Важным критерием оценки состояния сердечно-сосудистой системы (ССС) и организма в целом является взаимосвязь между 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 опубликована схема компьютерного кардиографа, который при наличии соответствующего программного обеспечения или дополнительного измерительного блока может решать указанную задачу. Существует также 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 входят только в состав дорогостоящего медицинского оборудования. В данной статье рассматривается относительно простое устройство, которое может использоваться для регистрации частоты дыхания у человека и животных.

Заложенный здесь принцип заключается в анализе разницы температур между вдыхаемым и выдыхаемым воздухом. Это накладывает некоторые ограничения на область применения прибора, так как для правильного его функционирования необходимо, чтобы 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.

  Рис.1.

На рис. 1 изображена схема прибора, способного при указанных условиях регистрировать ЧД от двух раз в секунду и ниже.

В качестве датчика здесь используется полупроводниковый диод VD1 типа КД522Б, имеющий достаточно малую температурную инерционность. При использовании малогабаритной диодной сборки КД907Б верхний предел частоты может быть повышен до 10 Гц. 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 -0,3 % на 1 °С, иными словами, диод имеет отрицательный температурный коэффициент напряжения (ТКН) 2 мВ на 1 °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 ОУ DA1.1 и элементах R1—R6, С1 и с вывода 8 указанного ОУ через диоды VD2, VD3 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 выводе 8 ОУ DA1.1 не изменяется, компаратор DA1.3 находится в единичном состоянии, так как напряжение на его прямом входе (вывод 5) несколько превышает напряжение на инверсном (вывод 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 реагирует компаратор DA1.3, определяется сопротивлением резистора R10 и емкостью конденсатора С2 — чем больше емкость, тем выше чувствительность. Узел на ОУ DA1.2 работает аналогично, но реагирует на начало уменьшения напряжения, поступающего с вывода 8 ОУ DA1.1. В начальном состоянии компаратор DA1.2 также находится в единичном состоянии. При уменьшении напряжения, поступающего на его прямой вход (вывод 3), он переключается в противоположное состояние, так как напряжение на его инверсном выводе (вывод 2) благодаря конденсатору СЗ снижается медленнее и становится при этом больше напряжения на прямом входе. Необходимость дополнительного начального смещения напряжения на инверсном выводе ОУ DA1.2 потребовала введения резистора R9 и, соответственно, увеличения емкости конденсатора СЗ.

Цепочки VD4R12C5, VD5R13C6 осуществляют защиту входов триггера DD1.1 от отрицательного напряжения с выходов ОУ DA1.2 и DA1.3 и фильтрацию помех. Светодиоды HL1 и HL2, подключенные к выходам триггера DD1.1, служат для индикации состояний начала вдоха и выхода соответственно. С вывода 5 триггера DD1.1 сигнал поступает на вход одновибратора, выполненного на триггере DD1.2, который формирует короткий импульс по положительному перепаду на своем входе С (вывод 11). Светодиод HL3 индицирует этот импульс, с прямого выхода DD1.2 (вывод 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 серьезное внимание качеству изоляции.

Можно рекомендовать использовать готовые трансформаторы повышенной электробезопасности серии ТП. Напряжение на вторичной обмотке трансформатора должно быть 2x12В при токе до 0,5 А, диодный мост КЦ407А заменим на любой аналогичный. В качестве датчика температуры можно использовать практически любой малогабаритный кремниевый диод. Как уже отмечалось выше, если предполагается использование прибора для регистрации частоты дыхания более 2 Гц, желательно использовать малогабаритную сборку 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 при помощи лейкопластыря на расстоянии нескольких миллиметров от носового прохода.

Налаживание прибора начинают с установки требуемого коэффициента усиления ОУ DA1.1 подстроечным резистором R4, колебание напряжения на выходе этого ОУ при дыхании должно быть в пределах 1,2... 1,6 В. Калибровку усилителя при минимальной температуре производят подстроечным резистором R2. В случае необходимости можно также изменить соотношение чувствительности прибора между 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 С7 до 1 мкФ.

Вячеслав Тушнов

http://lainslav.narod.ru/index.html

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.