Трансформаторные преобразователи

В работе трансформаторных (взаимоиндуктивных) измерительных преобразователей используется изменение под действием перемещения индуктивной связи между двумя системами обмоток, одна из которых (первичная) питается переменным током, а на выходе другой (вторичной) формируется выходной сигнал.

Рис. 7.6. Схемы трансформаторных преобразователей:

1 – первичная обмотка; 2, 2' – вторичные обмотки; 3 – ферромагнитный магнитопровод; 4 – ферромагнитная подвижная пластина; 5– измерительный прибор; 6– ферромагнитный подвижный сердечник (пластина)

Схема простейшего трансформаторного преобразователя перемещений показана на рис. 7.6, а. При изменении под действием линейного перемещения длины зазора d между ферромагнитным магнитопроводом и ферромагнитной пластиной изменяется значение магнитного сопротивления и взаимной индуктивности между первичной и вторичной обмотками трансформатора. При этом на выходе вторичной обмотки возникает напряжение, которое при постоянном значении тока I₁ протекающего через первичную обмотку, описывается выражением

,

где М – взаимная индукция между первичной и вторичной обмотками трансформатора, зависящая от изменений х длины d воздушного зазора, т.е. М = φ(х).

Названное напряжение является выходным сигналом трансформаторного преобразователя и измеряется, например, вольтметром переменного тока (см. гл. 3). Из большого числа трансформаторных преобразователей линейных и угловых перемещений чаще используют так называемые дифференциально-трансформаторные преобразователи линейных перемещений (рис. 7.6, б).

Преобразователь имеет разомкнутую магнитную цепь и выполнен в виде соленоида. Первичная и две одинаковые по характеристикам вторичные обмотки включены встречно. При перемещении подвижного ферромагнитного сердечника относительно нейтрального положения, например, вверх взаимная индукция между первичной и верхней вторичной обмотками увеличивается, а между первичной и нижней вторичной обмотками – уменьшается. Это приводит к увеличению интенсивности передачи электромагнитной энергии к верхней обмотке и уменьшению передачи энергии к нижней обмотке. Поэтому сигнал U₂ на выходе верхней вторичной обмотки становится больше сигнала U'₂ на выходе нижней вторичной обмотки (при нейтральном положении ферромагнитного сердечника эти сигналы равны).

Разность сигналов U₂–U'₂, являющаяся выходным сигналом дифференциально-трансформаторного преобразователя перемещений, описывается выражением

Рис. 9.16. Схемы пикфлуометров: 1— мундштук; 2— выступ; 3 — подвижнйй указатель; 4— шкала; 5— щель; 6— корпус; 7— под­вижная пластина; # —диафрагма; 9, 16— гибкие трубки; 10— мембранный дифференциальный манометр; 11 — стрелка; 12 — передаточный механизм; 13 — мембранная коробка; 14— вентиль; 15— обратный клапан

Флоуспирометры (пневмотахометры). Этими приборами можно измерять объемный расход (объемную скорость) газа. Флоуспиро­метры работают в так называемой открытой системе, т. е. пациент дышит через трубку по открытому контуру, не испытывая дополни­тельно сопротивления дыханию, как при обычной спирометрии.

Простейшими флоуспирометрамиявляются пикфлоуметр ы (рис. 9.16), которыми измеряют максимальную объемную ско­рость газа при форсированном выдохе.

Пикфлоуметр (рис. 9.16, а) содержит цилиндрический корпус, в которой размещена тонкая подвижная пластмассовая пластина, пе­рекрывающая все внутреннее сечение цилиндрического корпуса. Эта пластина снабжена выступом, входящим в щель, выполненную в кор­пусе вдоль его образующей, а вдоль этой щели расположена шкала. В самой же щели установлен подвижный указатель. Перед измерени­ем указатель и пластину устанавливают в крайнее левое положение. В процессе форсированного выдоха на пластину действует сила R, создаваемая аэродинамическим напором, которая описывается:

где F — площадь поверхности пластины, практически равная площа­ди поперечного сечения корпуса.

Под действием силы R пластина перемещается вправо и сжимает воздух, находящийся во внутренней полости корпуса. Если пренеб­речь утечками выдыхаемого воздуха и утечками сжимаемого воздуха через щель в процессе движения пластины, и принять, что воздух вы­полняет функцию пружины с жесткостью с, то при максимальном пе­ремещении б_тах пластины при однократном форсированном выдохе можно получить приближенную зависимость:

где Q_тах — максимальная объемная скорость при выдохе.

Из-за наличия утечек эта зависимость существенно искажается. Однако из нее можно видеть, что перемещение пластины, а вместе с ней и указателя, который перемещается за счет воздействия на него выступа пластины, несет информацию об объемной скорости при выдохе. При достижении максимальной объемной скорости при вы­дохе сила К достигает максимума. В последующей стадии выдоха, так как сила К уменьшается, пластина остается неподвижной, и с помо­щью указателя по шкале определяется максимальное значение объ­емной скорости в процессе выдоха. Диапазон измерений таких пикфлоуметров составляет 0—350 и 0—700 л/м. С позиции метрологии они являются индикаторами объемной скорости.

Большей точностью обладает пикфлоуметр, схема которого пока­зана на рис. 9.16, б. Он представляет собой дроссельный расходомер, в котором в качестве дросселя используется диафрагма с диаметром отверстия 10 или 20 мм. Корпус спирометра подключен двумя гибки­ми трубками к дифференциальному мембранному манометру, чувст­вительным элементом которого является мембранная коробка, при­чем «плюсовое» давление подводится к внутренней полости этой ко­робки, а «минусовое» — к камере, где располагается мембранная ко­робка. При форсированном выдохе в момент, когда объемная скорость через сужающее устройство достигает максимального зна­чения, перепад давлений на диафрагме также достигает максималь­ного значения, т. е. наблюдается максимальный перепад давлений, значение которого измеряется мембранным дифференциальным ма­нометром. После достижения в процессе форсированного выдоха максимальной объемной скорости разность давлений Р1 — Р₂ умень­шается (давление Р₂ близко к атмосферному). При этом закрывается обратный клапан, и положение стрелки дифференциального мано­метра уже не изменяется, т. е. запоминается максимальный перепад давлений. Так как шкала дифференциального манометра отградуи­рована в единицах расхода газа, то по углу отклонения стрелки опре­деляют максимальное значение объемной скорости. Впоследствии показания дифференциального манометра постепенно уменьшаются за счет утечки газа через обратный клапан. Для быстрого возвраще­ния спирометра в исходное положение служит вентиль, с помощью которого внутренняя полость мембранной коробки сообщается с ат­мосферой. Погрешность измерений таких спирометров ± (5—10) %.

Наиболее совершенными являются спирометры, цифровые микропроцессорные или компьютерные флоуспирометры, в составе которых имеются цифровое вычислительное уст­ройство и соответствующие устройства ввода-вывода.

Выпускаются карманные, переносные и стационарные цифровые флоуспирометры с разными информационными возможностями. Все флоуспирометры содержат блок измерения объемного расхода и блок обработки и отображения информации.

В простейших моделях флоуспирометров, например в карман­ных, оба блока размещаются в общем корпусе.

На рис. 9.17, а показана упрощенная схема цифрового флоуспирометра. Как видно из рисунка, такой спирометр содержит два на­званных выше блока. При этом в блоке измерения расхода располага­ется тот или иной датчик расхода (пневмотахометрический датчик). Здесь применяют различные дроссельные, ультразвуковые, тепло­вые, турбинные датчики, а также датчики скоростного напора. В не­которых моделях флоуспирометров датчики расхода нагреваются с помощью электронагревателя для предотвращения конденсации в них паров воды, содержащихся в выдыхаемом газе (система нагрева­ния для упрощения рисунка не показана).

При спокойном дыхании сигнал, вырабатываемый блоком изме­рения расхода, имеет форму, показанную на рис. 9.17, б.

Рис. 9.17. Схема цифрового флоуспирометра: 1 — блок измерения расхода; 2— прищепка; 3 — блок обработки и отображения информации; 4 устройство измерения сигнала датчика расхода; 5—датчикдавления; 6, 7—электронные усилите ли; 8 — мультиплексор и аналого-цифровой преобразователь; 9 — цифровое вычислительное уст­ройство; 10 — устройство отображения информации; II — клавиатура; 12 — принтер

Процедура исследований с помощью флоуспирометров напоми­нает таковую при записи обычных спирограмм. После некоторого пе­риода спокойного дыхания пациент делает максимальный вдох, а за­тем — форсированный выдох. В блоке обработки и отображения ин­формации воспринимается сигнал датчика расхода. Затем этот сиг­нал усиливается, преобразуется в цифровую форму и вводится в цифровое вычислительное устройство. В это же устройство после со­ответствующего преобразования вводится сигнал датчика давления. В вычислительном устройстве осуществляется обработка сигнала датчика расхода с учетом статической характеристики последнего.

Например, если в качестве датчика расхода используется дроссель­ный с сужающим устройством, то из сигнала датчика извлекается квадратный корень. Для приведения значения расхода к нормальным условиям осуществляется его коррекция с учетом сигнала датчика давления. Для этого используется выражение

,

где Q_н — объемный расход газа в нормальных условиях; Q — изме­ренное значение объемного расхода газа; Р — абсолютное давление, вычисленное по сигналу Р_с датчика давления (Р = Р_а + Р_б), где Р_а — давление, вычисленное по сигналу датчика давления; Р_б — баромет­рическое давление; Р_н — давление, принятое за нормальное.

Полученный после этого сигнал интегрируется во времени, что в соответствии с выражением (1) позволяет определить текущее зна­чение объема газа. По результатам непрерывного измерения объем­ного расхода и вычисления объема при вдохе и выдохе строится так называемая зависимость (петля) «поток — объем» (рис. 9.17, в), ко­торая отображается на экране дисплея устройства отображения ин­формации. Кроме этого, на экране графического дисплея часто ото­бражается кривая К(г), показанная на рис. 9.17, г. На графиках 9.17, в и 9.17, г одновременно отображаются кривые, соответствующие норме Н (кривые показаны сплошной линией) и полученные при об­следовании конкретного пациента (кривая П показана пунктирной линией). Форма кривой «объемная скорость — объем» и ее отличие от нормальной для конкретного пациента широко используется для диагностики заболеваний дыхательной системы.

Цифровые флоуспирометры позволяют на основе измерений объемной скорости и вычисления объема газа определить наряду с основными показателями классической спирометрии пиковые, мгновенные и средние значения объемной скорости, соответствую­щие 25, 50 и 75 % ФЖЕЛ, и некоторые другие показатели. Значения этих показателей выводятся по окончании обследования на экран дисплея.

Вся перечисленная графическая информация и результаты расче­тов показателей печатаются на бумаге с помощью специализирован­ного принтера, входящего в состав цифрового флоуспирометра.

Рассмотренные процедуры измерений, обработки, отображения и документирования могут быть выполнены с помощью компьютера при подключении к последнему датчиков расхода и давления выды­хаемого и вдыхаемого газа.

В упрощенной модификации спирометров предусматривается отображение только кривой, показанной на рис. 19.7, в, или только верхней части этой кривой. В карманных спирометрах вместо графи­ческого дисплея используется только цифровое отсчетное устройст­во, на котором по вызову отображается информация, например, о следующих показателях (см. рис. 19.7, в): ФЖЕЛ, ПОС_выд, ОФВ_ь ОФВ₂, ОФВ₃, ОФВ,/ФЖЕЛ и др.

Относительная погрешность измерений различных показателей флоуспирометрами составляет ±(3—6) %.