PL236747B1

PL236747B1 - Sposób i urządzenie do zdalnego wykrywania par alkoholu w atmosferze

Info

Publication number: PL236747B1
Application number: PL399354A
Authority: PL
Inventors: Paweł Kluczyński; Stefan Lundqvist
Original assignee: Airoptic Spolka Z Ograniczona Odpowiedzialnoscia
Priority date: 2012-05-29
Filing date: 2012-05-29
Publication date: 2021-02-08
Also published as: US9068885B2; EP2669660B1; RU2013124088A; EP2669660A1; RU2653096C2; PL399354A1; US20130334419A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób zdalnego wykrywania par alkoholu w atmosferze, szczególnie przydatny do określania zawartości par alkoholu w wydychanym przez człowieka powietrzu, zwłaszcza w strefie, w której zabronione jest przebywanie pod wpływem alkoholu i/lub wyprzedzająco przed wejściem do pojazdu, lub też testowo podczas kierowania nim. Przedmiotem wynalazku jest także urządzenie do zdalnego wykrywania par alkoholu w atmosferze.

Już w 1975 Alobadi et.al. wykorzystywał laser HeNe działający na długości fali 3,39 pm do wykrywania par alkoholu w wydychanym powietrzu. Jednak selektywność pomiaru przy tej długości fali jest niska ze względu na obecność podobnych pasm absorpcyjnych z innych cząsteczek organicznych. System osiągnął minimalne wykrywalne stężenie 3 ppm. Laser HeNe nie jest przestrajalny, a jego użycie do wykrywania gazów opiera się na szczęśliwym zbiegu okoliczności między linią emisji lasera i linii absorpcyjnych w mierzonym gazie. W przypadku emisji lasera HeNe długość fali emisji 3,39 pm pokrywa się z liniami absorpcyjnych v3 pasma metanu, które w związku z tym dadzą silny zakłócający sygnał absorpcji przy tej długości fali. Metan może być obecny w niewielkich ilościach w komorze pojazdu, gdyż jest on generowany przez silniki samochodowe. Dlatego długość fali 3,39 pm nie nadaje się do wykrywania etanolu w tym środowisku, ponieważ nie jest specyficzna jedynie dla widma par etanolu tak więc istnieje ryzyko zakłóceń pochodzących z innych gazów, szczególnie metanu.

Podobny system znany jest ze zgłoszenia P.389627, gdzie zostały opisane sposób i urządzenie do zdalnego wykrywania par alkoholu w jadącym samochodzie przy użyciu lasera HeNe na długości fali 3,49 pm. Sposób polegał na emisji dwóch wiązek światła monochromatycznego układem laserowym w niewielkich odstępach czasowych, z których jedna jest emitowana na częstotliwości dopasowanej do pasma absorpcji par alkoholu, a druga na częstotliwości nie pokrywającej się z pasmem absorpcji tych par. Po „prześwietleniu” wnętrza badanego samochodu, wiązki są rejestrowane przez układ detekcji, dając sygnał różnicowy, na podstawie którego układ przetwarzania danych określa i sygnalizuje zawartość par alkoholu w kontrolowanym samochodzie. Układ laserowy może się składać z dwóch laserów połączonych w układzie optycznym, przy czym po przejściu wiązek są one rozdzielane przez siatkę dyfrakcyjną lub pryzmat i podawane na dwa detektory. Ponieważ pomiar opiera się na różnicy pomiędzy dwoma sygnałami pobranymi na dwóch stałych długościach fali, system jest również bardzo wrażliwy na zakłócenia pochodzące od innych cząsteczek obecnych w kabinie samochodu i atmosferze na zewnątrz pojazdu. Ponadto siła absorpcji par etanolu na długości fali 3,49 pm odpowiada tylko 1/3 maksymalnego osiągalnego szczytu absorpcji (proponowane w niniejszym raporcie), tak więc granica wykrywalności dla tego systemu nie będzie wystarczająca do wykrycia małych poziomów stężenia etanolu w kabinie, występujących w praktyce i wynoszących około 53 ppm dla osób o stężeniu alkoholu we krwi 0.2 promile. Autorzy wynalazku nie podają granicy wykrywalności osiągniętej przez ich system, eksperyment przeprowadzono jedynie przez odparowanie 10 g rektyfikowanego alkoholu w kabinie samochodu. Zakładając, że objętość kabiny to 4 m³, poziom odparowanego etanolu wynosi około 1200 ppm, co jest bardzo wysoką wartością, nie adekwatną do poziomów alkoholu generowanych przez pijanego kierowcę w rzeczywistości.

Bliźniaczo podobny sposób detekcji alkoholu przedstawiony jest w japońskim zgłoszeniu JP2000230900. Wniosek ten został później wycofany. System wykorzystuje dwie diody laserowe, jeden o długości fali pokrywającej się z pasmem absorpcyjnym par etanolu i jeden o długości fali poza pasmem absorpcji etanolu. Twórcy proponują obsługiwanie laserów w trybie impulsowym, tak aby pozostawić przesunięcie w czasie pomiędzy długościami fal, które umożliwiają korzystanie z jednego czujnika i sekwencyjny odbiór obydwu kanałów. Szerokość czasowa każdego impulsu wynosiła poniżej 60 ns, nie zastosowano dodatkowych modulacji laserów. Wykrywanie alkoholu proponuje się poprzez pomiar wysokości impulsu oraz zastosowanie kryteriów na obecność alkoholu poprzez zbiór logicznych bramek. Takie przetwarzanie i analiza sygnału są niewystarczające do wykrycia stężenia etanolu w kabinach pojazdów, w których obecni są kierowcy będący blisko dozwolonej granicy spożycia alkoholu w większości krajów, wynoszącej 53 ppm. Co więcej, fale, które zostały wybrane do wykrywania par etanolu odpowiednio 2,75 pm na absorpcję i 2,70 pm lub 2,80 pm na referencję, nie pozwolą na osiągnięcie wystarczającej czułości i selektywności, które są wymagane dla praktycznego czujnika. 2,75 pm leży na skraju pasma widma etanolu, gdzie absorpcja jest niska, prawie 20 razy niższa niż absorpcja szczytowa widma na długości fali 3,345 pm zaproponowanej w niniejszym zgłoszeniu. Dodatkowo głównym problemem proponowanego rozwiązania jest to, że absorpcja przez parę wodną i dwutlenek węgla, jednocześnie obecnych w atmosferze otoczenia, jest bardzo wysoka na długości fali zaproponowanej

PL 236 747 B1 do pomiaru. Nawet w umiarkowanych warunkach klimatycznych (1% poziom pary wodnej i 380 ppm dwutlenku węgla), wiązka lasera zostanie całkowicie zaabsorbowana na dystansie, który jest wymagany aby wiązka dotarła do pojazdu. Dla porównania zmiana mocy wiązki lasera spowodowana przez absorpcję etanolu po przejściu przez kabinę samochodową o szerokości 1,8 metra przy zastosowaniu światła na długości fali 2,75 pm wynosi tylko 0,0001%. Zróżnicowanie takiej małej zmiany, przy tak dużej zmianie tła oraz przy użyciu proponowanych metod obróbki sygnału, jest niemożliwe.

Podobny pomiar różnicowy został opisany w publikacji M. Schuetz et.al. “A mid-IR DIAL system using interband cascade laser diodes”, Proceedings of OSA/CLEO 2007 paper JThD88). Autorzy użyli dwóch laserów typu ICL (Interband Cascade Laser) na długościach fali 3,38 pm i 3,54 pm. Zaproponowane długości fali w połączeniu z metodą pomiaru nie pozwalają na uzyskanie wystarczającej czułości i selektywności pomiaru. W laboratoryjnych warunkach uzyskano limit detekcji wynoszący 40 ppm co jest prawie 100 razy za dużo aby system taki mógłby być zastosowany w praktyce.

Metoda opisana w artykule (M. Azzazy et.al. „Zdalny czujnik do wykrywania alkoholu osłabionej kierowców” lEEE-Laser i Electro-Optics Society Annual Meeting, cz. 2, s. 320-321,1995) wykorzystuje po raz pierwszy do pomiaru przestrajalną diodę laserową przy zastosowaniu techniki modulacji długości fali (metoda WMS) do wykrywania par alkoholu. System wykorzystuje wąską gałąź Q etanolu na długości fali emisji 1,392 pm. Pozostałe pasma absorpcyjne są odrzucone przez autorów, gdyż podlegają one silnym zakłóceniom pochodzącym od innych gazów, albo też wymagają użycia laserów wymagających chłodzenia kriogenicznego. System był ustawiony na stole laboratoryjnym, gdzie użyto kuwety absorpcyjnej o długości 1 metra do symulowania typowej szerokości kabiny samochodu. Nie podano minimalnego wykrywalnego stężenia par etanolu osiągniętego przez ten system. Ponadto, nie został on przewidziany do jednoczesnego pomiaru gazów znakujących w wydychanym powietrzu, takich jak CO2 lub H2O, co uniemożliwiało ilościowy pomiar poziomu alkoholu w krwi kierowców.

Ci sami autorzy w patencie nr US5349187 ujawniają system laserowy do bezinwazyjnego wykrywania pijanych kierowców. W opisanym urządzeniu wykorzystany jest laser o modulowanej długości propagowanej fali światła, detektor i analizator sygnału oparty na spektroskopowej nisko-ilościowej detekcji oparów alkoholu, przy czym elementy systemu rozmieszczone są po przeciwnych stronach badanego pojazdu. Przykładowe rozwiązanie proponuje użycie lasera typu external cavity na długości fali 1,5 pm lub kriogenicznie chłodzonego lasera półprzewodnikowego na solach ołowiu na długości fali 3,393 pm, gdzie według autorów obecne są linie absorpcyjne par alkoholu. Etanol nie posiada linii absorpcyjnych w regionie 1,5 pm, nie ma również odizolowanych linii absorpcyjnych na długości 3,393 pm, w tym regionie występuje jedynie ciągłe widmo absorpcji. Tak jak i w przypadku powyżej opisanych zgłoszeń, na długości fali 3,393 pm wiele innych gazów występujących w atmosferze czy kabinie pojazdu (takich jak metan, metanol, propan i propylen) posiada podobne właściwości absorpcyjne co pary etanolu, zatem selektywny pomiar par alkoholu nie jest to możliwy tylko przy pomocy analizy widmowej absorpcji na długości fali 3,393 pm. Ponadto szerokie widmo absorpcyjne w tym rejonie nie wygeneruje odizolowanego sygnału absorpcyjnego przy zaproponowanej metodzie WMS, co z kolei nie pozwoli na wyodrębnienie sygnału pochodzącego od par alkoholu od sygnału absorpcji tła pochodzącego od innych gazów występujących w tym czasie kabinie pojazdu lub na zewnątrz.

Z publikacji patentowej nr US2003/160173 A1 znany jest układ, w którym do zdalnego wykrywania par etanolu wykorzystano przestrajalny laser propagujący falę świetlną o długości fali 1,392 pm. Po przejściu przez przestrzeń badaną, promień odbijany jest przez układ luster i pada na detektor. Metoda pomiaru oparta na detekcji par alkoholu na długości fali 1,392 pm nie pozwala na uzyskanie wystarczającej czułości i selektywności pomiaru nie tylko ze względu na małą siłę absorpcji par alkoholu na tej długości fali, ale także ze względu na obecność silnych zakłóceń sygnału przez parę wodną, która bardzo silnie absorbuje na tej długości fali. W zgłoszeniu nie podano informacji na temat uzyskanej dokładności pomiaru i limitu detekcji. Ta sama grupa opublikowała jednak dwa artykuły (A. Nadezhdinskii et.al. Spectrochimica Acta A, tom. 55, s. 2049-2055,1999 oraz Berezin et.al. Applied Physics B, tom 75 s. 203-214, 2002), gdzie limit detekcji wynosił 350 ppm w warunkach laboratoryjnych. Jest to prawie tysiąckrotnie więcej niż limit detekcji wymagany do miarodajnego pomiaru alkoholu (tj. 53 ppm, które dodatkowo będzie rozrzedzone w kabinie, poprzez wentylację samochodową, etc.).

W patencie nr US5907407 zaproponowano ekstrakcyjny układ pokładowy przy zastosowaniu metody ILS (Intra cavity Laser Spectroscopy) posiadający zwiększoną czułość. Do pomiaru par alkoholu zaproponowano trzy różne długości fali: 1,39 pm, 2,74 pm, 3,39 pm, przy czym za najlepszy pomiar oznaczania par uznano ten przy fali o długości 3,39 pm. Podobnie jak w innych przypadkach opisanych

PL 236 747 B1 powyżej, żadna z tych długości fali nie nadaje się do wystarczająco precyzyjnego i selektywnego pomiaru par alkoholu ze względu na interferencje z innymi gazami obecnymi w atmosferze lub wydychanym powietrzu, szczególnie pary wodnej i metanu. Poza tym urządzenie to nie umożliwia zdalnego pomiaru par alkoholu, gdyż jest montowane w kabinie samochodu.

Z patentu nr US7292153 znany jest system do zdalnego rozpoznawania zawartości alkoholu we krwi kierowcy pośrednio poprzez pomiar par aldehydu octowego w wydychanym powietrzu. Etanol musi być utleniony zanim będzie usunięty z organizmu ludzkiego. Główna część etanolu ulega utlenieniu w wątrobie do aldehydu octowego przez enzym dehydrogenazy alkoholowej. Aldehyd octowy będzie więc obecny w wydychanym powietrzu po spożyciu alkoholu. Ogólnie poziom par aldehydu octowego w wydychanym powietrzu jest 10-100 niższy niż w przypadku par samego etanolu po spożyciu alkoholu. Ze względu na indywidualne różnice w sprawności przemiany alkoholu między osobami, stężenie aldehydu octowego w wydychanym powietrzu różni się wiele pomiędzy osobnikami (KV Mitsubayashi et.al., Biosensors and Bioelectronics, Vol. 20, s. 1573/79, 2005). Nie ma prostego przelicznika pomiędzy poziomem aldehydu octowego w oddechu i poziomem alkoholu we krwi. Relacja ta jest bardzo zależna od aktywności enzymatycznej w organizmie. Trudno jest także przewidzieć stężenie aldehydu octowego w wydychanym powietrzu u osób z niedoborem dehydrogenazy. Duża część populacji azjatyckiej ma tę mutację genetyczną. W artykule (P.C. Kamat et.al. “Measurement of acetaldehyde in exhaled breath using a laser absorption spectrometer,” Applied Optics, vol. 46 pp. 3969-3975, 2007) do pomiaru par aldehydu octowego użyto lasera na solach ołowianych chłodzonego kriogenicznie razem z kuwetą absorpcyjną o długości 100 m. Długość wiązki dostrojona była do 5,79 pm, otrzymana czułość instrumentu to 80 ppb.

W opisie patentowym nr US 7292153, zaproponowano system do zdalnego pomiaru par aldehydu octowego w celu badania zawartości alkoholu we krwi. System wykorzystuje monochromatyczne źródło światła na długości fali 340 nm. Nie jest jasne, dlaczego ta długość fali została wybrana ponieważ aldehyd octowy ma widmo absorpcji skupione wokół 290 nm, natomiast absorpcja przy 340 nm wynosi zaledwie 8% wartości maksymalnej. Nie wiadomo, jaką procentową absorbancję osiągnięto przy pomocy tego systemu. Szerokie widmo aldehydu octowego w na tej długości fali ponadto nie dopuszcza do wykorzystania technik modulacji, takich jak WMS, aby uzyskać wystarczającą czułość pomiaru. Metoda zaproponowana w tym zgłoszeniu nie wystarcza do uzyskania odpowiedniej czułości pomiaru wymaganej do wykrywania pijanych kierowców.

Przedstawione powyżej metody, oprócz niewystarczającej czułości i selektywności pomiaru etanolu, dodatkowo nie pozwalają na ilościowe określenie stężenia etanolu w wydychanym powietrzu, jedynie pozwalają zauważyć jego obecność. W celu ilościowego pomiaru stężenia etanolu w wydychanym powietrzu i uniezależnienie go od powietrza dostającego się do pojazdu z zewnętrznego nawiewu lub działającej wewnątrz klimatyzacji konieczny jest jednocześnie pomiar innych gazów znajdujących się w wydychanym powietrzu, których stężenie jest znane z ogólnych praw biologii oraz których rozrzedzenie w atmosferze jest podobne do par etanolu. W ten sposób można oszacować efektywną długość kolumny absorpcji i rozrzedzenie próbki wydychanego powietrza. Metody takie zaproponowane zostały dotychczas tylko dla pokładowych urządzeń ekstrakcyjnych, tzn. zbierających próbkę gazu z jednego punktu wewnątrz kabiny kierowcy. W patencie nr US7279132 oraz zgłoszeniu patentowym US2010/0188232 zaproponowano dwutlenek węgla jako gaz znakujący do określenia oczekiwanej ilości innych gazów w wydychanym powietrzu przy jednoczesnym wykorzystaniu metody NDIR.

Wszystkie z wymienionych znanych sposobów oznaczania par alkoholu są niewystarczające. Nie można znanymi do tej pory metodami dokonać precyzyjnego pomiaru śladowych ilości par alkoholu w wydychanym przez człowieka powietrzu. Dotychczasowe pomiary wskazują jedynie na jego obecność w chwili, gdy dopuszczalna przepisami prawa ich ilość jest już znacznie przekroczona, przy czym istnieje znaczne ryzyko przekłamań pomiaru z uwagi na obecność innych gazów w wydychanym powietrzu lub atmosferze.

Rozwiązanie według niniejszego wynalazku niweluje tę niedogodność. Celem rozwiązania według wynalazku jest możliwość oznaczania śladowych ilości par alkoholu w wydychanym powietrzu, szczególnie zdalnego oznaczania bez konieczności przerywania bieżącej czynności badanego.

Sposób według wynalazku polega na tym, że wiązkę światła z laserowego źródła światła, o długości fali odpowiadającej widmu absorpcji etanolu w przedziale Mid-IR, przepuszcza się przez przestrzeń pomiarową, a następnie mierzy się natężenie światła po przejściu wiązki przez tę przestrzeń, po czym - w oparciu o analizę spektralną zależności natężenia światła od zawartości etanolu - określa się stężenie par etanolu, przy czym, celem uzyskania prawidłowego ilościowego oznaczenia par etanolu,

PL 236 747 B1 przestraja się długość fali źródła światła w zakresie pokrywającym ostre maksimum absorpcji etanolu na długości fali 3,345 gm lub 3,447 gm oraz część lub całość „plateau” absorpcyjnego etanolu, zlokalizowanego korzystnie w bliskim otoczeniu tego maksimum, celem uzyskania prawidłowego ilościowego oznaczenia par etanolu.

Korzystnym jest gdy dodatkowo przestraja się długość fali w zakresie długości obejmującym pojedynczą linię absorpcyjną lub wielokrotne linie absorpcyjne gazów znakujących, takich jak dwutlenek węgla i/lub para wodna, używanych do pomiaru ilości wydychanego powietrza.

Korzystnym jest także gdy bezpośrednio przed pomiarem etanolu rejestruje się i usuwa z sygnału pomiarowego sygnał tła, który zawiera sygnał absorpcji z gazów atmosferycznych oraz charakterystykę laserowego źródła światła, a w tym dowolne zniekształcenie odebranego sygnału optycznego.

Ponadto korzystnym jest gdy stosuje się także drugie laserowe źródło światła, o długości fali odpowiadającej właściwości absorpcji gazu znakującego, przy czym wytwarzaną wiązkę światła z tego źródła przepuszcza się przez przedział pasażerski pojazdu zawierający próbkę wydychanego powietrza, zaś stężenie dwutlenku węgla lub pary wodnej w przedziale pojazdu określa się na podstawie pomiaru natężenia światła wykrywanego z drugiego źródła światła, a następnie stężenie etanolu w wydychanym powietrzu oblicza się z wykorzystaniem zmierzonej absorpcji par etanolu i zmierzonego stężenia gazu znakującego w przedziale.

Istotę urządzenia według wynalazku stanowi zestaw laserowego źródło światła, emitującego wiązkę światła w zakresie długości fal pokrywającym ostre maksimum absorpcji etanolu, przy długości fali wynoszącej 3,345 gm lub 3,447 gm oraz część lub całość absorpcyjnego „plateau” etanolu, korzystnie zlokalizowanego w pobliżu wspomnianego maksimum, z detektorem światła, przy czym urządzenie to jest także wyposażone w elektroniczny, połączony z detektorem światła, moduł obliczeniowy, celem obliczenia stężenia etanolu na drodze analizy widmowej.

Korzystnym jest gdy laserowe źródło światła jest dodatkowo przestrajalne na długość fali w zakresie pokrywającym pojedynczą linię absorpcyjną lub wielokrotne linie absorpcyjne gazu znakującego, takiego jak dwutlenek węgla i/lub para wodna, celem określenia absolutnego stężenia etanolu w wydychanym powietrzu.

Korzystnym jest także gdy urządzenie jest wyposażone w drugie laserowe źródło światła o długości fali odpowiadającej pojedynczej lub wielokrotnej linii absorpcyjnej gazu znakującego.

Korzystnym skutkiem stosowania wynalazku jest poprawienie stanu techniki, poprzez znaczne zwiększenie czułości i selektywności urządzeń do pomiaru par etanolu w wydychanym powietrzu.

Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na podstawie przykładów oraz rysunku, na którym poszczególne figury przedstawiają:

fig. 1a - system kontroli pracowników przed wejściem do miejsca pracy, fig. 1b - system kontroli kierowców w przejeżdżających pojazdach, fig. 2a - układ blokowy urządzenia do kontroli poziomu par alkoholu z jednym laserem, fig. 2b - układ jak wyżej lecz z dwoma laserami i detektorem znakującym, fig. 3a - spektrum etanolu, pary wodnej i optyczna transmisja typowego okna samochodowego, fig. 3b - spektrum etanolu, dwutlenku węgla i optyczna transmisja typowego okna samochodowego, fig. 4 - optyczna transmisja w regionie od 3,326 do 3,587 gm, stężenie par etanolu ppm, fig. 5 - optyczna transmisja w regionie od 6,512 do 11,936 gm, stężenie par etanolu ppm, fig. 6 - układ jak na fig. 2b lecz z dwoma laserami i detektorem gazu znakującego oraz generatorami przebiegów modulacji.

Szczególnie, wynalazek dotyczy techniki zdalnego określania poziomu etanolu w wydychanym powietrzu u nietrzeźwej osoby lub osób, które zmierzają do lub przebywają w obszarze, w którym przebywanie osób nietrzeźwych jest zabronione, np. miejsca pracy, jak pokazano na fig. 1 a, na której laser 101 wysyła wiązkę 102 do detektora 103, w świetle drzwi, przez które przechodzi pracownik. Innym zastosowaniem wynalazku jest monitorowanie stężenia par alkoholu etylowego w wydychanym powietrzu osoby znajdującej się w kabinie pojazdu silnikowego, jak pokazano na fig. 1b. W tym przypadku laser 104 i detektor 108 są usytuowane po obydwu stronach jezdni, zaś wiązka 105 przenika badaną przestrzeń 106 i poprzez szybę samochodową 107 dociera do detektora 108.

PL 236 747 B1

W proponowanym rozwiązaniu wykorzystuje się spektrometrię absorpcyjną do pomiaru par alkoholu w wydychanym powietrzu. Źródłem światła może być także konwencjonalna lampa filamentowa, LED, czy też inny emiter światła o odpowiedniej długości fali. Zastosowanie lasera 101 pozwala na wygenerowanie spójnej, monochromatycznej wiązki 102, która może być propagowana na dużą odległość. Dokonując pomiaru ilości zabsorbowanego światła, określa się stężenie etanolu zawartego w przestrzeni pomiarowej.

W pierwszym wariancie rozwiązania przedstawionym na fig. 2a, fotodetektor 203 jest połączony z laserem 201 za pośrednictwem modułu obróbki sygnału 206, modułu synchronizacyjno-obliczeniowego 205 oraz sterownika lasera 204. Laser 201 emituje na wybranej długości fali i przesyła wiązkę przez badaną przestrzeń 202, gdzie jest obecna próbka wydychanego powietrza, do fotodetektora 203, którym mierzy się natężenie światła. Korzystnym rodzajem detektora jest InAs / InAsSbP. Sterownik lasera 204 jest źródłem prądu oraz reguluje temperaturę, tak aby osiągnąć właściwą długość emitowanej fali. Moduł ten zawiera także wszelkie obwody niezbędne do przemiatania i modulowania długości fali lasera poprzez widmo absorpcji gazu. Sygnał z fotodetektora 203 jest podawany do modułu obróbki sygnału, 206, który dostarcza informacje o widmie absorpcyjnym mierzonego gazu. Moduł synchronizacyjno-obliczeniowy 205 dokonuje synchronizacji sygnałów oraz oblicza stężenia gazu na podstawie widma absorpcyjnego dostarczonego przez moduł 206. Urządzenie może ponadto zawierać elementy do pomiaru gazów znakujących, takich jak para wodna lub dwutlenek węgla, obecnych w wydychanym powietrzu i których stężenie jest znane, w celu określenia długości kolumny absorpcyjnej i rozrzedzenia próbki wydychanego powietrza w badanej przestrzeni. Jeśli widmo absorpcyjne etanolu i gazu znakującego występuje w bliskim sąsiedztwie, w niedalekiej spektralnej odległości, to zarówno etanol i gaz znakujący mogą zostać zmierzone przy użyciu jednego lasera, tak jak pokazano na fig. 2a. Absolutne stężenie etanolu w wydychanym powietrzu może być określane za pomocą pomiaru stężenia etanolu i gazu znakującego. Stężenia par gazu nadmiarowego, takiego jak para wodna czy dwutlenek węgla, są stałe i znane na podstawie powszechnie znanych zależności w biologii i medycynie; mogą więc być użyte do określenia kolumny absorpcyjnej próbki wydychanego powietrza i stopnia jej rozrzedzenia w badanej przestrzeni. Procedura ta opisana jest bardziej szczegółowo w dalszej części opisu.

W drugim, pochodnym przykładzie rozwiązania, pokazanym na fig. 2b, urządzenie może dodatkowo zawierać laser do pomiaru gazów znakujących, takich jak para wodna lub dwutlenek węgla, obecnych w wydychanym powietrzu, w celu określenia objętości chmury wydychanego powietrza w badanej przestrzeni 209. Zespół dwóch, połączonych równolegle laserów 207 i 218, za pośrednictwem zespołu: sumator wiązki 208 - lustro 212, przesyła wiązkę poprzez badaną przestrzeń 209 do zespołu dwóch równolegle połączonych detektorów: fotodetektora 211 i detektora znakującego 217 za pośrednictwem zespołu: dzielnik wiązki 210 - lustro 213. Wyjście bloku detektorów 211 i 217 jest przyłączone do bloku laserów 207 i 218 za pośrednictwem modułu obróbki sygnałów 216, modułu synchronizacyjno-obliczeniowego 215 oraz modułu sterującego 214. Laser 207 emituje fale o długości odpowiedniej do pomiaru alkoholu etylowego, by następnie przesyłać wiązkę do badanej przestrzeni 209, gdzie obecna jest próbka wydychanego powietrza, oraz fotodetektor 211, który mierzy natężenie światła po przejściu wiązki lasera przez tą przestrzeń. Fotodetektor 211 jest skonfigurowany do oszacowania natężenia światła o długości fali używanej do wykrywania par etanolu. Drugi laser 218 emituje na wybranej długości fali do pomiaru gazów znakujących, takich jak CO2 lub H2O. Lasery są sterowane przez moduł synchronizacyjno-obliczeniowy 214. Temperatury i prądy każdego lasera są kontrolowane niezależnie od siebie. Skanowanie i metodę modulacji długości fal dla każdego lasera można wybrać oddzielnie. Elementów optycznych, takich jak lustra 212 i 213, sumator wiązki 208 oraz dzielnik wiązki 210, używa się do propagacji drugiej wiązki lasera tą samą drogą, co wiązkę pierwszego lasera. Optycznie, wiązki mogą również być skonfigurowane przez użycie mechanicznego skanera, skanera akustyczno-optycznego, skanera elektro-optycznego lub poprzez użycie optycznego elementu dyfrakcyjnego. Wiązki te mogą być ewentualnie przesłane równolegle do pierwszej wiązki w każdej dowolnej odległości pomiędzy wspomnianymi wiązkami.

Detekcji natężenia światła wiązek po przejściu przez badaną przestrzeń 209 dokonuje się oddzielnie dla długości fali wybranej do próbkowania etanolu oraz do próbkowania gazu znakującego. Można to korzystnie zrobić przy pomocy dzielnika wiązki 210 i lustra 213. Natężenie światła wiązek mierzy się w tym układzie przy użyciu dwóch detektorów, każdy dla innej długości fali. Fotodetektor 211, dla długości fali wybranej do wykrywania etanolu, to InAs / InAsSbP. Z kolei detektor znakujący 217, do wykrywania gazu znakującego/nadmiarowego, to InGaAs. W innych opcjonalnych konfiguracjach, ogól

PL 236 747 B1 nie znany układ filtrów optycznych może być także wykorzystany do rozdzielania dwóch wiązek o różnych długościach fali. Podobnie do detekcji natężenia światła z dwóch wiązek jednocześnie można wykorzystać jeden detektor w którym umieszczono dwa oddzielne materiały półprzewodnikowe o różnej spektralnej czułości. Sygnały elektryczne z detektora lub detektorów są przesyłane do modułu obróbki sygnałów 216, w celu odtworzenia widm absorpcyjnych, a następnie do modułu synchronizacyjno-obliczeniowego 215, gdzie dokonuje się obliczenia stężenia etanolu i gazów znakujących na podstawie widm spektralnych.

Kiedy widmo absorpcyjne gazu, które ma zostać zmierzone, pokrywa się z widmem absorpcyjnym innych gazów, obecnych jednocześnie w próbce na drodze wiązki pomiarowej, dochodzi wtedy do interferencji i zakłóceń spektralnych. Oznacza to, że światło będzie absorbowane tak samo lub prawie tak samo jak w przypadku obecności innego gazu, obecnego na drodze absorpcji, jak i gazu, który chcemy zmierzyć, np. etanolu. Te zakłócenia mogą stać się czynnikiem ograniczającym pomiar. Istnieje wiele spektralnych obszarów, które zawierają widma absorpcyjne innych składników gazowych obecnych w próbce, pokrywających się z widmem par etanolu. Widma absorpcyjne mniejszych cząsteczek, takich jak para wodna i dwutlenek węgla, posiadają charakterystyczne i dobrze rozseparowane rotacyjno-wibracyjne linie absorpcyjne, natomiast widma większych cząsteczek, takich jak węglowodory, występują najczęściej jako szerokie pasma absorpcyjne. Obecność dwutlenku węgla i pary wodnej w atmosferze silnie ogranicza wybór stosownych spektralnych regionów nadających się do pomiaru na otwartych atmosferycznych przestrzeniach, jak pokazano na fig. 3a i 3b. Stężenie wody w atmosferze otoczenia zwykle zawiera się pomiędzy 0,5 a 4%, podczas gdy w wydychanym powietrzu wynosi zwykle około 5%. Stężenie CO2 w atmosferze ma typowy poziom tła 390 ppm, podczas gdy w wydychanym powietrzu jest zwykle około 4,6%. Etanol absorbuje światło na niemal takich samych długościach fal jak H2O, ale jak widać na fig. 3a, istnieją „atmosferyczne okna”, w których absorpcja wody jest bardzo mała i jednocześnie gdzie cząsteczka etanolu posiada widmo absorpcji; są to pasma absorpcji etanolu 303 (długość fali 3,28-3,52 gm) i 304 (długość fali 10,7-12,00 gm). Dwutlenek węgla ma swoje silne pasma absorpcji na długościach fal około 4,26 gm i 2,7 gm, które uniemożliwiają przekazywanie promieniowania laserowego na większą odległość. Na długościach fali 1,38-1,41 gm oraz 2,68-2,78 gm występują pasma absorpcji etanolu 301 i 302, ale są one zupełnie nieprzydatne do stosowania z powodu silnych zakłóceń przez obecność CO2 i H2O. Z fig. 3a i 3b jasno wynika, że preferowane zakresy długości fal wybranych do wykrywania etanolu w atmosferze to 3,28-3,52 gm (3049-2841 cm^-1), 6,49-7,46 gm (1541-1340 cm^-1), 7,74-8,33 gm (1292-1201 cm^-1), 8,84-10,10 gm (1131-990 cm^-1) oraz 10,7-12,00 gm (935-833 cm^-1).

Do wykrywania etanolu w wydychanym powietrzu u osoby znajdującej się w kabinie pojazdu, okno pojazdu musi przepuszczać wystarczającą ilość światła na długości fali użytej do pomiaru, tak aby wiązka światła mogła przejść przez kabinę i zostać zmierzona. Na fig. 3a i 3b przedstawiono optyczną transmisję bocznej szyby samochodowej 306. Z tego wykresu możemy stwierdzić, że zakres długości fali około 3,28-3,52 gm (pasmo absorpcji etanolu 303) jest najkorzystniejszym wyborem, ponieważ charakteryzuje się ona niskim poziomem zakłóceń spektralnych pochodzących od dwutlenku węgla 307 i pary wodnej 305, a jednocześnie transmisja optyczna przez okno samochodowe jest dobra. Natomiast do wykrywania stężenia etanolu w wydychanym powietrzu u osób nietrzeźwych w miejscach nie ograniczonych przez okna, długość fali około 10 gm (pasmo absorpcji etanolu 304) jest również dobrym wyborem.

Pomiar stężenia gazów o wyższej masie cząsteczkowej, takich jak pary etanolu, jest szczególnie trudny, ponieważ gazy te na ogół nie wykazują rozdzielonych rotacyjno-wibracyjnych linii absorpcyjnych i charakteryzują się szerokimi pasmami spektralnymi o szerokości większej niż zakres strojenia jakiegokolwiek dostępnego przestrajalnego lasera półprzewodnikowego, w którym nie zastosowano zewnętrznego rezonatora. Dodatkowym utrudnieniem jest to, że w zakresie długości fal, w których występuje widmo etanolu, istnieje także wiele innych widm ciężkich cząsteczek o podobnych „rozmytych” cechach widmowych. Jednakże, jak pokazano na fig. 4 i fig. 5, widmo absorpcji etanolu posiada dobrze zdefiniowane, charakterystyczne ostre funkcje, które mogą być używane do odseparowania etanolu od innych składników zakłócających o szerokim paśmie, zajmujących ten sam przedział widmowy, takich jak aldehyd octowy, aceton, formaldehyd lub metanol. Jest oczywiste, że szeroka funkcja absorpcji, poza ostrą funkcją, przyczyni się do sygnału absorpcyjnego odebranego przez detektor. Jednakże, wykonując jednoczesny pomiar szerokopasmowej funkcji absorpcji i zastosowanie tejże wartości do normalizacji odebranej mocy optycznej, uzyskana zostanie prawidłowa wartość stężenia etanolu. Oprócz tego jest zawsze konieczne znormalizowanie zmierzonego poziomu promieniowania ze względu na

PL 236 747 Β1 straty, powodowane przez czynniki atmosferyczne, takie jak absorpcja i rozpraszanie przez mgłę i kurz, oraz przez zabrudzone elementy optyczne, takie jak soczewki, okna samochodowe, itd. Metoda obliczenia absolutnego stężenia etanolu w próbce wydychanego powietrza jest opisana poniżej.

Prawo Beer-Lamberta opisuje tłumienie promieniowania laserowego przez rozproszenie i przez absorpcję molekularną:

/_fl=V_oexp - σ + ^c..a, Z = Vexp gdzie: To - jest sumą strat optycznych w systemie, lo - jest emitowaną mocą lasera, σ - jest rozproszeniowym współczynnikiem ekstynkcji, c - jest stężeniem gazu, a: - jest współczynnikiem absorpcji gazu oraz L - jest długością drogi pomiarowej. Wprowadzono ponadto T = TO exp(-oL) - jako całkowitą transmisję ze względu na straty optyczne i tłumienie przez cząstki pyłu. Dla absorpcji jednego gazu, takiego jak etanol, można więc teraz napisać następujące wyrażenie:

f = Ą7T_a(c)exp[-ca(v)Z] gdzie T« (c) jest transmisją ze względu na absorpcję szerokopasmową przez cząsteczki w mieszaninie gazu. Ponieważ amplituda przemiatania długości fali lasera jest rzędu kilku nanometrów, można założyć, że w tym rejonie szerokopasmowa absorpcja molekularna jest niezależna od długości fali lasera i zależy wyłącznie od stężenia gazu w mieszaninie. Jak wspomniano wyżej, w przedziale długości fali 3-4 μΠΊ istnieje wiele szerokich widm absorpcyjnych węglowodorów. Obejmuje to także szerokopasmowe widmo absorpcji par etanolu, stąd T« (c) jest również funkcją stężenia par etanolu.

Udział ostrej funkcji widma etanolu 402 do całkowitego sygnału absorpcyjnego z drugiej strony silnie zależy od częstotliwości lasera, v, a zatem sygnał ten można jednoznacznie odróżnić i odseparować od absorpcji szerokopasmowej 403. Biorąc stosunek pomiędzy odseparowanym sygnałem absorpcyjnym z ostrej funkcji 402 oraz sygnałem szerokopasmowej absorpcji 403 (fig. 5), otrzymujemy następującą relację:

gdzie w ostatnim kroku wykorzystaliśmy fakt, że absorpcja etanolu jest mała. Jak widać powyższa procedura pozwala na normalizację sygnału absorpcji etanolu zarówno wobec T jak i T« (c) oraz zmian natężenia światła źródła lo, w regionie „plateau” absorpcyjnego 403 oraz, że znormalizowany sygnał zależy tylko od stężenia etanolu (c), w przedziale pomiarowym o długości L (mierzonym na przedziale widma ostrej funkcji absorpcji 3,345 μm 402). Jeżeli długość fali użytego lasera jest szeroko przestrajalna, region „plateau” można wybrać na innej długości fali niż 403 pokazany na fig. 4. Warunkiem koniecznym do wyboru miejsca spektralnego dla „plateau” jest to, że widmo absorpcji etanolu w tym rejonie jest płaskie i siła absorpcji jest jak najmniejsza, najkorzystniej zerowa. Przykładem takiego alternatywnego miejsca „plateau” jest region w pobliżu długości fali 3,326 μm, na początku widma transmisji pokazanej na fig. 4.

W przypadku, gdy gaz tworzy chmurę o niejednorodnym stężeniu, powyższa formuła ma następującą postać:

=\-c_BrACa(y^p(z)dz

L

CBrAc oznaczana stężenie etanolu w wydychanym powietrzu, p(z) jako rozkład cząsteczek etanolu w powietrzu wzdłuż mierzonej kolumny. Całka ł nie może być określona analitycznie, gdyż nieznana jest wielkość i rozrzedzenie próbki, jednak możemy ją znaleźć za pomocą jednoczesnego pomiaru wspomnianego gazu znakującego. Gazem znakującym może być H2O lub CO2, obydwa o znanym stężeniu w wydychanym powietrzu i obydwa o tym samym stopniu rozcieńczenia w powietrzu co cząsteczki etanolu [1], Możemy zatem napisać następującą zależność dla gazu znakującego:

S,_raccr = 1 - _P(Z)dZ

L

PL 236 747 Β1

Po usunięciu stałego ofsetu zarówno z sygnału pochodzącego z absorpcji etanolu jak i sygnału absorpcyjnego z gazu znakującego, a następnie biorąc ich stosunek otrzymujemy ostateczny wzór na stężenie etanolu w wydychanym powietrzu:

_ Cfracer ę ^CBrAC “ ę ^JEtOłi ^tracer

Sygnały Sesoh i St^cer mogą być mierzone przy użyciu jednego lasera w konfiguracji pokazanej na fig. 2a (jeśli linie absorpcyjne par etanolu i gazu znakującego są na bliskich sobie długościach fali) lub poprzez dwa oddzielne lasery, jeden dla etanolu, a drugi dla gazu znakującego, patrz ustawienie pokazane na fig. 2b.

W celu zwiększenia dokładności i czułości instrumentu do sondowania zawartości alkoholu w kabinach pojazdu, korzystnie wykorzystuje się dodatkową automatyczną funkcję usuwania tła (zerowania) stosowaną bezpośrednio przed rzeczywistym pomiarem. Sygnał tła jest rejestrowany podczas gdy wiązka lasera nie jest zasłonięta przez pojazd, sygnał ten następnie jest poddany normalizacji ze względu na straty optyczne w systemie i odjęty od odbieranego sygnału analitycznego. Sygnał tła jest znormalizowany w taki sam sposób jak sygnały analityczne, według procedury, którą opisano powyżej. Sygnał tła zawiera informacje o absorpcji gazów atmosferycznych, głównie H2O, które są absorbowane przez wiązkę lasera na drodze do strefy pomiarowej. W zależności od warunków pogodowych, poziom pary wodnej może być na tyle wysoki, że przesłania sygnał absorpcji par etanolu. Ponadto sygnał tła zawiera też charakterystykę amplitudową źródła, jak również zniekształcenia amplitudy pochodzące z układu opto-mechanicznego (tzw. efekt etalonu), które także zakłócają sygnał absorpcyjny z par etanolu. Dlatego metoda odejmowania tła w chwili przed pomiarem znacznie poprawia granicę wykrywalności par etanolu i jednocześnie zwiększa dokładność pomiaru.

Przedstawiony wynalazek korzystnie wykorzystuje źródła światła laserowego dla spektroskopii absorpcyjnej, co umożliwia selektywny pomiar ostrych funkcji w widmie absorpcyjnym dzięki wąskiej linii widmowej źródła. Dodatkowo, spójność źródła laserowego pozwala na przesyłanie skolimowanej wiązki na znaczne odległości, co jest niezbędne przy zdalnym pomiarze. Korzystnym typem lasera jest w tym przypadku laser DFB typu 1 (L. Naehle et al. „Continuous-wave operation of type-l quantum well DFB laser diodes emitting in 3,4 μm wavelength rangę around room temperaturę”, Electronic Letters 47, p. 46-47, (2011)). Alternatywnie, przestrajalny laser typu 2 (ICL), operacja w temperaturze pokojowej w zakresie fal 3,3-3,7 μΠΊ. Ponadto inne rodzaje źródeł światła mogą być używane, takie jak kwantowy laser kaskadowy (QCL) lub lasery typu VCSEL. W innym wariancie rozwiązania różnicowa generacja częstotliwości (DFG) może być wykorzystana. Jednak DFG dodaje kolejny poziom złożoności i kosztów, ponieważ wykorzystuje dwa pojedyncze lasery tryb pracy w bliskiej podczerwieni, które są mieszane w nieliniowym krysztale optycznym w celu generowania promieniowania laserowego na długości fali Ok. 3,5 μΠΊ.

Zaproponowana metoda określania stężenia par etanolu pozwala na znaczną poprawę pomiaru w stosunku do znanego obecnie stanu techniki, wykonując pomiary w jednym lub kilku następujących zakresów długości fali 3,28-3,52 μm (pasmo absorpcji etanolu 401) z ostrą funkcją absorpcji 402 (3,345 μm), 6,49-7,46 μm (pasmo absorpcji etanolu 501) z ostrą funkcją absorpcji 502 (7,174 μπι), 7,74-8,33 μm (pasmo absorpcji etanolu 503) z ostrą funkcją absorpcji 504 (8,057 μm), 8,84-10,10 μm (pasmo absorpcji etanolu 505) z ostrą funkcją absorpcji 506 (9,377 μπι), i 10,7-12,00 μm (pasmo absorpcji etanolu 507) z ostrą funkcją absorpcji 508 (11,372 μm), które mają minimalne zakłócenia spektralne pochodzące od pary wodnej lub dwutlenku węgla i gdzie jednocześnie cząsteczka etanolu silnie absorbuje. Na fig. 4. i fig. 5 zaznaczono korzystne rejony dla pomiaru etanolu metodą laserową. W każdym z wybranych zakresów długości fal występują ostre funkcje absorpcji: ostra funkcja absorpcji 3,345 μm 402 z „plateau” absorpcyjnym 403, ostra funkcja absorpcji 3,447 μm 405 z „plateau” absorpcyjnym 404 lub ostra funkcja absorpcji 7,174 μm 502, które mogą być używane do rozróżnienia absorpcji z cząsteczki etanolu od absorpcji pochodzącej od innych szerokopasmowych absorberów. Obecny wynalazek wykorzystuje jeden lub kilka takich ostrych funkcji poprzez skanowanie długości fali lasera poprzez tę ostrą funkcję. Jako przykład możemy użyć funkcji 402 do wykrycia etanolu i spektralnego obszaru szerokopasmowego w jej okolicach, 403 - do celów normalizacji sygnału, opisanej wcześniej przez aparat matematyczny. Całkowita spektralna szerokość obszarów 402 i 403 wynosi około 2 nm, co leży w zakresie przestrajalności jednomodowego lasera półprzewodnikowego typu GalnAsSb/AlGalnAsSb DFB, który zastosowano w tym wynalazku.

PL 236 747 B1

Światło laserowe przechodzi przez badaną przestrzeń, zawierającą próbkę wydychanego powietrza. Ta ilość gazu może być w znacznej odległości od aparatury pomiarowej, ponieważ natura światła laserowego umożliwia propagowanie wiązki na duże odległości. Wiązka światła jest następnie wykrywana za pomocą detektora skonfigurowanego do odbierania światła na danej długości fali i sygnał elektryczny z detektora jest doprowadzany do odpowiedniego modułu odpowiedzialnego za obróbkę sygnału. Do wykrywania promieniowania optycznego obecny wynalazek wykorzystuje fotodiodę InAs / InAsSbP, zoptymalizowaną do pracy na średniej podczerwieni. Do pracy w krótszych długościach fali, używa się detektorów InGaAs lub Si. Dla długości fali powyżej 3-4 μm można użyć detektora MCT, bez lub z elementem chłodzenia. Jednak każdy odpowiednio skonfigurowany detektor może być użyty do pomiaru natężenia światła.

W celu zwiększenia czułości pomiaru, korzystnie stosuje się dodatkowo technikę szybkiego przemiatania długości fali lasera razem z techniką sumowania skanów, która jest wysokoczęstotliwościową wersją techniki, opracowanej przez Jennings’a et.al. (“Absolute line strengths in v4, 12CH4: a dualbeam diode laser spetrometer with sweep integration”, Appl. Opt. 19, 2695 (1980)). Zastosowanie szybkiego skanowania jest również niezbędne w celu osiągnięcia krótkiego czasu próbkowania sygnałów, które są wymagane do badania stężenia etanolu w kabinie poruszającego się pojazdu. Zakładając, że prędkość samochodu wynosi 110 km/h, a długość okna bocznego - 1 m, to czas pomiaru dla pełnego spektrum mieści się w przedziale 0,03 sekundy. W celu osiągnięcia wystarczającego poziomu sygnału do szumów, częstotliwość skanowania musi być rzędu kilku kHz. Technika sumowania skanów zachowuje prawdziwy kształt linii absorpcyjnej i ułatwia kalibrację układu oraz zmniejsza wymagania na głębokość modulacji długości fali lasera. Ostre funkcje widma cząsteczki etanolu mają zwykle szerokość linii 10-20 razy większą niż w przypadku mniejszych cząsteczek, takich jak CO2 lub H2O, co samo w sobie nakazuje użycie większych amplitud modulacji w celu całkowitego pokrycia spektralnego całej funkcji.

W opcjonalnej konfiguracji wynalazku, w celu dalszego polepszenia czułości układu, można też zastosować technikę wykorzystującą dodatkową harmoniczną modulację długości fali, tzw. metodę WMS. Technika ta jest szczególnie dobrze przystosowana do wykrywania dla gazów znakujących, takich jak CO2 lub H2O, ponieważ ich linie absorpcyjne są wąskie i pozwalają na wykorzystanie modulacji długości fali o małej amplitudzie. W opisie wykazano zastosowanie tej techniki wykrywania ostrych funkcji widma absorpcji etanolu na długości fali około 3,345 μm. Zaletą tej techniki jest usunięcie spektralnych interferencji pochodzących od szerokopasmowych absorberów znajdujących się w obszarze pomiarowym lub atmosferze oraz redukcja szumów typu l/f w systemie. Jednak w przypadku zdalnego, szybkiego wykrywania oparów etanolu w pojeździe przebywającym w ruchu; technika WMS jest mniej korzystna ze względu na wymagany krótki czas pomiaru.

Przedstawione urządzenie do zdalnego wykrywania trzeźwości osób na określonym obszarze, automatycznie monitoruje poziom par etanolu w wydychanym powietrzu, bez konieczności przerywania normalnych procedur. Detekcja jest dokonywana w czasie rzeczywistym i informacje mogą być podłączone do ogólnego systemu monitorowania i nadzoru. Przedstawione urządzenie używane do zdalnego wykrywania trzeźwości kierowcy może znacznie zwiększyć wykrywalność, bez konieczności przerywania ruchu. Detekcja jest dokonywana w czasie rzeczywistym bez ograniczania prędkości pojazdów. System opisany w tym wynalazku jest zdolny do wykrywania obecności par etanolu o stężeniu mniejszym niż 0,5 części na milion (0,001 mg/l). Poziom ten odpowiada oczekiwanemu poziomowi par alkoholu w wewnętrznej kabinie pojazdu zajmowanego przez osobę pozostającą pod wpływem alkoholu w ilościach przekraczających dopuszczalne normy. Limit par etanolu w wydychanym powietrzu w wielu krajach europejskich, takich jak Polska i Szwecja wynosi 0,1 mg/l, co odpowiada 53 części na milion. Wydychane pary etanolu będą rozrzedzone przez objętość gazu w przedziale pasażerskim, jak i rozrzedzenie to zależeć będzie od zastosowania wentylacji w samochodzie. Rozrzedzenie musi być dlatego skwantyfikowane ilościowo, z wykorzystaniem jednoczesnego pomiaru gazu znakującego, w tym przypadku dwutlenku węgla.

Jak pokazano na fig. 6, w sposobie automatycznego wykrywania par alkoholu w powietrzu wykorzystuje się modulowaną długość propagowanej fali światła. Dla możliwości zdalnie wykonywanego procesu, propagacja pochodzi z przestrajalnego lasera jednomodowego 601 typu GalnAsSb / AlGalnAsSb, propagującego falę świetlną o długości 3,345 μm, która to długość jest zgodna z ostrą funkcją absorpcji 402 widma par etanolu. Laser 601 jest sprzęgany z tą długością fali za pomocą sterownika prądu/temperatury 609, do sterowania temperaturą lasera i prądem podkładu. Wyemitowana wiązka jest skolimo

PL 236 747 Β1 wana przez układ soczewek 605. Dodatkowy laser jednomodowy znakujący 602, identycznie sterowany, propaguje falę świetlną o długości 1,5786 μπι, która to długość jest zgodna z linią absorpcji gazu znakującego CO2. Wiązki z obydwu laserów są przestrzennie pokryte ze sobą dzięki układowi luster 604 i sumatora wiązki 603.1. Nadajnik emituje skolimowaną i spójną wiązkę przez badaną przestrzeń 616, zawierającą wydychane pary etanolu i dwutlenek węgla.

Skolimowana wiązka po przejściu przez obszar pomiarowy jest następnie rozseparowana na wiązki o długościach 1,5786 μm i 3,345 μm, i skierowana na dwa niezależne detektory, za pośrednictwem układu soczewek 605, dzielnika wiązki 603.2, dodatkowego filtra 606 i lustra 604. Detekcja sygnału następuje po drugiej stronie obszaru pomiarowego od źródła propagacji. Absorpcja optyczna przez smugę etanolu jest wykrywana przez detektor z fotodiodą 607 typu InAs / InAsSbP. Promieniowanie laserowe, zaabsorbowane przez CO2, jest wykrywane przez drugi detektor z fotodiodą 608, opartą na InGaAs. Następnie analizie poddawany jest spektroskopowy sygnał otrzymany po przejściu fal przez żądany obszar. Elektryczne sygnały z detektorów są wzmacniane w dwóch oddzielnych wzmacniaczach 610 (TIA) i przesłane do dwóch modułów obróbki sygnału 613 (CO2) i 614 (etanol). Wyjście z modułu obróbki sygnału może być używane do wyświetlania lub nagrywania wykrytego poziomu stężenia par etanolu. Przetwarzanie informacji i sterowanie za pośrednictwem modułu synchronizacyjno-obliczeniowego 615 umożliwia autonomiczną i bez nadzoru obsługę systemu. Wynikowo otrzymana informacja jest wyświetlana zdalnie, w miejscu oddalonym od pomiaru po przesyłaniu na pewną odległość. Jednostka ta również synchronizuje generatory przebiegów modulacji, odpowiednio 611 dla lasera 3,345 μm i 612 dla lasera 1,5786 μm.

Bezwzględne stężenie alkoholu w wydychanym powietrzu oblicza się na podstawie informacji pochodzącej z zarejestrowanego sygnału absorpcyjnego par etanolu i sygnału absorpcyjnego gazu znakującego dwutlenku węgla, zgodnie z wcześniej uzyskanym wzorem:

_ Cfracer ę ^CBrAC “ ę ^JEtOłi ^tracer

Dodatkowo, dla zwiększenia czułości układu i wyeliminowania zakłóceń poprzez czynniki atmosferyczne i innych zakłóceń w układzie (zakłócenia charakterystyki pracy lasera i układu optycznego) podczas propagacji wiązki światła do obszaru pomiarowego, np. kabiny auta, stosuje się wcześniej opisaną metodę usuwania tła (zerowanie).

Wykaz oznaczeń na rysunku

Fig. 1a

101 - laserowe źródło światła (laser)

102 - wiązka światła

103 - detektor światła (fotodetektor)

Fig. 1b

104 - laserowe źródło światła (laser)

105 - wiązka światła

106 - badana przestrzeń (przedział)

107 - szyba samochodowa

108 - detektor światła (fotodetektor)

Fig. 2a

201 - laserowe źródło światła (laser)

202 - badana przestrzeń (przedział)

203 - detektor światła (fotodetektor)

204 - sterownik lasera

205 - moduł synchronizacyjno-obliczeniowy

206 - moduł obróbki sygnału

Fig· 2b

207 - laser pierwszy

208 - sumator wiązki

209 - badana przestrzeń

210 - dzielnik wiązki

PL 236 747 B1

211 - fotodetektor

212 - lustro

213 - lustro

214 - moduł sterujący

215 - moduł synchronizacyjno-obliczeniowy

216 - moduł obróbki sygnałów

- detektor znakujący - do wykrywania gazu znakującego

218 - drugie laserowe źródło światła (laser)

Fig. 3a

301 - pasmo absorpcji etanolu 1,38-1,41 ąm (pasmo opisywane w stanie techniki używane m.in. w US2003160173)

302 - pasmo absorpcji etanolu 2,68-2,78 ąm (pasmo opisywane w stanie techniki i proponowane np. w zgłoszeniu JP2000230900)

303 - widmo absorpcji etanolu 3,28-3,52 ąm

Fig. 3b

304 - pasmo absorpcji etanolu 10,7-12,00 ąm

305 - spektrum absorpcji gazu znakującego - pary wodnej

306 - optyczna transmisja bocznej szyby samochodowej

307 - spektrum absorpcji gazu znakującego -CO2

Fig_4

401 - widmo absorpcji etanolu 3,28-3,52 ąm

402 - ostre maksimum absorpcji etanolu 3,345 ąm

403 - „plateau” absorpcyjne (do normalizacji sygnału z ostrej funkcji402)

404 - „plateau” absorpcyjne (do normalizacji sygnału z ostrej funkcji405)

405 - ostre maksimum absorpcji etanolu 3,447 ąm

Fig_5

501 - pasmo absorpcji etanolu 6,49-7,46 ąm

502 - ostra funkcja absorpcji 7,174 ąm

503 - pasmo absorpcji etanolu 7,74-8,33 ąm

504 - ostra funkcja absorpcji 8,057 ąm

505 - pasmo absorpcji etanolu 8,84-10,10 ąm

506 - ostra funkcja absorpcji 9,377 ąm

507 - pasmo absorpcji etanolu 10,7-12,00 ąm

508 - ostra funkcja absorpcji 11,372 ąm

Fig.6

601 - przestrajalny laser jednomodowy

602 - laser jednomodowy znakujący

603.1 - sumator wiązki

603.2 - dzielnik wiązki

604 - lustro

605 - układ soczewek

606 - filtr optyczny

607 - fotodioda

608 - fotodioda

609 - sterownik prądu/temperatury

610 - wzmacniacz

611 - generator przebiegów modulacji

612 - generator przebiegów modulacji

613 - moduł obróbki sygnału

614 - moduł obróbki sygnału

615 - moduł synchronizacyjno-obliczeniowy

616 - badana przestrzeń

PL 236 747 B1

Wykaz cytowanych publikacji

Patenty

1.	US Pat No. 7,095,501	Lambert, et al.
2.	US Pat No. 7,279,132	Sultan, et al.
3.	US Patent Application 2010/0188232 A1	Lambert, et.al.
4.	US Pat No. 5,907,407	Atkinson, et.al.
5.	PL P.389627	Mierczyk, et.al.
6.	US Pat No. 5,349,187	Azzazy, et.al.
7.	US Pat No. 7,292,153	Ahmed, et.al.
8.	US Patent Application 2003/160173 A1	Ershov, et.al.
9.	JP 2000-230900 (A)	Nishida

Inne publikacje

1. B. Hok, H. Pettersson, A. Kaisdotter Andersson, S. Haasl, P. Akerlund, “Breath Analyzer for Alcolocks and Screening Devices,” IEEE Sensors Journal, 10, pp. 10-15, (2009).

2. Beitel GA, Sharp MC, Glauz WD., “Probability of arrest while driving under the influence of alcohol,” Inj Prev. Jun, 6(2), pp. 158-61, (2000).

3. T.A. Alobadi and D.W. Hill, “A helium-neon laser infrared analyzer for alcohol vapour in the breath,” Journal of Physics E: Scientific Instruments, 8, pp. 30-32 (1975).

4. M. Azzazy, T. Chau, M. Wu, and T. Tanbun-Ek, “Remote sensor to detect alcohol impaired drivers,” lEEE-Laser and Electro-Optics Society Annual Meeting, 2, pp. 320-321, (1995).

5. A. Nadezhdinskii, A. Berezin, Yu. Bugoslavsky, O. Ershov, and V. Kutnyak, “Application of near-IR diode lasers for measurement of ethanol vapor,” Spectrochimica Acta Part A, 55, pp. 2049-2055, (1999).

6. A. Berezin, O.V. Ershov and A.I. Nadezhdinskii, “Trace complex-molecule detection using near-IR diode lasers”, Applied Physics B, 75, pp. 203-214, (2002).

7. M. Schuetz, J. Bufton and C.R. Prasad, “A mid-IR DIAL system using interband cascade laser diodes”, Proceedings of OSA/CLEO, paper JThD88, (2007).

8. K. Mitsubayashi, H. Matsunaga, G. Nishio, S. Toda and Y. Nakanishi, “Bioelectric sniffers for ethanol and acetaldehyde in breath after drinking”, Biosensors and Bioelectronics, 20, pp. 1573-1579, (2005).

9. PC. Kamat, C.B. Roller, K. Namjou, J.D. Jeffers, A. Farumarzallan, R. Salas and P.J. McCann, “Measurement of acetaldehyde in exhaled breath using u laser absorption spectrometer.” Applied Optics, 46, pp. 3069-3975,(2007).

10. L. Nuehle, S. Belahsene, M. von. Edlinger, M. Fischer, G. Boissier, P. Grech, G. Narcy, A. Vicet, Y. Rouillard, J. Koeth and L. Worschech, “Continuous-wave operation of type-I quantum well DFB laser diodes emitting in 3,4 pm wavelength range around room temperature”. ELETRONICS LETTERS, 47, p.46-47, (2011).

11. William Bewley, Chadwick Canedy, Chul Soo Kim, Mijin Kim, J. Ryan Lindle, Joshua Abell, Igor Vurgaftman and Jerry Meyer. “Ridge-width dependence of midinfrared interband cascade laser characteristics'”, Opt. Eng. 49, 111116, (2010).

12. D. E. Jennings. “Absolute line strengths in V4, ¹²CH4: a dual-beam diode laser spectrometer with sweep integration.” Appl. Opt. 19, 2695-2700, (1980).

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób zdalnego wykrywania par etanolu w atmosferze, dla oznaczania stężenia par etanolu w wydychanym przez ludzi powietrzu, zwłaszcza we wnętrzu przedziału pasażerskiego pojazdu, w którym wiązkę światła (102, 105) z laserowego źródła światła (101, 104, 201), o długości fali odpowiadającej widmu absorpcji etanolu w przedziale Mid-IR (303, 401), przepuszcza się przez przestrzeń pomiarową, a następnie mierzy się natężenie światła po przejściu wiązki (102, 105) przez tę przestrzeń, po czym, w oparciu o analizę spektralną zależności natężenia światła od zawartości etanolu, określa się stężenie par etanolu, znamienny tym, że przestraja się długość fali źródła światła (101, 104, 201) w zakresie pokrywającym ostre maksimum absorpcji etanolu na długości fali 3,345 pm (402) lub 3,447 pm (405) oraz część lub całość „plateau” absorpcyjnego etanolu (403, 404), zlokalizowanego korzystnie w bliskim otoczeniu tego maksimum, celem uzyskania prawidłowego ilościowego oznaczenia par etanolu.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że dodatkowo przestraja się długość fali w zakresie długości obejmującym pojedynczą linię absorpcyjną lub wielokrotne linie absorpcyjne gazów znakujących, takich jak dwutlenek węgla (307) i/lub para wodna (305), używanych do pomiaru ilości wydychanego powietrza.
3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że bezpośrednio przed pomiarem etanolu rejestruje się i usuwa z sygnału pomiarowego sygnał tła, który zawiera sygnał absorpcji z gazów atmosferycznych oraz charakterystykę laserowego źródła światła (101, 104, 201), w tym dowolne zniekształcenie odebranego sygnału optycznego.
4. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że stosuje się także drugie laserowe źródło światła (218), o długości fali odpowiadającej właściwości absorpcji gazu znakującego, przy czym wytwarzaną wiązkę światła z tego źródła przepuszcza się przez przedział pasażerski pojazdu zawierający próbkę wydychanego powietrza, zaś stężenie dwutlenku węgla lub pary wodnej w przedziale (106, 209) pojazdu określa się na podstawie pomiaru natężenia światła wykrywanego z drugiego źródła światła (218), a następnie stężenie etanolu w wydychanym powietrzu oblicza się z wykorzystaniem zmierzonej absorpcji par etanolu i zmierzonego stężenia gazu znakującego w przedziale (106, 209).
5. Urządzenie do zdalnego wykrywania stężenia par etanolu w wydychanym powietrzu, zwłaszcza we wnętrzu przedziału pasażerskiego pojazdu, zawierające laserowe źródło światła (101, 104, 201), emitujące falę o długości odpowiadającej widmu absorpcji etanolu, oraz detektor światła (103, 108, 203), przy czym wspomniane urządzenie jest także wyposażone w elektroniczny moduł obliczeniowy (205), połączony z detektorem (103, 108, 203), celem obliczenia stężenia etanolu na drodze analizy widmowej, znamienne tym, że wspomniane źródło (101, 104, 201) emituje wiązkę światła w zakresie długości fal pokrywającym ostre maksimum absorpcji etanolu, przy długości fal wynoszącej 3,345 pm (402) lub 3,447 pm (405), oraz część lub całość absorpcyjnego „plateau” etanolu (401,404), korzystnie zlokalizowanego w pobliżu wspomnianego maksimum, celem uzyskania prawidłowego ilościowego oznaczenia pary alkoholu.
6. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że laserowe źródło światła (201) jest dodatkowo przestrajane na długość fali w zakresie pokrywającym pojedynczą linię absorpcyjną lub wielokrotne linie absorpcyjne gazu znakującego, takiego jak dwutlenek węgla (307) i/lub para wodna (305), celem określenia absolutnego stężenia etanolu w wydychanym powietrzu.
7. Urządzenie według zastrz. 5 albo 6, znamienne tym, że jest wyposażone w drugie laserowe źródło światła (218) o długości fali odpowiadającej pojedynczej lub wielokrotnej linii absorpcyjnej gazu znakującego.