Розробка конструкції вимірювального перетворювача частоти дихання

Розробка конструкції вимірювального перетворювача частоти дихання

ЗАВДАННЯ НА САМОСТІЙНУ РОБОТУ

Варіант №20

Розробити конструкцію вимірювального перетворювача частоти дихання.

Частота дихання: 20-120 разів в хвилину;

Робочий діапазон температур: -45…+45оС

АНОТАЦІЯ

Самостійна робота. Розробка конструкції вимірювального перетворювача частоти дихання.

Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя, факультет контрольно-вимірювальних та радіокомп'ютерних систем, кафедра біотехнічних систем, група Тернопіль: ТНТУ 2010.

Сторінок - 32, джерел - 5, рисунків - 8.

Ключові слова:

Пневмограма, дихання, давач, вимірювальний перетворювач, котушка, магнітна індукція.

В даній самостійній роботі розроблена конструкція та розраховані параметри індукційного вимірювача лінійних переміщень. Розраховані основні параметри давача та сформульовані рекомендації щодо підключення давача та обробки даних.

СПИСОК СКОРОЧЕНЬ

БСЛ - закон Біо-Савара-Лапласа;

ВП - вимарювальний перетворювач;

ЕРС - електрорушійна сила.

ЗМІСТ

Вступ

1. Пневмографічні методи дослідження

1.1 Пневмограф з повітряною передачею

1.2 Імпедансний метод

1.3 Реєстрація зміни температури вдихуваного/видихуваного повітря

1.4 Індукційний вимірювач лінійних переміщень

1.5 Вимірювання деформації грудної клітки за допомогою тензорезистора

2 Типи дихання, частота, глибина, характер дихальних рухів

3. Побудова схеми первинного вимірювального перетворювача та розрахунок параметрів

3.1 Побудова функціональної схеми ВП

3.2 Розрахунок характеристик передаючої та приймальної котушок

3.3 Виведення рівняння перетворювача

3.4 Обчислення похибки вимірювання

3.5 Обчислення температурної похибки

4 Конструювання первинного вимірювального перетворювача

4.1 Визначення діаметру дроту обмоток

4.2 Визначення довжини дроту

4.3 Розробка та опис конструкції вимірювального перетворювача

Висновки

Список використаної літератури

Додатки

ВСТУП. АКТУАЛЬНІСТЬ ВИБРАНОЇ ТЕМИ

В клінічних дослідженнях та обстеженнях досить часто потрібно виміряти такий параметр як частоту дихання. Для кращого відображення параметрів дихання на реєструючому пристрої записується крива дихання, що дає можливість побачити глибину, ритмічність, оцінити частоту дихання та, частково об'єм вдихуваного повітря. Дана процедура має назву пневмографія.

Пневмографія (від грецьк. pnevma - дихання і grapho - пишу) - запис (реєстрація) дихальних рухів людини і тварин. Пневмографія широко застосовується в експериментальних і клініко-фізіологічних дослідженнях для отримання відомостей про характер дихальних рухів, регуляцію зовнішнього дихання і його порушення при різних захворюваннях і патологічних станах. Ще одна галузь застосування пневмографічного дослідження - в детекторах брехні (поліграфах). Ще в 1914 році професор австрійського університету в Граце італієць Вітторіо Бенуссі, вивчаючи проблеми психофізики, опублікував дані своїх досліджень динаміки процесу дихання, які показують, що частота, глибина дихальних циклів і відношення тривалості вдиху до тривалості видиху міняється, коли обстежуваний бреше.

Методичні прийоми пневмографії різноманітні; використовувана апаратура має 3 основних елементи:

- давач, що безпосередньо сприймає дихальні рухи;

- пристрій, що передає показники давачів до реєструючого апарату;

- реєструюча система.

Зазвичай давач, а іноді і всю установку називають пневмографом. Сигнали давачів можуть передаватися до реєструючої установки на великі відстані за допомогою радіозв'язку -- телепневмографія. Пневмографія не дає кількісної оцінки вентиляції легень, тому її зазвичай доповнюють спірометрією або спірографією, що забезпечують реєстрацію основних легеневих об'ємів, а також пневмотахографією -- реєстрацією об'ємних швидкостей повітря, що поступає в легені при вдиху і що покидає їх при видиху. Для дослідження значення окремих м'язів в здійсненні дихальних рухів і аналізу особливостей зовнішнього дихання пневмографію поєднують з електроміографією дихальних м'язів.

1. ПНЕВМОГРАФІЧНІ МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ

Двома найбільш поширеними показниками є частота і глибина дихальних рухів (основні види та параметри дихання буде розглянуто нижче). Для реєстрації пневмограми використовую механічні і електричні (імпедансні) пневмографи. Принцип роботи механічних пневмографів полягає в механічній (важелем, повітрям) передачі коливань грудної клітки в записуючий механізм, важіль якого пише криву на стрічці кімографа.

1.1 Пневмограф з повітряною передачею

Найбільш простий по конструкції пневмограф з повітряною передачею. Конструкція приладу складається з манжети, подібної тій, що надягається на руку при вимірюванні тиску. Манжета кріпиться за допомогою тасьомок до нижньої частини грудної клітки випробовуваного. Потім система заповнюється повітрям і герметизується. Коливання тиску повітря в пневмографі, обумовлені дихальними рухами, по гумовій трубці передаються в мареєвську капсулу, і важіль реєструє пневмограму

Запис зміни тиску в манжеті проводиться на кімографі (не термопринтері, візуалізується на екрані монітора) або через пьезодатчик на самописці. Недоліком таких вимірювань є великі артефакти від м'язових напружень.

1.2 Імпедансний метод

Також дихальну активність вимірюють за допомогою імпедансного пневмографа. Суть методу полягає в вимірюванні імпедансу, грудної клітки в залежності від наповненості легень повітрям. При вдиху опір тіла змінному струму (50-100 кГц) зростає на 0,2-0,6%, а при видиху він повертається до початкового значення. Імпедансний пневмограф, сконструйований Р.Х. Туш-каїтовим, складається з приставки і самописного пристрою. У портативній приставці вмонтовано генератор струму, зібраний на двох транзисторах; перетворювач високих частот в низькі; смуговий фільтр; джерело живлення - гальванічна батарея. Для реєстрації пневмограми використовують звичайні кардіографічні електроди. Проводами сполучають електроди з приставкою. Електричні сигнали з виходу приставки подаються в записуючий механізм. Як реєстратор можна використовувати електрокардіограф або енцефалограф (краще з чорнильним записом). По пневмограмі можуть бути визначені частота і ритм дихання, тривалість фаз вдиху і видиху, дихального циклу. Імпедансна пневмографія дозволяє, крім того побічно судити про дихальний і хвилинний об'єми. До недоліків даного методу можна віднести те, що через організм людини пропускається електричний струм, порівняно високої частоти, а також потребу в побудові дуже чутливого вимірювального перетворювача (далі ВП) (що пов'язано з малою зміною опору тіла під час дихального циклу).

1.3 Реєстрація зміни температури вдихуваного/видихуваного повітря

Вимірювання частоти дихання здійснюється за допомогою мініатюрного напівпровідникового давача температури. Давач температури поміщений в отвір маски, яка надягає на область рота і носа і, таким чином, дозволяє сконцентрувати потік вдихуваного і повітря, що видихається, в області розміщення давача. Температура повітря, що видихається, близька до температури тіла людини і таким чином вища за кімнатну температуру. Тому при видиху реєстрована давачом температура підвищується, а при вдиху, коли повз давач йде холодніше навколишнє повітря, падає.

Перевагою даного методу є простота в реалізації, оскільки на даний час існує велика кількість давачів температури. З іншого боку, недоліком є потреба у використанні малоінерційних давачів; залежність точності вимірювання від температури навколишнього середовища; а також той факт, що при застосуванні дихальної маски людина концентруватиме увагу на диханні, що може призвести до помилкових даних.

1.4 Індукційний вимірювач лінійних переміщень

В основу принципу дії перетворювача покладена зміна розмірів зрудної клітки під час дихання (розширення при вдиху). ВП складається з двох котушок індуктивності (передаючої та приймальної). Передаюча котушка випромінює електромагнітні хвилі, в результаті чого в приймальній котушці наводиться електрорушійна сила (далі ЕРС) Принцип дії даного перетворювача базується на зміні наведеної в приймальній котушці ЕРС від відстані між котушками (одна з котушок закріплена на спині, інша - на грудях піддослідного). Робоча частота становить близько 5кГц. Даний метод характеризується високою чутливість та точністю вимірювань. До недоліків можна віднести нелінійність передаточної характеристики.

1.5 Вимірювання деформації грудної клітки за допомогою тензорезистора

В основу вимірювання покладено тензоефект - зміна опору дроту (фольги, кристалу напівпровідника) при деформації. Вимірювальний перетворювач представляє собою тонкий дріт, наклеєний на діелектричну основу. при деформації довжина дроту змінюється, а отже змінюється і опір. Суттєвою перевагою даного методу є висока чутливість тензорезисторів (особливо напівпровідникових). До недоліків можна віднести великий розкид параметрів, який пов'язаний із різною статурою пацієнтів.

2 ТИПИ ДИХАННЯ, ЧАСТОТА І ГЛИБИНА, ХАРАКТЕР

ДИХАЛЬНИХ РУХІВ [3]

Для визначення величини дихальної екскурсії грудної клітки вимірюють її окружність на рівні сосків під час спокійного дихання на висоті вдиху і видиху (рис, 2.1).

Особливу увагу звертають на характер дихальних рухів, які у здорової людини здійснюються за рахунок скорочення дихальних м'язів: міжреберних, діафрагмальних і частково м'язів черевної стінки. Розрізняють грудний, черевний (рис. 2.2) і змішаний типи дихання.

При грудному (ребровому) типі дихання, який частіше зустрічається у жінок, дихальні рухи здійснюються за рахунок скорочення міжреберних м'язів. При цьому грудна клітка розширюється і злегка підводиться під час вдиху, звужується і дещо опускається при видиху.

При черевному (діафрагмальному) типі дихання, що частіше зустрічається у чоловіків, дихальні рухи здійснюються переважно діафрагмою. Під час вдиху діафрагма скорочується і опускається, що збільшує негативний тиск в грудній порожнині, і легені заповнюються повітрям. Внутрішньочеревний тиск при цьому підвищується і черевна стінка випинається. Під час видиху діафрагма розслабляється, піднімається, черевна стінка повертається в початкове положення. Під час вдиху черевна стінка може відхилятися від початкового положення на відстань до 5 сантиметрів.

При змішаному типі в акті дихання беруть участь міжреберні м'язи і діафрагма.

Рис. 2.3. Зміни глибини (а) і ритму (б, в) дихання в порівнянні з

нормальним (г).

Якщо змінюється частота дихання, міняється і його глибина: часте дихання зазвичай буває поверхневим, зрідження ж супроводжується збільшенням його глибини. Проте бувають і виключення з цього правила. Наприклад, у разі різкого звуження голосової щілини або трахеї (здавлення пухлиною, аневризмою аорти і т. д.) дихання рідке і поверхневе.

При важких ураженнях головного мозку (пухлини, крововиливу), іноді при діабетичній комі дихальні рухи час від часу уриваються паузами (хворий не дихає -- апное), що тривають від декількох секунд до півхвилини. Це так зване дихання Біота (рис. 2.3, в).

При важких інтоксикаціях, а також при захворюваннях, що супроводжуються глибокими, майже завжди необоротними порушеннями мозкового кровообігу, спостерігається дихання Чейна -- Стокса (рис. 2.3, б).

Дихання здорової людини ритмічне, відрізняється однаковою частотою вдиху і видиху (16 - 20 дихань в хвилину). Дихання дітей частіше та рівне 30-40 дихань в хвилину. Частоту дихання визначають по руху грудної або черевної стінки. При фізичному навантаженні, після їжі дихання частішає, під час сну -- рідшає.

При дії на дихальний центр токсичних продуктів, що накопичуються в організмі, при нирковій і печінковій недостатності, діабетичній комі і інших захворюваннях спостерігається рідке, але шумне і глибоке дихання (велике дихання Куссмауля; рис. 2.3, а).

При різних патологіях частота дихання може збільшуватися приблизно вдвічі. Тому діапазон розширюється до значень від 16 до 40 дихань/хв. в дорослих та до 80 разів в дітей. [3]. Динамічний діапазон підйому/спаду грудної клітки (стінки черевної порожнини) може складати від десятих долей сантиметра до 5-10 сантиметрів. Тому вимірювальний перетворювач частоти дихання повинен характеризуватися відповідною чутливістю та роздільною здатністю.

3. ПОБУДОВА СХЕМИ ПЕРВИННОГО ВИМІРЮВАЛЬНОГО ПЕРЕТВОРЮВАЧА ТА РОЗРАХУНОК ПАРАМЕТРІВ ЕЛЕМЕНТІВ

3.1 Побудова функціональної схеми ВП

Розглянувши переваги та недоліки згаданих вище давачів вибираємо конструкцію на основі індуктивного вимірювача нелінійних переміщень. Даний перетворювач складається з двох котушок індуктивності. Через одну з них (котушку збудження) протікає змінний струм. В другій (приймальній) котушці за рахунок взаємної індукції наводиться ЕРС індукції магнітного поля. Котушки розміщені одна навпроти одної (на грудях та спині піддослідного), в процесі дихання грудна клітка (черевна порожнина) розширюється та відстань між котушками змінюється. При зміні відстані змінюється і ЕРС магнітної індукції в другій котушці. Оскільки в процесі дихання, в залежності від індивідуальних особливостей організму груди і живіт зносять різний внесок в об'єм вдихуваного повітря (торакальний і абдомінальний внесок) то потрібно спроектувати двоканальний ВП

Рис. 3.1 - Схема функціональна ВП частоти дихання

Як видно з рисунка, пристрій складається з двох ідентичних каналів зі спільним блоком живлення. Генератор 1 виробляє синусоїдальну напругу, що підсилюється та поступає на котушку збудження (L1). Для уникнення взаємного впливу каналів частоти мають відрізнятися в 1,5…2 рази. Синусоїдальна форма вибрана для того, щоб не створювати завади за рахунок вищих гармонік.

Права частина схеми (приймальна) містить в собі приймальну котушку (L2), резонансний підсилювач 3, детектор 4 та диференціюючий пристрій 5. За рахунок взаємної індукції в котушці давача (приймальній котушці) наводиться ЕРС. Напруга з котушки подається на резонансний підсилювач 3, налаштований на частоту генератора відповідного каналу. З виходу підсилювача змінна напруга (що, по суті, являє собою амплітудно-модульований сигнал) подається на детектор 4. Через пристрій зсуву нуля (диференціюючий пристрій 5) випрямлена напруга, що залежить від відстані між котушками, подається на вихідний роз'єм приладу ("Вихід 1"). Далі вона поступає на осцилограф, самописець, вольтметр або інший реєструючий прилад для візуалізації чи подальшої обробки. Пристрій зсуву нуля служить для установки нульової напруги на виході приладу при переведенні котушки збудження і котушки давача в початкове положення.

Блок живлення БП виробляє необхідну для роботи приладу напругу. Для коректної роботи приладу бажано, щоб блок живлення виробляв стабільну двополярну напругу в діапазоні 5…15В.

3.2 Розрахунок характеристик передаючої та приймальної котушок

Згідно закону електромагнітної індукції Фарадея, ЕРС, наведена в приймальній котушці обчислюється за виразом [1]:

Страницы: 1, 2