Министерство  образования Российской Федерации

   Казанский государственный технический университет  им. А.Н.Туполева

   _________________________________________________________ 
 

   Институт  Автоматики и Электронного Приборостроения

   Кафедра Приборов и Информационно-Измерительных Систем 
 
 
 
 
 

   Курсовой проект 

   по  дисциплине:

     «Измерительные преобразователи и электроды» 

   на  тему:

    «Датчик пневмотахометра»

                                                                                            Выполнил: студ. гр. 3401

   _________ ГимадееваГ.Р.

                                                                             Принял: доцент              

     _________Маковеев В.М.

   Казань 2010

      Казанский государственный  технический университет 

      им. А.Н. Туполева

      Кафедра приборов и информационно-измерительных  систем

                                                                                     Утверждаю

                                                                                     Зав. Кафедрой ПИИС                                                                  

                                                                                     "_____" _____________ 2010г.

      Задание на курсовой проект

Дисциплина    Измерительные преобразователи и электроды.        

Студент      __Гимадеева Г.Р._______                                               Группа     3401                                  

Тема   Датчик  пневмотахометра.                                                       

1.Технические условия

   1. Диапазон  измерения………………………………………………..……………………..0.1…15л/с

   2.Погрешность  измерения……………………………………….….………………..………………3%

   3.Максимальный  выходной сигнал датчика………………………………………………………10 В 

   4. Постоянная  времени……………………………………………….……………………………0,03 с

   5.Габаритно-массовые характеристики 

           - габариты  датчика..............…………………………….…………….D х L  = (50)х (100)мм

           - масса   датчика…………………………………………………………………………….100г

   6.Условия эксплуатации 

           - рабочий диапазон температур………………………………….……………………20 ±2°С

           - рабочий диапазон давлений окружающей  среды…………….……......760  ± 30 мм рт. ст.

           - относительная влажность (максимальная)…………….………………..80 % при t = 20° С

    7.Электропитание: промышленная сеть  …………………….……… …………………15 ± 10% ;  

      2.Объем  работы

1. Обзор методов  и средств измерения расхода  датчика пневмотахометра по материалам патентно-реферативного поиска.
2. Выбор и обоснование структурно-функциональной схемы датчика пневмотахометра.
3. Теоретическое исследование структурно-функциональной схемы датчика пневмотахометра и определение требований  к основным его элементам и преобразователям.
4. Выбор и обоснование принципов конструктивного построения элементов  датчика пневмотахометра  Расчет характеристик и параметров основных преобразователей датчика пневмотахометра
5. Анализ доминирующих источников погрешностей и оценка их результирующего значения.

3.Графическая  часть

    1/2 листа - структурная схема датчика  пневмотахометра.

    1/2 листа - выходная характеристика датчика пневмотахометра,  деталировки.

    1/2 листа - сборочный чертеж датчика  пневмотахометра 

    1/2листа  - чертежи основных конструктивных  элементов и устройств датчика  пневмотахометра

4. Календарный план

Задание к исполнению принял ______________________________________Гимадеева Г.Р.______

                                                                                                                                              (подпись студента)

Дата выдачи проекта  3 сентября 2010г   Срок окончания 23 декабря 2010г

 Студент_Гимадеева Г.Р._______________

Руководитель  проекта______________________________________ Маковеев В.М. __________

                                                                               (подпись)                                   (фамилия и инициалы)

Консультант проекта_______________________________________Порунов А.А.

9. Курсовой проект защищен с оценкой_____________

«_____ »_______________20__ г.

                                                 Члены комиссии:_______________________(Маковеев В.М.)

                                                                              _______________________(Порунов А.А.)

                                                                              _______________________(_________________) 
 
 

   Содержание 

   Введение

  В настоящее время по данным Европейского респираторного общества [1], заболевания органов дыхания обнаруживаются у более 25% больных,  обращающихся к врачам. В опубликованном докладе Минздрава РФ (данные за 1996 г. [1]) указано, что общее число заболеваний взрослых по классу болезней органов дыхания с впервые установленным диагнозом составила 15073,2 на 100 тыс. населения, детей- 66780,4.

  Статистические данные на современном этапе нашей страны, приведенные выше, подтверждают актуальность проблемы диагностики и лечения органов системы дыхания.

   Анализ  отечественных и зарубежных публикаций позволяет сделать вывод, что  всю совокупность проблем диагностики и лечения системы дыхания (СД) можно условно разделить на 2 аспекта: медицинский и технический.

   Проблематика  направлений исследования и развития методов и технических средств  лечения заболеваний органов  системы дыхания представлена на рис.1

   Первый, из которых является прерогативой медицинских работников, и он сводится к разработке методик, методологий применения медикаментозных препаратов и хирургических вмешательств. А технический аспект касается специалистов в области медицинской техники. При этом технический аспект разделяется на 3 направления: создание средств для скрининг исследований больших масс населения (выявление группы риска); совершенствование технических средств, используемых в клинических исследованиях (повышение точности, достоверности, получение информации в режиме он-лайн);  разработка портативных устройств, предназначенных для использования в бытовых условиях. 

           аспекты проблем 
 
 
 
 

                                                                                             технические средства, используемые

                 медикаментозные препараты                            для скрининг исследований  
 

                                                                                               технические средства, используемые

                 хирургические вмешательства                          в клинических условиях    
 
 
 

                методологии и методики                                  технические средства, используемые

                исследования                                                      в бытовых условиях 

   Рис.1 Проблематика направлений исследования и развития методов и технических 

   средств лечения заболеваний органов  СД. 
 
 
 
 

   В настоящее время среди технических  методов исследования функционального состояния системы внешнего дыхания человека наиболее перспективен комплексный подход. Основными методами контроля, которые используются в рамках этого подхода являются: спирометрия, плетизмография, пневмотахометрия, механические свойства, газовый анализ, резистометрия. Из всего многообразия методов контроля системы дыхания, наиболее широко в клинической практике используются методы, основанные на измерении параметров форсированных дыхательных маневров, обладающих высокой диагностической значимостью при выявлении большинства заболеваний аппарата вентиляции легких.

   Современная функциональная диагностика все  чаще сталкивается с необходимостью исследований и измерений параметров физиологических процессов, которым свойственны значительные диапазоны и скорости измерения параметров. Эти особенности обуславливают довольно жесткие требования к характеристикам  медицинских измерительных устройств.

     Характерным примером исследования  быстроизменяющегося параметра  физиологического процесса дыхания служит распространенная методика пневмотахометрии форсирующего дыхания. Ее цель состоит в измерении максимального значения объемной скорости воздушного потока при форсированном вдохе и выдохе.

   Таким образом, на основании анализа актуальности и оценки состояния в разработке методов и средств контроля и диагностики система дыхания (СД) целью курсового проекта является: разработка пневмотахометра на основе применения перспективных преобразователей расхода.

   При этом в рамках курсового проекта  предполагается решить следующие задачи:

   - выявление проблем и задач современной пульмонологии;

   - определение основных направлений  разработки методов и средств  контроля параметров СД;

   - выбор и обоснование схемотехнических  решений основных элементов устройства;

   - расчет основных блоков и модулей;

   -анализ  и оценка результирующей погрешности  пневмотахометра. 

   1. Обзор методов измерения объемного расхода воздуха 

   Систему дыхания человека можно рассматривать и анализировать (исследовать) с нескольких сторон. С одной стороны, как упругую механическую систему, а с другой как систему газового обмена, обеспечивающую доставку в организм человека кислорода и выведение из него углекислого газа.

   Задача  диагностики системы дыхания  является комплексной.

   Для идентификации заболевания необходимо иметь группу методов, оценивающих  различные стороны системы дыхания. В связи с этим была разработана классификация технических методов диагностических исследований применительно к системе дыхания, которая представлена на рис.2

   Рис. 2 Классификация методов диагностических  исследований системы   дыхания. 

   Пневмотахометрия  является ценным, дополнительным методом  исследования системы дыхания, дает возможность выявить даже незначительные изменения функции внешнего дыхания, в тех случаях, когда уже отсутствуют клинические признаки заболевания.

   Современная функциональная диагностика все  чаще сталкивается с необходимостью исследований и измерений физиологических процессов, которым свойственны значительные диапазоны и скорости измерения параметров. Эти особенности обуславливают довольно жесткие требования к характеристикам медицинских измерительных устройств.

    В настоящее время в отечественной медицинской практике, в большинстве случаев, применяются пневмотахографы, основаннные на методе переменного перепада. При этом в качестве приемника расхода (расходомерной трубки) применяется трубки Флейша (рис.3.), трубки Лилля, трубки Пито. Информативным параметром в измерительных устройствах, реализующих этот метод является перепад давления на сужающем устройстве или динамический напор, поступающий от трубки Пито. 
 

   Рис.3. Общий вид трубок Флэйша

   Метод определения скорости потока по переменному перепаду давлений подразумевает введение в поток среды некоторого сопротивления, которым может быть либо диафрагма, либо коническая трубка Вентури, либо пористая пробка (в нашем случае роль пробки выполняют трубки Флейша, Пито, Лилля). Для того, чтобы понять суть этого метода необходимо провести аналогию с законом Ома: напряжение(давление) на фиксированном сопротивлении пропорционально току(потоку) через это сопротивление. Тогда измерив перепад давления на известном резистивном элементе можно определить скорость потока, а, следовательно, при необходимости его объемный и массовый расход.

   Основными достоинствами расходомеров с сужающими устройствами являются: широкая область давлений, температур и расходов. Также отсутствие механических компонентов и возможность использовать стандартные датчики давления. Недостаток — необходимость нарушения потока резистивными элементами.

   В данной работе рассматривается метод  пневмотахометрии, с помощью которой  можно получить комплексную информацию. Это обусловлено тем, что  пневмотахометрия может дать показатели как спирометрии, так и механических свойств, сопротивления воздушных путей и др., т.к. расход (скорость) есть функция всех величин. Поэтому пневмотахометрия является ключевой в группе этих методов.

   Современная практика инженерных решений по построению средств измерения потоков в воздуховодных путях основывается на методе пневмотахометрии, классификация которых представлена на рис.4. 

   Рис.4 Классификация методов пневмотахометрии 
 
 
 
 

   2. Анализ результатов патентно-реферативного поиска

   В соответствии с темой курсовой работы был проведен патентно-реферативный поиск аналогов устройств и систем, а также способов измерения параметров дыхания.

   Цель  патентно-реферативного исследования заключается:

   - в  отборе публикаций, монографий статей, рефератов, тезисов, а также  охранных документов: патентов, авторских свидетельств промышленных каталогов и другой научно-технической информации для выявления  основных направлений разработок и вариантов технических решений измерителей параметров дыхания в России и за рубежом;

   - в  оценке состояния разработок  аналогичных устройств, перспектив  их внедрения;

   - в  выявлении ведущих фирм и стран  в производстве вышеуказанных  устройств;

   -в  выявлении патентной ситуации по анализируемой тематике.

Задачами патентно-реферативных исследований является изучение конъюнктурных данных для:

   -определения  достигнутого уровня в разработке  методов измерения параметров  дыхания;

   -обоснование  технико-экономических показателей;

   -создание  новых технических решений, направленных  на усовершенствование указанного  объекта измерения.

   В соответствии с поставленной целью предварительных  исследований был определен  регламент поиска, предполагающий поиск по источникам патентной информации России (СССР) и ведущими зарубежными странами США, Германия (ФРГ), Великобритания, Япония в объеме патентного фонда  КГТУ им. А.Н. Туполева, Татарского центра научно-технической информации (ТатЦНТИ), Републиканского медицинского  библиотечного информационного центра (РМБИЦ) и Национальной библиотеки РТ. Среди источников патентной и реферативной информации в курсовой работе использованы:

   -охранные  документы (заявки, патенты, авторские  свидетельства);

   -реферативный  журнал « Изобретение стран  мира» (ИСМ) (1980-1995);

   -научно-технический  журнал « Медицинская техника» (1990-2000);

   -экспресс-информация  следующих серий:

   1. Контрольно  – измерительная техника (1980-1998);

   2. Приборы  и элементы вычислительной техники  (1980-1998);

   - реферативный  журнал « Метрология и измерительная техника»;

   -тезисы  научно-технических конференций  «Датчик-2000», «Датчик-2001».

   В процессе патентно-реферативного поиска были найдены следующие  МКИ:

   1.По  диагностике, измерительным и  регистрирующим приборам для  исследования органов 

   A 61 В5/08 – детекторные измерительные и регистрирующие приборы для оценки органов дыхания;

   2.Измерительные  приборы для исследования органов  дыхания A 61 B5/09- 5/097:

   А 61 В5/09- измерение расхода с использованием элемента вращаемого потоком воздуха (вдыхаемого и выдыхаемого);

   А 61 В5/091- измерение объема вдыхаемого газа при  исследовании емкости легких;

   А 61 В5/097 – измерение объема газов вдыхаемых  в эластичную камеру.

   Для поиска были отобраны источники патентной  и научно-технической информации, включающие информацию по построению измерителей параметров внешнего дыхания. Глубина поиска определяется продолжительностью обновления разрабатываемого вида техники, т.е. диапазон глубины поиска заключается в 1975-2002 гг. Страны поиска: Россия, США, Великобритания, Германия, Япония, Страны РСТ – определялись имеющимися в базах данных патентами.

   Изучение  патентной информации и литературных источников информации позволяет выявить основные фирмы России, стран ближнего и дальнего зарубежья, которые в настоящее время наиболее  интенсивно занимаются разработкой и исследованием более совершенных средств контроля и диагностики СД:

   - В  России на данный момент лидирующее  положение занимают такие фирмы,  как НПП «Лана-Медика», ООО НПП «Нео» ( Санкт- Петербург), НП «Ласпек-плюс» (Новосибирск); АМТН РФ «Нейрософт» (Иваново)

   - в  странах ближнего зарубежья ведущими  фирмами являются ООО «Сенсорные  системы», ПО «Медаппаратура» (Киев);

   -зарубежные фирмы ERICH JAEGER GMBH, United Control (Германия); Nassetti Medical System (Италия), Chimex Spol.S.R.O (Словакия);

   Собранные материалы по  патентно-реферативному  поиску представлены в приложении П.1, где в таблице 5 представлена информация обо всех найденных авторских свидетельствах и патентах в приложении П.2 в таблице 6 о технических решениях, отраженных в патентах и авторских свидетельствах, которые были отобраны для анализа из числа найденных, с указанием цели и сущности их созданий.

   Анализ  патентного и реферативного материала  позволяет определить, что основными задачами, стоящими перед разработчиками в настоящее время являются:

• получение сигнала о дыхательном объеме синхронно с определением 
  концентрации дыхательных газов (АС №894998);
• повышение точности измерения (АС №1034706, №1041090, №1623611, 
  №1732931, Патент №2033750);
• сокращение времени исследования, т.е. достижение требуемого быстро 
  действия (А.С. №1034706, №1041090, №18321138, Патент №2033750);
• расширение функциональных возможностей (А.С. №1817301);
• расширение диапазона измерения расходомера (А.С. №1582014);
• измерение пикового значения расхода на выходе (Патент №94/23650);
• упрощение конструкции датчика расхода воздуха (Патент №2086021);
• выявление асимметрии дыхания (Патент №2072232);
• повышение точности и достоверности определения параметров дыхания 
  и сердцебиения (Патент №2108061);
• возможность непосредственного измерения массового расхода газа (Па 
  тент №2066850).