呼出气体酒精含量检测仪检定装置

申俊峰 朱正 郭佩华 李瑞敏 侯静

摘 要：呼出气体酒精含量检测仪是通过检测驾驶员呼出气体的酒精含量，判断其是否饮酒驾驶或者醉酒驾驶。国家市场监管局已经将酒检仪列入强制管理的计量器具目录，其准确性直接影响交警执法的公正性。因此，本项目以检定校准酒检仪为目的，开发出了新一代酒检仪检定装置。

关键词：酒检仪；检定装置；交通安全

呼出气体酒精含量检测仪（酒检仪）作为确认驾驶员是否饮酒及饮酒量多少的仪器，其测定结果是交警现场出具执法凭证的唯一手段。酒检仪检测结果的准确性，关系到公民权益和交通执法的严肃性、公平性。因此，对酒检仪的检定就尤为重要，我国已将酒检仪作为强检计量器具列入了强检目录，并颁布了相应的鉴定规程，规程中对检定条件、检定设备、检定项目、檢定方法及标准气体的配制都做了具体的要求［12］。JJG6572006《呼出气体酒精含量探测器检定规程》［3］实施十几年来，在确保酒检仪使用中量值的准确度方面起到了一定的保障作用。但是，随着国民经济的飞速发展，该规程中的相关条例已经变得滞后于现实环境。经过多方的协同努力，国家市场监管总局2019年9月27日发布了JJG6572019《呼出气体酒精含量检测仪检定规程》（以下简称：新《规程》）［4］，并于2020年3月27日开始实施。新《规程》主要的测试项目中，对流量和温度的控制要求较高，这使得原有的检定设备已经不能满足规程的要求［5］。因此，研发一款新型且实用的满足新《规程》要求的酒检仪检定装置是一个十分迫切和必要的研究课题。

本文依据新《规程》的要求，研发出一款新型酒检仪的检定装置，以期对计量检定方法的改进起到一定的促进作用，为计量装置的发展提供宝贵的数据和实物，同时为我国经济发展和社会进步起到一定的推动作用。

1 新《规程》解读

新《规程》的实施，对酒检仪检定装置提出了更高的要求，其中大部分检定方法已经不能由人工操作来实现，必须借助自动控制系统，才能按照新《规程》完成酒检仪的检定工作。该检定《规程》对计量器具的主要要求如下：

（1）乙醇标准气三个浓度点：0.1mg/L，0.4mg/L，06mg/L；

（2）检定酒检仪范围用乙醇气体不低于2.0mg/L；

（3）干扰气体丙酮浓度为0.5mg/L和一氧化碳气体浓度为0.2mg/L；

（4）测试计时分辨力10ms；

（5）进样流量不小于15L/min，流量控制器6～36L/min（2.5级）；

（6）差压计0～3000Pa（MPE±50Pa）；

（7）大气压力计分辨力0.1hPa（MPE±2.5hPa）；

（8）温度计15～35℃（MPE±0.2℃）；

（9）出气口温度34±0.5℃。

部分指标新《规程》与之前相差较大，部分检测方法也有很大的改变，新《规程》中规定的检定项目如表1所示。

根据新《规程》要求，设备的设计指标如下：

（1）预热时间短，10分钟内到达设定温度；

（2）参数可设定，根据实验需求，吹气时间、加热温度、气体流量等关键参数可以随时设定并存储；

（3）采用医疗呼吸器级别微压差传感器，高精度高可靠性，每年0.2%的满量程漂移为长期稳定性奠定基础；

（4）功能根据规程开发，具有浓度实验、呼气阻力试验、最小流量和最短持续时间试验等功能，方便检定工作；

（5）具有呼气检测功能，无须手动，自动呼气，并具备蜂鸣提示音；

（6）小型化设计，可以现场检定；

（7）触摸屏智能化操作，简单快捷。

2 酒检仪的设计

2.1 酒检仪原理

目前交警使用的酒检仪大部分采用电化学传感器，其原理是人体呼出的含有酒精的气体通过采样系统进入传感器，与传感器内部的物质发生电化学反应，产生微小的电流信号，通过运算放大器、模数转换器等电路输出与酒精含量相对应的电信号，再通过软件算法将电信号转换成酒精含量，显示在酒检仪的屏幕上。

酒检仪检定装置按照新《规程》的实验要求，要完成对各种酒检仪的检定，就需要匹配不同品牌和型号的酒检仪。

2.2 酒检仪检定装置方案设计

根据新《规程》中规定的检定条件、检定项目和检定方法，本装置的原理框图如图1所示。

图1 酒检仪检定装置原理框架图

考虑到干扰气体的危险性（CO需要在通风橱操作）和管路的吸收残留，没有集成到本装置中去，直接使用标准气即可。

四个进气口分别接空气和三个浓度酒精气体，通过电磁阀切换选择输入气体种类，气体经过电磁阀后，进入流量控制器进行流量调节及控制。通过流量控制器后，进行压力检测和温度控制，保证出气口恒温在34±0.5℃。

整个系统由自动控制电路负责控制，完成用户交互和逻辑功能的实现。预留通信接口，可以与计算机通信。以下就各部件的功能进行逐一说明。

2.2.1 流量控制器

流量控制器采用气体质量流量控制器MFC（Mass Flow Controller），利用热扩散原理及PID控制原理，测量和控制管道的气体质量流量输出，不需要温度和压力补偿，可以精确控制气体流量。质量流量控制器与自控系统之间通过RS485总线进行通信。

2.2.2 差压计（变送器）

使用医用级微压差传感器，测试呼气阻力，通过与大气压力比对，记录呼气阻力，满足呼气阻力测试实验要求。传感器与自控系统之间通过IIC总线进行通信。

2.2.3 温控系统

由于出气量较大而且流量也在变化，因此对温控系统的要求较高，为了在各种流量下满足新《规程》要求的温度范围，温控系统采用单独的软硬件控制。

2.2.4 硬件

温度传感器上采用PT100精确测温，由于实时性要求较高，传统铠装PT100的响应速度达不到要求，因此采用裸片形式的PT100，最大限度地加快响应时间。加热器采用定制结构，能够使气体在加热腔室中被均匀加热。微处理器使用32位ARM单片机，采集的温度数据通过软件算法处理后，通过SSR固态继电器控制加热核心的工作频率，完成检测和控制的闭环，实现自动温控控制的逻辑。

2.2.5 软件

采用改進的PID算法，传统的PID算法只有一个输入参数，本系统有进气温度和出气温度两个参数，要求调整速度快，超调小，通过不断的实验积累数据和整定，最终达到了34±0.5℃的要求。温控系统与主控系统通过RS485总线进行通信。

2.2.6 自动控制系统

整体系统采用ARM微处理器进行集中控制，显示和操作使用工业彩色触摸屏，可以在触摸屏上完成所有操作，无须外接键盘或物理按键。自动控制系统的主要功能包括电磁阀控制、MFC控制、差压计数据读取、温度采集与控制、检定实验过程的逻辑实现等。系统具有操作简单、功能丰富、扩展性强等特点，后续可以根据使用要求，按需调整功能配置。可靠性高且符合EMC电磁兼容标准；其电源及全部I/O端子均通过了4kV的群脉冲（EFT）抗干扰测试，能在强干扰环境下可靠工作。

2.2.7 外壳与接口

整机采用钣金外壳，正面设计有显示屏和出气口，背面有进气口、电源接口和通信接口等。

3 设备测试

3.1 温度测试

设备经过预热后，使用经过检定的数字温度计测试本装置的出气口温度，数据如表2所示。

经温度测试实验可知，该装置的出口温度在30s内可稳定在34.2±0.1℃之间，能够满足新规程的要求。

3.2 流量测试

使用经过检定的玻璃浮子流量计验证气体质量流量控制器的控制效果，测试数据如表3所示。

流量测试表明，该装置可以依据设定的流量自动调节气体流量的大小，端口读取流量与设定流量完全一致。满足新《规程》规定的误差范围。

经过测试，本设备各项参数到达设计指标要求，能够按照新《规程》完成酒检仪的检定工作。

4 设备功能介绍

打开设备电源后，设备自动进入自检过程，此过程不需要任何操作。自检完成后，主页面如图2所示。

其中的各项标志介绍如下：

（1）环境温度（℃）、环境湿度（%RH）根据新《规程》要求，在温度（18～28℃）和湿度（20～80%RH）符合检定环境条件时，显示绿色指示，否则显示红色指示。

（2）实时压差（kPa）是指出气口相对于大气环境的压力差；加热温度（℃）用来设置加热器的温度参数，点击数字可以更改设置，如图3所示，默认值为34.0。

（3）主页面右侧是四个主要的实验功能，根据新《规程》中检定项目要求，示值误差、重复性、零点漂移、示值漂移和记忆残留效应实验通过点击浓度实验，在浓度实验界面完成；呼气阻力实验通过点击呼气阻力，在呼气阻力界面完成；最小流量实验通过点击最小流量，在最小流量界面完成；最短持续时间实验通过点击最短时间，在最短时间界面完成。

5 设备校准实验

进行实验前需要连接好气源，做好如下准备。

各个实验需要气体驱动MFC质量流量控制器才能正常运行，因此，请通入相应的钢瓶标准气，零点气源可以使用高纯氮气或者洁净的压缩空气，进气口1、2、3、4分别对应零气，第一点0.1mg/L，第二点0.4mg/L，第三点0.6mg/L。气管外径6mm，进气压力不得超过0.4MPa（4bar），使用钢瓶气或者压缩空气请加装调压阀，将出气压力调整到03MPa（3bar）附近。

准备工作完成后，即可依次点击主页面右侧的相关选项，进行如下实验。

5.1 浓度实验

浓度实验页面如图4所示。

呼气浓度（mg/L）出气口的气体浓度，右侧按键用于切换进气。第一点对应0.1mg/L，第二点对应0.4mg/L，第三点对应0.6mg/L。

出口流量（L/min）实时的流量值，可以与设备上的浮子流量计做比对。

出口温度（℃）实时的出气口气体温度，如果间断检测，出气口温度就会变化。如刚开机或者环境温度较低，设备内部加热装置温度还没有达到预设值，此时需要预热，可以适当增加吹气时间，待吹气过程中，出口温度指示变为绿色，便可接上酒检仪进行测试。

设定流量（L/min）用于设置出气口的流量，默认值15。

吹气时间（sec）吹气过程中显示倒计时，否则显示吹气时长，可以通过点击数字进行更改（范围1～255s），默认值6。

触发红外反射传感器开始吹气，红外反射开关具有自动抗干扰功能，触发时间超过1s才会发送触发信号。吹气开始和结束会有蜂鸣提示音。吹气过程中，吹气时间进行倒计时。

在呼气过程中，呼气浓度为红色指示，呼气完成后，变为绿色，可以进行下一次呼气测试。

点击返回键可以返回主页面。

5.2 呼气阻力实验

在主页面上点击“呼气阻力实验”，进入浓度实验页面，如图5所示。

界面上显示的各功能介绍如下：

（1）实时压差（kPa）：出气口相对于大气环境的压力差。

（2）呼气阻力（kPa）：实验中出口流量是慢慢变大的，呼气阻力是一次实验中最大的实时压差。呼气阻力小于2500Pa，指示为绿色，否则为红色。

（3）出口流量（L/min）：实时的流量值，可以与设备上的浮子流量计做比对。

（4）设定流量（L/min）：用于设置吹气的流量，默认值12。

（5）吹气时间（sec）：吹气过程中显示倒计时，否则显示吹气时间长度，可以通过点击数字进行更改，默认值8。由于新《规程》要求缓慢调节输入流量，所以吹气时间不能低于6，否则出口流量可能达不到设定值。

新《规程》要求缓慢调节输入流量，当流量达到（12±0.6）L/min时，记录差压计的数值。

在测试酒检仪的呼气阻力时，设备会自动扣除设备本身的阻力底数。例如：

A.测试仪器阻力底数。不接酒检仪，挡住触发开关，运行一次呼气阻力实验，记录呼气阻力数值，例如，呼气阻力显示为0.100kPa。

B.测试总压差。接上酒检仪，运行一次呼气阻力实验，记录呼气阻力数值，例如，呼气阻力显示为0.200kPa。

C.计算酒检仪呼气阻力。酒检仪的呼气阻力实验结果为：0.200-0.100=0.100（kPa）。

点击返回键可以返回主页面。

5.3 最小流量实验

最小流量实验页面如图6所示。

按照新《规程》要求，出口流量小于6L/min时，酒检仪应不启动采样系统。

设定流量（L/min）：用于设置吹气的流量，默认值5。

出口流量（L/min）：实时的流量值，可以与设备上的浮子流量计做比对。

吹气时间（sec）：吹气过程中显示倒计时，否则显示吹气时间长度，可以通过点击数字进行更改，默认值6。

点击返回键可以返回主页面。

5.4 最短持续时间实验

最短持续时间实验页面如图7所示。

按照规程要求，以36L/min流量通入酒检仪，持续2.0秒时将气体流量降至6L/min以下，酒检仪应发出中断或报警信号。

起始流量（L/min）和停止流量（L/min）按照新《规程》要求设置，默认值分别为36和0，点击数字可以更改。如果停止流量不为零，则测试完成后会维持设定的流量输出，直到返回主界面。

吹气时间（sec）：吹气过程中显示倒计时，否则显示吹气时间长度，可以通过点击数字进行更改，默认值2。

点击返回键可以返回工作主页面。

6 总结与完善

通过实际使用，本装置能够按照新《规程》完成酒检仪的各种检定实验，尤其是温度和流量控制，有着非常高的精度。但还存在一些不足之处，例如，界面不够美观，没有集成干扰气检测功能等，可以在后续版本中升级完善。

参考文献：

［1］宋洁.呼出气体酒精含量检测仪检测注意事项及仪器维护［J］.化学分析计量，2020，29（S1）：128130.

［2］李茂权，付洁，何国政，等.呼出气体酒精含量检测仪检定装置发生气體浓度示值误差测量值的不确定度评定［J］.计量与测试技术，2018，45（10）：118120.

［3］JJG6752006呼出气体酒精含量探测器.国家质量监督检验检疫总局，2006.

［4］JJG6752019呼出气体酒精含量检测仪.国家市场监督管理总局，2019.

［5］刘沂玲，刘春宇，蔡春洪.JJG6572019《呼出气体酒精含量检测仪检定规程》解读［J］.中国计量，2020（07）：123126.

基金项目：本文受邯郸市重大共性关键技术创新专项重点项目（呼出气体酒精含量检测仪智能检定装置的研发，21112903030）资助完成

作者简介：申俊峰（1972— ），男，汉族，工程师，研究方向：质量工程。

*通讯作者：侯静（1988— ），女，汉族，实验师，研究方向：化学分析检测。