Датчик пневмотахометра

   Приведенные данные позволяют сделать вывод, что в настоящее время основной тенденцией в развитии методов и  средств измерения и контроля параметров системы дыхания является: повышение точности измерений (4 А.С. и 2 патента) и сокращение времени исследования, т.е. достижение требуемого быстродействия, (3 АС и 1 патент).

   Анализ  патентно-реферативного и библиографического материала позволяет определить, что основные задачи, стоящие при разработке устройств для исследования параметров внешнего дыхания, решаются следующим образом:

• повышение точности измерения (достигается путем сокращения времени исследования (А.С. №1034706 811, А.С. №1041090 8Ц), путем коррекции нелинейности преобразователя (А.С. №1623611), за счет обеспечения линейности выходного эффекта измерителя (Патент №2108061);
• непосредственное измерение массового расхода (путем измерения массового   расхода   в   байпасной   трубке   теплового   расходомера   А.С.№20866850 Щ);
• расширение функциональных возможностей (путем измерения нескольких параметров дыхания за один выдох (ЖЕЛ, ОФВ1, ФЖЕЛ) А.С.№1817301).

   В результате патентно-реферативного  поиска был выбран прототип разрабатываемого устройства (Патент №20866850 КИ, МКИ О 01 Р 1/68, «Способ измерения массового расхода газа» 
 

3. Выбор и обоснование  структурно-функциональной схемы

датчика пневмотахометра

   Выбор и обоснование структурно-функциональной схемы принято проводить в инженерной практике на основе следующих критериев:

• совпадение основных функций (по назначению);
• более полная возможность обеспечения заданных метрологических характеристик;
• соответствие выбираемых технических решений перспективным направлениям разработки данных устройств;
• возможность его работы в составе программно-аппаратных комплексов 
  (анализаторов дыхания).

   С целью выбора проведем анализ существующих и перспективных технических решений измерителей расхода, созданных за все время их применения в пневмотахометрии.

   Наиболее  предпочтительными при измерении малых расходов являются массовые расходомеры на основе тепловых эффектов, к которым относятся, так называемые, термоанемометрические расходомеры (ТАР), основанные на взаимодействии разогретых анемочувствительных элементов (АЧЭ) с омывающим их в процессе работы контролируемым потоком вещества (воздуха). Среди основных достоинств этой группы массовых расходомеров следует выделить: малое влияние давления и температуры контролируемого параметра, высокая точность, достаточная для эффективного регулирования процессов подачи воздуха. Кроме того, конструкторские решения этих расходомеров отличает высокая герметичность, коррозионная стойкость, малые габариты и массы. Широкий перечень достоинств ТАР делает их применение наиболее перспективными при построении пневмотахометров.

   В последние годы у нас в стране и за рубежом ведутся интенсивные  разработки по созданию тепловых расходомеров с АЧЭ на ПТР. Измерительный и компенсационный АЧЭ так размещены в байпасном канале расходомера, что первый из них находится на оси этого канала, а второй - утоплен в полость, где поток измеряемой среды практически заторможен. Такой принцип конструктивного построения ТАП расходомера, позволяет получать соответственно выходные (1) ,(4): -   для измерительного АЧЭ

                      

                                               (1) 

                     - для компенсационного АЧЭ

                                                           ₍₂₎

где R_ТИ , ∆Т_ТИ, H_ОИ – электрическое сопротивление, перегрев и коэффициент рассеяния мощности измерительного АЧЭ; R_ТК, , ∆Т_{ТК, ,} H_ОК – электрическое сопротивление, перегрев и коэффициент рассеяния мощности компенсационного АЧЭ; γ_G – приведенная чувствительность

измерительного  АЧЭ, равная

                                          

,                                           (3) 

при этом γ_{ТИ –} чувствительность измерительного АЧЭ; определяемая соотношением:

                                                                      (4)  

   Уменьшение температурных погрешностей расходомера, а также повышение линейности его выходной характеристики можно достигнуть в случае его построения в соответствии со структурной схемой, показанной на рис.5.

   

Рис.5. Структурная схема канала пневмотахометрии, построенного на сочетании метода динамического перепада и теплового метода: 1 - сужающее устройство; 2 - байпасный канал; 3 - термоанемометрический преобразователь с измерительным и компенсационным АЧЭ; 4 - квадратор; 5 - делительное устройство.

   Выходной  сигнал в этой схеме определяется выражением:

                                                         

                                          (5)                                 

где ∆U_a²- сигнал коррекции, необходимый для уменьшения температурного дрейфа параметров АЧЭ  и элементов электроизмерительной схемы его включения.

           Усовершенствование дальнейших  поколений расходомеров велось  путем расширения их функциональных возможностей на основе принципов комплексирования и модуляции. На рис.6 представлена структурная схема массового расходомера, построенного на сочетании теплового и ультразвукового метода измерения. Особенность работы расходомера, построенного по этой схеме состоит в том, что для обеспечения работы измерительного АЧЭ на участке с высокой крутизной характеристики в структуру измерителя расхода введен источник опорного расхода Go, который создается микронагнетателем, управляемый схемой, включающей ультразвуковой преобразователь расхода, задатчик и генератор привода микронагнетателя. Эта схема стабилизирует величину опорного расхода газа, проходящего через канал, содержащий   измерительный   АЧЭ,   поэтому   выходной   сигнал   струйно-конвективного преобразователя будет пропорционален сумме опорного G _o и информативного G_и расходов. Это существенно повышает уровень выходного сигнала и его помехоустойчивость, особенно в диапазоне низких значении измеряемого расхода.

   Выходной  сигнал измерителя расхода формируется  на основе осреднения информативных сигналов по расходу, получаемых от струйно-конвективного преобразователя и ультразвукового преобразователя, акустопара которого размещена на мерном участке измерительной трубки. В результате обработки этих сигналов формируется сигнал в виде напряжения пропорционального массовому расходу. Подавая этот сигнал совместно с сигналом объемной скорости на вход блока деления, получаем на его выходе значение плотности измеряемого вещества. Возможность дальнейшего совершенствования расходомеров заключается в дополнительной обработке полученной выходной информации, которая осуществляется путем деления значения массовой скорости на значение плотности(рис.7). Полученное значение скорости подается на вход блока осреднения сигналов, на другой вход которого подается сигнал измеренной в самом датчике значения объемной скорости. Таким образом, на выходе этого блока получаем осредненное, более точное значение объемной скорости [2].

   

Рис.6. Структурно-функциональная схема пневмотахометра: 1 - датчик пневмотахометра; 2 - преобразователь пневмомеханических сигналов в электрические; 3 - первый меточный канал; 4 - второй меточный канал; 5 - электроизмерительная схема; 6 — осреднитель.

   Следует отметить, что канал пневмотахометра (измерения расхода), структурная схема, которого показана на рис.7, позволяет не только повысить метрологические характеристики информативного сигнала по массовому расходу, но и существенно улучшить надежность устройства за счет использования принципов структурной избыточности (введение дополнительных каналов) .

   

Рис.7. Структурная схема канала измерения расхода ИВС контроля параметров системы дыхания: 1 - воздухоносные пути пациента; 2 - приемника потока; 3 - блок формирования первичных информативных сигналов; 4 -преобразователь измерительного расхода в массовый; 5 - блок обработки и формирования выходных сигналов; 6 - микронагнетатель; 7 - пневмоэлек-трический канал; 8 - второй меточный канал; 9 - блок управления работой микронагнетателя.

   Итак, в соответствии с проведенным  анализом структурно-функциональная схема разрабатываемого устройства будет иметь вид, представленный на рис8.

   Основными функциональными элементами измерителя являются приемник потока 2, внутри которого размещено сужающее устройство (СУ) 3. Перед и после СУ 5 выполнены приемные отверстия (ПО) 4 и 5 для восприятия давлений р₁ и р₂. Между диафрагмами 6 СУ 3 выполнено ПО 7, которое независимыми пневматическими каналами сообщено соответственно с ПО 4, 5. Каждый из этих каналов содержит измерительные АЧЭ 8 и 9. Кроме того, измерительный канал содержит непроточную полость 10, в которой размещен компенсационный АЧЭ 11. Каждый АЧЭ включен в свою электроизмерительную схему (ЭИС) 12 - 14.

   В соответствии с зависимостью (5) эти напряжения возводятся в квадрат на квадраторах 15 - 17, с выходов которых информативные (измерительные) сигналы затем подаются на элементы сравнения (ЭС) - вычитатели 18 и 19, в которых сигналы компенсируются по аддитивной температурной погрешности. Далее скорректированные значения напряжений поступают на схему сравнения 20, где они сравниваются между собой с целью определения основного информативного сигнала. Затем сигнал поступает на делитель 21, где компенсируется по мультипликативной температурной погрешности, после чего он подается на фильтр низких частот для уменьшения помех, связанных с турлизацией потока. Далее выходная информация поступает на блок индикации 24. Схема индикации 23 фазы дыхания пациента (вдох или выдох) позволяет определить направление дыхания пациента, информация о котором подается с делителя 21.  

   

   Рис.8 Структурно-функциональная схема пневмотахометра

1-поток измеряемого  воздуха; 2-приемник потока (пневматический канал) ; 3-сужающее устройство ; 4,5- приемные отверстия, воспринимаемые давления р₁ и р₂ ; 6- диафрагма СУ 3 ; 7- приемные отверстия ; 8,9- измерительные АЧЭ приемных отверстий 4 и5 соответственно ; 10- непроточная полость измерительного канала 2 ; 11- комплексный АЧЭ; 12,13,14- электроизмерительные схемы; 15,16,17- квадраторы; 18,19,20-элементы сравнения (вычитатели ); 21- делительное устройство; 22- фильтр низких частот ; 23- схема индикации фазой дыхания пациента (вдох или выдох). 

   Пневматахометр, реализованный по рассмотренный  функциональной схеме, позволяет получить информацию о величине объемного расхода на каждой из фаз дыхания.

   Далее для проведения более детального анализа выделим в рассматриваемой  функциональной схеме только измерительный и компенсационный каналы. Тогда схемы примет вид, показанный рис. 9.

   

Рис.9. Обобщенная структурная схема разрабатываемого пневмотахомет-ра: 1 - сужающее устройство (сопло); 2 - пневматический канал; 3 - электроизмерительные схемы; 4 - квадраторы; 5 - схемы сравнения (вычитате-ли); 6 - делительное устройство; 7 - фильтр низких частот; 8 - схема индикации фазой дыхания пациента (вдох или выдох); 9 - блок индикации. 

   Представленный  анализ показывает обоснованность выбранной  структурной схемы разрабатываемого пневмотахометра с учетом предъявляемых к нему метрологических требований, которые в значительной мере определяется струйно-конвективным преобразователем. Это делает актуальным задачу теоретического исследования СКП, которая будет рассмотрена в одном из следующих разделов.

 

4. Теоретическое исследование структурной  схемы

   преобразователя расхода 

   Для анализа  функции преобразователя рассмотрим сущность метода измерения расхода – метод переменного перепада давления.  

5. Сужающее  устройство

 

   Исходная  зависимость между массовым G_m или объёмным G_v расходом и перепадом давления (p₁-p₂) может быть получена из совместного решения уравнения, выражающего закон сохранения энергии: