一种便携吹气式酒精浓度测量装置及测量方法

本发明涉及一种酒精浓度测量装置及其测试方法，具体来讲涉及一种吹气式测量酒精和水混合溶液中酒精体积百分比的装置及其测试方法。

背景技术：

目前直接测量酒精和水混合溶液中酒精的浓度较为困难，一般是用物理或化学的方法将两者分离，然后进行计算，进而得到其中酒精的浓度。物理的方法主要是根据两者液体沸点的不同用蒸馏的方法将他们分离，然后通过计算得出其中酒精的浓度，化学的方法则更为困难。这些间接测量的方法不仅耗费时间，而且准确度不高，测试成本高，对于有较高精准度的测量来说，这些方法不能满足使用要求，因此找到一种更高效、更准确、成本更低地测试血液中酒精体积百分比的方法具有非常重要的意义。而现在普遍采用的血液中酒精浓度的测试装置需要采血，通常由医院医护人员进行操作，不适合便携式的一般操作者使用，而其他吹气式的酒精浓度检测方法与血液检测方式相比，受环境等因素影响，检测精度降低。

技术实现要素：

本发明目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种便携吹气式直接测量酒精和水或其他液体混合溶液中酒精浓度的测量装置和测量方法，便携性好，成本低，提高了吹气式酒精测量的精度。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种便携吹气式酒精浓度测量装置，包括壳体、设置在壳体内部的阀体和第一单向阀、设置在壳体上的第二单向阀和一可容纳液体的容器；

壳体的一端具有一进气口，第一单向阀可启闭地设置在进气口和阀体之间；阀体内部具有通向第一单向阀、第二单向阀和容器的交叉连通的通道；

壳体的另一端设置所述容器，壳体与容器之间由ptfe膜间隔；所述容器靠近壳体一端的侧壁上设置有排水口；容器设置有开口，所述开口由一可启闭的密封盖所密封；

所述第二单向阀设置在壳体的侧壁上，第二单向阀具有一与容器上的排水口相连的吸水口，第二单向阀的启闭可使吸水口与阀体内部的通道实现通断。

进一步地，所述第一单向阀包括进气口阀弹簧和进气口阀；进气口阀可活动地设置在进气口处，进气口阀弹簧设置在进气口阀与阀体之间。

进一步地，所述第二单向阀包括吸水阀体、吸水阀钢球和吸水阀弹簧；所述吸水阀体内具有一贯通所述吸水口与阀体的吸水道；所述吸水阀钢球可活动地设置在所述吸水道上，使吸水口与阀体内部的通道实现通断；所述吸水阀弹簧设置在吸水阀钢球与壳体的侧壁间。

进一步地，所述阀体内部的通道包括沿阀体轴向贯穿的异形流道和与异形流道交叉贯通的横向孔。

进一步地，所述ptfe膜使气体通过而阻止液体通过。

进一步地，所述容器内设置有气体压力传感器、电容传感器和温度传感器。

由于温度和吹出的气体体积都对评估血液中含酒精量的多少有一定的影响，因此本装置中还配有温度传感器，用来测量溶液的实际温度，配有气体压力传感器，来测量和计算吹出气体的体积。

温度传感器和气体压力传感器均与信号处理单元连接，电容传感器经震荡电路、放大电路、抗干扰电路后与信号处理单元连接。

吸水阀体与壳体的侧壁之间、吸水阀体与吸水阀钢球接触的配合面上、壳体和阀体之间、壳体与进气口阀相接触的配合面之间均由密封圈密封。

基于便携吹气式酒精浓度测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤1)测试人员由进气口吹入气体，气体经第一单向阀、阀体进入容器中的溶液中；

步骤1)测试人员由进气口吹入气体，气体经第一单向阀、阀体进入容器中的溶液中；

步骤2)采集容器中溶液的温度t、电容c及气体压力值p；

步骤3)根据温度t相对于室温20℃时的温度变化量δt，利用拟合得到的电容影响因子δc与温度变化量δt的函数关系式(5)，计算电容影响因子δc：

δc＝b0+b1δt+b2δt²+b3δt³(5)

其中，b0、b1、b2、b3为该函数的拟合系数；

利用修正的电容c和电容影响因子δc与溶液中酒精体积百分数d的函数关系式(3a)计算溶液中酒精体积百分数d，

c+δc＝a0+a1d+a2d²+a3d³+.........akd^k(3a)

其中，a0、a1、a2、...ak为拟合系数，k为设定的拟合多项式阶数；

利用气体压力传感器测得的气体压力值p，采用公式(6)计算吹入气体的实际体积vx为：

其中，v1为温度t时容器中液体上方的气体体积，p0为大气压为；

利用公式(7)，计算得到呼出气体中酒精的体积百分比d0为：

其中，v2为容器中液体体积；

利用血液中的酒精体积百分比v与溶液呼出气体中酒精体积百分比d0函数关系式(8)计算血液中的酒精体积百分比v为：

v＝c0+c1d0+c2d0²+c3d0³(8)

其中，c0、c1、c2、c3为拟合系数。

进一步地，电容c和溶液中酒精体积百分数d的函数关系式建立步骤为：

根据公式(1)的电容计算公式：

其中，ε0为真空中的介电常数，εr为混合溶液的介电常数，l为两电极的正对长度，d1为电容的外径，d2为电容的内径；

在已知ε0、l、d1、d2时，通过测量的电容c，计算出混合溶液的介电常数εr；

根据混合溶液的介电常数εr、纯酒精的介电常数εr1、纯水时的介电常数εr2，由公式(2)计算出溶液中酒精体积百分数d；

根据n次实际测量出的电容c和计算出的对应的溶液中酒精体积百分数d，建立电容c和溶液中酒精体积百分数d的关系曲线，采用最小二乘法，根据式(3)、(4)拟合出两者间关系的函数c＝f(d)：

c＝f(d)＝a0+a1d+a2d²+a3d³+.........akd^k(3)

其中，loss为误差平方和，最小二乘法拟合的目标为误差平方和最小，ci为第i次测试的电容，di为第i次测试计算的对应的酒精体积百分数，k≤n，n为测试总次数。

进一步地，利用电容影响因子δc修正拟合函数公式(3)，得：

c+δc＝a0+a1d+a2d²+a3d³+.........akd^k(3a)。

进一步地，血液中的酒精体积百分比v与呼出气体中酒精体积百分比d0函数关系式建立步骤为：

在同一个试验人员完成吹气之后同时对该试验人员测试其血液中的酒精百分比，根据血液测试结果，拟合出血液中的酒精体积百分比v与呼出气体中酒精体积百分比d0函数关系式。

本发明的有益效果：

本发明通过优化测试装置结构和测试方法，尽可能充分的让呼出气体中的酒精溶解在容器中的液体中，并考虑了不同人吹出气体的温度不同对血液中酒精体积百分比的影响，考虑了温度的影响进行了函数的拟合，利用拟合的函数就能得出结果精确的血液中酒精浓度，避免了通过采血测量血液中酒精浓度的方式；本装置在更换容器中的液体后可重复利用，具有操作简单、快速得到结果、便携性好、测试效率高、测试成本低等优点。

附图说明

图1吸水机构剖面图；

图2测量装置采集数据工作流程图；

图中，1-ptfe膜、2-阀体、3-密封圈、4-壳体、5-密封圈、6-进气口阀弹簧、7-进气口阀、8-密封圈、9-吸水阀体、10-密封圈、11-吸水阀钢球、12-密封圈、13-吸水阀弹簧、14-吸水口、15-进气口、16-密封盖、17-排水口、18-容器、19-密封圈、20-气体压力传感器、21-电容传感器温度传感器安装处、22-异形流道、23-横向孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，本实施例的便携吹气式酒精浓度测量装置，包括壳体4、设置在壳体4上的第二单向阀和容器18、设置在壳体4内部的阀体2和第一单向阀。

壳体4的一端具有一进气口15，壳体4的内部为中空空间，内部中空空间中设置有阀体2和第一单向阀，且第一单向阀靠近进气口15设置。

阀体2内部设置有沿阀体轴向延伸的异形流道22，阀体2内部还设置有沿阀体径向延伸且与异形流道22交叉贯通的横向孔23。

进气口15的作用是可以连接吹气管，使被测人吹出的气体可进入到阀体2内。

第一单向阀主要由进气口阀弹簧6和进气口阀7组成。进气口阀7可活动地设置在进气口15处，进气口阀弹簧6设置在进气口阀7与阀体2之间。进气口阀7与进气口15之间还设置有密封圈8，当进气口阀7在进气口阀弹簧6的弹力作用下与进气口15相抵时，由密封圈8在进气口阀7与进气口15之间形成进一步的密封。第一单向阀的作用是在吹气阶段，当从进气口15进入的气体压力高于进气口阀弹簧6的预紧力和阀体2内部气体压力之和时，则进气口阀弹簧6可被压缩，第一单向阀开启，气体可以经第一单向阀进入阀体2的内部；当进入吹气完成阶段，从进气口15进入的气体压力低于弹簧的预紧力时和阀体2内部气体压力之和时，则进气口阀弹簧6不能被压缩，第一单向阀关闭，进气口阀7、密封圈8在进气口15处起到密封作用，吹气不再从进气口15进入阀体2内部，阀体2内部的气体也无法从进气口15排出。

壳体4的另一端设置有容器18，容器18与壳体4内的阀体2相邻设置；壳体4与容器18之间由ptfe膜1间隔。容器18靠近壳体4的一端侧壁上设置有排水口17，排水口17的作用是使容器18中的水可以从该口流出。容器18的开口由密封盖16密封封堵。容器18内设置有用来测试容器18内部上方气体压力的气体压力传感器20。本实施例中，气体压力传感器20设置在密封盖16朝向容器18内部的表面上，其他实施方式中，可根据需要具体设置气体压力传感器20的位置。容器18与密封盖16之间设置有用于密封的密封圈19。

如图2所示，容器18内装有设定量的纯净水，纯净水的高度浸没设置在容器18内的电容传感器和温度传感器(图中未示出)，且低于气体压力传感器20，使气体压力传感器20暴露在容器18内的溶液上部的气体中。温度传感器和气体压力传感器20均与信号处理单元连接，电容传感器经震荡电路、放大电路、抗干扰电路后与信号处理单元连接。

壳体4的侧壁以可拆卸的方式连接有第二单向阀。第二单向阀主要由吸水阀体9、吸水阀钢球11和吸水阀弹簧13等组成。吸水阀体9上具有一吸水口14，吸水口14通过管道与容器18上的排水口17相连，从排水口17流出的水可以从吸水口14流进吸水阀体9中，同时，吸水口14可经吸水阀体9与阀体2内部的横向孔23形成连通。吸水阀钢球11可活动地设置在吸水口14处，吸水阀弹簧13设置在吸水阀钢球11与壳体4的侧壁间。

吸水阀体9可与吸水阀钢球11接触的配合面上设置有密封圈10，当吸水阀钢球11在吸水阀弹簧13的作用下堵于吸水阀体9的吸水口14上时，可与密封圈10相接触对吸水口14进行密封。吸水阀弹簧13的预紧力低于在排水口17和吸水口14之间水产生的压力差。第二单向阀的作用是当吸水口14的压力低于吸水阀弹簧13的预紧力和阀体2内部压力之和时，第二单向阀闭合，吸水阀钢球11配合密封圈10起到密封作用，防止阀体2内部的气体流到吸水口14外面；当吸水口14的压力高于吸水阀弹簧13的预紧力和阀体2内部压力之和时，第二单向阀开启，则容器18中的水可以从排水口17经过吸水口14进入到阀体2里面。

当在吹气阶段时，吹进阀体2内部的流速较高的气体通过异形流道22时，与异形流道22连接的横向孔23处于负压状态，第二单向阀开启，吸水口14处的水由于重力势能的作用可以进入横向孔23中。

ptfe膜1是一种方便气体通过，而液体不容易通过的一层膜。从进气口15吹进的气体可通过ptfe膜1进入到容器18内，与容器18内的水充分接触，从而将吹入的气体充分溶解在水中，而容器18内的溶液反向无法直接通过ptfe膜1渗入到阀体2及进入到吸水阀体9里。

较佳地，吸水阀体9与壳体4的侧壁之间由密封圈12密封。

本实施例中第二单向阀的吸水阀体9与壳体4采用螺纹连接方式方便拆卸。

壳体4的作用是可以支撑阀体2、第一单向阀、容器18等零件，并给第二单向阀的吸水阀体9提供螺纹安装接口，使第二单向阀与壳体4可以实现可拆卸地连接。

为了增加壳体4与阀体2之间的密封性，壳体4和阀体2之间可设置密封圈3和密封圈5进行密封。

实施例2

本实施例的便携吹气式酒精浓度测量方法，主要包括以下步骤：

步骤1：标定电容传感器

在连接好电容传感器电路之后，进行测试前先对电容传感器显示数值进行标定。

由公式(2)计算得不同酒精体积百分数含量时的介电常数表，如表1所示。

其中，εr为混合溶液的介电常数即实际电解质的介电常数，εr1为纯酒精的介电常数，εr2为纯水时的介电常数，d为酒精体积百分数。

表1不同酒精体积百分数时的介电常数

根据表1中计算所得的介电常数和酒精体积百分数的关系对电容传感器输出数值进行标定，标定完成后，开始测试。

步骤2：函数拟合

在便携吹气式酒精浓度测量装置的容器18中倒入t℃温度的酒精浓度(酒精体积分数)不同的溶液，每一酒精浓度的溶液进行一次测量。测量时，将电容传感器放入溶液中，电容传感器采集的信号经震荡电路、信号放大电路、抗干扰电路处理后，最后输出到信号处理单元，信号处理单元计算输出该溶液中的酒精体积百分数值。

根据公式(1)的电容计算公式：

其中，ε0为真空中的介电常数，εr为混合溶液的介电常数即实际电解质的介电常数，l为两电极的正对长度，d1为电容的外径，d2为电容的内径。

在已知ε0、l、d1、d2时，通过测量的电容c，可计算出混合溶液的介电常数εr。

根据混合溶液的介电常数εr、纯酒精的介电常数εr1、纯水时的介电常数εr2，由公式(2)可计算出溶液中酒精体积百分数d。

根据n次实际测量出的电容c(测量保持室温20℃进行)和计算出的溶液中对应的酒精体积百分数d，建立电容c和溶液中酒精体积百分数d的关系曲线，通过最小二乘法拟合出两者间关系的函数c＝f(d)：

c＝f(d)＝a0+a1d+a2d²+a3d³+.........akd^k(3)

其中，loss为误差平方和，最小二乘法拟合的目标为误差平方和最小，a0、a1、a2、...ak为该函数的拟合系数，k≤n，k为拟合多项式阶数，ci为第i次测试的电容，di为第i次测试计算的对应的酒精体积百分数，n为测试总次数。

考虑到人体呼出的气体温度通常范围为10-40℃，在此区间改变溶液的温度为t2℃、t3℃、t4℃等重复上述步骤，分别测试得到不同温度下的电容与酒精体积百分数的函数，并测试出室温20℃时的电容值，拟合得到电容影响因子δc随温度相对于室温20℃时变化量δt变化的函数为：

δc＝b0+b1δt+b2δt²+b3δt³(5)

其中，b0、b1、b2、b3为该函数的拟合系数。考虑到计算难度、计算时间等因素，本实施例中关于温度的拟合多项式阶数设定为3阶。

用该电容影响因子δc修正拟合函数公式(3)为：

c+δc＝a0+a1d+a2d²+a3d³+.........akd^k(3a)

步骤3：标定呼出气体中酒精体积百分数与血液中酒精的函数

在同一温度t下，容器18中液体上方的气体体积为已知固定值v1，大气压为p0，不同的人吹出一定气体压力情况下，吹入容器中的气体的实际体积设为vx，气体压力传感器20测得该气体压力值为p，则吹入气体的实际体积vx为：

使用本装置测试计算得到溶液中不同的酒精体积百分数为d，纯净水体积为v2，则该测试人员呼出气体中酒精的体积百分比d0为：

为保证标定的顺利，在同一个试验人员完成吹气之后同时对该试验人员测试其血液中的酒精百分比，则根据血液检测结果，将函数拟合为血液中的酒精体积百分比v随计算所得的呼出气体中酒精体积百分比d0变化的函数为：

v＝c0+c1d0+c2d0²+c3d0³(8)

其中，c0、c1、c2、c3为该函数的拟合系数。

将此结果标定在最终显示结果函数中。考虑到计算难度、计算时间等因素，本实施例中的拟合多项式阶数设定为3阶。

步骤4：检测测试人员血液中的酒精体积百分比

安装好测试装置，用管道将排水口17和吸水口14连通，在进气口15上连接好吹气管，将容器18中装入固定容量的纯净水(纯净水量低于气体压力传感器20的位置)，将气体压力传感器20固定到密封盖16上，将电容传感器和温度传感器浸入到容器18的纯净水中，连接上传感器的测试电路，将密封盖16固定到容器18的上方开口上，连接好测试系统好，测试人员通过吹气管向进气口15中吹入含有酒精的气体，进气口15处的第一单向阀在气流的作用下打开，吹入的气体快速进入阀体2的异形流道22中，并通过异形流道22穿过ptfe膜1后进入容器18内的纯净水中，酒精气体一部分溶解在纯净水中。气体快速在阀体2的异形流道22中流动时，纯净水在重力势能差的作用下，从排水口17流向吸水口14，此时吸水口14处的第二单向阀在纯净水的重力势能的作用下打开，进入到阀体2的横向孔23及与横向孔23交叉贯通的异形流道22中，吹入气体中的酒精气体进一步溶解到纯净水中，以此达到充分溶解的目的。

由于每个人肺活量不一样，当吹入达到一定该测试人员吹出压力极限时，停止吹气，进气口15和吸水口14处的第一、第二单向阀在容器中气体压力的作用下关闭。

此时电容传感器输出测得的电容值，经过震荡电路、放大电路、抗干扰电路后经过信号处理单元进行信号处理，气体压力传感器20输出测得的气体压力值p传输给信号处理单元，温度传感器输出测得的温度值后传输给信号处理单元，经过信号处理单元进行信号处理后进行相应计算，最终得到该测试人员血液中的酒精体积百分比v。

计算过程为：

结合温度传感器测得的温度得到相对于室温20℃时温度变化量δt，根据拟合函数公式(5)，在已知δt时，可计算得到对电容的影响因子δc；在电容传感器测得的电容c的基础上，并叠加结合影响因子δc，采用拟合函数公式(3a)，可求得溶液中酒精体积百分数d；再利用气体压力传感器测得的气体压力值p，采用公式(6)、(7)，计算得到呼出气体中酒精的体积百分比d0，最后根据拟合函数公式(8)，计算得到该测试人员血液中的酒精体积百分比v。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。