Розробка конструкції вимірювального перетворювача частоти дихання (стр. 2 из 4)

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]:

(3.1)

де Ф – магнітний потік в осерді;

N₂ – кількість витків (приймальної котушки).

Згідно теореми Гауса для однорідного поля і плоскої поверхні можемо записати [2]:

(3.2)

де S₂ – січення осердя приймальної котушки

Перейдемо від магнітної індукції до напруженості магнітного поля. Ці дві величини зв’язані між собою співвідношенням [2]:

(3.3)

(3.4)

де: m₀ – магнітна стала (магнітна проникність вакууму). m₀ = 4p×10^-7 Гн/м

m_ОС2 - магнітна проникність сердечника приймальної котушки безрозмірна величина;

- напруженість магнітного поля

Якщо продиференціювати (3.4) по часу одержимо:

(3.5)

Тепер запишемо, яким чином залежить напруженість магнітного поля в певній точці простору (на заданій відстані від котушки) від параметрів котушки збудження.

Згідно закону Біо-Савара-Лапласа (БСЛ) можемо записати наступне співвідношення [2]:

(3.6)

де: R – відстань між котушкою і точкою, в якій ми хочемо дізнатися

значення магнітної індукції;

і₁ – струм, що протікає через котушку збудження. Оскільки котушка живиться змінним струмом, то і₁=І₁₀sin2(pft)

I₁₀ – амплітуда струму в котушці збудження;

N – кількість витків котушки збудження;

m - магнітна проникність середовища між котушками. Безрозмірна величина. Для немагнітних матеріалів m»1.

Продиференціюємо праву і ліву частину рівності по часу. Отримаємо:

(3.7)

Підставивши (3.2) в (3.6) отримаємо:

(3.8)

Враховуючи, що і₁=І₁₀sin(2pft) запишемо:

(3.9)

Підставимо (3.9) та (3.5) в (3.1):

(3.10)

Тепер розрахуємо число витків котушок, виходячи з умови, що на відстані між ними рівній 0,5м в приймальній котушці наводиться ЕРС 2В (в правій і лівій частині рівності амплітудні значення ЕРС та струму можемо замінити на діючі). Для цього необхідно задатися значеннями величин, яких не вистачає.

- Струм через котушку збудження І₁₀=100мА;

- Частота рівна: для першого каналу f₁=4кГц, для другого каналу f₂=6кГц;

- Відносна магнітна проникність осердь котушок m_ОС1=m_ОС2=600;

- Котушки намотані на осердях круглого січення діаметром 3мм. Площа поперечного перерізу осердь рівна:

(3.11)

де d – діаметр осердя

Добуток числа витків котушок рівний:

(3.12)

де e - ЕРС, що наводиться в приймальній котушці. e=Е₀cos(2pft);

m₀ – магнітна стала. m₀=4p×10^-7(Гн/м).

Число витків приймальної котушки приймаємо в 10 разів більшим від числа витків котушки збудження: (N₂=10N₁).

(3.13)

Для першого каналу:

Для другого каналу: