采用饱和蒸汽法模拟呼出气体酒精含量的配气装置的研制*

张守明 黄利君

(安徽省计量科学研究院，合肥 230051)



采用饱和蒸汽法模拟呼出气体酒精含量的配气装置的研制*

张守明 黄利君

(安徽省计量科学研究院，合肥 230051)

本文主要阐述一种采用饱和蒸汽法模拟呼出气体酒精含量的配气方法及装置的研制过程，研究了基于饱和蒸汽的浓度稀释的方法和装置，并建立了温度—饱和蒸汽压—浓度关系数学模型(浓度公式)。给出试验及参与全国的量值比对结果。

饱和蒸汽；模拟；呼出气体；酒精含量；装置

0 引言

由于乙醇的物理性质决定了，要想配制可储备的并符合要求的标准气体是一件非常困难的事情，主要是吸附问题难以解决。人们在这方面作过很多努力，从而产生几种配气方法，如：静态容量法、动态容量法、重量法钢瓶罐装标气和乙醇水溶液蒸汽法模拟装置等。但它们都或多或少地存在无法克服的弊端。主要表现在吸附和它们的工作的效率较为低下，使用不便等方面。本课题主要提出利用饱和蒸汽法研制一种可防止吸附的完全动态、方便快捷和功能全面的“模拟呼出气体酒精含量装置”，以提高工作效率。

1 数学模型的建立

饱和蒸汽法配气装置的原气就是无水乙醇的饱和蒸汽，其浓度的确定是项目研发的源头工作，本课题采用泰勒公式拟合了“温度—饱和蒸汽压”的关系式和水的饱和蒸汽压关系式，即

P(t)=a0+a1t+a2t2+a3t3+a4t4+a5t5

(1)

PW(t)=b0+b1t+b2t2+b3t3+b4t4+b5t5

(2)

一次稀释后浓度为：

(3)

二次稀释后浓度为：

(4)

式中，P(t)为温度t时的乙醇饱和蒸汽压；P0为乙醇溶液液面上的气压；PW(t)为温度t时水的饱和蒸汽压；PW0为水液面上的气压；F1、F2、F3、F4为配气过程的四个流量值；c0、c1、c2为装置各阶段输出酒精浓度；k为质量流量计通入含乙醇气体时的流量修正系数。在以上的基础上，即可获得工作浓度。

2 总体设计

2.1 总体方案

饱和蒸气法模拟呼出气体酒精含量配气装置的总体设计方案流程结构原理如图1所示，装置主要由气路及流量测量控制系统，温度、压力参数测量电路，微控制系统(含终端显示)部分组成。实际工作时系统首先由需要的浓度并根据温度压力的测量结果进行所需流量的反算，得出流量需求，再实施流量控制，从而实现反馈式的自动流量调节，得到稳定的需求浓度。

图1 装置的流程结构原理图

图2 气路流程结构图

2.2 气路设计

装置的气路流程原理图如图2，图中F1、F2、F3、F4为质量流量计。F1、F3及乙醇储液罐构成一级稀释气路，F2、F4(加湿时含储水罐)构成二级稀释气路，其中一级稀释气路中的稀释气体(由F3提供)一般为固定流量，载带气体(由F1提供)经过乙醇储罐中的乙醇液体，以保证获得饱和蒸汽，其饱和蒸汽的压力与温度有关，其饱和蒸汽浓度可按照分压定律计算获得。一级稀释后的气体经过一段弯管，进行充分的混合，然后作为二级稀释的原气，由于二级稀释所需要的原气量小于一级提供的流量，所以，采用转子流量计分流放空，排出多余气体，这样做既可以做到稳定放空避免周围环境气流的影响，重要的是可以利用转子流量计产生适度的压力，保证质量流量计(F2)正常工作。二级稀释气体由F4提供，可以进行加湿(可选)，由于F4提供的气体流量主宰着输出气体的流量，所以，只要调节F4的流量就可以决定供气流量，同时供气的温度(加湿方式时)可以通过将储水罐温度加热得到保证，这样输出气体的温度、流量和干湿都可以选择，这种灵活性是目前其他所有的装置所不具备的。

2.3 电子电路

电子电路主要包括电源模块、通讯接口和信号采集模块。电源模块提供四个质量流量计的直流电源、嵌入式单板机的工作电源、其他模块的工作电源及电子控制的用于恒温加热220V交流电源。通讯接口电路提供质量流量计的信号输入输出功能。信号采集模块主要由两组温度和压力传感器的采样电路组成，实现温度和压力的测量。其示意如图3。

图3 电子电路框架示意图

2.4 软件

软件流程如图4。本装置软件中还隐含温度、压力采集模块；流量采集控制模块；流量、压力、温度量值校准模块。量值校准模块采用单点校准和二点校准方式可选，其中二点校准方式主要是为传感器如有过零误差时选择，这样可以保证它们的量值在使用范围内更加准确可靠。执行流量需求计算主要采用反馈式流量逐次逼近的方法，在预定的精度下逐次调节流量得到需求的浓度，其他的主要控制和工作方式如图中所示。另外，系数设置主要是防止将来如发现目前引用于美国的呼出气体酒精含量与血液中酒精含量对于不同种族的人有不同的转化关系时采用，现在采用系数为1(按照目前我国采用的转化关系进行计算时)。

图4 软件流程

3 实验、比对结果

装置输出值分别设置在：22.0mg/100mL、66.0mg/100mL、110.0mg/100mL下，几种典型仪器的实验结果如表1(测量值单位为mg/100mL)：

参加全国比对中，其在0.10mg/L测量点处的En值为-0.5，在0.40mg/L测量点处的En值为-0.6，均为满意结果。

4 主要技术指标

装置实现了供气流量可以灵活设定、可以选择干或湿气工作模式、输出气体温度可控，主要技术指标：1)装置的供气浓度范围：0.045～0.91mg/L(呼气中酒精质量浓度)或10～200mg/100mL(血液中酒精质量浓度)；2)供气流量范围：10～30L/min；3)供气特性：可供干气或模拟人体呼出的湿气；供气温度在室温到37℃之间，温度准确度±0.5℃；4)供气浓度的不确定度：3%(k=2)。

表1

深圳威尔电器WAT89EC-3仪器编号仪器实测值线性相关系数310571311497311482313486313440212222202471657168701201141161101171.00000.99930.99970.99931.0000蓝盾光电子股份有限公司LDJ-1仪器编号仪器实测值线性相关系数08040081800818208121/22.224.122.321.9/70.369.570.070.1/119.8119.2113.7119.4/1.00000.99970.99971.0000/美国ALCO-SENSORIV仪器编号仪器实测值线性相关系数099917063885079273063886099905222222212568666768701131101101121161.00001.00000.99990.99981.0000深圳艾克雷斯谷雨S80型仪器编号仪器实测值线性相关系数800049280004968000495//232220//636561//108106109//0.99940.99990.9990//德尔格6810型仪器编号仪器实测值线性相关系数ARBK-0041ARBK-0077ARBK-0407ARBK-0406ARBK-04090.100.100.100.10230.310.290.280.28700.520.490.490.481121.00000.99990.99900.99950.9995

5 结束语

1)该装置的这种灵活的工作方式，对呼出气体酒精含量探测仪的研制、改进提供了方便的手段。例如干湿气体的影响试验，吹气流量的影响试验，吹气温度的影响试验等。

2)该装置是在完全动态下连续工作，不同浓度之间的切换方便，且稳定时间小于1min，这能够大大地提高工作效率，为及时完成检定呼出气体酒精含量探测仪工作提高了重要的技术保证，一般地每人每天可以轻松完成30台以上的检定任务，包括对每一台仪器的校准工作。

3)该项目已申请国家专利，其中，“饱和蒸汽法模拟呼出气体酒精含量配气装置”已获实用新型授权；“饱和蒸汽法模拟呼出气体酒精含量配气装置及其浓度算法”的发明专利已公开，公开号：CN102798565A。

[1] 宫少华，杨燕罡，宋丽梅.基于质量流量计的多点多浓度气体配制研究.计量技术，2013(2)

[2] 谌永华，刘沂玲.呼出气体酒精含量探测器检定装置的研制.中国计量，2006(9)

[3] 沈正生，邢奇凤，赵海波，曹咏，顾家钰.呼出气体酒精含量探测器计量检定标准装置的研究.中国计量，2007(10)

[4] JJG 657—2006《呼出气体酒精含量探测器》检定规程.北京：中国计量出版社，2006

[5] JJF 1059.1—2012《测量不确定度评定与表示》规范.北京：中国计量出版社，2012

* 国家质量监督检验检疫总局科研项目(编号：2012QK001)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.3.04