Прибор для регистрации частоты дыхания
Важным критерием оценки состояния сердечно сосудистой системы (ССС) и организма в целом является взаимосвязь межу электрической активностью сердца и легочным дыханием. Наиболее простой, и информативный метод выявления этой взаимосвязи заключается в одновременной регистрации таких параметров, как частота сердечных сокращений (ЧСС) и частота дыхания (ЧД). Вопросу измерения ЧСС, в радиолюбительской литературе уже уделялось некоторое внимание см. например [1], [2]. В ноябрьском номере журнала «Схемотехника» за прошлый год, была также опубликована схема компьютерного кардиографа который при наличии соответствующего программного обеспечения или дополнительного измерительного блока, может решать указанную задачу. Существует так же большое количество готовых и относительно недорогих промышленных устройств для измерения ЧСС. Сложнее обстоит дело с регистрацией и измерением ЧД. В любительской литературе материала по этой тематике найти практически невозможно, промышленные же приборы для измерения ЧД обычно идут только в составе дорогостоящего медицинского оборудования. В данной статье рассматривается относительно простое устройство, которое может использоваться для регистрации частоты дыхания у человека и животных. Заложенный здесь принцип, состоит в анализе разницы температур между вдыхаемым и выдыхаемым воздухом. Это накладывает некоторые ограничения на область применения прибора, так как для правильного его функционирования необходимо, что бы температура вдыхаемого воздуха была меньше температуры выдыхаемого - как минимум на 1°С. Однако, учитывая, что температура воздуха редко поднимается до столь высокого значения, данный фактор, как правило, не приводит к каким либо ограничениям в использовании устройства. Обычно при регистрации ЧД у человека надежное функционирование прибора сохраняется при температуре окружающего воздуха до 36°С.
На рисунке 1
изображена схема прибора, способного при указанных условиях регистрировать ЧД от
двух раз в секунду и ниже. В качестве датчика здесь используется
полупроводниковый диод КД522Б, имеющий достаточно малую температурную
инерционность. При использовании малогабаритной диодной сборки КД907Б, верхний
предел частоты может быть повышен до 10 в секунду. Это позволит использовать
прибор для регистрации ЧД не только у человека, но и у некоторых «быстродышащих»
животных. Как известно напряжение на переходе полупроводникового диода в прямом
включении практически линейно уменьшается при увеличении температуры. Изменение
составляет около 0,03% на 1°С, иными словами диод имеет отрицательный
температурный коэффициент нестабильности (ТКН) 1мВ на °С. Возможно также
использование в качестве термодатчика малоинерционных термопар, однако
построение входного узла при этом придется несколько изменить см. например [3] .
Напряжение снимаемое с термодатчика VD1 усиливается узлом на OУ DA1.1 и элементах R1-R6, С1 и с 8 вывода указанного ОУ, через диоды VD1, VD2 поступает на входы ОУ DA1.2, DA1.3 работающих в режиме компараторов. Узел на ОУ DA1.2 служит для выделения колебаний напряжения при вдохе, а узел на ОУ DA1.3 – на выдохе. Рассмотрение принципа работы устройства удобно начать с описания узла на ОУ DA1.3. В начальном состоянии, когда напряжение на 8 выводе ОУ DA1.1 не изменяется компаратор DA1.3 находится в единичном состоянии, т.к. напряжение на его прямом входе (выв. 5) несколько превышает напряжение - на инверсном (выв. 6). Как только напряжение на выходе ОУ DA1.1 начинает увеличиваться, напряжение на инверсном выводе ОУ DA1.3 становится больше напряжения на его прямом выводе и компаратор переключается в противоположное состояние. Скорость нарастания напряжения, на которую среагирует компаратор DA1.3, определяется сопротивлением резистора R10 и емкостью конденсатора C2, чем больше емкость, тем выше чувствительность. Узел на ОУ DA1.2 работает аналогично, но реагирует на начало уменьшения напряжения поступающего в 8 вывода ОУ DA1.1. В начальном состоянии компаратор DA1.2 также находится в единичном состоянии. При уменьшении напряжения поступающего на его прямой вход (выв. 3) он переключается в противоположное состояние т. к. напряжение на его инверсном выводе (выв. 2) благодаря конденсатору C3, снижается медленнее и становится при этом больше напряжения на прямом входе. Необходимость дополнительного начального смещения напряжения (к нулю) на инверсном выводе ОУ DA1.2, потребовала введения резистора R9 и соответственно увеличения емкости конденсатора C3. Цепочки на элементах VD4, R12, C5, VD5, R13, C6 осуществляют защиту входов триггера DD2.1 от отрицательного напряжения с выходов ОУ DA1.2 и DA1.3 и фильтрации помех. Светодиоды HL1 и HL2, подключенные к выходам триггера DD1.1, служат для индикации состояний начала вдоха и выхода соответственно. С 5 вывода триггера DD1.1, сигнал поступает на вход одновибратора выполненного на триггере DD1.2, который формирует короткий импульс, по положительному перепаду на своем входе С (выв. 11). Светодиод HL3, индицирует этот импульс, с прямого выхода DD1.2 (выв. 9) снимаются положительные импульсы, соответствующие частоте дыхания.
В устройстве могут быть использованы постоянные резисторы МЛТ, подстроечные – СП5-2, конденсаторы С7-С11 – оксидные К50-35 или их малогабаритные зарубежные аналоги, остальные – керамические. Учитывая что при определенных условиях проводники соединяющие датчик температуры с прибором могут прийти в соприкосновение с организмом человека или животных, во избежание поражения их электрическим током, при изготовлении трансформатора следует уделить достаточное внимание качеству изоляции, можно рекомендовать использовать готовые трансформаторы повышенной электробезопастности серии ТП. Напряжения на вторичной обмотке трансформатора 2/12В при токе до 0.5А, диодный мостик КЦ407 или аналогичный. В качестве датчика температуры можно использовать практически любой малогабаритный кремниевый диод, как уже отмечалось выше, если предполагается использование прибора для регистрации частоты дыхания большей двух раз в секунду, желательно использовать малогабаритный диод КД907Б или малоинерционные термопары. Датчик температуры необходимо расположить таким образом, чтобы он находился в потоке проходящего воздуха лучше всего для этой цели использовать специальную дыхательную маску. В простейшем случае датчик можно закрепить посредством лейкопластыря на расстоянии нескольких миллиметров от носа.
Налаживание прибора начинают с установки требуемого коэффициента усиления ОУ DA1.1, подстроечным резистором R4, колебание напряжения на его выходе этого ОУ при дыхании должно быть примерно в пределах 1,2-1,6В. Калибровку усилителя при минимальной температуре производят подстроечным резистором R2. В случае необходимости, можно также изменить соотношение чувствительности прибора, межу вдохом и выдохом, подбором резистора R9 при этом изменяют чувствительность прибора ко вдоху. При частоте дыхания выше двух раз в секунду потребуется также уменьшить емкость конденсатора C7 до 1мкф.
Рекомендуемая литература:
1. В. Ефремов Измеритель частоты пульса – Радио, 1986, № 4, с. 41–44.
2. В. Ефремов Малогабаритный биопульсомер – Радио, 1994, № 4, с. 30–32.
3. В. Е. Тушнов Термостабилизатор с широким интервалом – Радио, 2002, № 2, с. 31–32.
Предварительное усиление
сигнала осуществляется в левой части устройства.
Транзистор VT1 типа КТ361, на базу которого через
конденсатор С2 поступает сигнал с микрофона M1,
вместе с резисторами R4 образует однокаскадный
микрофонный усилитель. Транзистор VT2 типа КТ315
является эмиттерным повторителем и выполняет
функцию динамической нагрузки первого каскада.
Ток, потребляемый этим каскадом, не превышает
0,4-0,5 мА.
Дальнейшее усиление сигнала
происходит в правой части схемы, основу которой
составляет микросхема DA1 типа КР1407УД2,
представляющая собой малошумящий операционный
усилитель с малым током потребления. Он включен
по схеме дифференциального усилителя. Благодаря
этому синфазные помехи наводимые в
соединительных проводах эффективно подавляются.
Коэффициент ослабления синфазных входных
напряжений в схеме достигает 100 дБ.
Сигнал снимаемый с
нагрузочных резисторов R6 и R7 поступает через
конденсаторы СЗ и С4 на инвертирующий и
неинвертирующий входы микросхемы DA1
соответственно. Коэффициент усиления сигнала
можно изменять путем изменения сопротивления
резисторов R8 и R9. Увеличение их номиналов
приводит к увеличению коэффициента усиления,
определяемого как отношение R8/ R4 (R9/ R5).
Резисторы R10, R11 и конденсатор
С5 создают искусственную среднюю точку, в которой
напряжение равно половине напряжения источника
питания. Это обусловлено тем, что для питания
устройства используется однополярное питание, а
для нормальной работы операционного усилителя
необходимо двуполярное питание. Резистор R13
устанавливает необходимый ток потребления
микросхемы.
Микросхему DA1 можно заменить на КР140УД1208. Но возможно и применение любого другого операционного усилителя, включенного по типовой схеме со своими цепями коррекции. При исправных деталях устройство начинает работать без дополнительных регулировок.
В. Е. Тушнов
г. Луганск