Atemgas-Sensorik
Fahrtüchtig?
Atemgas-Analysatoren werden zur nicht-invasiven Ermittlung und Quantifizierung der Alkoholkonzentration im Atem von Menschen verwendet. Es gibt unterschiedliche Architekturen, die vom verwendeten Sensor abhängen.
Erfunden wurde die Technik der Atemgas-Analytik von Robert Frank Borkenstein. Die Geräte nennen in verschiedenen sinnvollen Einheiten die geschätzte Blutalkoholkonzentration (BAK) eines Probanden. Obwohl die beobachtete Atemalkoholkonzentration (AAK) sehr gering ist, stimmen die Ergebnisse sehr gut mit den tatsächlichen Werten überein.
Die Funktion von Atemgas-Analysatoren basiert darauf, dass der Alkohol aus dem zirkulierenden Blut in die Luft verdampft, die sich in den Lungen befindet. Nachdem die Verdauungsorgane den Alkohol aufgenommen haben, gelangt er in den Blutkreislauf und zirkuliert somit im Körper. Beim Atmen kommt es in den Lungen zu einem Gasaustausch: Der Luftsauerstoff tritt in das Blut über, während umgekehrt das Kohlendioxid aus dem Blut in die Luft übertritt. Hat eine Person Alkohol konsumiert, wird während dieses Gasaustauschs neben dem Kohlendioxid auch eine geringe Menge Alkohol vom Blut an die Luft abgegeben. Gemäß Henry-Gesetz hängt der Alkoholgehalt der Atemluft eines Menschen von der Alkoholkonzentration in seinem Blut ab. Im Gleichgewichtszustand beträgt das Verhältnis zwischen BAK und AAK 2300:1 und ist nahezu konstant. Die gesetzlich vorgeschriebenen BAK-Grenzwerte werden in mg/100 ml angegeben, in mg/g, g/l oder mg/ml, die entsprechenden AAK-Grenzwerte je nach Land in mg/l, g/l oder g/100 ml.
Für eine verlässliche AAK-Messung muss die Atemluft möglichst nah am Blutgefäß abgenommen werden. Bild 1 zeigt das Gasaustauschprofil im Normalzustand und nach dem Genuss von Alkohol. In den Lungenbläschen (Alveolen) treten das Kohlendioxid (sowie gegebenenfalls Alkohol) aus dem in den Lungenkapillaren fließenden Blut in die Luft über und werden ausgeatmet.
Die AAK ist ein Maß dafür, wie stark eine Person zu einem bestimmten Zeitpunkt alkoholisiert ist, die Ergebnisse können im Tageslauf schwanken. Je mehr Alkohol eine Person konsumiert, umso größer dürfte die AAK sein. Auch wenn der Alkoholkonsum beendet ist, kann die AAK zunächst noch weiter ansteigen, weil zum Zeitpunkt der ersten Messung möglicherweise noch nicht der gesamte Alkohol in das Blut übergegangen war. Wird kein weiterer Alkohol konsumiert, dürfte die BAK jedoch schließlich zurückgehen, wodurch auch die AAK sinkt.
Es besteht eine fortlaufende Nachfrage nach Atemgas-Analysatoren, die portabel, präzise und einfach zu bedienen sowie zu kalibrieren sind und sich mit modernen Smartphones kombinieren lassen. Dies veranlasste STMicroelectronics zur Entwicklung des Referenzdesigns eines Atemgas-Analysators unter Verwendung von Embedded-Technik. Das kompakte Design lässt sich vom Anwender mithilfe einer NFC-Verbindung einfach kalibrieren. Eine hochwertige Schwinganker-Luftpumpe und der nach dem Brennstoffzellenprinzip arbeitende Sensor verleihen den Geräten eine hohe Genauigkeit.
Schwinganker-Luftpumpe
Die Schwinganker-Luftpumpe nimmt eine Luftprobe und leitet sie an den Sensorwafer (Brennstoffzelle) weiter. Anschließend wird der Sensor für eine bestimmte Zeitspanne von beispielsweise 200 ms aktiviert. Danach wird die Luftprobe von der Schwinganker-Luftpumpe ausgeblasen, damit der Sensorwafer zurückgesetzt werden kann und bereit für eine neue Luftprobe ist.
Die Messprozedur gliedert sich somit in die drei Abschnitte: Probe entnehmen, halten und zurücksetzen. Die Fläche der Schwinganker-Luftpumpe ist direkt proportional zum Probenvolumen. Typische Werte für den Luftpumpendurchmesser und das Probenvolumen sind in der Tabelle genannt.
| Luftpumpendurchmesser | Probenvolumen |
|---|---|
| 32 mm | 1,20 cm3 |
| 16 mm | 0,30 cm3 |
| 11 mm | 0,25 cm3 |
Tabelle: Luftpumpendurchmesser und Probenvolumen
Die Messfläche kann zusammen mit dem Probenvolumen reduziert werden, ohne die Messgenauigkeit des Sensors zu verringern. Für eine exakte Messung genügt ein Probenvolumen zwischen 0,25 cm3 und 0,50 cm3. Obwohl eine Schwinganker-Luftpumpe mit geringem Durchmesser bevorzugt werden sollte, nehmen hierdurch die Anforderungen an die Auswerteelektronik zu, da sich die Signalamplitude verringert, und mit ihr der Signal/Rausch-Abstand (SNR).
Die Erfassung des Atemgases erfolgt mit Sensoren, von denen es verschiedene Bauarten gibt: Brennstoffzellen-, Halbleiter- und Spektrophotometersensoren haben ihre spezifischen Vorteile und Einschränkungen.
Elektrochemische Sensoren
In einem Brennstoffzellensensor durchläuft der Alkohol (Ethanol) an einer katalytischen Elektroden¬oberfläche (Platin/Gold) eine chemische Oxidationsreaktion und erzeugt dabei ein quantitatives elektrisches Signal. Die Sensoren sind hochspezifisch und reagieren auf Alkohol. Andere endogene Substanzen wie etwa Aceton (wie es von Diabetikern erzeugt wird), Kohlenmonoxid oder Toluol beeinflussen die Messung nicht. Sensoren dieses Typs zeichnen sich ferner durch eine hohe Kalibrierstabilität aus und erreichen eine durchschnittliche Lebensdauer von fünf Jahren. Allerdings können sie nicht erkennen, ob die Atemprobe alveolar ist (aus einem tiefen Atemzug stammt). Somit können zu hohe Messwerte entstehen, wenn der Proband erst vor kurzer Zeit Alkohol zu sich genommen hat und sich noch Alkohol in seinem Mund befindet (was allerdings sehr unwahrscheinlich ist, da Alkohol im Mund sehr schnell verdampft).
Halbleitersonden
Ein Oxidsensor misst die Reaktivität zwischen dem Zinndioxid (SnO2) im Sensor und den Ethanolmolekülen in der Atemluftprobe. Sobald die Ethanolmoleküle mit dem Zinndioxid in Kontakt kommen, verändert sich der elektrische Widerstand des Sensors. Der Halbleiter misst die Widerstandsänderung und errechnet hieraus einen Schätzwert der AAK in der Atemprobe. Sensoren dieser Art sind zu erschwinglichen Kosten verfügbar, weil die Herstellung kostengünstig und die Verwendung in portablen Systemen mit geringer Stromaufnahme möglich ist. Nachteilig ist ihre Instabilität und ihre hohe Empfindlichkeit gegen die Atmosphäre und die Höhe über Normalnull.
Spektrophotometrie
Dieses Verfahren wird in großen, als Tischgerät konstruierten Atemalkoholanalysatoren eingesetzt. Die Funktion beruht auf der Identifikation von Molekülen an Hand der Absorption von Infrarotlicht. Der Ethanolgehalt der Probe lässt sich auf diese Weise messen, um die BAK des Probanden zu bestimmen. Derartige Geräte sind sehr teuer und werden normalerweise nur auf Anfrage angeboten.
Die höhere Kalibrierstabilität, die längere Lebensdauer und die höhere Genauigkeit sind der Grund dafür, dass im Referenzdesign des Atemanalysators von STMicroelectronics die elektrochemischen Sensoren nach dem Prinzip der Brennstoffzelle zum Einsatz kommen. Das portable, batteriebetriebene Design basiert auf einem proprietären "STM8L"-Core mit 16 MHz Taktfrequenz (Bild 2). Der STM8L enthält ein integriertes Debug-Modul mit einem Hardware-Interface (Single Wire Interface Module - SWIM), mit dem nicht-intrusives Debugging und eine schnelle Programmierung des Flash-Speichers gegeben ist. Der "STM8L152R8T6" arbeitet mit Betriebsspannungen zwischen 1,8 V und 3,6 V. Für das Design von Low-Power-Anwendungen gibt es eine umfangreiche Auswahl an Betriebsarten zur Energieeinsparung.
Referenzdesign
Das Referenzdesign für den Atemanalysator zeigt die Rück- und Frontansicht der System-Leiterplatte (Bild 3a und 3b) sowie das fertige in das Gehäuse eingebaute System (Bild 3c).
Die Stromversorgung übernimmt ein 3,7-V-Lithium-Ionen-Akku, der mithilfe eines Akkulade-IC vom Typ "STC4054GR" über ein Steckernetzteil geladen werden kann.
Ein Spannungsdetektor-IC (STM1061N31WX6F) signalisiert unzureichende Akkukapazität.
Die LED-Hintergrundbeleuchtung für das LCD wird, gesteuert von einem ALS (Ambient Light Sensor), je nach Umgebungshelligkeit automatisch eingeschaltet. Ein Kondensatormikrofon erkennt, wenn eine Person in das Mundstück bläst und aktiviert die Pumpe, um eine Luftprobe mit einem präzise festgelegten Volumen von 0,25 ml zu nehmen. Enthält die Luftprobe Alkohol, führt dies zu einer Wechselwirkung mit dem Brennstoffzellensensor. Dieser erzeugt daraufhin Strom, dessen Stärke proportional zur Alkoholkonzentration ist.
Der als Transimpedanzverstärker konfigurierte Operationsverstärker "TS507ILT" wandelt den vom Sensor erzeugten Strom in eine Spannung um. Mit dem integrierten 12-Bit-A/D-Umsetzer des "STM8L" wird diese Spannung, die proportional zum Sensorstrom ist, digitalisiert und über die Zeit integriert. Das Ergebnis diese Operation wird mit linearen Gleichungskoeffizienten erster Ordnung, die aus der Berechnung resultieren, in einen BAK-Wert umgerechnet. Diesen Wert zeigt das Display an, der Benutzer kann ihn optional in dem eingebauten Dual-Interface-EEPROM speichern.
Ansprechverhalten
Zur Berechnung der finalen BAK-Werte sind normalerweise zwei Methoden üblich, nämlich die Spitzenspannungs- und die Stromintegrationsmethode.
Bei der Stromintegrationsmethode werden die vom Sensor des Atemanalysators kommenden Messwerte erfasst und mit zusätzlichen Schaltungen in entsprechende Spannungswerte umgewandelt. Die hieraus resultierende Spannung ist proportional zu dem vom Sensor kommenden Strom.
Bild 4a und Bild 4b zeigt das erfasste Signal für eine Person ohne Atemalkohol und für eine alkoholisierte Person. Eine Strom-Ansprechschwelle legt die Mindestauflösung fest. Werte oberhalb dieser Schwelle geben den Alkoholisierungsgrad der jeweiligen Person an. Für die Erfassung des Atems mit dem Atemanalysator wird ein Zeitfenster definiert. Sämtliche über der Ansprechschwelle liegenden Wert werden innerhalb dieses Zeitintervalls integriert und gemittelt, um den finalen BAK-Wert zu erhalten.
Bei der Spitzenspannungsmethode wird der vom Sensor des Atemanalysators ausgegebene Strom ebenfalls einer Schaltung zugeführt, die den Strom in eine Spannung wandelt (Bild 5).
Der Mikrocontroller bereitet dann die Spitzenwerte der Ausgangsspannung auf und leitet sie an den integrierten A/D-Umsetzer des Mikrocontrollers, um die daraus resultierende Ausgangsinformation zum finalen BAK-Wert zu verarbeiten.
Der von STMicroelectronics verwendete Brennstoffzellensensor hat zwei Elektroden (Anode und Katode).
Die Anode erfasst den im Atem einer alkoholisierten Person befindlichen Alkohol und wandelt diesen in Essigsäure um, an der Katode wird der Luftsauerstoff zu Wasser reduziert. Insgesamt entstehen also Essigsäure und Wasser. Bild 6 zeigt die im Sensor des Atemanalysators stattfindenden chemischen Reaktionen im Überblick gemeinsam mit dem Stromfluss. Dass ein elektrischer Strom erzeugt wird, erklärt sich aus dem Elektronenfluss zwischen Anode und Katode. Dieser Strom ist proportional zum Alkoholgehalt an der Anode. Der Mikrocontroller erfasst den Strom und bereitet ihn zu einem BAK-Wert auf, der vom Display angezeigt wird.
Kalibrierung des GerätsAtemanalysatoren auf der Basis von Brennstoffzellensensoren sind anfällig gegen Fehler durch Korrosion oder Verschmutzung der Anode und der Katode sowie durch weitere chemische Reaktionen neben dem Alkohol. Aus diesem Grund ist es notwendig, einmal jährlich Verunreinigungen zu entfernen und eine Kalibrierung vorzunehmen. Zur Kalibrierung dieser Sensoren stehen Nass- und Trocken-Verfahren zur Verfügung. Beim Trocken-Verfahren durchströmt ein Gasgemisch aus Stickstoff und Ethanol die Brennstoffzellenfäden, bevor mit einem Handgerät die Kalibrierung vorgenommen wird. Dieses Verfahren ist zwar kostengünstig, die erreichbare Genauigkeit ist jedoch gering. Bei der Nass-Methode werden die Brennstoffzellenfäden mit einer Lösung aus Ethanol und Wasser getränkt, und das System wird zur Kalibrierung simuliert. Diese Kalibrierstrategie ist teuer und erfordert sperrige Instrumente. Sie bietet jedoch eine hohe Kalibriergenauigkeit. Der vom Atemanalysator ermittelte BAK-Wert ist der Quotient aus ADC-Wert und Schwellenwert.
Beim ADC-Wert handelt es sich um den Messwert nach erfolgter Stromintegration, der Schwellenwert ist die Referenzschwelle, mit deren Hilfe der korrekte BAK-Wert in Prozent errechnet wird. Während der Kalibrierung wird der Schwellenwert so lange verstellt, bis das korrekte Ergebnis vorliegt. Der vorgegebene Schwellenwert für das Demoboard auf Basis des "STM8L" beträgt 0x5000. Wird der Atemanalysatorsensor einer Lösung oder Probe ausgesetzt, deren prozentualer BAK-Wert bekannt ist, lässt sich der Schwellenwert so anpassen, dass der vom Atemanalysator ausgegebene BAK-Wert exakt mit dem bekannten BAK-Wert übereinstimmt.
Von STMicroelectronics wurde die auf Android basierende App "Nfc-V-reader" (erhältlich im Google-Play¬store) entwickelt, um mit NFC-fähigen Smartphones zu kommunizieren und den Schwellenwert des Atemanalysators zu justieren. Zum Verstellen des Schwellenwerts wird das NFC-fähige Smartphone an einer definierten Stelle platziert (Bild 7), um den gewünschten Wert im Hexadezimalformat an die Speicherstelle 0x000 zu schreiben.
Über die Autoren:
Salil Jain ist Senior Design Engineer, Alok Mittal Group Manager und Saurabh Sona Technical Leader, alle bei STMicroelectronics.
Eigenschaften des Referenzdesigns
- Das auf dem Low-Power-Mikrocontroller STM8L basierende Referenzdesign misst auf nicht-invasive Weise die Blutalkoholkonzentration (BAK).
- Der verwendete Brennstoffzellensensor hat gegenüber Halbleitersensoren größere Spezifität. Dies vermeidet falsch positive Meldungen infolge von Aceton, das im Atem von Diabetikern in nennenswertem Umfang vorkommen kann.
- Zur Bestimmung des BAK-Werts wird das Ausgangssignal des Brennstoffzellensensors nach der Stromintegrationsmethode aufbereitet (sehr hohe Kurz- und Langzeitkalibrierstabilität).
- Stromversorgung mit 3,7-V-Li-Ion-Akku.
- Erkennung unzureichender Akkukapazität mit einem Spannungsdetektor des Typs STM1061N31, der eigens für Anwendungen mit nur einer Li-Ion-Zelle entwickelt wurde.
- Anzeige von Informationen mit einem Glas-LCD (sechs alphanumerische Zeichen).
- Umgebungslichtsensor aktiviert automatisch die LED-Hintergrundbeleuchtung des Displays.
- Bis zu 396 BAK-Werte lassen sich mit Datum und Uhrzeit in einem eingebauten Dual-Interface-EEPROM speichern.
- Android-App zur Datenaufzeichnung über ein NFC-Interface mit dem RF-EEPROM.
- Ladeschaltung STC4054GR zum Aufladen des Akkus mit einem externen 5-V-Steckernetzteil.
- Extrem geringe Stromaufnahme von etwa 8 µA im Standby-Status (einschließlich der Timekeeping-Funktionen).
Die Atemanalysatoren werden typischerweise von den Strafverfolgungsbehörden eingesetzt, wobei die Technik auch in Kraftfahrzeugen zum Unterbrechen der Zündung dienen kann. Private Anwender können das Gerät nutzen, um ihre Fahrtüchtigkeit zu überprüfen.
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