, torn. 55, s.2049-2055, 1999 и Berezin et al. Applied Physics B, torn 75 s.203-214, 2002), в которых лимит детекции в лабораторных условиях составлял 350 ppm. Это почти в тысячу раз больше, чем необходимый для достоверного измерения алкоголя (то есть 53 ppm, которые дополнительно будут разжижены в салоне, через автомобильную вентиляцию и т.д.) лимит детекции.

В патенте № US 5907407 предложена экстракционная, с использованием способа ILS (Intra cavity Laser Spectroscopy), бортовая система, имеющая повышенную чувствительность. Для измерения паров алкоголя предложено три различные длины волн: 1,39 мкм, 2,74 мкм, 3,39 мкм, причем, наилучшим измерением паров считается измерение при волне длиной 3,39 мкм. Аналогично, как и в других вышеописанных примерах, ни одна из тех длин волн, по причине интерференции с другими газами, присутствующими в атмосфере или в выдыхаемом воздухе, в особенности водяным паром и метаном, не является соответствующей для точного и селективного измерения паров алкоголя,. Кроме того, устройство не позволяет дистанционно измерять пары алкоголя, так как данный устройство монтируют в салоне автомобиля.

Из патента № US 7292153 известна система для дистанционного определения концентрации алкоголя в крови водителя, посредством измерения паров уксусного альдегида в выдыхаемом воздухе. Этанол, перед выводом из организма, должен быть окислен кислородом. Главная часть этанола окисляется в печени до уксусного альдегида при помощи фермента, алкогольной дегидрогеназы. Затем, после употребления алкоголя, уксусный альдегид будет присутствовать в выдыхаемом воздухе. Обычно уровень паров уксусного альдегида в выдыхаемом воздухе в 10-100 раз ниже, чем в случае паров самого этанола после употребления алкоголя. В связи с тем что разные организмы имеют разный уровень обмена алкоголя, концентрации уксусного альдегида в выдыхаемом воздухе разных людей будут отличаться между собой (KV Mitsubayashi et al., Biosensors and Bioelectronics, Vol.20, s.1573/79, 2005).

He существует простого способа вычисления соотношения между уровнем уксусного альдегида в выдыхаемом воздухе и уровнем алкоголя в крови. Это соотношение во многом зависит от ферментной активности организма. Сложно также предвидеть концентрацию уксусного альдегида в выдыхаемом воздухе, у лиц с недостатком дегидрогеназы. Большая часть азиатской популяции имеет такую генетическую мутацию. В статье (Р.С. Kamat et al. "Measurement of acetaldehyde in exhaled breath using a laser absorption spectrometer," Applied Optics, vol. 46 pp.3969-3975, 2007) для измерения паров уксусного альдегида использован криогенически охлаждаемый лазер на оловянных солях, совместно с абсорбционной емкостью длиной 100 м. Длина пучка была настроена до 5,79 мкм, достигнутая чувствительность инструмента - 80 ppb.

В патентном описании № US 7292153, предложена система для дистанционного измерения паров уксусного альдегида, с целью анализа концентрации алкоголя в крови. Система использует монохроматический свет на длине волны 340 мкм. Не совсем ясно, почему была выбрана такая длина волны, имея в виду то, что абсорбционный спектр уксусного альдегида находится вблизи 290 мкм, тем временем, абсорбция при 340 мкм составляет только 8% максимального показателя. Неизвестно, какой абсорбции достигли при помощи этой системы. Широкий спектр уксусного альдегида на данной длине волны не разрешает использовать техник модуляции, таких как WMS, с целью достижения соответственной чувствительности измерения. Способ, предложенный в упомянутом описании, недостаточен для достижения соответствующей чувствительности измерения с целью обнаружения нетрезвых водителей.

Представленные выше способы, кроме недостаточной чувствительности и селективности измерения этанола, дополнительно, не позволяют количественно определить концентрацию паров этанола в выдыхаемом воздухе, они позволяют лишь обнаружить наличие этих паров. С целью количественного измерения концентрации этанола в выдыхаемом воздухе, а также отизолирование его от воздуха, передающегося внутрь автомобиля с внешнего навева или работающей внутри климатизации, необходимо одновременное измерение других, находящихся в выдыхаемом воздухе газов, которых концентрация известна из общих законов биологии а разжижение в атмосфере подобно разжижению паров этанола. Таким способом можно предвидеть эффективную длину колонны абсорбции и разжижение пробника выдыхаемого воздуха. Такие способы, до настоящего времени были предложны только для бортовых экстракционных устройств, то есть собирающих пробник газа с одного пункта внутри салона автомобиля. В патенте № US 7279132, а также в патентной заявке US 2010/0188232 предложено применение углекислого газа в качестве индикатора, для определения ожидаемого количества других газов в выдыхаемом воздухе при одновременном использовании способа NDIR.

Все перечисленные известные способы определения паров алкоголя являются недостаточными. С их помощью невозможно провести точное измерение следовых количеств паров алкоголя в выдыхаемом человеком воздухе. Перечисленные измерения указывают исключительно присутствие этих паров в моменте, когда их количество уже значительно превышает допускаемую положениями закона норму, причем существует значительный риск погрешностей в измерениях вследствие присутствия других газов в выдыхаемом воздухе или атмосфере.

Решение по данному изобретению устраняет это неудобство. Целью решения по данному изобретению, является возможность определения следовых количеств паров алкоголя в выдыхаемом воздухе, в особенности дистанционное определение, без необходимости прерывания текущих действий.

Суть данного изобретения заключается в том, что пучок света, наиболее эффективно - лазерного, генерируемый источником света с длиной волны соответствующей абсорбционному спектру алкоголя, имеет полезный эффект в диапазоне длин волн от 3,28-3,52 мкм или в одном или нескольких диапазонах длин волн 6,49-7,46 мкм, 7,74-8,33 мкм, 8,84-10,10 мкм, 10,7-12,00 мкм, проходит через измеряемое пространство, после чего измеряется мощность света и далее, опираясь на спектральный анализ и соотношение мощности света и концентрации алкоголя, определяется уровень концентрации паров алкоголя.

Полезный эффект присутствует также при перестраивании длин волн источника света в диапазоне, совпадающим с острым пиком абсорбционного спектра этанола на длине волны 3,345 мкм или 7,174 мкм или 8,057 мкм или 9,377 мкм или 11,372 мкм, а также частью и/или целым абсорбционным «plateau», находящегося в ближайшем окружении того же пика.

Следующим полезным эффектом является дополнительное перестраивание длины волны в диапазоне, совпадающем с одиночной абсорбционной полосой или множественными абсорбционными полосами газа-индикатора, такого как углекислый газ и/или водяной пар.

Полезный эффект присутствует, когда генерируют пучок лазерного света с длиной волны, соответствующей абсорбционному спектру этанола, наиболее эффективная длина - 3,345 мкм, перестраивают длину этой волны, совпадающей с частью или целым острым пиком абсорбции этанола при длине волны 3,345 мкм, после чего данную волну пропускают через салон автомобиля и измеряют мощность света после прохождения пучка через исследуемое пространство, после чего, опираясь на спектральный анализ соотношения мощности света и концентрации этанола, определяют уровень концентрации паров этанола.

Следующий полезный эффект присутствует, когда перестраивают длины волн источника света, используя острый пик абсорбции этанола на длине волны 3,345 мкм, вместе с частью или целым абсорбционным «plateau», выгодно находящегося в окружении острого пика абсорбции этанола.

Также полезный эффект наблюдается, когда непосредственно перед измерением газа, записывают и устраняют сигнал фона, содержащий сигнал абсорбционных атмосферных газов, личную характеристику источника, а также искажения и погрешности принимаемого светового сигнала.

Сверх того, положительный эффект присутствует, когда дополнительно перестраивают длины волны в диапазоне, совпадающим с одиночной абсорбционной полосой или с множественными абсорбционными полосами газа-индикатора, такого как углекислый газ и/или водяной пар.

В равной степени положительный эффект наблюдается, когда генерируют второй источник света с длиной волны, соответствующей пику абсорбции газа-индикатора, такого как углекислый газ или водяной пар, после чего пучок света проходит через салон транспортного средства, содержащего пробник выдыхаемого воздуха и определяют уровень углекислого газа или водяного пара в салоне автомобиля, опираясь на измерение уровня обнаруженного света из другого источника, после чего вычисляют уровень алкоголя в выдыхаемом воздухе при помощи концентрации этанола и концентрации газа-индикатора в салоне автомобиля.

Полезный эффект присутствует, когда генерируют пучок света, использующий смодулированную длину волны, соответствующую пику абсорбции этанола, причем абсорбционный пик находится на промежутке длин волн от 3,28-3,52 мкм или на протяжении одного или нескольких диапазонов длин волн от 6,49-7,46 мкм, 7,74-8,33 мкм, 8,84-10,10 мкм, 10,7-12,00 мкм, после чего данный пучок света пропускают через определенное пространство, содержащее выдыхаемый воздух и измеряют свет проходящий через это пространство, а также определяют уровень паров этанола в выдыхаемом воздухе, базируясь на уровне обнаруженного света после его прохождения через это пространство.

Также, полезный эффект присутствует, когда для модуляции длины волны и измерения света применяют способ Wavelength Modulation Spectroscopy (WMS).

Полезный эффект присутствует, когда генерируют свет с длиной волны соответствующей абсорбционному спектру газов-индикаторов, таких как углекислый газ или водяной пар, присутствующих в выдыхаемом воздухе, после чего пучок света пропускают через определенное пространство, содержащее пробник выдыхаемого воздуха, измеряют мощность света, проходящего через это пространство и определяют уровень углекислого газа или водяного пара в пробнике выдыхаемого воздуха, опираясь на уровень обнаруженного света, исходящего из другого источника и вычисляют уровень паров этанола в выдыхаемом воздухе, при помощи концентрации этанола, а также концентрации газа-индикатора в измеряемом пространстве.

Дополнительный полезный эффект присутствует, когда после определения уровня концентрации паров алкоголя, полученные данные передают на дисплей и/или другой устройство, с целью дальнейшей обработки.

Суть устройства по данному изобретению заключается в том, что устройство оснащен синхронизирующим вычислительным модулем, предназначенным для определения концентрации паров этанола, на основе спектроскопического анализа сигнала и соединенным с детектором определения мощности света, причем источник света сконфигурирован для передачи пучка света в измерительное пространство, содержащее пробник выдыхаемого воздуха, эмитирует пучок света в диапазоне длин волн от 3,28-3,52 мкм или в одном или в нескольких диапазонах длин волн 6,49-7,46 мкм, 7,74-8,33 мкм, 8,84-10,10 мкм, 10,7-12,00 мкм.

Полезный эффект присутствует, когда источником света является перестраиваемый одномодовый полупроводниковый лазер GaInAsSb/AlGaInAsSb.

Полезный эффект присутствует, когда источником света является квантовый каскадный лазер.

Кроме этого, полезный эффект присутствует, когда источником света является перестраиваемый квантовый каскадный лазер типа ICL.

Дополнительно, полезный эффект присутствует, когда источником света является перестраиваемый лазер типа VCSEL.

Следующий полезный эффект присутствует, когда источник света генерирует свет при помощи дифференциального смешивания волн.

Полезный эффект присутствует, когда источник света конфигурируют так, чтобы он эмитировал пучок света с длиной волны составляющей 3,345 мкм или 7,174 мкм или 8,057 мкм или 9,377 мкм или 11,372 мкм, с возможностью перестраивания длины волны при помощи одного из острых пиков абсорбционного спектра паров этанола, находящихся на длинах волн 3,345 мкм или 7,174 мкм или 8,057 мкм или 9,377 мкм или 11,372 мкм.

Следующий полезный эффект присутствует, когда источник света дополнительно перестраивают на длину волны в диапазоне, совпадающем с одиночной абсорбционной полосой или несколькими абсорбционными полосами газа-индикатора, такого как углекислый газ и/или водяной пар, с целью определения полной концентрации этанола в выдыхаемом воздухе.

Также полезный эффект присутствует, когда устройство оснащен дополнительным источником лазерного света на длине волны, соответствующей полосе абсорбции газов-индикаторов, находящихся в выдыхаемом воздухе, таких как углекислый газ или водяной пар, с целью определения полной концентрации этанола в выдыхаемом воздухе.

Полезный эффект присутствует, когда устройство сконфигурирован для определения наличия паров алкоголя в салоне транспортного средства, с использованием пучка света с длиной волны 3,345 мкм.

Полезный эффект присутствует, когда передатчик и приемник размещены по противоположных сторонах измеряемого пространства.

Кроме этого, полезный эффект присутствует, когда устройство оснащен в ретрорефлектор для перенаправления пучка на приемник, причем передатчик и приемник расположены по той же стороне измеряемого пространства.

Полезным эффектом изобретения является улучшение состояния техники при помощи повышения чувствительности и селективности устройств для измерения паров этанола в выдыхаемом воздухе.

Изобретение будет детально объяснено при помощи примеров и прилагаемых чертежей, на которых:

фиг.1a изображает систему контроля работников перед входом на рабочее место,

фиг.1b - систему контроля водителей в движущихся транспортных средствах,

фиг.2a - блочную систему устройства с одним лазером, для контроля уровня паров алкоголя,

фиг.2b - систему, как выше, только с двумя лазерами и детектором-индикатором,

фиг.3a - спектр этанола, водяного пара и оптическая трансмиссия типичного автомобильного стекла,

фиг.3b - спектр этанола, углекислого газа и оптическая трансмиссия типичного автомобильного стекла,

фиг.4 - оптическую трансмиссию на участке от 3,326 до 3,587 мкм, концентрация паров этанола 1 ppm,

фиг.5 - оптическую трансмиссию на участке от 6,512 до 11,936 мкм, концентрация паров этанола 1 ppm,

фиг.6 - систему как на фиг.2b, только с двумя лазерами и детектором газа-индикатора, а также генераторами частот модуляции.

Данное изобретение, в особенности, касается техники дистанционного определения уровня этанола в выдыхаемом воздухе нетрезвых водителей или лиц, которые направляются или пребывают в районе, в котором пребывание нетрезвых лиц запрещено, например: рабочее место, так как изображено на фиг1а, на котором лазер 101 высылает пучок 102 на детектор 103, в дверном проеме, через который проходит работник. Следующее использование изобретения - мониторинг концентрации паров этилового алкоголя в выдыхаемом воздухе лица, находящегося в салоне транспортного средства, как изображено на фиг.1b. В таком случае лазер 104 и детектор 108 размещены по противоположных сторонах проезжей части дороги, а пучок 105 проникает через пространство 106 и через автомобильное стекло 107 и попадает на детектор 108.

В предложенном решении используют абсорбционную спектрометрию для измерения паров алкоголя в выдыхаемом воздухе. Источником света может быть традиционная лампочка накаливания, LED или другой эмиттер света с соответствующей длиной волны. Применение лазера 101 позволяет генерировать однородный монохроматический пучок 102, который может распространятся на большое расстояние. Измеряя количество абсорбированного света, определяют концентрацию этанола находящегося в измеряемом пространстве.

В первой версии решения, изображенном на фиг.2а, фотодетектор 203 соединен с лазером 201 при помощи модуля обработки сигнала 206, синхронизирующего вычислительного модуля 205, а также драйвера лазера 204. Лазер 201 эмитирует на определенной длине волны и пропускает пучок через исследуемое пространство 202, в котором находится пробник выдыхаемого воздуха, после чего пучок попадает на фотодетектор 203, который измеряет мощность света. Полезным эффектом отличающийся детектор типа InAs/InAsSbP. Драйвер лазера 204 является источником тока, а также регулирует температуру таким способом, чтобы достичь соответствующую длину эмитированной волны. Этот модуль оснащен электрическими цепями, необходимыми для модификации длин лазерных волн при помощи абсорбционного спектра газа. Сигнал фотодетектора 203, передают на модуль обработки сигнала 206, который поставляет данные о абсорбционном спектре измеряемого газа. Синхронизирующий вычислительный модуль 205 синхронизирует сигналы и вычисляет концентрацию газа на основе данных о абсорбционном спектре, собранных модулем 206. Устройство может быть дополнительно оснащено элементами для измерения присутствующих в выдыхаемом воздухе газов-индикаторов, таких как водяной пар или углекислый газ, концентрация которых известна, с целью определения длины абсорбционной колонны и разжижения пробника выдыхаемого воздуха в исследуемом пространстве. Если абсорбционный спектр этанола и газа-индикатора находятся вблизи себя, на небольшом спектральном расстоянии, то этанол и газ-индикатор могут быть измерены при помощи одного лазера, как изображено на фиг.2а. Полная концентрация этанола в выдыхаемом воздухе может быть определена при помощи измерения концентрации этанола и газа-индикатора. Концентрация паров дополнительного газа, такого как водяной пар или углекислый газ, является постоянной и известна из общеизвестных зависимостей в биологии и медицине; поэтому могут они быть использованы для определения абсорбционной колонны пробника выдыхаемого воздуха и степени его разжижения в исследуемом пространстве. Этот процесс более детально описан в дальнейшей части описания.

В следующем, вторичном примере решения, изображенном на фиг.2b, устройство может быть дополнительно оснащен лазером для измерения присутствующих в выдыхаемом воздухе газов-индикаторов, таких как водяной пар или углекислый газ, с целью определения объема облака выдыхаемого воздуха в исследуемом пространстве 209. Система двух соединенных параллельно лазеров 207 и 218, при помощи системы: сумматор пучка 208 - зеркало 212, пересылает пучок через исследуемое пространство 209 на систему двух параллельно соединенных детекторов: фотодетектор 211 и детектор-индикатор 217 при помощи системы: разделитель пучка 210 - зеркало 213.. Выход блока детекторов 211 и 217 подключен к блоку лазеров 207 и 218 при помощи модуля обработки сигналов 216, синхронизирующего вычислительно модуля 215 и управляющего модуля 214. Лазер 207 эмитирует волны с соответствующей для измерения этилового алкоголя длиной, после чего пересылает пучок через исследуемое пространство 209, в котором находится пробник выдыхаемого воздуха, а также фотодетектор 211, который измеряет мощность света после прохождения пучка лазера через это пространство. Фотодетектор 211 сконфигурирован для исчисления мощности света при длине волны, используемой для обнаружения паров этанола. Второй лазер 218 эмитирует на выбранной, для измерения газов-индикаторов, таких как CO₂ или H₂O, длине волны. Лазерами управляет синхронизирующий вычислительный модуль 214. Температура и ток каждого лазера контролируются независимо. Сканирование и способ модуляции длин волн каждого лазера можно выбрать отдельно. Оптические элементы, такие как зеркала 212 и 213, сумматор пучка 208 и разделитель пучка 210, используют для распространения другого пучка лазера, тем же путем, что и пучка первого лазера. Оптически, пучки могут быть также сконфигурированы при помощи оптического дифракционного элемента. Существует возможность пересылать эти пучки параллельно к первому пучку, при любом расстоянии между упомянутыми пучками.

Детекцию мощности света пучков, после прохождения через исследуемое пространство 209, проводят отдельно для длины волны, выбранной для анализа этанола и для анализа газа-индикатора. Можно это, с полезным эффектом, выполнить при помощи разделителя пучка 210 и зеркала 213. В этой системе мощность света пучков измеряют при помощи двух детекторов, каждый предназначен для иной длины волны. Фотодетектор 211, для выбранной для обнаружения этанола длины волны - это InAs/InAsSbP. Детектор-индикатор 217 для обнаружения газа-индикатора/газа сверх нормы - это InGaAs. В других опциональных конфигурациях, общеизвестная система оптических фильтров, может быть также использована для разделения двух пучков с разными длинами волн. Аналогично детекции мощности света из двух пучков, одновременно можно использовать один детектор, в котором размещены два отдельных полупроводниковых материала с разной спектральной чувствительностью. Электрический сигнал детектора или детекторов передается на модуль обработки сигналов 216, с целью воссоздания абсорбционных спектров, после чего попадает на синхронизирующий вычислительный модуль 215, где, базируясь на абсорбционных спектрах, вычисляется концентрация этанола и газов-индикаторов.

Когда абсорбционный спектр газа, который должен быть измерен, совпадает с абсорбционными спектрами других газов, одновременно присутствующих в пробнике и находящихся на дороге измерительного пучка, происходит интерференция, а также спектральные искажения. Это означает, что свет будет абсорбирован так же или почти так же, как и в случае присутствия иного газа на пути абсорбции, как и газа, который хотим измерить, например этанола. Эти искажения и помехи могут привести к ограничениям измерений. Существует множество спектральных зон, которые содержат абсорбционные спектры других газовых составляющих, присутствующих в пробнике и совпадающих с абсорбционным спектром паров этанола. Абсорбционные спектры меньших молекул, таких как водяной пар и углекислый газ, имеют характеристические и хорошо сепарированные ротационно-вибрационные абсорбционные полосы, в то время, когда абсорбционные спектры больших молекул, таких как углеводороды, имеют широкие абсорбционные полосы. Присутствие углекислого газа и водяного пара в атмосфере сильно ограничивает выбор соответствующих спектральных зон, пригодных для измерения на открытых атмосферных пространствах, как изображено на фиг.3a i 3b. Концентрация воды в окружающей атмосфере обычно составляет около 0,5-4%, а в выдыхаемом воздухе обычно составляет около 5%. Концентрация CO₂ в атмосфере имеет типичный уровень фона 390 ppm, а в выдыхаемом воздухе обычно составляет около 4,6%. Этанол абсорбирует свет на почти таких же длинах волн как и H₂O, но, как видно на фиг.3a, существуют «атмосферные окна», в которых абсорбция воды очень низкая, и в то же время, молекула этанола имеет абсорбционный спектр; это абсорбционные спектры этанола 303 (длина волны 3,28-3,52 мкм) и 304 (длина волны 10,7-12,00 мкм). Углекислый газ имеет свои мощные абсорбционные полосы на длинах волн около 4,26 и 2,7 мкм, которые препятствуют передачи лазерного излучения на большие расстояния. На длине волны 1,38-1,41 мкм, а также 2,68-2,78 мкм находятся абсорбционные полосы этанола 301 и 302, только они совсем непригодны для использования, в связи с сильными искажениями как со стороны CO₂, так и H₂O. Из фиг.3a и 3b ясно следует, что преферированные диапазоны длин волн, выбранных для обнаружения этанола в атмосфере это: 3,28-3,52 мкм (3049-2841 см^-1), 6,49-7,46 мкм (1541-1340 см^-1), 7,74-8,33 мкм (1292-1201 см^-1), 8,84-10,10 мкм (1131-990 см^-1) и 10,7-12,00 мкм (935-833 см^-1)

Для обнаружения этанола в выдыхаемом воздухе человека, находящегося в салоне автомобиля, стекло автомобиля должно пропускать необходимое количество света с длиной волны, использованной при измерении, так, чтобы пучок света мог пройти через салон и быть измеренным. На фиг.3a и 3b представлена оптическая трансмиссия бокового стекла автомобиля 306. Из этой схемы видно, что диапазон длин волн около 3,28-3,52 мкм (абсорбционный спектр этанола 303) является выбором с наилучшим полезным эффектом, так как он характеризуется низким уровнем спектральных искажений со стороны углекислого газа 307 и водяного пара 305, и одновременно наблюдается хорошая оптическая трансмиссия через стекло автомобиля. В то же время для обнаружения концентрации этанола в выдыхаемом воздухе нетрезвых лиц в местах, неограниченных окнами, также длина волны около 10 мкм (полоса абсорбции этанола 304), является хорошим выбором.

Измерение концентрации газов с высшей молекулярной массой, таких как пары этанола, является особенно затруднительным, так как эти газы обычно не имеют ротационно-вибрационных абсорбционных полос и характеризуются широкими спектральными полосами, с шириной большей, чем диапазон настраивания какого-либо из доступных перестраиваемых полупроводниковых лазеров, необустроенных в наружный резонатор. Дополнительное затруднение заключается в том, что в диапазоне длин волн, в которых появляется абсорбционный спектр этанола, существует также много других абсорбционных спектров тяжелых молекул со сходными «размытыми» спектральными признаками. Однако, как изображено на фиг.4 и фиг.5, абсорбционный спектр этанола имеет хорошо выраженные характеристические острые пики, которые могут быть использованы для сепарации этанола от других, находящихся на том же спектральном участке, искажающих составляющих с широкой полосой, таких как уксусный альдегид, ацетон, формальдегид или метанол. Является очевидным, что широкая полоса абсорбции, кроме острого пика, повлияет на принимаемый детектором абсорбционный сигнал. Однако при одновременном измерении широкой полосы абсорбции и использовании этих результатов для нормализации принятой оптической мощности, будет получен правильный результат уровня концентрации этанола. Кроме того, всегда необходимо нормализовать измеренный уровень излучения, взяв во внимание потери, обусловленные влиянием атмосферных явлений, таких как абсорбция и рассеяние в тумане и пыли, а также из-за загрязненных оптических элементов, таких как линзы, автомобильные стекла и т.д. Способ вычисления полной концентрации этанола в пробнике выдыхаемого воздуха описан далее:

Закон Бугера-Ламберта-Бера описывает гашение лазерного излучения при помощи рассеяния и молекулярной абсорбции:

где T₀ - является суммой оптических потерь в системе, I₀ - это мощность эмиссии лазера, σ - кооффициент экстинкции, c_i - концентрация газа, α_i - кооффициент абсорбции газа и L - длина измерительного расстояния. Дополнительно введено Т=T₀exp(-σL) - полную трансмиссию, принимая во внимание, обусловленные влиянием частиц пыли, оптические потери и гашение. Для абсорбции одного газа - такого как этанол. Затем можно написать следующую формулу:

I_R=I₀TT_α(c)exp[-cα(ν)L]

где T_α(с) - это трансмиссия под влиянием широкополосной абсорбции частиц в смеси газа. Так как амплитуда модулирования длин волн лазера составляет около нескольких нанометров, можно предположить, что в этой зоне широкополосная молекулярная абсорбция не зависит от длины волны лазера, а зависит исключительно от концентрации газа в смеси. Как выше упоминалось, на участке длины волны от 3 до 4 мкм существует много широких абсорбционных спектров углеводородов. Относится это также к широкополосному спектру абсорбции паров этанола, поэтому Т_α(с) также является полосой паров этанола.

Соотношение острого абсорбционного пика этанола - 402 к полному абсорбционному сигналу с другой стороны сильно зависит от частоты лазера, что означает, что этот сигнал можно однозначно отличить и отделить от широкополосной абсорбции - 403. Если возьмем соотношение между выделенным абсорбционным сигналом острого пика - 402 и сигналом широкополосной абсорбции 403 (фиг.5), получим следующую взаимозависимость:

в которой, на последнем этапе использовали факт низкой абсорбции этанола. Как можно заметить, этот процесс позволяет нормализовать сигнал абсорбции этанола как при Т, так и при Т_α(c), а также при изменениях мощности света источника I₀, в области абсорбционного «plateau» 403 и то, что нормализованный сигнал зависит только от концентрации этанола (c), на измерительном отрезке длиной L (измеряемом на участке острого пика абсорбционного спектра 3,345 мкм 402). Если длина волны использованного лазера является широкоперестраиваемой, область «plateau» можнj выбрать на другой длине волны, чем 403 показ, на фиг.4. Обязательным условием для выбора спектрального места для «plateau» является то, что абсорбционный спектр этанола в той области плоский а сила абсорбции минимальная, наиболее полезный эффект - при нулевой. Примером такого альтернативного места для «plateau» является область вблизи длины волны 3,326 мкм, вначале спектра трансмиссии, изображенной на фиг4.

В случае когда газ образует облако с неоднородной концентрацией, вышеуказанная формула имеет следующую форму:

c_BrAc означает концентрацию этанола в выдыхаемом воздухе, ρ(z) в виде расположения молекул этанола в воздухе вдоль измеряемой колонны. Интеграл не может быть определен аналитическим способом, так как неизвестна величина и степень разжижении пробника, однако можно его вычислить при помощи одновременного измерения газа-индикатора. В качестве газа-индикатора может быть H₂O lub CO₂, каждый с известной концентрацией в выдыхаемом воздухе и каждый рассеянный в воздухе в той же степени как и молекулы этанола [1]. Поэтому зависимость для газа-индикатора будет выглядеть следующим образом:

После устранения постоянного оффсета из сигнала исходящего от абсорбции этанола, а также из абсорбционного сигнала, исходящего от газа-индикатора, их соотношение послужит для выведения конечной формулы для вычисления концентрации этанола в выдыхаемом воздухе:

Сигналы S_EtOH и S_tracer могут быть измерены при помощи одного лазера с конфигурацией показанной на фиг.2a (абсорбционные полосы паров этанола и газа-индикатора должны находится на приближенных длинах волн) или при помощи двух отдельных лазеров, одного для этанола, а второго для газа-индикатора, смотри схему на фиг.2b.

С целью повышения точности и чувствительности инструмента для зондирования концентрации алкоголя в салонах автомобилей, с полезным эффектом используют дополнительную автоматическую функцию устранения фона (аннулирование), применяемую непосредственно перед измерением. Сигнал фона регистрируют в моменте, когда автомобиль не заслоняет лазерный пучок, после чего сигнал поддают нормализации по способу, описанному выше, применяемому к аналитическим сигналам. Сигнал фона несет информацию об абсорбции атмосферных газов, главным образом H₂O, абсорбированных лазерным пучком на пути к зоне измерения. В зависимости от погодных условий, уровень водяного пара может быть настолько высокий, что заслоняет сигнал абсорбции паров этанола. Дополнительно, сигнал фона несет информацию о амплитудной характеристике источника, а также о искажениях амплитуды, обусловленных влиянием оптомеханической системы (так называемый эффект эталона), которые также искажают абсорбционный сигнал паров этанола. Поэтому способ устранения фона непосредственно перед измерением, значительно повышает уровень обнаружения паров этанола и одновременно повышает точность измерения.

Предложенное изобретение с полезным эффектом использует источники лазерного света для абсорбционной спектроскопии, что позволяет провести селективное измерение острых пиков в абсорбционном спектре при помощи узкой спектральной полосы источника. Дополнительно, однородность лазерного источника позволяет пересылать коллимированный пучок на большие расстояния, что необходимо для дистанционного измерения. Полезный эффект присутствует при использовании лазера DFB типа I (L. Naehle et al. Continuous-wave operation of type-I quantum well DFB laser diodes emitting in 3,4 μm wavelength range around room temperature, Electronic Letters 47, p.46-47, (2011)). Альтернативно можно использовать перестраиваемый лазер типа 2 (ICL), операция при комнатной температуре в диапазоне волн 3,3-3,7 мкм. Кроме того, могут быть использованы другие источники света, такие как каскадный квантовый лазер (QCL) или лазер типа VCSEL. В другой версии решения может быть использована дифференциальная генерация частоты (DFG). Однако применение DFG добавляет очередной уровень трудностей и расходов, так как он использует два одиночные, с рабочим режимом в ближнем инфракрасном диапазоне лазеры, смешанные в нелинейном оптическом кристалле, с целью генерирования лазерного излучения на длине волны около 3,5 мкм.

Предложенный способ определения концентрации паров этанола позволяет значительно улучшить процесс измерения по сравнению с известным состоянием техники, при помощи измерений в одном или нескольких диапазонах длин волн 3,28-3,52 мкм (полоса абсорбции этанола 401) с острым пиком абсорбции 402 (3,345 мкм), 6,49-7,46 мкм(полоса абсорбции этанола 501) с острым пиком абсорбции 502 (7,174 мкм), 7,74-8,33 мкм (полоса абсорбции этанола 503) с острым пиком абсорбции 504 (8,057 мкм, 8,84-10,10 мкм (полоса абсорбции этанола 507) с острым пиком абсорбции 508 (11,372 мкм), которые имеют минимальные спектральные искажения, исходящие от водяного пара или углекислого газа и где одновременно сильно абсорбирует молекула этанола. На фиг.4 и фиг 5 показаны наиболее эффективные зоны измерения этанола лазерным способом. В каждом выбранном диапазоне длин волн есть острые абсорбционные пики: острый пик абсорбции 3,345 мкм 402 с абсорбционным «plateau» 403, острый пик абсорбции 3,447 мкм 405 с абсорбционным «plateau» 404 или острый пик абсорбции 7.174 мкм 502, которые могут быть использованы для различения абсорбции молекул этанола от абсорбции других широкополосных абсорберов. Настоящее изобретение использует один или несколько таких острых пиков, способом сканирования длины волны лазера при помощи этих же пиков. В качестве примера можно использовать кривую 402 для обнаружения этанола и спектральной широкополосной зоны в ее окрестностях, 403 - с целью нормализации сигнала, которая описана выше при помощи математического инструмента. Общая спектральная ширина зон 402 и 403 составляет около 2 мкм, что находится в диапазоне перестраиваемого одномодового полупроводникового лазера типа GaInAsSb/AlGaInAsSb DFB, который был использован в данном изобретении.

Лазерный свет проходит через исследуемое пространство, в котором находится пробник выдыхаемого воздуха. Это количество газа может находиться на значительном от измерительной аппаратуры расстоянии, так как природа лазерного света позволяет распространять пучки на большие расстояния. Далее, пучок света принимает детектор, сконфигурированный для приема света на данной длине волны, после чего электрический сигнал детектора передается на соответствующий модуль, отвечающий за обработку сигнала. Для обнаружения оптического излучения, данное изобретение использует фотодиод InAs/InAsSbP, оптимизированный для работы в среднем инфракрасном диапазоне. Для работы на более коротких длинах волн, используют детекторы InGaAs или Si. Для длин волн свыше 3-4 мкм можно использовать детектор МСТ, без или с элементом охлаждения. Однако каждый соответствующим способом сконфигурированный детектор может быть использован для измерения мощности света.

С целью повышения чувствительности измерения, с полезным эффектом применяют дополнительную технику быстрого частотного модулирования длин лазерных волн, совместно с техникой суммирования сканов, которая является высокочастотной версией техники, разработанной Jennings’a et al. "Absolute line strengths in v4, 12CH4: a dual-beam diode laser spectrometer with sweep integration", Appl. Opt. 19, 2695 (1980)). Применение быстрого сканирования является обязательным для достижения короткого времени анализирования сигналов, необходимых для анализа концентрации этанола в салоне движущегося автомобиля. Взяв во внимание, что скорость автомобиля составляет 110 км/ч, а длина бокового стекла - 1 м, время измерения для полного спектра помещается на отрезке 0,03 секунды. С целью достижения необходимого уровня соотношения сигналов и шумов, частота сканирования должна составлять около нескольких kHz. Техника суммирования сканов оставляет настоящую форму абсорбционной полосы и упрощает калибровку системы, а также уменьшает требования, касающиеся глубины модуляции длины волны лазера. Острые абсорбционные пики молекулы этанола имеют обычно ширину линии в 10-20 раз больше, чем в случае меньших молекул, таких как CO₂ или H₂O, что само по себе диктует применение больших амплитуд модуляции с целью полного спектрального совпадения с целой кривой.

Другая опция конфигурации изобретения предлагает, с целью дальнейшего повышения чувствительности системы, применение техники, использующей дополнительную гармоническую модуляцию длины волны, так называемы способ WMS. Техника WMS особенно хорошо приспособлена для обнаружения газов-индикаторов, таких как CO₂ или H₂O, так как их абсорбционные линии узкие и позволяют использовать модуляцию с низкой амплитудой длин волн. В описании подчеркнуто применение этой техники обнаружения острых пиков абсорбции этанола, на длине волны около 3,345. Преимуществом этой техники является устранение спектральных интерференции, обусловленных влиянием широкополосных абсорберов, находящихся в зоне измерения либо атмосфере, а также редукция в системе шумов типа 1/f. Однако в случае быстрого дистанционного обнаружения паров этанола в движущемся автомобиле, техника WMS является менее полезной, в связи с необходимостью проведения измерения в коротком временем.

Предложенное устройство для дистанционного контроля трезвости на определенной территории автоматически проверяет уровень паров этанола в выдыхаемом воздухе без необходимости прерывания текущих действий. Детекция проводится в реальном времени и данные могут передаваться на общую систему мониторинга и надзора. Предложенный устройство для дистанционного обнаружения нетрезвых водителей, может значительно повысить уровень обнаружения, без необходимости прерывания движения. Детекция проводится в реальном времени и без ограничения скорости движения. Описанная в данном изобретении система позволяет фиксировать наличие паров этанола с концентрацией, меньшей чем 0,5 части на миллион (0,001 мг/1). Уровень этот отвечает ожидаемому уровню паров алкоголя в салоне автомобиля, в которой находится водитель под влиянием алкоголя, в количестве, превышающем допускаемую норму. Лимит паров этанола в выдыхаемом воздухе в многих европейских странах, таких как Польша и Швеция, составляет 0,1 мг/1, что отвечает 53 частям на миллион. Выдыхаемые пары этанола будут разжижены в салоне автомобиля при помощи объема газа, разжижение также будет зависеть от наличия в автомобиле вентиляции. Поэтому разжижение необходимо квантифицировать количественно, при одновременном использовании измерения газа-индикатора, в этом случае - углекислого газа.

Как изображено на фиг 6, в способе автоматического обнаружения паров алкоголя использована модулированная длина распространяемой волны света. Для дистанционного проведения процесса, источником распространения является перестраиваемый одномодовый лазер-индикатор 601 тип GaInAsSb/AlGaInAsSb, распространяющий волну света длиной 3,345 мкм, которая совпадает с острым пиком абсорбции 402 абсорбционного спектра этанола. Лазер 601 сопрягают с данной длиной волны при помощи драйвера тока/температуры 609, предназначенного для управления температурой лазера и током базы. Эмитированный пучок коллимирует система линз 605. Дополнительный одномодовый лазер-индикатор 602, идентично управляемый, распространяет световую волну длиной 1,5786 мкм, которая совпадает с линией абсорбции газа-индикатора CO₂. Передатчик эмитирует коллимированный и однородный пучок и пропускает его через исследуемое пространство 616, в котором находится выдыхаемые пары этанола и углекислого газа.

Коллимированный пучок после прохождения через измерительное пространство, разделяют на пучки с длинами: 1,5786 мкм и 3,345 мкм и направляют на два независимые детекторы при помощи системы линз 605, разделителя пучка 603.2, дополнительного фильтра 606 и зеркала 605. Детекция сигнала происходит на противоположной источнику распространения стороне зоны измерения. Оптическая абсорбция полосы этанола фиксируется детектором с фотодиодом 607 тип InAs/InAsSbP. Лазерное излучение, абсорбированное CO₂, фиксируют при помощи детектора с фотодиодом 608, базирующим на InGaAs. Далее анализируют спектроскопический сигнал, полученный после прохождение волн через данное пространство. Электрические сигналы детекторов усиливают при помощи двух отдельных усилителей 610 (TIA) и передают на два модуля обработки сигнала 613 (CO₂) и 614 (этанол). Выход модуля обработки сигнала может быть использован для высвечивания либо записи обнаруженного уровня концентрации паров этанола. Обработка данных и управление при помощи синхронизирующего вычислительного модуля 615, позволяет системе работать в автоматическом режиме без необходимости контроля. Полученные результаты высвечивают дистанционно, в месте, отдаленном от места измерения, после передачи на определенное расстояние. Модуль синхронизирует также работу генераторов частот модуляции, соответственно 611 - для лазера 3,345 мкм и 612 - для лазера 1,5786 мкм.

Полную концентрацию алкоголя в выдыхаемом воздухе вычисляют на основе данных зарегистрированного абсорбционного сигнала паров этанола и абсорбционного сигнала газа-индикатора углекислого газа, на основе ранее выведенной формулы:

Дополнительно, для повышении чувствительности системы и устранения помех, обусловленных влиянием атмосферных факторов и других помех в системе (искажения характеристики работы лазера и оптической системы), во время распространения пучка света в исследуемом пространстве, например салоне автомобиля, применяют описанный выше способ устранения фона (аннулирование).

Список обозначений

Фиг.1a

101 - лазер

102 - пучок

103 - детектор

Фиг.1b

104 - лазер

105 - пучок

106 - исследуемое пространство

107 - автомобильное стекло

108 - детектор

Фиг.2a

201 - лазер

202 - исследуемое пространство

203 - фотодетектор

204 - драйвер лазера

205 - синхронизирующий вычислительный модуль

206 - модуль обработки сигнала Фиг.2b

207 - первый лазер

208 - сумматор пучка

209 - исследуемое пространство

210 - разделитель пучка

211 - фотодетектор

212 - зеркало

213 - зеркало

214 - управляющий модуль

215 - синхронизирующий вычислительный модуль

216 - модуль обработки сигналов

217 - детектор-индикатор - для обнаружения газа-индикатора

218 - второй лазер

Фиг.3a

301 - полоса абсорбции этанола 1.38-1.41 мкм (полоса, описанная в уровне техники, используемая, например, в US 2003160173)

302 - полоса абсорбции этанола 2.68-2.78 мкм (полоса, описанная в уровне техники, используемая, например, в заявке JP 2000230900)

303 - полоса абсорбции этанола 3.28-3.52 мкм

Фиг.3b

304 - полоса абсорбции этанола 10.7-12.00 мкм

305 - абсорбционный спектр водяного пара

306 - оптическая трансмиссия бокового стекла автомобиля

307 - абсорбционный спектр углекислого газа Фиг.4

401 - полоса абсорбции этанола 3.28-3.52 мкм

402 - острый пик абсорбции 3.345 мкм

403 - абсорбционное «plateau» (для нормализации сигнала острого пика 402)

404 - абсорбционное «plateau» (для нормализации сигнала острого пика 405)

405 - острый пик абсорбции 3.447 мкм

Фиг.5

501 - полоса абсорбции этанола 6.49-7.46 мкм

502 - острый пик абсорбции 7.174 мкм

503 - полоса абсорбции этанола 7.74-8.33 мкм

504 - острый пик абсорбции 8.057 мкм

505 - полоса абсорбции этанола 8.84-10.10 мкм

506 - острый пик абсорбции 9.377 мкм

507 - полоса абсорбции этанола 10.7-12.00 мкм

508 - острый пик абсорбции 11.372 мкм

Фиг.6

601 - перестраиваемый одномодовый лазер

602 - одномодовый лазер-индикатор

603.1 - сумматор пучка

603.2 - разделитель пучка

604 - зеркало

605 - система линз

606 - оптический фильтр

607 - фотодиод

608 - фотодиод

609 - драйвер тока/температуры

610 - усилитель

611 - генератор частот модуляции

612 - генератор частот модуляции

613 - модуль обработки сигнала

614 - модуль обработки сигнала

615 - синхронизирующий вычислительный модуль

616 - исследуемое пространство

Изобретение относится к способу дистанционного обнаружения паров алкоголя в атмосфере, особенно выгодному для определении концентрации паров алкоголя в выдыхаемом человеком воздухе, особенно в местах, в которых запрещено пребывание под влиянием алкоголя и/или предупредительно перед посадкой в автомобиль или в качестве теста во время управления автомобилем, а также к устройству для обнаружения паров алкоголя в атмосфере. Заявленный способ дистанционного обнаружения паров алкоголя в атмосфере, в частности, применимый для определения концентрации паров этанола в выдыхаемом человеком воздухе, в особенности, в салоне транспортного средства, включает направление через исследуемое пространство пучка света, предпочтительно от лазерного источника света, длина волны которого соответствует спектру поглощения алкоголя в средней инфракрасной спектральной области, измерение интенсивности света после прохождения пучком света через упомянутое пространство и определение концентрации паров алкоголя на основании спектрального анализа зависимости между интенсивностью света и уровнем содержания алкоголя. При этом перестраивают длину волны лазерного источника света в диапазон, включающий пик поглощения этанола, предпочтительно, на волне 3,345 мкм или 3,447 мкм или 7,174 мкм или 8,057 мкм или 9,377 мкм или 11,372 мкм, а также частично и/или полностью включающий плато поглощения этанола, предпочтительно находящееся в непосредственной близости от пика поглощения, с целью правильного количественного определения содержания паров алкоголя. Технический результат – возможность определения следовых количеств паров алкоголя в выдыхаемом воздухе, в особенности дистанционное определение, без необходимости прерывания текущих действий. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ дистанционного обнаружения паров алкоголя в атмосфере, в частности, применимый для определения концентрации паров этанола в выдыхаемом человеком воздухе, в особенности в салоне транспортного средства, включающий направление через исследуемое пространство пучка (102, 105) света предпочтительно от лазерного источника (101, 104, 201) света, длина волны которого соответствует спектру поглощения алкоголя в средней инфракрасной спектральной области (303, 401), измерение интенсивности света после прохождения пучком (102, 105) света через упомянутое пространство и затем определение концентрации паров алкоголя на основании спектрального анализа зависимости между интенсивностью света и уровнем содержания алкоголя, отличающийся тем, что перестраивают длину волны лазерного источника (101, 104, 201) света в диапазон, включающий пик поглощения этанола предпочтительно на волне 3,345 мкм (402), или 3,447 мкм (405), или 7,174 мкм (502), или 8,057 мкм (504), или 9,377 мкм (506), или 11,372 (508) мкм, а также частично и/или полностью включающий плато (403, 404) поглощения этанола, предпочтительно находящееся в непосредственной близости от пика поглощения, с целью правильного количественного определения содержания паров алкоголя.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно перестраивают длину волны в диапазон, включающий одну или множество линий спектра поглощения газа-индикатора, такого как двуокись углерода (307) и/или водяной пар (305), который используют для измерения объема выдыхаемого воздуха.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что непосредственно перед измерением содержания этанола регистрируют и исключают из измеряемого сигнала фоновый сигнал, который содержит сигнал поглощения из атмосферных газов и характеристики лазерного источника (101, 104, 201) света, включая любые искажения принимаемого оптического сигнала.

4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что также используют второй лазерный источник (218) света, длина волны которого соответствует волне поглощения газа-индикатора, такого как двуокись углерода и водяной пар, направляют пучок света, генерированный вторым лазерным источником (218) света, через салон транспортного средства, содержащий образец выдыхаемого воздуха, определяют уровень содержания двуокиси углерода или водяного пара в салоне (106, 209) транспортного средства на основании измерения обнаруженного уровня света от второго лазерного источника (218) и затем вычисляют уровень содержания алкоголя в выдыхаемом воздухе с использованием измеренного уровня поглощения паров этанола и измеренного уровня содержания газа-индикатора в салоне (106, 209).

5. Устройство дистанционного обнаружения концентрации паров этанола в выдыхаемом воздухе, содержащее источник света, предпочтительно лазерный источник (101, 104, 201) света, и детектор (103, 108, 203) для обнаружения интенсивности лазерного света источника, излучающего на волне, длина которой соответствует спектру поглощения этанола, отличающееся тем, что упомянутое устройство оснащено модулем (205) синхронизации и расчета для определения концентрации этанола путем спектрального анализа, который соединен с детектором (103, 108, 203) для обнаружения интенсивности света, при этом лазерный источник излучает пучок света в диапазоне, включающем пик поглощения этанола на волне 3,345 мкм (402) или 3,447 мкм (405), частично и/или полностью плато (403, 404) поглощения этанола, предпочтительно находящееся в непосредственной близости от пика поглощения, с целью правильного количественного определения содержания паров алкоголя.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что дополнительно перестраивают длину волны лазерного источника (201) света в диапазон, включающий одну или множество линий спектра поглощения газа-индикатора, такого как двуокись углерода (307) и/или водяной пар (305), с целью определения абсолютной концентрации этанола в выдыхаемом воздухе.

7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что оно оснащено дополнительным лазерным источником (218) света на волне, длина которой соответствует одной или множеству линий спектра поглощения газа-индикатора.

8. Устройство по любому из пп. 5, 6, отличающееся тем, что оно сконфигурировано на обнаружение присутствия паров алкоголя в пассажирском салоне транспортного средства и дополнительно оснащено дисплеем и/или другим оборудованием для дальнейшей обработки.