Физические принципы реализации режимов ультразвукового сканирования

Рисунок 6 Структурная схема спирометра.

Одним из наиболее важных элементов спирометра является датчик расхода газа, к которому предъявляются следующие требования:

двунаправленность, т.е. измерение потока в двух направлениях;

линейность характеристики объем-время;

высокая точность измерения;

минимальное сопротивление аэродинамическому потоку;

Наиболее полно изложенным требованиям удовлетворяет датчик Honeywell AWM 2200, который обеспечивает измерение потока в двух направлениях, обладает высокой точностью и линейностью характеристики объём-время. Основным преимуществом этого датчика является его безмембранная конструкция, исключающая механические препятствия на пути газа.

Основные технические характеристики датчика AWM 2200 (фирма Honeywell):

диапазон измерения- плюс, минус 1000(см. куб./мин.);

размах Uвых. – 57,4 мВ.;

напряжение питания – 8..15 В.;

мощность – 60 мВт.;

диапазон рабочих температур - -40… +85 0С;

Микромостовые датчики расхода газа компании Honeywell не имеет подвижных частей. Выходное напряжение датчика находится в линейной зависимости от скорости (объема в единицу времени) потока газа, проходящего через его измерительную камеру.

Принцип действия прибора основан на механизме передачи теплоты потоком воздуха (газа), проходящего над поверхностью чувствительного элемента датчика. Необходимое направление и распределение потока газа над поверхностью чувствительного элемента обеспечивает строго определенная внутренняя геометрия измерительной камеры датчика. Компактный внешний дизайн корпуса со стандартным шагом выводов, позволяет легко размещать датчик на печатной плате. Микромостовой чувствительный элемент, являющийся основой датчика, состоит из нагревательного элемента и двух терморизистивных мостов Уинстона (мост Уинстона - преобразователь, осуществляющий преобразование изменения активного сопротивления в пропорциональное изменение напряжения). Тонкопленочные термочувствительные элементы первого микромоста расположены строго симметрично относительно нагревателя с целью измерения не только скорости потока воздуха, но и его направления. Эти резисторы термически изолированы от нагревателя путем вытравливания канавок в несущем кристалле, образующих воздушный зазор. Лазерная подгонка сопротивлений терморизисторов моста гарантирует полную взаимозаменяемость датчика при выходе его из строя без последующей калибровки. Малые размеры чувствительного элемента и высокоэффективная термоизоляция измерительного микромоста и нагревателя обеспечивают очень быстрое время отклика прибора и хорошую чувствительность. Второй микромост предназначен для создания цепи обратной связи управления нагревательным элементом с целью поддержания его постоянной температуры.

Для точного измерения расхода газа необходимо поддержание постоянной температуры нагревателя (около +160°С) относительно температуры потока измеряемого газа, охлаждающего нагреватель. Датчик имеет аналоговый выход по напряжению.

Положительный воздушный поток проходящий через порты (Р1 и Р2) создает выходное напряжение на выводе 6 и выводе 2, причем вывод 6 будет иметь знак «+», а вывод 2 знак «-». Отрицательный воздушный поток будет аналогично создавать на выходе 6 и 2 аналоговый сигнал, но знак поменяется на противоположенный. Воздух, проходя через измерительный мост, будет его охлаждать. Причем скорость и интенсивность этого охлаждения зависит от скорости потока, проходящего через него газа и от температуры этого газа. Чтобы отвязаться от температуры газа, т.е. чтобы величина охлаждения зависела только от потока проходящего через него газа, необходимо реализовать схему обратной связи, т.е. управление нагревателем. В итоге газ, проходящий через измерительный мост, будет охлаждать нагреватель, причем интенсивность охлаждения будет зависеть только от количества прошедшего через датчик воздуха. Изменение температуры измерительного моста повлечет за собой изменение сопротивления этого моста, что в свою очередь изменит выходное напряжение.

В технической документации на датчик приводятся готовые схемы для технической реализации канала усиления информационного сигнала. Предпочтительной является схема, в основу которой входит измерительный усилитель на трех ОУ. Его стандартная схема представлена ниже на рисунке.

Рисунок: Измерительный усилитель.

В таком измерительном усилителе входной сигнал Uвх разделен на две составляющие Uвх/2. Это позволяет эффективно учесть действие синфазного сигнала помехи Uсф, который приложен к обоим входам дифференциального усилителя. В общем случае в состав Uсф, входит как постоянная. Так и переменная составляющие. Сопротивление R и емкость С характеризуют активное – емкостное сопротивление линии, с помощью которой генератор Uca подключен к общей шине усилителя.

В общем случае величины сопротивлений должны удовлетворять условию R2=R3

В этом случае сохраняется возможность регулировки коэффициента усиления при помощи одного сопротивления R1, а коэффициент передачи синфазного сигнала помехи при правильно выбранном значении сопротивления R4 и идеальных ОУ равен нулю.

Дифференциальный выход этого усилителя представляет собой сигнал с существенно уменьшенной синфазной составляющей и используется для возбуждения схемы обычного дифференциального усилителя. Этот последний бывает часто включен с единичным коэффициентом усиления, и его задача- получение однополюсного выходного сигнала и подавление остаточного синфазного сигнала.

Принципиальная электрическая схема усиления аналогового информационного сигнала показана на рисунке.

Воздух, проходя через измерительную камеру датчика, охлаждает измерительный мост, что в свою очередь, меняет сопротивление чувствительного элемента. Следовательно, меняется напряжение на выходных контактах датчика (6 и 2). Резисторы R11, R8, R5, R17 служат для регулировки измерительного моста (Напряжение на 6 контакте должно быть равно напряжению на 2, но иметь противоположенный знак, что достигается подстроечным резистором R11).

Отрицательная обратная связь организована при помощи резисторов R9, R12, R1. Конденсаторы, включенные параллельно этим резисторам работают как фильтр низких частот. Регулировка коэффициента усиления производится путем подбора резисторов R9, R12, R1. Для, более точной регулировки, используется подстроечный резистор R32.

Далее усиленный сигнал поступает на входы 6 и 5 микросхемы DA2:2(ОУ с нулевым коэффициентом усиления синфазного сигнала). На выходе этого операционного усилителя получается однополюсный выходной сигнал, который представляет собой аналоговое напряжение, линейно зависящее от воздушного потока проходящего через датчик расхода газа, а, следовательно, зависящий от дыхательных маневров, выполняемых человеком.

Указанный аналоговый сигнал через аналогово-цифровой преобразователь поступает на центральный процессор, где происходит расчет основных параметров.

Питание платы осуществляется от напряжения 5В, которое поступает на плату с микросхемы UA78L05ABD. В датчике для измерения расхода газа, необходимо постоянно поддерживать разницу между температурой газа и нагревателя равной 160ºС (для обеспечения необходимой точности измерения). В качестве нагревательного элемента используется встроенный в датчик терморезистор. Необходимо реализовать схему контроля нагревателя.

Схема контроля нагревательного элемента состоит из операционного усилителя (DA2:1), в качестве которого применена микросхема TLC2252, полевого транзистора BSS123 (VT2) и транзистора ВС807.

При установившемся режиме (разница температур между проходящим воздухом и нагревательным элементом составляет 160ºС) сигнал рассогласования равен нулю. Нагревательный элемент питается суммарными токами, ток через диод VD1 и ток через R20. Если температура газа меняется, например, начала расти, на 5 и 3 контактах датчика расхода появляется сигнал рассогласования. Соответственно на выходе операционного усилителя (DA2:1) появляется управляющее напряжение (Uупр) которое начинает приоткрывать транзистор VT2. Соответственно суммарное сопротивление (сопротивление транзистора VT2 и R19) начинает уменьшаться (за счет изменения сопротивления транзистора VT2). В свою очередь Uб транзистора VT1 тоже начнет уменьшаться, что вызовет открытие транзистора VT1 который будет шунтировать резистор R20. Ток в ветви увеличится. Соответственно ток на терморезисторе увеличится. Это приведет к более сильному нагреву терморезистора. Как только температура нагревательного элемента достигнет необходимой разницы в 160ºС, сигнал рассогласования станет равным нулю и ток через терморезистор стабилизируется и останется на необходимом уровне.