Ukrainian HamRadio - Прилад для реєстрації частоти дихання
Закладений тут принцип полягає в аналізі різниці температур між повітрям, що вдихається і видихається. Це накладає деякі обмеження на область застосування приладу, так як для правильного його функціонування необхідно, щоб температура повітря, що вдихається, була менше температури видихуваного як мінімум на 1 °С. Однак, враховуючи, що температура повітря рідко піднімається до такого високого значення, цей фактор, як правило, не призводить до будь-яких обмежень у використанні пристрою. Зазвичай під час реєстрації ЧД в людини надійне функціонування приладу зберігається за нормальної температури навколишнього повітря до 36 °З.
На рис. 1 зображено схему приладу, здатного за зазначених умов реєструвати ЧД від двох разів на секунду і нижче.
Як датчик тут використовується напівпровідниковий діод VD1 типу КД522Б, що має досить малу температурну інерційність. При використанні малогабаритного діодного складання КД907Б верхня межа частоти може бути підвищена до 10 Гц. Це дозволить використовувати прилад для реєстрації ЧД не тільки у людини, а й у деяких тварин, що швидко дихають. Як відомо, напруга на переході напівпровідникового діода у прямому включенні практично лінійно зменшується зі збільшенням температури.
Зміна становить близько -0,3 % на 1 °З, інакше кажучи, діод має негативний температурний коефіцієнт напруги (ТКН) 2 мВ на 1 °З. Можливе також використання як термодатчика малоінерційних термопар, проте побудова вхідного вузла при цьому доведеться дещо змінити (див. наприклад [3]).
Напруга, що знімається з термодатчика VD1, посилюється вузлом на ОУ DA1.1 та елементах R1-R6, С1 і з виведення 8 зазначеного ОУ через діоди VD2, VD3 надходить на входи ОУ DA1.2, DA1.3, що працюють урежим компараторів. Вузол на ОУ DA1.2 служить виділення коливань напруги при вдиху, а вузол на ОУ DA1.3- на видиху. Розгляд принципу роботи пристрою зручно розпочати з опису вузла ОУ DA1.3.
У початковому стані, коли напруга на виводі 8 ОУ DA1.1 не змінюється, компаратор DA1.3 знаходиться в одиничному стані, так як напруга на прямому вході (висновок 5) трохи перевищує напругу на інверсному (висновок 6). Як тільки напруга на виході ОУ DA1.1 починає збільшуватися, напруга на інверсному виведенні ОУ DA1.3 стає більшою за напругу на його прямому виведенні, і компаратор перемикається в протилежний стан.
Швидкість наростання напруги, яку реагує компаратор DA1.3, визначається опором резистора R10 і ємністю конденсатора С2 — що більше ємність, то вище чутливість. Вузол на ОП DA1.2 працює аналогічно, але реагує на початок зменшення напруги, що надходить з виведення 8 ОП DA1.1. У початковому стані компаратор DA1.2 знаходиться в одиничному стані. При зменшенні напруги, що надходить на його прямий вхід (висновок 3), він перемикається в протилежний стан, так як напруга на його інверсному виведенні (висновок 2) завдяки конденсатору ЗЗ знижується повільніше і стає при цьому більше напруги на прямому вході. Необхідність додаткового початкового зміщення напруги на інверсному виведенні ОУ DA1.2 вимагала введення резистора R9 і, відповідно, збільшення ємності конденсатора СЗ.
Ланцюжки VD4R12C5, VD5R13C6 здійснюють захист входів тригера DD1.1 від негативної напруги з виходів ОУ DA1.2 та DA1.3 та фільтрацію перешкод. Світлодіоди HL1 та HL2, підключені до виходів тригера DD1.1, служать для індикації станів початку вдиху та виходу відповідно. З висновку 5тригера DD1.1 сигнал надходить на вхід одновібратора, виконаного на тригері DD1.2, який формує короткий імпульс по позитивному перепаду на своєму вході (висновок 11). Світлодіод HL3 індикує цей імпульс, з прямого виходу DD1.2 (висновок 9) знімаються позитивні імпульси, що відповідають частоті дихання.
У пристрої можуть бути використані постійні резистори МЛТ, підстроювальні СП5-2. Конденсатори С7-С11 - оксидні К50-35 або їх малогабаритні закордонні аналоги, решта - керамічні. Враховуючи, що за певних умов провідники, що з'єднують датчик температури з приладом, можуть зіткнутися з організмом людини або тварин, щоб уникнути ураження їх електричним струмом при виготовленні трансформатора слід приділити серйозну увагу якості ізоляції.
Можна рекомендувати використовувати готові трансформатори підвищеної безпеки серії ТП. Напруга на вторинній обмотці трансформатора має бути 2x12В при струмі до 0,5 А, діодний міст КЦ407А замінимо будь-який аналогічний. Як датчик температури можна використовувати практично будь-який малогабаритний кремнієвий діод. Як зазначалося вище, якщо передбачається використання приладу для реєстрації частоти дихання більше 2 Гц, бажано використовувати малогабаритну збірку КД907Б або малоінерційні термопари.
Датчик температури необхідно розташувати таким чином, щоб він знаходився в потоці повітря, що проходить найкраще для цієї мети використовувати спеціальну дихальну маску. У найпростішому випадку датчик можна закріпити за допомогою лейкопластиру на відстані кількох міліметрів від носового проходу.
Налагодження приладу починають із встановлення необхідного коефіцієнта посилення ОУ DA1.1 підстроювальним резистором R4, коливання напруги на виходіцього ОУ при диханні має бути не більше 1,2. 1,6 В. Калібрування підсилювача при мінімальній температурі виробляють підстроювальним резистором R2. У разі потреби можна також змінити співвідношення чутливості приладу між вдихом та видихом підбиранням резистора R9, при цьому змінюють чутливість приладу до вдиху. При частоті дихання вище двох разів на секунду потрібно також зменшити ємність конденсатора С7 до 1 мкФ.
1. В, Єфремов. Вимірювач частоти пульсу. - Радіо, 1986 № 4, с. 41-44.
2. В. Єфремов. Малогабаритний біопульсомер - Радіо, 1994 № 4, с. 30-32.
3. В. Є. Тушнов. Термостабілізатор з широким інтервалом. - Радіо, 2002, № 2, с. 31, 32.