wet bath simulator

6
A Depletion Compensated Wet Bath Simulator For Calibrating Evidential Breath Alcohol Analyzers Slemeyer, A. University of Applied Sciences of Giessen, Dept. of Electrical Engineering 1 Wiesenstr. 14, D-35390 Giessen / Germany e-mail: [email protected] Keywords Breath alcohol analyzer, calibration, simulator, partition ratio, ethanol. Abstract Wet bath simulators have been in use for more than 4 decades for calibrating breath alcohol analyzers as they deliver a gas sample similar to human breath with regard to temperature and relative humidity. As the alcohol concentration in the liquid is depleted due to evapora- tion losses the solution has to be changed after a certain number of tests. This restricted their use in automated calibration systems. The paper describes the design principle of a new wet bath simulator system that offers a long-term stable output concentration at a defined temperature. The compensation of the evaporation losses of ethanol in the liquid phase is done by replacing a certain amount of the simulator solution. The amount of fresh solution supplied after each test is depending on the volume of generated gas. The Dräger ALCOCAL calibrator is the first instrument based on this technique. It has been approved by the German National Institute of Standards (PTB) in Braunschweig. Linking the ALCOCAL unit to a PC provides an automated operation which is very useful for production or calibration services. The paper reports also on results from tests with the ALCOCAL. Background The OIML recommendation R126 for Evidential Breath Analyzers [OIML] sets high stan- dards for calibrating evidential breath alcohol analyzers. It requires a sample of 3 l with a defined gas temperature of (34 ± 0,5) °C and a relative humidity of at least 95 %. The Ger- man Standard DIN VDE 0405 for Evidential Breath Alcohol Analyzers, released in 1995, follows the OIML recommendation, but introduces the breath temperature as a new parameter [VDE]. As the results of breath samples have to be referred to 34 °C, all measured concentra- tion values are corrected by a temperature coefficient of +6.54 %/1 °C. There are at least two conditions that are difficult to fulfill using compressed vapor-alcohol mixtures as a standard: high saturation with water vapor and precise gas temperature. This lead to the idea to improve the well-established liquid simulator system by designing a system for compensating the losses of alcohol due to evaporation.

Upload: sorin

Post on 03-Apr-2015

315 views

Category:

Documents


18 download

TRANSCRIPT

Page 1: Wet Bath Simulator

�������������� ����������������������

��������������������������������������������

����������

�� ���� ��������� ����� ���������� ��������������������� ������� ���� ����

� ��������������� �!"���� ��#��������

������$����������������%���&�� �������

��!��

'����&�����&��������(������� )��� ����� �*����������� � ������ �����&����

�� �����

����)��&�� �*�������&����)���� ��*�������������&�������������������� )��� ���)����&�����&��

�����(��������&������� ������������������ � �������&*����)����&�+ �&�������������������*��

��������� ���&*� � ������&������&������������� ��� ���&��� ,* �� ������������*�������������

� �����������&�����*� ���&������)���&������������������� ���*�)������������-& ������� ������&� �

*��� ���*����������� )��� ����������

-&������������� )����&����� ����� �� �����������+�+���)��&�� �*��������������&�����������

�������������)����*��*������������ ����������� ������������*���-&����������� �������&�

�������� ���������������&����� ���&��� ,* ���&���� �������)�������� ���������� �����*�������&�

� �*���������*� ���-&�����*����������&����*� ����*��� ������������&������ �������� �������&�

���*�������������������

-&����.����/010/���� )������ ���&��� ���� ����*�����)���������& �����&� ,*��2��&���)���

���������)���&���������3�� �����2��� �*����������������45-'6� ��'��*���&+� ��/ �7 ����&�

/010/�*� �������50����� ��������*�������������� ���+& �&� �������*���*����������*�� ��

������ )��� ������� ���

-&���������������������������*���������������+ �&��&��/010/

���"����

-&��128/������������ ���9�:;������� ���� ���'����&�����(����<128/=������& �&������

������������� )��� ����� ���� ���)����&�����&��������(����2����,* ��������������������+ �&��

��� ����������������*�������4���>�"� 6�?0������������ ���&*� � ���������������! �@�-&������

��������������23�A���"�" ������� ���� ���'����&����&�������(�������������� ���!! �

�����+���&��128/������������ ����)*�� �����*�����&��)����&���������*����������+����������

<A��=����&�����*�������)����&���������&�������)�����������������?0����������*��������������

� ������*�����������������)������������*�������� � �������B; ��@#��?0

-&������������������+������ � �����&�������� �� �*�������*�� ���*� ������������������������&��

� C�*�����������������$�& �&����*��� ���+ �&�+������������������� ���������������*���-& �

���������&�� ������� ��������&��+��������)� �&���� ,* ��� �*�������������)����� �� �����������

������������� ����&����������������&����*������������� ��

Page 2: Wet Bath Simulator

#������� �$���%���� �������

�� ������ ������ ,* ��� �*������+ �&���+��������*������ ""��������+���&����� ��������������"

���� ����������������*�� ������@������� ��� ������&���<��'�D!=����& �� �������������)������

���� � ������ )��� ����*��������128/�������������&��*��������E)*))������ �F��������������+�

���������+��&�)�������+& �&������������ ����+�����)��&������� ������������*������&�'��&�+�

�&����*�&���:�������� �*������������� �����)�*��;�� ���������������������*���-�� ��������&�

�������������) � ���128/�������������������� ��+& �&��&�����*� ��� ���&��� ����+��&�)������ �

��� �� ���������������+ �&�����&����*� �����&�*�&��& ��+�*���&�������7����*���&������������

� ���+ �& ���&��� ����� �*��������������&����+�*���)��������� ��� ������� ����)�*���&�����*��

���������� ��� ���&���������������+& �&� ���� ����������� )��������&���������������������� ��

����&���*��*�

94

95

96

97

98

99

100

0 50 100 150 200

effluent volume in l

concentration

in %

2-stage

single stage

������������ �� �������������������� ��� ������ ��� �������� ��

(��������������� ������������

-& ���� �� ���� ��)���������&��� �� �����&����&�����������������*����� �*���������*� ����&�*��

��7�������� ���&�����������������&��� �*������-&������� ������������ ����*������������� ��� �

&�����*�&���+����&��� ���&��*��������������-&*�� ����,* �����������������*����������&����*�

� �������������&��&�������������� ������������� ���������-& �������������������� ��+& �&��&�

� ���� ���������+�����&��� �*������� ,* �� ����*���������&�������������-&����*��������+��� �� �

���� ��7��+�����)������������� �����������&����C�&������������

-&�����*����������&�� �*���������*� ���������������� ��� � ���������� ������������ ��������

��������� �����������&����������������*��������&������ � �������� � ���������&�����)��+���

�&��� ,* �������&�������&����2�����������&������������� �����*����������&�� �*���������*� ��

����*����������&��� ������������������*��� ��������*�����+ ����&��*�&��&�����������&���*��*�

���������� �������)��7����+ �& ���������������������<5-��=�-& ��&���)�����&�+��)�

���&���� ����� �*��� �������)���C��� ������+ �&�������������������

Page 3: Wet Bath Simulator

)�!� ���������� ��

-&���� ���)G��� ���+��������� ������ �*����������������� � ���& �&��������������) � �������&�

��������������������������� ���1�&��� �������������*����+���$

· ��� �)������+����������*�����"���#�

· ��� �)�������������*�������*����� ��

· ��������*������� ���)��+�����:�?0������D�?0

· ��C���������*���������*� ������������� ����$�"��?0

· �*����������������� �������&������&�������������������&�����

· ���������������� ��9��:�:

· �*��������������*�������������� ����&��� �*���������*� ��

-�� ��������&����������*������) � ��������� ��������& �&����+����������� ��� ��������� ��������

*����+& �&��������C ������ �����������&�+�� �����&�*�-&�� �����+��&�)������ ������������

��������)���&��+��������*�������&���*��������+& �&��������������&������ ��*������<5-�:=

-&�������� ����&��� ����������� ����*����� ���&���*����+��&�)�������+&�������&�����*�������

�����*��� �������������)������������������ ���&�� �����������

air inlet

test gas outlet

fresh simulator

solution

used simulator

solution

liquid pumps

stage

#1stage

#2

temperature

sensor

heater

����������������� ���� ������������ ���� ������� �������� �

heater

Page 4: Wet Bath Simulator

'��&�+��&�)������������ �������������������)����������+ �&�& �&��&����������*�� � �����

������� ���� �����*�� ���&�� ���� �������& ��������+& �&� �����������������&����������*�������&�

� �*���������*� ����-& �� ������� ��������������&��������� ��������������� ���+ �& ���&�����

����*�� ���� ���������������&��� ����&������&�� �*���������*� ������� �����&������������&�

)����&������(��� ������������� �����������&���*��������������H:�� ��+ ������� ������������������&�

�������������*��

I����&��������� ������������������������ �������+��������*�������������+������������ ��*���

������ �������&�����*���� �������������&���������������� �����*����������&�� �*���������*�

� ��� ������ �����&�� �����+��&�)���������������&������������������� ����&������&����������I���

�&�����&���������+� ���*����� �����&���*����+��&�)������+& �&������������&��� ����� �*�����

������I �������&���������+�������&��� ���������� ��� �������� ����������� ��������*����� �*�����

���*� �������*�������������������)��� ,* ���������������� �����������������������*��������)�

����

-&���)�������� ���������*����+�������� ��������&��������*�� �������&����.����/010/

� �*������2�� ���&��� ���� ��*��� �������������& ����+���� )������������� �������&���)�������

�������)���&���������3�� �����2��� �*����������������45-'6� ��'��*���&+� �� ���!!!

-&��/010/� ���,* �����+ �&���� ���������������+& �&��&��7�������*��� ��������&�� ����*�

������������������� ��� ������ )���)������� ��� ���������-&���� �������� �������+����������

�*����������� )��� �������&����.����/01-��-�D��"��� ���� ��������(������ �� ������ )��

����&��7����� ������������ )��� ������� ��������&�������(���4���������� �������+�������������

�*��6�+ �&������ ����� ����*������& ��� �*������ �������*�)����������������*�� ���� ������������

�����������2�� ����+� ��*���������������&������� �������&��I�������0�� )��� ������� ��� ������

����

�+�������

I������������� ����&���������) � ����������) � �������&��/010/���� )������������+��������

� ����*������&���������3�� �����2��� �*���������������� ��'��*���&+� �� ��3����)����!!!

*� ����+��/01-��-�D��"������(����-&����� )������+����������:�� ����������������*�������

���������:�?0������D�?0� ������������&��7��&������������&������������ ���������������*��

����*� ����������

I������&���������*������� ����&����� )������+���� �����+ �&�����&����*� �������� � ��������&��

�������������� ��������"���#��-&������������*���+���� C������������������+���������"�:��#��

+& �&������������� ������ ������� �����������&�������&�����*�������"�����������&�� �*�����

���*� ���+������� �����&���������������������� ����&������&���������

-&�������(����+������������� ���&����� )��� ��������+& �&����� �������& ������ �������������

�&���� ����*���� ���������*� �������J�#��-&������������ ����+��������*����+ �&��&��29�������

-����� ����� � �������*���������������&���+������������������������������*�����������&����

���� �� ���������������������&����� )�������*��*��+����+ ��&������*���������&����&��������(��

,� ���

���&�-��&�+���&�����*������:;��*)��,*������� )��� ���������*� ���:������(����2���& ��������&�

��� )������+��������� ����������������*�������:�?0

-&�����������&������ �������)��&� ����*������+����)�*��"�"����#���+& �&�����������������:

@�����&������+������ )��� ���������-&���� ������ �� � ����������� ���&��������������� )��� ��

���������� ��������������������&��� "�������+& �&����������������*������������&���� "��

Page 5: Wet Bath Simulator

0,34

0,35

0,36

0,37

0,38

0 20 40 60 80 100 120 140 160

delivered test gas volume in l

mg/l

ALCOTEST #1

ALCOTEST #2

������������� !" �#��$������ ���� ������������ � ����%�

�����*��� �������&��� ������������ ������������������� �������� ������������ ������ 3�"� -

� ����

�""���������������-& �� ���*������&���&��������� �*���������*� �������+�*����������*�� ���&�

��� )������ ������ �*�*��������+ �&������*� ������������������������� ��

(�����'�������������������&�����*��������&�����������)��&���������*����-&������������ �� ���

�����������&������*�������������� ������������� �*����)����������������� ����������*�������

���*�����-&���� ����������� ��������� ����� )��� ������)��&� ����*�������)*���&� ����������

��� �� ��������������� ���� ����-&� ����C �*�����*�����"�"":K���#�� ��������&��� "�@�����&�

� � �������� �������23�A���"�"

-&�������������� �� ��������������)�� ���������������&������*�������������� ����+& �&� ���

��� ����������������29������(����-& �� ��������C��������)�������� � �������� � ���������� �� ��

����&��& �&������������� ������ �� ��� ���� �������������)���&��������� �������&�������(���

��������&���� ������ �� ���� ����������� �������� � ������ ����

(� � ����-*�.� (� � ����-/�.�

����� ��0' ����� ��0* ����� ��0' ����� ��0*

3 :; :; �K �K

8���� ����#� "��;"� "�� ; "� "�! "��!:�

��� ����#� "�"":D "�"":K "�"":D "�"":;

0A� ��@ "�D "�D! "� � "� :

�� �� �

-�����+ �&��&����.����/010/�&�����&�+���&����&����� )��������������������������������

) � ��������������) � �������&����������������&������������� ���-& ���������&����&������ ��

��� ����� �� �������������������� ��

Page 6: Wet Bath Simulator

-&��& �&���������*������) � �������+��������� ����� )��� �������&����������*���������������&�

)����&������(����*����� ����*�������������� ��������&���) � ������������������ ������������

�����*����������+���������& �� ����*����� �� ��������* ��������50��������������� )��� �������

����

��"!�������

2�������*������7��+�������&���������� ������8��9�� ���L�M����5-'�'��*���&+� �����������

� � ����&��/010/����������

,�$�����

<��'�D!= �*)�+�7 ��L8$�'����&����&���� �*������$��� ��� � ��'�� ��������*���5���

���������������-�C ��������DD��K:�4�!D!6

<128/= 2������� �����0��� ��������/�����8��������$�9���������� ���9��:;$

�� ���� ���'����&�����(����5�� ��4�!!K6

<A��= �23�A���"�" $������� ��� ������'����&����&���0��������� ���5�������

'��� ��4�!! 6

<5-��= ����������$�-����������������������0�� )��� �����������(���

���5������3�� ��!��K!��4�!!;6

<5-�:= ����������$�0�� )��� ����������������

���5������3�� �D��� "K�4�!!K6