Устройство для измерения параметров дыхания

 

Использование: изобретение относится к области медицинской техники. Сущность: устройство для измерения параметров дыхания содержит турбинный преобразователь 1 расхода, который через последовательно соединенные формирователь 4 импульсов и схему 5 И соединен с регистратором. Первый выход схемы 5 И дополнительно соединен с первыми входами блок 7 выделения времени выдоха и блока 8 управления. Цель - повышение точности измерения параметров дыхания путем снижения влияния переходных процессов на результаты измерения. 8 ил., 3 з.п.ф.

Изобретение относится к медицинской технике и предназначено для измерения параметров внешнего дыхания человека.

Известен датчик для измерения параметров дыхания [1] содержащий корпус, формирователь воздушного потока, крыльчатку с модулятором светового луча и оптическую головку со светоприемниками и источниками света. Поток воздуха, проходящий через датчик, взаимодействует с крыльчаткой и вызывает ее угловое и осевое перемещение. В результате этих перемещений модулятор светового луча осуществляет засветку светочувствительных элементов. В момент прекращения потока воздуха осевое смещение крыльчатки устраняется при помощи пружины, что позволяет прекратить счет импульсов углового перемещения крыльчатки в том случае, когда она продолжает вращаться по инерции.

Недостатками этого устройства является высокое сопротивление дыханию, а также низкая точность измерений из-за больших динамических погрешностей, связанных с использованием подпружиненной крыльчатки, являющейся механической колебательной системой, и с применением пружины для возврата крыльчатки в исходное положение, требующей регулирования усилия, нестабильного во времени. Известно также устройство для измерения параметров дыхания [2] содержащее турбинный преобразователь расхода, включающий датчик расхода воздуха и датчик вращения турбины в виде оптопары, имеющей в своем составе источник света и светочувствительный элемент, к которому подключены последовательно соединенные формирователь импульсов, схема "И" и регистратор, а также блок выделения времени выхода. В свою очередь, блок выделения времени выхода состоит из двух терморезисторов, включенных в плечи уравновешенных мостов, сигналы с выходов которых усиливаются и подаются на входы дифференциального усилителя и далее на формирователь сигнала. Выход формирователя выходного сигнала дифференциального усилителя связан со вторым входом схемы "И". Конструктивно один из терморезисторов размещен на пути выдыхаемого воздуха в датчике расхода воздуха.

Преимуществом такого технического решения в сравнении с описанным выше аналогом является использование для выделения времени выдоха не механической системы, а двух терморезистивных датчиков, обладающих существенно более высокими динамическими характеристиками. Это позволяет при использовании проволочных терморезисторов исключить влияние на результат измерений динамических характеристик блока выделения времени выдоха.

Однако недостатком предложенного технического решения является возможность ложных срабатываний блока выделения времени выхода в зависимости от соотношения температур выдыхаемого и окружающего воздуха, в частности, при температурах окружающего воздуха порядка 30^oС и выше, а также при низких температурах окружающего воздуха порядка 10^oС, что снижает точность измерений. Этому способствует также нестабильность терморезисторов вследствие их старения и перекристаллизации.

Целью изобретения является повышение точности измерения параметров дыхания путем снижения влияния переходных процессов на результаты измерения. Дополнительной целью изобретения является обеспечение возможности измерения объема дыхания за первую секунду, позволяющей расширить диагностические возможности заявляемого решения.

Поставленная цель достигается тем, что в заявленном устройстве формирование диапазона времени регистрации полезного сигнала (времени выхода) осуществляется с использованием информационного сигнала, несущего информацию о параметрах потока, для задания частотного окна на прохождение к регистратору только тех импульсов, частота которых выше некоторой пороговой частоты f_min, и блокировки работы соответствующих блоков устройства, когда частота информационных импульсов становится ниже этой пороговой величины.

Этим обеспечивается независимость результатов измерения от внешних температурных условий и слабая их зависимость от инерционности вращения турбины, что повышает точность измерений. В частности, повышению точности измерения объема выхода способствует исключение подсчета импульсов, частота следования которых не превышает пороговой частоты f_min, соответствующей нижней границе преобразуемого расхода Q_min.

Реализация этого принципа выделения времени выхода обеспечивается введением в схему устройства блока управления и выполнением блока выделения времени выхода в виде последовательно соединенных узла фильтрации, задающего частотное окно на прохождение информационных импульсов к регистратору, и узла блокировки, по управляющему сигналу с узла фильтрации формирующего управляющие сигналы на запрет прохождения информации через схему "И", снятие питания с источника света датчика частоты вращения турбины и снятия сигнала "готовность устройства к работе" с индикатора регистратора, а также соответствующими связями между блоками устройства.

Изобретение поясняется описанием конкретного примера реализации устройства и чертежами, на которых представлены: на фиг. 1 блок-схема устройства для измерения параметров дыхания; на фиг. 2 функциональная схема схемы "И"; на фиг. 3 функциональная блок-схема регистратора (вариант I); на фиг. 4 то же (вариант 2); на фиг. 5 принципиальная схема узлов фильтрации и блокировки; на фиг. 6 функциональная блок-схема блока управления; на фиг. 7 принципиальная схема времязадающего узла; на фиг. 8 временные диаграммы работы устройства.

Устройство содержит турбинный преобразователь расхода 1, включающий в себя датчик 2 расхода воздуха и датчик 3 частоты вращения турбины, который через последовательно соединенные формирователь 4 импульсов и схему "И" 5 соединен с регистратором 6. Первый выход схемы "И" 5 дополнительно соединен с первыми входами блока 7 выделения времени выхода и блока 8 управления.

Блок 7 выделения времени выхода содержит последовательно соединенные узел фильтрации 9 и узел блокировки 10, первый выход которого соединен со вторым входом схемы "И" 5, второй со входом датчика 3 частоты вращения турбины, а третий со вторым входом регистратора 6. Первый-третий входы узла фильтрации 9 являются соответствующими входами блока 7 выделения времени выхода, причем второй вход узла фильтрации 9 подключен к второму выходу схемы "И" 5, третий ко второму выходу блока управления 8, а второй выход ко второму входу блока управления 8, первый выход которого соединен с третьим входом схемы "И" 5 и четвертым входом регистратора 6, третий вход которого связан с третьим выходом блока управления 8.

Датчик 2 расхода воздуха турбинного преобразователя расхода 1 служит для первичного преобразования измеряемой объемной скорости (расхода) воздушного потока при дыхании во вращение турбины (на чертежах не показана) преобразователя расхода 1 с углом, пропорциональным объему поступающего воздуха, и частотой вращения турбины, пропорциональной расходу (скорости) воздуха. Он может быть выполнен в любой известной конструктивной схеме турбинного преобразователя расхода с оптическим датчиком частоты.

Датчик 3 частоты вращения турбины преобразователя 1 служит для вторичного преобразования параметров вращения турбины в серию электрических импульсов, несущих информацию об измеряемых параметрах воздушного потока при дыхании.

Датчик 3 частоты вращения турбины может быть выполнен в виде оптопары, содержащей светочувствительный элемент, например, типа ФД 265А и источник света, например, типа АЛ 107Б (на чертежах не показаны). Конструктивно датчик 3 частоты вращения турбины совмещен с датчиком 2 расхода воздуха, как это делается в известных турбинных преобразователях расхода.

Выход светочувствительного элемента оптопары является выходом датчика 3, а его входом является вход источника света.

Формирователь импульсов 4 служит для преобразования сигнала со светочувствительного элемента датчика 3 частоты в информационные импульсы прямоугольной формы и постоянной амплитуды (см. фиг. 8 а,б) и может быть реализован на базе операционного усилителя и типовых микросхем, например, КМОП структуры.

Схема "И" 5 выполняет роль ключа, пропускающего информационные импульсы в заданном частотном диапазоне, и может быть выполнена в виде последовательно соединенных дифференцирующей цепи 11, нормирующей цепи, нормирующей информационные импульсы по длительности, и двух элементов "И" 12 и 13, выход второго из которых является первым, сигнальным выходом схемы "И" 5, причем первый вход дифференцирующей цепи 11 является первым, сигнальным входом схемы "И" 5, ее второй вход, объединенный со вторым входом первого элемента И (И1) 12, является вторым входом схемы "И" 5, третьим входом которой является второй вход второго элемента И (И2) 13, а выход дифференцирующей цепи 11 является вторым выходом схемы "И" 5. Конструктивно схема "И" 5 может быть построена на логических элементах "И-НЕ" и "Исключающее ИЛИ", например, на микросхемах К561ЛА7 и К561ЛП2.

Регистратор 6 (см. фиг. 3, 4) служит для нормирования, подсчета и индикации измеренных и пронормированных параметров выдоха. Он содержит (фиг. 3) последовательно соединенные делитель импульсов 14, узел памяти 15 и индикатор 16.

При таком выполнении регистратора 6 обеспечивается индикация результатов измерения основного параметра дыхания, а именно, определение полного объема дыхания.

Расширение диагностических возможностей устройства может быть обеспечено путем замера других параметров дыхания, в частности, измерением объема выхода за первую секунду. Реализация этой цели может быть обеспечена при выполнении регистратора 6 по второму варианту (см. фиг. 4), при наличии дополнительной связи между регистратором 6 (пятый, дополнительный вход) и блоком управления 8 (четвертый, дополнительный выход).

В этом варианте выполнения регистратор 6 дополнительно содержит второй узел памяти 17, подключенный к выходу делителя импульсов 14 параллельно первому узлу памяти 15, причем выход узла памяти 17 соединен с дополнительным информационным входом (четвертый вход) индикатора 16. Вторые входы делителя импульсов 14 и узла памяти 15 (по первому варианту), а также второго узла памяти 17 (по второму варианту) объединены и являются третьим входом регистратора 6, а третий вход узла памяти 17 является пятым, дополнительным входом регистратора 6.

Делителем импульсов 14 обеспечивается реализация функции нормирования измеряемых параметров. Он может быть выполнен в виде счетчика, например, типа К561ИЕ19, с изменяемым коэффициентом деления. Счетный вход С(f) счетчика является первым, сигнальным входом делителя импульсов 14 и, соответственно, регистратора 6, вход R сброса счетчика в нуль вторым входом делителя импульсов 14 и, соответственно, третьим входом регистратора 6, выход счетчика выходом делителя импульсов 14.

Узлы памяти 15 и 17 предназначены для подсчета информационных импульсов, пронормированных делителем импульсов 14, за весь выдох (узел 15) и за первую секунду выдоха (узел 17) и хранения информации до следующего цикла измерения.

Узлы памяти 15 и 17 могут быть выполнены аналогично друг другу, например, на базе счетчиков, типа К176ИЕ4, за тем исключением, что на счетном входе С(f) узла памяти 17 дополнительно установлен логический элемент "И-НЕ", например, типа К561ЛА7, выполняющий функцию ключа на одну секунду.

Сигнальными входами узлов памяти 15 и 17 являются счетные входы используемых в них счетчиков, связанные с выходом делителя импульсов 14, причем для узла памяти 17 эта связь реализуется через логический элемент "И-НЕ", второй вход которого является третьим входом узла памяти 17, т. е. пятым, дополнительным входом регистратора 6, а входы сбора счетчиков узлов памяти 15 и 17, объединенные со входом сброса счетчика делителя импульсов 14, образуют третий вход регистратора 6. Выходы счетчиков узлов памяти 15 и 17 образуют их многоразрядные сигнальные выходы для вывода информации на индикатор 16.

Индикатор 16 предназначен для приема и визуализации информации о параметрах выхода, о готовности устройства к работе и о необходимости замены гальванической батареи питания при ее разряде. Он может быть выполнен по любой известной схеме индикатора, позволяющего сохранить информацию до следующего цикла измерения, например, в виде жидкокристаллического индикатора, типа ИЖЦ 14-4/7.

Блок 7 выделения времени выхода служит для задания пороговой частоты f_min пропускания счетных импульсов, формируемых при выдохе, и их блокировки по окончании выдоха с целью исключения их результатов измерения счетных импульсов, сформированных на выходе светочувствительного элемента датчика 3 частоты в результате инерционного вращения турбины преобразователя 1. В основу выбора пороговой частоты f_min положены результаты теоретических и экспериментальных исследований, согласно которым снижение частоты вращения турбины преобразователя 1 при инерционном выбеге после внезапного прекращения движения потока воздуха (конец выдоха) происходит по закону:
где f₀ частота вращения турбинного преобразователя 1, соответствующая последующему значению величины расхода Q₀ перед прекращением потока;
С_f коэффициент, зависящий от конструктивных параметров турбины;
t время выбега турбины.

При этом t_к снижения частоты вращения турбины от величины f₀ до f_min будет равно:

Абсолютная погрешность измерения объема воздуха за счет инерционного вращения турбины после прекращения выхода будет пропорциональная количеству оборотов турбины N за время t_к:

Из последнего соотношения следует, что для снижения динамической погрешности измерения объемов необходимо увеличивать пороговую частоту пропускания счетных импульсов f_min. При этом для того, чтобы не отфильтровать счетные импульсы, возникающие до окончания выдоха, необходимо устанавливать пороговую частоту f_min максимальной, но не превышающей частоты, соответствующей расходу Q_min, когда форсированный выдох считается законченным. Этому, согласно литературным данным, соответствует объемная скорость форсированного выдоха Q_min 50 мл/с. Таким образом, при измерении объема форсированного выдоха с помощью прибора с турбинным расходомером необходимо вести подсчет количества оборотов турбины до тех пор, пока частота ее вращения не уменьшится до величины f_min=50·К (IV), где К коэффициент преобразования объема, прошедшего через турбинный расходомер, в количество оборотов турбины в имп/мл. В этом случае погрешность измерения объема за счет инерционного вращения турбины будет минимальной. При измерении объемов дыхания ослабленных больных, детей или мелких животных, очевидно, должна быть выбрана другая, более низкая величина Q_min.

Реализация этих функций обеспечивается выполнением блока 7 выделения времени выдоха в виде последовательно соединенных узла фильтрации 9 и узла блокировки 10 (фиг. 1).

Узел 9 фильтрации служит для задания частотного окна на прохождение через схему "И" 5 информационных импульсов с частотой выше минимальной пороговой частоты следования импульсов f_min, значение которой выбирается как показано выше. Узел 10 блокировки служит для формирования управляющих сигналов, а именно, сигнала запрета на прохождение через схему "И" 5 импульсов с частотой, ниже пороговой частоты f_min, сигнала снятия напряжения питания с источником света датчика 3 вращения турбины, а также снятия сигнала "готовность устройства к работе" и индикатора 16, осуществляемых при поступлении на вход узла 10 блокировки управляющего сигнала с первого выхода узла фильтрации 9.

Узел 9 фильтрации (см. фиг. 5) содержит счетчик 18 импульсов типа К561ИЕ19 с изменяемым коэффициентом деления за счет подключения к его различным выходам логических элементов 19 и 20, реализующих функцию "И-НЕ", например, на микросхеме К561ЛА7, логический элемент 21 "И-НЕ" на микросхеме типа К561ЛА7 и триггер 22, типа К561ТМ2, связанных, как показано на чертеже. Первым входом узла 9 фильтрации является вход S установки триггера 22 в единичное состояние, вторым вход R импульса сброса в нуль счетчика 18, а его счетный вход С(f) третьим входом узла 9 фильтрации.

Первым выходом узла 9 фильтрации является выход логического элемента 21, который формирует управляющий импульс сброса в нуль триггера узла 10 блокировки при подаче питания на устройство и по окончании выдоха, вторым выходом инверсный выход триггера 22, который выдает управляющий стробирующий сигнал на выделение первого информационного импульса для установки в единицу триггера времязадающего узла блока управления 8.

Узел 10 блокировки может быть выполнен с использованием триггера 23, например, типа К561ТМ2, с ключом готовности 24 на счетном входе, и транзистора 25, например, типа КТ315Б, связанных, как показано на фиг. 5. Входом узла 10 блокировки является вход R сбора триггера 23, который служит для его установки в нуль при подаче питания на устройство и по окончании форсированного выдоха (поступление управляющего сигнала сброса с выхода узла 9 фильтрации), его прямой и инверсный выходы являются первым и третьим выходами узла 10 блокировки, соответственно, а эмиттер транзистора 25, установленного на прямом выходе триггера 23, образует второй выход узла блокировки 10, формирующий напряжение питания источника света датчика 3 частоты вращения турбины.

Блок 8 управления служит для стабилизации напряжения питания устройства, выдачи на индикатор 16 сигнала о необходимости замены гальванической батареи источника питания в случае ее разряда, а на схему "И" 5 сигнал блокировки, генерирования опорного сигнала, одиночного секундного импульса и формирования импульса автоматического сброса в нуль делителя 14 импульсов и узлов памяти 15 и 17 регистратора 6 при подаче питания на устройство и с началом выдоха, обеспечивая такую организацию по времени работы узлов и блоков устройства, которая позволяет исключать подсчет и регистрацию ложных импульсов, возникающих на выходе датчика 3 преобразователя 1 расхода из-за инерционности вращения его турбины.

Блок 8 управления (см. фиг. 6) содержит стабилизатор питания 26, пороговую схему 27 и времязадающий узел 28. Первый вход пороговой схемы 27 соединен с выходом стабилизатора питания 26, вход которого, объединенный со вторым входом пороговой схемы 27, подключен к источнику питания (на чертежах не показан).

Стабилизатор питания 26 и пороговая схема 27 могут быть реализованы на типовых микросхемах с использованием операционных усилителей и обеспечивают стабилизацию напряжения питания устройства и отработку пороговой схемой 27 сигнала запрета на прохождение информационных импульсов через схему "И" 5 (по ее третьему входу) при разряде гальванической батареи источника питания, а также для выдачи информационного сигнала о разряде источника питания на регистратор 6. Выход пороговой схемы 27 является первым выходом блока управления 8.

Времязадающий узел 28 предназначен для генерирования опорного сигнала, одиночного секундного импульса и формирования импульса автоматического сброса в нуль счетчиков регистратора 6.

Времязадающий узел 28 может быть выполнен как показано на фиг. 7. При этом в него входят триггер 29, типа К561ТМ2, счетчик 30, типа К176ИЕ5, и логические элементы "И-НЕ" 31-33, например, на микросхемах типа К561ЛА7, связанные, как показано на чертеже, между собой и с рядом резисторов R и конденсаторов С. Резистором 34 задается частота 16384 Гц счетчика 30, являющегося генератором опорного сигнала и одиночного секундного импульса. Первый и второй входы узла 28 образованы соответствующими входами логического элемента 31, причем первый его вход является сигнальным входом времязадающего узла 28, а второй вход входом стробирующего сигнала выделения первого информационного импульса установки в единицу триггера 29. Первым выходом времязадающего узла 28, формирующим опорный сигнал частоты 32 Гц, является выход 9 счетчика 30. Выход логического элемента 33 является вторым выходом узла 28 выходом импульса сброса в нуль делителя импульсов 14 и счетчиков узлов памяти 15 и 17, а третьим, дополнительным выходом узла 28 (четвертый, дополнительный выход блока управления 8), формирующим секундный импульс, является прямой выход триггера 29, причем первый-третий выходы узла 28 являются, соответственно, вторым-четвертым выходами блока управления 8.

При использовании в схеме регистратора 6 жидкокристаллического индикатора с соответствующими ему счетчиками, ссылки на которые даны в тексте, в схему устройства должны быть введены дополнительные логические элементы и служебные связи, обеспечивающие изменение фаз сигналов, необходимое для работы индикатора такого типа. В частности, логический элемент "исключающее ИЛИ" должен быть установлен на третьем выходе узла блокировки 10, причем его второй вход следует соединить со вторым выходом блока управления 8. Такой же логический элемент необходимо задействовать на четвертом входе регистратора 6 (третий вход индикатора 16), также соединив второй вход логического элемента со вторым выходом блока управления 8. Наконец, логический элемент "И-НЕ" необходимо задействовать на первом выходе времязадающего узла 28 (параллельно ему) и образованный дополнительный выход блока управления 8 с этого элемента подключить к входам установки в единицу счетчиков узлов памяти 15 и 17 регистратора 6 и к дополнительному входу "А" его индикатора 16.

Поскольку указанные элементы и связи не имеют принципиального значения для реализации блок-схемы устройства с обеспечением положительного эффекта и не нужны при использовании других типов индикаторов, например, полупроводниковых или вакуумных, они на чертежах не показаны.

Устройство работает следующим образом.

При подключении устройства к источнику питания счетчики делителя импульсов 14 и узлов памяти 15 и 17 регистратора 6 обнуляются. Триггеры 22 узла фильтрации 9 и 23 узла блокировки 10 устанавливаются в нулевое состояние. При отсутствии информационных сигналов на входе формирователя импульсов 4, на его выходе устанавливается высокий уровень напряжения. При этом на входе схемы "И"5 присутствует высокий уровень сигнала, а на ее втором входе и, соответственно, на втором выходе схемы "И"5 низкий уровень сигнала. Счетчик 30 блока управления 8 начинает генерировать опорный сигнал, устанавливая по счетному входу счетчик 18 узла фильтрации 9, при низком уровне его на входе R (второй выход схемы "И"5) счетчика 18, в режим непрерывного деления частоты (фиг. 8д). Цепь питания источника света датчика 3 частоты разомкнута, символ "готовность устройства к работе" на индикаторе 16 не высвечивается.

Стабилизатор питания 26 и пороговая схема 27 стабилизируют напряжение питания и отрабатывают информационный сигнал о пригодности батареи питания в работе, поступающий с выхода пороговой схемы 27 на третий вход схемы "И"5 и четвертый вход регистратора 6 (третий вход индикатора 16). При разряженной батарее источника питания этот сигнал имеет низкий уровень, запрещающий прохождение через схему "И"5 информационных импульсов и приводящий к высвечиванию на индикаторе 16 символа разряда батареи, до замены которой благодаря запрету на прохождение информационных импульсов через схему "И"5 (по третьему входу) измерения проводить невозможно. Этим исключается возможность регистрации результатов измерения, искаженных за счет понижения уровня амплитуды информационного сигнала, искажения его формы в светочувствительном элементе датчика 3 и ухода частоты опорного сигнала.

При нормальном уровне ЭДС гальванической батареи источника питания сигнал на выходе пороговой схемы 27 имеет высокий уровень, разрешая по третьему входу схемы "И"5 прохождение информационных импульсов на регистратор 6. При этом символ разряда батареи на индикаторе 16 не высвечивается, что говорит о возможности проведения измерений.

Пациента инструктируют о ходе обследования, предлагая ему делать выдох в проточный корпус турбинного преобразователя 1 расхода воздуха через мундштук (на чертежах не показаны) после появления на индикаторе 16 символа "готовность устройства к работе".

Для приведения устройства в режим измерения замыкают ключ 24 готовности, самовозвратом возвращающийся в исходное состояние. При этом по сигналу с его выхода триггер 23 узла блокировки 10 переходит в единичное состояние (см. фиг. 8е), в котором он находится до поступления на его вход R управляющего сигнала сброса с выхода узла фильтрации 9 (см. фиг. 8и). Сигнал высокого уровня с прямого выхода Q триггера 23 поступает на второй вход схемы "И"5, давая разрешение на прохождение через нее информационных сигналов с выхода формирователя импульсов 4, а также отпирает транзистор 25, обеспечивая подачу напряжения питания на источник света датчика 3 преобразователя 1.

Сигнал низкого уровня с инверсного выхода триггера 23 поступает на второй вход индикатора 16, что приводит к высвечиванию символа "готовность устройства к работе" на индикатора 16, по которому пациент осуществляет выдох в преобразователь расхода воздуха 1 по оговоренной при инструктаже методике обследования.

При измерении поток выдыхаемого воздуха, проходя через направляющий аппарат проточного корпуса преобразователя 1 расхода закручивается и, взаимодействуя с турбиной датчика 2 расхода воздуха, приводит ее во вращение с модуляционным флажком (на чертежах не показаны). Модуляционный флажок при вращении осуществляет прерывание светового потока между светочувствительным элементом и источником света датчика 3 частоты вращения турбины, формируя, тем самым, частотномодулированный сигнал (см. фиг. 8а) на первом входе формирователя импульсов 4, несущий информацию о скорости воздуха в выдыхаемом потоке.

В формирователе 4 информационный частотомодулированный сигнал преобразуется в частотномодулированный сигнал прямоугольной формы (см. фиг. 8б), нормируется по амплитуде и поступает на первый вход схемы "И"5. Так как на втором и третьем входах схемы "И"5 присутствуют сигналы разрешения (высокий уровень), то на первом и втором выходах (см. фиг. 8в) схемы "И"5 появляются информационные импульсы, нормированные в дифференцирующей цепи 11 по длительности.

Сформированные дифференцирующей цепью 11 схемы "И"5 информационные импульсы длительностью τ₁, поступают на второй выход схемы "И"5, а проходя через элементы И1 и И2 12 и 13, формируются на первом выходе схемы "И"5 с незначительным сдвигом во времени относительно импульсов на ее втором выходе.

С первого выхода схемы "И"5 информационные импульсы поступают на счетный вход счетчика делителя импульсов 14, который по низкому уровню на своем входе R работает в режиме непрерывного деления частоты информационных импульсов, поступающих на его счетный вход, обеспечивая этим нормирование измеряемых параметров коэффициентов деления этого счетчика. С выхода делителя импульсов 14 пронормированные информационные импульсы поступает на счетные входы С(f) счетчиков узла памяти 15 и на первый вход элемента "И-НЕ", установленного на счетном входе С(f) счетчиков узла памяти 17. При наличии на втором входе элемента "И-НЕ" узла 17, разрешающего счет сигнала с третьего выхода времязадающего узла 28 (четвертый дополнительный выход блока управления 8), информационные импульсы проходят на счетные входы счетчиков узла памяти 17. Таким образом, счетчики узла памяти 17 подсчитывают информационные импульсы, сформированные преобразователем 1 расхода в первую секунду выдоха в течение времени действия на его третьем входе секундного импульса разрешения счета, сформированного времязадающим узлом 28, а счетчики узла памяти 15 подсчитывают информационные импульсы за полный выдох.

Информация для визуализации в виде фазомодулированных импульсов с выходов узлов памяти 15 и 17 поступает, соответственно на первый и второй (четвертый дополнительный) информационные входы индикатора 16, где высвечивается цифровое значение полного объема выдоха и объема выдоха воздуха за первую секунду, соответственно.

Формирование секундного импульса разрешения счета для узла памяти 17 осуществляется времязадающим узлом 28 блока управления 8 по поступлению на его первый вход информационных импульсов с первого выхода схемы "И"5, а на второй вход стробирующего сигнала высокого уровня с инверсного выхода триггера 22 узла 9 фильтрации, причем длительность фронта τ₂ стробирующего сигнала на втором входе времязадающего узла 26 должна быть такой, чтобы обеспечить прохождение через его логические элементы 31, 32 на вход S триггера 29 только первого информационного импульса. Исходя из этого условия, длительность τ₂ стробирующего сигнала формируется интегрирующей цепочкой τ₂=R₃C₃ (см. фиг. 8), установленной на втором выходе узла фильтрации 9, и выбирается с учетом статистической величины максимальной частоты информационных импульсов f_max=V·К(Гц), где
V объемная скорость форсированного выхода в мл/с;
К коэффициент преобразования в имп/мл, указанный ранее, и должна быть меньше значения 1/f_max, но больше длительности τ₁ информационных импульсов.

Этот стробирующий сигнал отрабатывается узлом 9 фильтрации при поступлении на его первый и второй входы информационных импульсов со схемы "И"5. Как указывалось выше, информационные импульсы поступают с первого выхода схемы "И"5 с небольшой задержкой относительно импульса на ее втором выходе. Этим обеспечивается обнуление счетчика 18 узла фильтрации 9 (см. фиг. 8д), в результате чего на выходе логического элемента 20 формируется сигнал, положительный фронт высокого уровня которого перебрасывает по входу С триггер 22 узла 9 в нулевое состояние при повторных циклах измерения, или подтверждает это состояние в первом цикле измерения. Информационный импульс, поступающий на первый вход узла 9 фильтрации с небольшой задержкой, устанавливает по входу S триггер 22 в единичное состояние (фиг. 8ж). Все последующие информационные импульсы удерживают счетчик 18 в нулевом состоянии и подтверждают единичное состояние триггера 22 до конца цикла измерения.

Пока триггер 22 фильтрации находится в нулевом состоянии, на его инверсном выходе присутствует высокий уровень сигнала, поддерживающий по второму входу в открытом состоянии логический элемент 31 времязадающего узла 28. При переходе триггера 22 из нулевого в единичное состояние по поступлению на его вход S первого информационного импульса на инверсном выходе триггера 22 формируется сигнал низкого уровня с затянутым при прохождении через интегрирующую цепочку R₃C₃ на время τ₂ фронтом.

Таким образом, через время τ₂ на втором входе логического элемента 31 установится запрещающий сигнал низкого уровня и поэтому на выход логического элемента 31 пройдет только один первый информационный импульс (см. фиг. 8к), поступающий на его первый вход с первого выхода схемы "И"5 одновременно с его поступлением на вход триггера 22 узла фильтрации 9. Все последующие информационные импульсы, следующие с периодом τ_min=1/f_max>τ₂ на вход логического элемента 31 не пройдут. Этот первый импульс, проходя через логический элемент 32, поступает на вход S триггера 29 времязадающего узла 28 и устанавливает его в единичное состояние (см. фиг. 8м). Сигнал низкого уровня с его инверсного выхода через конденсатор С₁ поступает на логический элемент 33, формируя своим передним фронтом управляющий импульс на третьем входе регистратора 6 (см. фиг. 8н), осуществляющий сброс счетчиков делителя импульсов 14 и узлов памяти 15 и 17 в текущих циклах измерения или подтверждение их нулевого состояния в первом цикле измерения, в с прямого выхода триггера 29 сигнал высокого уровня поступает через четвертый, дополнительный, выход блока управления 8 на третий вход узла памяти 17, разрешая прохождение информации через его счетчики на индикатор 16.

Одновременно сигнал низкого уровня с инверсного выхода триггера 29, поступая на вход R счетчика 30, дает разрешение на формирование на 15-м выходе счетчика 30 одиночного секундного импульса (см. фиг. 8м). При этом счетчик 30 работает в режиме двойного деления частоты, поддерживая в течение 1 секунды низкий уровень сигнала на своем 15-м выходе (см. фиг. 8л). По истечении одной секунды на 15-м выходе счетчика 30 появляется сигнал высокого уровня, перебрасывающий триггер 29 по его входу С в нулевое состояние, в результате чего на его прямом выходе заканчивается формирование одиночного секундного импульса и до следующего цикла измерения устанавливается сигнал низкого уровня (см. 8м), запрещающий прохождение информации через узел памяти 17 регистратора 6 на его индикатор 16 (фиг. 8р).

Таким образом, начало секундного импульса разрешения счета, управляющего узлом памяти 17, всегда будет совпадать с поступлением в блок регистрации 6 первого информационного импульса, а длительность его действия, формируемая блоком управления 8, равна одной секунде, после чего до завершения цикла измерения (один полный выдох) третий вход узла памяти 17 удерживает его в закрытом состоянии. Этим обеспечивается возможность измерения устройством объема выдоха за первую секунду выдоха.

Формирование диапазона времени регистрации полезного сигнала (времени полного выдоха) осуществляется путем задания частотного окна на прохождение к регистратору 6 только тех импульсов, частота следования которых превышает пороговую частоту f_min, выбранную с учетом условий, оговоренных в формулах (I-IV), причем в рассматриваемом примере реализации устройства пороговая частота f_min равна двойной частоте импульсов фильтрации узла 9 f_ф (частота следования импульсов с выхода логического элемента 20 узла 9), которая, в свою очередь, равна 1/2f_min=f_ф=f_оп/n, где f_оп - опорный сигнал, формируемый блоком управления 8, n коэффициент деления счетчика 18 узла фильтрации 9.

Задание частотного окна осуществляется узлом фильтрации 9 блока 7 выделения времени выдоха по поступающему на его второй вход (вход R счетчика 18) информационному сигналу (см. фиг. 8в) и опорному сигналу (см. фиг. 8г) с блока управления 8, поступающему на третий вход узла фильтрации 9 (счетный вход С(f) счетчика 18). При этом счетчик 18, работая в режиме непрерывного деления частоты опорного сигнала блока управления 8, осуществляет сравнение периода следования информационных импульсов с полупериодом импульсов фильтрации.

Как указывалось выше, при поступлении первого информационного импульса на вход R счетчика 18, он обнуляется и на выходе логического элемента 20 формируется высокий уровень напряжения (см. фиг. 8д). Пока период следования информационных импульсов меньше полупериода импульсов фильтрации, формируемых в результате деления опорной частоты счетчиком 18 на выходе логического элемента 20, каждый текущий информационный импульс, поступающий на вход R счетчика 18, будет обнулять его до того, как произойдет накопление необходимого числа счетных импульсов для изменения состояния выходов счетчика 18. Этим обеспечивается удержание счетчика 18 в обнуленном состоянии до конца выдоха и наличие высокого уровня напряжения на выходе логического элемента 20. При этом состояние триггера 23 узла блокировки 10 не меняется и схема "И"5 продолжает пропускать информационные импульсы на регистратор 6, а второй выход узла блокировки 10 поддерживает во включенном состоянии датчик 3 частоты вращения турбины преобразователя 1.

После прекращения форсированного выхода в преобразователь 1 расхода воздуха, его турбина некоторое время продолжает вращаться по инерции, причем частота вращения турбины быстро уменьшается по закону, определяемому формулой (I), и, следовательно, также уменьшается частота информационных импульсов.

Когда период следования информационных импульсов станет больше полупериода импульсов фильтрации t на выходе логического элемента 20 (частота информационных импульсов меньше пороговой частоты f_min), до поступления первого импульса 1 (см. фиг. 8д) с таким периодом следования, через время t=1/2f_ф от прихода первого импульса опорной частоты, следующего за последним информационным импульсом, состояние выходов счетчика 18 изменится и на выходе логического элемента 20 установится низкий уровень напряжения. Этот уровень меняется на высокий в момент поступления на вход R счетчика 18 первого импульса 1, период следования которого больше полупериода импульсов узла фильтрации 9. Положительный фронт высокого уровня этого сигнала с выхода логического элемента 20 (см. фиг. 8д), поступая на вход С триггера 22, сбрасывает его в нуль (см. фиг. 8ж), а отрицательный перепад напряжения с прямого выхода этого триггера 22, проходя через конденсатор С₁ на вход логического элемента 21, формирует на первом выходе узла 9 фильтрации управляющий импульс сброса в нуль (см. фиг. 8и) триггера 23 узла блокировки 10 и подтверждает по входу R нулевое состояние триггера 22 узла фильтрации 9.

Триггер 23 узла блокировки 10 сбрасывается в нуль и низким уровнем своего сигнала с прямого выхода Q (см. 8е) запрещает дальнейшее прохождение импульсов через схему "И"5 на регистратор 6, а также запирает по базе транзистор 25, разрывая цепь подачи напряжения питания на источник света датчика 3 частоты вращения турбины преобразователя 1. Источник света датчика 3 гаснет и электрические импульсы с его светочувствительного элемента прекращаются.

В результате, несмотря на продолжающееся инерционное вращение турбины преобразователя 1, первый же импульс, сформированный датчиком 3 частоты вращения турбины во время ее инерционного выбега, заблокирует не только возможность прохождения импульсов с частотой следования ниже заданного частотного окна через схему "И"5 на регистратор 6, но и само формирование электрических импульсов датчиком 3 вращения турбины за счет отключения источника света в нем.

Одновременно с инверсного выхода триггера 23 узла 10 блокировки высокий уровень сигнала гасит символ "готовность устройства к работе" на индикаторе 16, а зафиксированное в этот момент цифровое значение полного объема выдоха, также как и значение объема выдоха за первую секунду выдоха, сохраняется на индикаторе 16 до следующего замера.

Следующие циклы измерения осуществляются аналогично описанному после замыкания ключа готовности 24 узла блокировки 10.

Таким образом, благодаpя двойной блокировке (датчика 3 частоты вращения турбины преобразователя 1 и схемы "И"5) прохождения информационных импульсов на регистратор 6, по первому же импульсу, сформированному в преобразователе 1 во время выбега его турбины по инерции (частота информационных импульсов ниже заданной пороговой частоты f_min) обеспечивается существенное снижение влияния динамических переходных процессов в турбинном преобразователе расхода 1 на результаты измерения параметров дыхания, при полной независимости их от температурных условий, что повышает точность измерений: погрешность измерений в заявляемом устройстве составляет 5-6% в прототипе 8-10%
Повышению точности измерений способствует блокировка схемы "И"5 по третьему входу, обеспечиваемая пороговой схемой 27 блока управления 8, если в процессе измерения произойдет разрядка, гальванической батареи питания устройства, что исключает регистрацию информации, искаженную низким уровнем амплитуды информационных сигналов.

Кроме того, дублирование блокировки прохождения на регистрацию информации при снижении частоты информационных импульсов с выходом ее за пороговое значение обрабатываемого узлом фильтрации 9 частотного окна, осуществляемое путем отключения питания источника света датчика 3 частоты вращения турбины, не только повышает надежность фильтрации достоверной информации, но и позволяет существенно снизить потребление электроэнергии от батареи питания, что обусловливает возможность реализации устройства в полевом варианте исполнения.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения параметров дыхания, содержащее турбинный преобразователь расхода воздуха с датчиком расхода воздуха и датчиком частоты вращения турбины, соединенным через последовательно включенные формирователь импульсов и схему И с регистратором, а также блок выделения времени выдоха, первый выход которого соединен с вторым входом схемы И, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения параметров дыхания путем снижения влияния переходных процессов на результаты измерения, устройство снабжено блоком управления, блок выделения времени выдоха содержит последовательно соединенные узел фильтрации и узел блокировки, первый выход которого является первым выходом блока, второй выход связан с входом датчика частоты, третий с вторым входом регистратора, причем первый выход схемы И дополнительно соединен с первыми входами блока управления и узла фильтрации, второй вход последнего соединен с вторым выходом схемы И, третий с вторым выходом блока управления, второй выход связан с вторым входом блока управления, первый выход которого соединен с третьим входом схемы И и четвертым входом регистратора, а третий выход с третьим входом регистратора.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок управления содержит стабилизатор питания, пороговую схему и времязадающий узел, причем первый вход пороговой схемы соединен с выходом стабилизатора питания, вход которого объединен с вторым входом пороговой схемы и подключен к источнику питания, выход пороговой схемы является первым выходом блока управления, входы времязадающего узла являются соответствующими входами блока управления, а его первый и второй выходы являются соответственно вторым и третьим выходами блока управления.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что регистратор содержит последовательно соединенные делитель импульсов, узел памяти и индикатор, причем первым входом регистратора является первый вход делителя импульсов, второй вход которого объединен с вторым входом узла памяти и является третьим входом регистратора, а второй и третий входы индикатора являются вторым и четвертым входами регистратора.

4. Устройство по п.п. 1-3, отличающееся тем, что, с целью измерения объема дыхания за первую секунду, регистратор дополнительно содержит второй узел памяти, подключенный к выходу делителя импульсов, причем его второй вход объединен с вторыми входами делителя импульсов и первого узла памяти, выход соединен с дополнительным информационным входом индикатора, а третий вход является дополнительным пятым входом регистратора, связанным с дополнительным, третьим выходом времязадающего узла.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8