Технические и эксплуатационные характеристики современных анализаторов паров этанола в выдыхаемом воздухе Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 54.08

М. А. Лядов, Р. Г. Романова

ТЕХНИЧЕСКИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

СОВРЕМЕННЫХ АНАЛИЗАТОРОВ ПАРОВ ЭТАНОЛА В ВЫДЫХАЕМОМ ВОЗДУХЕ

Ключевые слова: анализаторы паров этанола в выдыхаемом воздухе, алкотестеры, анализ технических и эксплуатационных

характеристик.

Проведен обзор современных анализаторов паров этанола в выдыхаемом воздухе (алкотестеров). Сформированы и определены основные критерии, наиболее полно отражающие технические и эксплуатационные свойства и качество рассматриваемых приборов. Систематизированы результаты поверки анализаторов паров этанола утвержденного типа за три года. На основании проведенного анализа и статистических данных выбраны образцы, обладающие лучшими метрологическими и эксплуатационными характеристиками, а также высокой надежностьюе.

Keywords: Ethanol vapor analyzers in exhaled air, breath alcohol monitor. breathalyzer, analysis of technical and operational characteristics.

Within the work the review of modern ethanol vapor analyzers in a breath sample (breathalyzer). The main criteria, characterizing technical and operational features and quality of the considered devices, are formulated. The results of the verification of ethanol vapor analyzers for 3 years are collected and systematized. On the basis of the analysis and statistics the samples with the best metrological and operational characteristics and high reliability are selected.

Определение точной концентрации этанола в воздухе является актуальной проблемой, решение которой способствует обеспечению безопасности дорожного движения и сохранению жизни человека. Правильная организация проведения предрейсовых медицинских осмотров является одним из ключевых звеньев профилактики дорожно-транспортных происшествий [1,2]. Обязательным этапом предрейсо-вого контроля водителей является проверка дыхания водителя на содержание паров этанола в выдыхаемом воздухе. В настоящее время, начиная с 2013 года, факт употребления вызывающих алкогольное опьянение веществ определяется наличием абсолютного этилового спирта в концентрации, превышающей возможную суммарную погрешность измерений, а именно 0,16 миллиграмм на один литр выдыхаемого воздуха.

Для определения массовой концентрации паров этанола в отобранной пробе выдыхаемого воздуха применяются средства измерений, называемые анализаторами паров этанола, или алкотестерами [4]. Точность анализа зависит не только от биологических особенностей человека, но и от типа используемого прибора и его калибровки. Современный ассортимент данных средств измерений весьма обширен, в связи с этим целью настоящей работы являлось определение и сравнение эксплуатационных и метрологических характеристик наиболее часто применяемых в практике анализаторов.

В работе систематизированы результаты поверки около 3800 анализаторов паров этанола утвержденного типа, используемых на территории республики Татарстан за 2014-2016 годы. Исследования проводились на базе Федерального бюджетного учреждения "Государственный региональный центр стандартизации, метрологии и испытаний в Республике Татарстан".

Погрешности алкотестеров преимущественно связаны с конструктивными особенностями приборов, которые определяются применяемым чувстви-

тельным элементом - первичным измерительным преобразователем, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина [5]. В зависимости от используемых физико-химических принципов измерений первичные преобразователи анализаторов паров этанола классифицируются на следующие виды: термохимические сенсоры; электрохимические; полупроводниковые; оптические сенсоры паров этанола (ИКС-метод), а также хрома-тографические [6]. В таблице 1 приведены исходные данные наиболее часто используемых в практике алкотестеров. Следует отметить, что в исследовании участвовали только те анализаторы, которые утверждены как тип средств измерений.

Из данных таблицы 1 видно, что анализаторы паров этанола представлены в основном отечественными производителями. Наиболее часто в конструкции приборов применялись электрохимические сенсоры, и только в приборе АКПЭ-01М-01 был спек-трофотометрический датчик, и в анализаторе Алко-тест 203 датчик представлял собой полупроводник.

С целью проведения сравнительного анализа ал-котестеров различного типа были сформированы и определены основные критерии, наиболее полно отражающие качество рассматриваемых анализаторов (табл.2). Основными показателями для любого типа измерительных приборов является погрешность измерений, точность измерений и диапазон измеряемых концентраций. Следует отметить, что погрешность определения для большинства анализаторов составляла 0,05 мг этанола /мл воздуха, цена деления младшего разряда шкалы 0,01, а максимальное содержание этанола, которое можно определить с заданной погрешностью, составляло 0,48 мг/мл. Существенно лучше показатели оказались у приборов «Алкотектор PRO-100 ШисЬК» и «АКПЭ-01М-01» - погрешность измерения для данного типа составляла 0,02 мг/мл, цена деления - на порядок меньше (0,001), а максимальное содержание этанола, определяемое на данном анализаторе составило 0,200 мг/мл. При более высокой погреш-

ности, диапазон определяемых концентраций у анализатора «Алкотест 203» значительно выше и составляет от 0 до 0,5 г/мл.

Таблица 1 - Исходные данные применяемых в практике анализаторов паров этанола утвержденного типа

Тип Название в соответствии с описанием типа Тип датчика Предприя -тие разработч ик Номер Госреестра

Алкотектор РЯ0-100 ШисЬ-К Анализатор паров этанола в выдыхаемом воздухе Электрохимический ООО «АЛКОТЕ КТОР» (г С.Петербург ) 46002-10

Alcotest 6510(Drager) Анализатор паров этанола в выдыхаемом воздухе Электрохимический ООО «СИМС- 2», (г. Москва) 29815-05

Alcotest 6810(Drager) Анализатор паров этанола в выдыхаемом воздухе Электрохимический ООО «СИМС- 2», (г. Москва) 29815-13

Lion а1со1тей SD-400 Анализатор паров этанола Электрохим ический ГУ НПП «Синтез» (г С.Петербург ) 53725-13

АКПЭ-01М-01 Анализатор концентрации и паров этанола в выдыхаемом воздухе Спектрофо-тометричес-кий ЗАО «НПФ Мета» (г Жигулевск Самарской области) 14543-11

Алкотест 203 Прибор для измерения концентрации паров этанола в выдыхаемом воздухе Полупровод никовый ООО "Фларс" Беларусь 18951-10

Эксплуатационные показатели анализаторов паров этанола, представляющие практический интерес для потребителя, характеризуются такими параметрами как время выхода на рабочий режим, время измерений после отбора пробы, время подготовки сенсора между последовательными измерениями. Время выхода приборов на рабочий режим зависит от типа применяемого датчика и, как видно из табл. 2, составляет от 15 до 300 с, при этом минимальное время оказалось у «Алкотектор PR0-100 ШисЬК». Минимальные время измерения и интервал между измерениями характеризуют также хорошее качество и прибора АКПЭ-01М-01. Для этого типа анализатора лучшим также оказался очень важный показатель, такой как возможность эксплуатации при низких температурах до минус 10 0С, в то время как остальные анализаторы способны работать только при температурах выше минус 50С.

Не менее важным показателем для алкотестеров является возможность бесперебойной работы аккумулятора. Здесь худшие качества определились у прибора «Алкотест 203», для которого число измерений без подзарядки составило всего 150, в то время как для других оно достигало 1500.

Особенностью всех исследуемых приборов является отсутствие возможности испытуемого и оператора повлиять на результат измерения. Кроме того,

приборы используемые для медицинского освидетельствования ГИБДД, имеют возможность создания записи результатов освидельствования на бумажном носителе. Распечатанный на таком приборе «чек» содержит такую информацию как: заводской номер прибора, дату измерения, дату последней калибровки и поверки, инициалы проверяющего, место проведения анализа и полученный результат. Все рассмотренные приборы, кроме «Алкотест 203» имеют возможность выхода на компьютер. Дополнительные преимущества приобретает алкотестер «Алкотектор PRO-100 ШисЬК.» благодаря наличию встроенного принтера.

Так как алкотестеры являются измерительными приборами, используемыми для медицинского освидетельствования водителей, а также предрейсового контроля на предприятиях, их работоспособность находится под контролем Государственного Метрологического надзора [7-11]. Контроль работоспособности, или поверка анализаторов этанола в воздухе проводится аккредитованными лабораториями в установленном порядке с периодичностью 6 или 12 месяцев.

Принцип поверки заключается в точном измерении показаний алкотестера по множеству различных параметров измеряемого вещества и сравнении измеренного значения с величиной, характерной для нормальной работы прибора. Процесс поверки обычно состоит из трех последовательных стадий, а именно: внешний осмотр, опробование и определение метрологических характеристик

Внешний осмотр включает в себя полный визуальный осмотр анализатора. При проведении внешнего осмотра должно быть установлено отсутствие внешних механических повреждений (царапин, вмятин, сколов) влияющих на метрологические характеристики прибора. Если при внешнем осмотре прибора обнаруживают явные повреждения или есть основание предполагать, что имеются внутренние повреждения, то необходимо снять корпус и осмотреть внутренние части схемы и измерительного механизма.

Опробование обычно представляет собой автотестирование общих систем анализатора при включении. Второй частью опробования является проверка нулевых показаний прибора. Результаты проверки нулевых показаний анализатора считают положительными, если на экране анализатора появились нулевые показания.

При определении основных метрологических характеристик находят основную абсолютную и приведенную погрешности анализатора. Для этого на анализатор поочередно подают поверочные газовые смеси этанола, или же используют генератор паров этанола и регистрируют показания алкотестера

С целью определения надежности приборов, нами проведен анализ результатов поверки применяемых в республике Татарстан алкотестеров за 2014-2016 г.г. и систематизированы наиболее часто встречающиеся несоответствия в приборах, не прошедших поверку (табл. 3).

Таблица 2

Вестник технологического университета. 2017. Т.20, №°4 - Критерии оценки и значения показателей качества различных типов анализаторов

Показатели Тип анализатора

Алкотектор PRO-100 touch-K Alcotest 6510(Бга ger) Alcotest 6810(Б^ er) Lion alcolmetr SD-400 АКПЭ-01М-01 Алкотест 203

Погрешность измерения ±0,02 мг/л ±10% (отн) ±0,05 мг/л ±10% (отн) ±0,05 мг/л ±10% (отн) ±0,05 мг/л ±10% (отн) ±0,05 мг/л ±10% (отн) ±15 % прив ±15% (отн)

Время выхода на рабочий режим, регламентированное (фактическое), с Не более 5 (5-7) Не более 20 (15) Не более 20 (15) Не более 20 (25) Не более 210 Не более 300

Диапазон показаний, мг/л (0-0,200) ; (св.0,200-1,200) (0-0,48) ; (св.0,48-0,95) (0-0,48); (св.0,48-0,95) (0-0,48) ; (св.0,48-0,95) (0-0,200); (0,2001,500) (0-0,5); (0,5-3,0)

Время измерения после отбора пробы (фактическое), с Не более 15 (10-12) Не более 30 (10-15) Не более 30 (10-15) Не более 30 (10-17) Не более 5 (6-8) Не более 180 (25-60)

Интервал времени работы без корректировки показаний, мес. 12 12 12 12 12 6

Время подготовки сенсора между измерениями регламентированное (реально измеренное), с Не более 30 (20-25) Не более 40 (20-25) Не более 40(20-25) Не более 60 (30-45) Не более 20 (20-40) Не более 180 (120-140)

Цена деления младшего разряда шкалы, мг/л 0,001 0,01 0,01 0,01 0,001 0,01

Температура эксплуатации -5 до +50 -5 до +50 -5 до +50 -5 до +40 -10 до +40 -5 до +35

Число измерений без подзарядки аккумуляторного блока, батареек не менее 1000 не менее 1500 не менее 1500 не менее 1500 не менее 250 не менее 150

Возможность выхода на ПК Есть Есть Есть Есть Есть Нет

Стабильность операционной системы Высокая Высокая Высокая Система периодически тормозит, наблюдаются подвисания Система нестабильна, результаты калибровки иногда не сохраняются средняя

Продолжительность поверки, мин 30-40 30-40 30-40 30-50 40-90 30-35

Сложность операций поверки Умеренная Умеренная Умеренная Сложная Сложная Умеренная

Необходимость специального ПО и устройств для поверки Отсутствует Отсутствует Отсутствует Необходимость специального ПО и вспомогательного устройства Необходимость специального ПО и вспомогательного устройства Отсутствует

Наличие встроенного принтера Есть Отсутствует Отсутствует Отсутствует Отсутствует Отсутствует

Изучая данные по статистике прохождения поверки приборов за 2014-2016 годы, было установлено, что наиболее надежным и метрологически стабильным прибором является «Алкотектор PRO-100 ШисЬ-К», из 2488 поверенных приборов не прошли поверку 74, что составляет около 3% от всего числа. К распространенным неисправностям при проведении поверки можно отнести превышения основной допустимой погрешности измерений. Также стоит заметить, что

достаточно часто у этого типа приборов выходит из строя выстроенный принтер, что также является несоответствием. Следует отметить и положительные моменты: так, в отличие от прочих представленных алкометров, «Алкотектор PRO-100 йисЬК.» один из немногих приборов, который позволяет измерять концентрацию паров этанола с точностью до одной тысячной миллиграмма на литр выдыхаемого воздуха, что является несомненным плюсом этого анализатора. Также модель

оборудована как механическим кнопками управления, так и сенсорным экраном, что значительно упрощает ввод данных и работу с прибором. Помимо этого в прибор встроен gps-модуль, что позволяет определить точные географические координаты места проведения анализа. Касательно метрологических

характеристик, установлено, что средняя Таблица 3 - Статистические данные по поверке а

абсолютная погрешность анализаторов, возраст которых не превышает двух лет, составляет порядка ± 0,007 мг/л, при допустимой погрешности (0,020мг/л) выдыхаемого воздуха в диапазоне (00,200) мг/л, относительная погрешность в диапазоне (св.0,200-1,200) мг/л составила ± 6%.

паров этанола

Тип анализатора Число поверенных анализаторов, ед./год Число анализаторов, не прошедших поверку, ед. /год, (% )

2014 2015 2016 Всего 2014 2015 2016 Всего

Алкотектор PRO-100 touch-K 829 791 846 2488 25 (3,0) 23(2,9) 26 (3,1) 74 (3,0)

Alcotest 6510(Drager) 185 181 160 526 15 (8,1) 18 (9,9) 16 (10) 49 (9,3)

Alcotest 6810(Drager) 87 73 80 240 8 (9,2) 9 (12,3) 7 (8,8) 24 (10,0)

Lion alcolmetr SD-400 39 38 41 118 4 (10,3) 4 (10,5) 5 (12,2) 13 (11,0)

АКПЭ-01М-01 12 9 10 31 2 (16,7) 3 (33,3) 3 (30,0) 8 (25,8)

Алкотест 203 26 17 20 63 11 (42,3) 7 (41,1) 14 (70,0) 32 (50,8)

Из 240 приборов Alcotest 6810 и 526 Alcotest 6510 проходивших поверку, брак составил 9,3 и 10 % , соответственно. Следует отметить, что основная причина непригодности последних двух типов приходилась на неисправность сенсора, которая выявлялась на этапе включения прибора при его самодиагностике.

Наиболее низкую метрологическую

стабильность показали приборы типа «Алкотест 203», ежегодная отбраковка составляла от 40 до 70% приборов. Основной причиной непригодности являлись нестабильные показания прибора и ошибки при калибровке. Также стоит отметить, что калибровка прибора происходит по пяти растворам, что значительно увеличивает затраты времени на работу с ним. Помимо всего прочего, межповерочный интервал у «Алкотест 203» составляет 6 месяцев, что обязует владельца проводить поверку прибора 2 раза год. При стоимости прибора порядка 10 тысяч рублей, и стоимости поверки около 3300 рублей использование такого прибора можно считать не целесообразным.

Относительно анализатора паров этанола «Lion alcolmetr SD-400» установлено, что наиболее частыми причинами неисправности является ошибки: «Е3», сигнализирующая о том, что чувствительность датчика недостаточна для регулирования показаний и ошибка «Е5», сигнализирующая о неисправности системы отбора пробы. Помимо всего прочего было замечено, что у приборов, эксплуатируемых более 3 лет, сбивается дата последней калибровки и поверки. Это связано с тем, что у прибора садится внутренняя батарея, контролирующая счет времени. Установлено, что приборы проходящие поверку не первый раз, значительно дольше выходят на рабочий режим (порядка 5 минут), что, скорее всего связано с устаревшей версией программного обеспечения и

частичной потерей чувствительности у сенсора. Средняя абсолютная погрешность приборов в диапазоне (0-0,48) мг/л составила ± 0,009 мг/л; относительная погрешность в диапазоне (св.0,48-0,95) мг/л ± 6 %. Помимо всего прочего, для получения права калибровки и юстировки анализатора «Lion alcolmetr SD-400» необходимо пройти специальные курсы повышение квалификации в компании официального

дистрибьютора ГУ НПП «Синтез» (г. С.-Петербург).

При поверке портативных

спектрофотометрических анализаторов

концентрации и паров этанола в выдыхаемом воздухе АКПЭ-01М-01 было установлено, что наиболее частой причиной непрохождения поверки, является изменение показаний анализатора в зависимости силы выдоха анализируемого воздуха, помимо этого сильное влияние на воспроизводимость показаний прибора оказывают внешние условия, особенно температура окружающей среды.

Второй причиной отрицательных результатов прохождения поверки являлось показания наличия алкоголя в чистом воздухе. Это можно объяснить неисправностями, связанными с оптическим сенсором и ошибками программного обеспечения. Для этого типа приборов следует также отметить недостаток в том, что настройка и калибровка прибора проводятся по 5 точкам, эта процедура занимает в среднем 30-40 минут, а установка «нуля» производится по влажному воздуху, что значительно усложняет процесс настройки и калибровки прибора. Кроме всего этого часто показания прибора сильно менялись в зависимости от давления поступающего на анализ водного раствора этанола.

Из вышеприведенных данных можно сделать вывод, что наиболее используемым в практике и надежным в эксплуатации прибором является «Ал-котектор PR0-100 touch-K», К распространенным

неисправностям данного типа приборов при проведении поверки можно отнести превышения основной допустимой погрешности измерений и выход из строя встроенного принтера

Литература

1. Медицинское обеспечение безопасности дорожного движения. Организация и порядок проведения предрей-совых медицинских осмотров водителей транспортных средств Методические рекомендации Минздрава РФ и Минтранса РФ от 29.01.2002 г.

2. О предрейсовых медицинских осмотрах водителей транспортных средств" [Электронный ресурс]: Письмо №2510/9468-03-32 Министерства здравоохранения российской федерации. от 21.08.2003.

3. Об утверждении Правил освидетельствования лица, которое управляет транспортным средством, на состояние алкогольного опьянения и оформления его результатов, направления: принято Постановлением Правительства РФ 26.06.2008 г. №475. // СПС «Консультант плюс» ГОСТ Р 54794-2011.

4. Анализаторы паров этанола. Общие технические условия[Текст]. - Москва : Стандартинформ, 2013. - с.2

5. РМГ 29-2013. Государственная система обеспечения измерений. Метрология. Основные термины и определения. - М.: Стандартинформ, 2014 .с.12

6. Тутов Е.А. Сенсоры измерительно-информационных систем: учебное пособие / Е.А Тутов, С.В Рябцев, М.К Шаров, Э.П Домашевская — Воронеж: ВГУ, 2006. — С.35-49

7. Бушуев Е.С. Определение этилового спирта в выдыхаемом воздухе и биологических жидкостях: справочно-информационное пособие / Е.С. Бушуев, Р.В. Бабаханян,

B.Д. Исаков — СПб.: Юридический центр Пресс, 2008.

C. 23-64

8. Кодекс Российской Федерации об административных правонарушениях от 03.04.2014 № 195-ФЗ (ред. от 02.12.2013) // СПС «Консультант плюс», Статья 19.19. Нарушение законодательства об обеспечении единства измерений

9. Российская Федерация. Законы. «Об обеспечении единства измерений» [Электронный ресурс] : федер. закон № 102-ФЗ 26.06.08: по состоянию на 13.07.15 г. // СПС «Консультант плюс».

10. Прибор для измерения концентрации алкоголя в выдыхаемом воздухе "Анализатор паров этанола Lion al-colmeter SD-400(SD-400P)"Руководство по эксплуатации. 2009.с.31

11. ГОСТ Р 8.879-2014. Государственная система обеспечения единства измерений. Методики калибровки средств измерений. Общие требования к содержанию и изложению [Текст]. - Введ. 2015-01-09. - Москва : Стандартинформ, 2015. - c.4

© М. А. Лядов, магистр. кафедры аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КНИТУ; Р. Г. Романова, канд. хим. наук, доцент той же кафедры, [email protected].

© M. A. Lyadov, Master's student, department of Analytical Chemistry, Certification and Quality Management, KNRTU; R. G. Romanova, candidate of chemical Sciences, associate Professor of the Department of Analytical Chemistry, Certification and Quality Managemen of KNRTU, [email protected].