Похибка вимірювання спричинена нелінійністю передавальної характеристики давача. В залежності від початкової відстані між котушками чутливість давача змінюється (на графіку вона визначається дотичною в конкретній точці). Тому даний ВП може коректно працювати лише при невеликих (відносно невеликих) змінах відстані між котушками.
Для обчислення похибки розглянемо ділянку передавальної характеристики при відстані між котушками 0,4±0,05(м).
Рис. 3.4 – Ділянка передавальної характеристики перетворювача
1 – реальна характеристика;
2 – ідеальна характеристика.
За допомогою методу найменших квадратів [4] визначимо, якою повинна бути ідеальна характеристика перетворювача в даній точці.
В результаті виконання математичних дій [4] отримаємо наступне рівняння ідеального перетворювача:
Е= -6.3093 ×R+ 5.0369 (3.17)
Отже чутливість ідеального перетворювача в даній точці рівна 6,45 В/м
Максимальне значення абсолютної похибки рівне: Dmax= 0.0285В.
Відносну похибку вимірювання знаходимо за виразом:
(3.18)
де - дійсне значення вихідної величини (ЕРС) в даній точці (0,4м).
Отже при початковій відстані між котушками 0,4м відносна похибка вимірювань рівна 1,14%.
Розрахунок параметрів ВП а також абсолютної похибки вимірювання був проведений з використанням середовища MATLAB 6.5. текст програми наведений в додатку А.
3.5 Обчислення температурної похибки роботи ВП.
Оскільки проектований ВП повинен працювати в широкому діапазоні температур (від -45 до +45 оС) то значну долю від загальної похибки вимірювання буде складати температурна похибка. Вона виникає внаслідок збільшення магнітної проникності феритового осердя при збільшенні температури.
Визначимо вплив зміни температури на магнітні властивості осердя:
Рис. 3.5 – Залежність магнітної проникності фериту М600НН від температури
Як видно з рисунка, у вказаному діапазоні температур магнітна проникність фериту може змінюватися від 470 до 730. абсолютна похибка буде рівна:
Dmax=mmax-mmin (3.19)
Dmax=730-470=260
Відносна похибка в такому випадку визначається за формулою (3.18)
Як бачимо, зміна температури навколишнього середовища сильно впливає на результати вимірювання. Щоб усунути це негативне явище при обробці сигналу можна враховувати температуру навколишнього середовища та робити температурну поправку.
Дані похибки впливають лише на форму (амплітуду) дихальної кривої і ніяк не відображаються на частоті коливань. В завданні на самостійну роботу необхідно розробити ВП для вимірювання частоти дихання, тому можна вважати, що даний прилад задовольняє вихідні вимоги.
Щодо похибки в вимірюванні частоти дихання то, за рахунок явища зсуву фаз вихідного сигналу на 180о похибка може складати одне дихальне коливання за весь вимірювальний цикл.
4 КОНСТРУЮВАННЯ ПЕРВИННОГО ВИМІРЮВАЛЬНОГО ПЕРЕТВОРЮВАЧА
4.1 Визначення діаметру дроту обмоток
Діаметр дроту обмотки визначається допустимою густиною струму, що протікає в котушці. Вона, в свою чергу залежить від матеріалу осердя та потужності розсіювання котушки. Потужність розсіювання визначається струмом через обмотку та індуктивним опором обмотки.
4.1.1 Визначення параметрів дроту обмотки котушки збудження
Індуктивність котушки:
[2] (4.1)
де mОС1 – магнітна проникність осердя котушки збудження. mОС1=600
m0 – магнітна стала. m0 = 4p×10-7 Гн/м;
N1 – число витків котушки збудження, для першого каналу N1=217;
S1 – площа січення котушки. S1»SOC1×1.5=10.6×10-6(м2);
l1 – довжина котушки. l1=25×10-3(м). (уточнений розрахунок проводиться нижче)
Індуктивний опір котушки рівний:
(4.2)
де f – частота струму в котушці. для першого каналу f=4кГц.
Потужність розсіювання котушки рівна:
P=I102×XL (4.3)
де І10 – діюче значення струму в обмотці котушки збудження.
P=0,12×377=3,77(ВА)
Згідно [5] для даної потужності на високій частоті допускається густина струму в обмотці до 10А/мм2. Оскільки первинний ВП повинен працювати в широкому діапазоні температур, для більшої стабільності вибираємо менше значення густини струму. j1=4А/мм2. Січення дроту без ізоляції визначається з формулою:
(4.4)
Діаметр дроту без ізоляції рівний:
(4.5)
4.1.2 Визначення параметрів дроту обмотки приймальної котушки
Оскільки вихідний опір приймальної котушки дуже великий (більше 106 Ом) то струм, що протікає в обмотці дуже малий (одиниці мікроампер). Тому визначати діаметр дроту так, як в попередньому підрозділі недоцільно. Для обмотки приймальної котушки вибираємо дріт, виходячи з умов забезпечення механічної міцності. Вибираємо дріт діаметром (без ізоляції) 0,05 мм.
4.2 Визначення довжини дроту
Для того, щоб визначити довжину дроту для обмоток котушок (приблизно) потрібно врахувати такі параметри як довжина витка, кількість витків, коефіцієнт нещільності намотки, коефіцієнт розбухання [5].
Довжина витка визначається за виразом:
l=pd (4.6)
де d – діаметр витка. d=5мм
lВ=p×5=15,7мм
Тепер запишемо вираз для визначення довжини дроту котушок:
l=N×lB×kP×kH (4.7)
де N – кількість витків відповідної котушки;
kP - коефіцієнт розбухання, для котушки збудження kP1=1,15, для приймальних котушок kP2=1,2 [5];
kH - коефіцієнт нещільності намотки. kH =1,1 [5].
Для котушки збудженн я 1-го каналу:
l11=217×15,7×1,15×1,1=4309,73(мм)»4,31(м)
Для котушки збудження 2-го каналу:
l12=177×15,7×1,15×1,1=3515,3(мм)»3,51(м)
Для приймальної котушки 1-го каналу:
l21=2161×15,7×1,2×1,1=44784,56(мм)»44,8(м)
Для приймальної котушки 2-го каналу:
l22=1767×15,7×1,2×1,1=36619,3(мм)»36,62(м)
4.3 Розробка та опис конструкції вимірювального перетворювача
Зважаючи на широкий діапазон робочих температур для обмоток вибираємо провід ПЭТВ-25 ТУ 16-705.110-79 (дріт емальований, теплостійкий, покритий шаром високоміцної емалі нормальної товщини, діапазон робочих температур -50..+180оС). Діаметр провода з емаллю: 0,22мм для котушки збудження, 0,09мм для приймальної котушки. [5].
Котушка намотана на каркасі, діаметр каркаса – 5мм, довжина каркаса – 25мм, матеріал – фторопласт-4 ГОСТ 10007-80.
Осердя виготовлене з фериту М600НН (низькочастотний, нікель-цинковий ферит, початкова магнітна проникність 600, діапазон робочих температур від -40 до +250 оС). Ферит поставляється у вигляді стержнів діаметром 3,5мм довжиною 45мм. Отже для виготовлення котушок потрібно розрізати їх надвоє. Довжина осердя котушки становить 22мм.
Приймальна котушка та котушка збудження закріплена на спеціальному еластичному поясі, який в свою чергу закріплюється грудях пацієнта (перший канал) та на животі в епігастральній області (другий канал). Слід зауважити, що результати вимірювання не залежать від взаємного розміщення котушок (канали можуть мінятися місцями), також вимірювальні канали взаємно не впливають один на одного,оскільки в складі першого каскаду підсилювача є смуговий фільтр, налаштований на частоту відповідного каналу.
Для кріплення котушок використано клей Эласил137-83 ТУ 6-02-1237-83 (клей силіконовий, однокомпонентний, діапазон температур: -60 … +300 оС).
Зовнішні підключення здійснюються за допомогою двожильного кабелю. Для зовнішньої ізоляції використана трубка ТКР ГОСТ 17675-87 (Матеріал: кремнійорганічна гума, робоча температура: від -50 до +250оС), внутрішній діаметр 3мм. Жили кабелю виконані дротом МГТФЭ-0,2 ТУ 16-505.185-71 (з мідною жилою та ізоляцією із запечених плівок фюропласта-4 діапазон температур експлуатації від −60 до 220 ºС). Ці матеріали забезпечують кабелю широкий діапазон робочих температур та високу гнучкість. Довжина кабелю має становити 1-2м.
Для зовнішньої ізоляцій котушки заливаються кремнійорганічним компаундом типу КЛ-4 ТУ 38,103691-89 (стійкий до перепадів температур, старіння, дії хімічних реагентів, має хороші діелектричні властивості, діапазон робочих температур від - -60 до + 300 °С.). Товщина шару заливки має складати не менше 3мм.
Складальне креслення котушки розміщене в додатках (КРО.5.893.01.000 ПЗ). Оскільки всі котушки відрізняються лише довжиною та діаметром дроту котушок то на кожну специфікація оформлена окремо на кожну з них.
ВИСНОВКИ
В ході виконання самостійної роботи було розроблено первинний вимірювальний перетворювач частоти дихання людини. Даний пристрій являється індуктивним вимірювачем лінійних переміщень, має високу чутливість (6,45 В/м) та дозволяє записувати пневмограму не залежно від статі та статури пацієнта. Завдяки використанню термостійких матеріалів в конструкції пристрій може працювати в діапазоні температур від -45 до +45оС.
В самостійній роботі теоретично розраховані похибки вимірювання. Похибка, що виникає за рахунок нелінійності передавальної характеристики складає 1,14% (при відстані між котушками 40±5см). Температурна похибка на всьому діапазоні робочих температур рівна 43,3%. Дані похибки впливають лише на амплітуду дихальної кривої в режимі запису пневмограми, при визначенні частоти дихання похибка вимірювання складає один період за весь цикл вимірювання.
Для обробки даних може використовуватися як аналогова схема з механічним самописцем, так і цифровий прилад з аналоговим входом та АЦП. Зважаючи на велику температурну похибку вимірювального перетворювача для запису пневмограми в вимірювальний прилад (пневмограф) потрібно включити можливість температурної компенсації.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. http://amfan.ru/priemniki-pryamogo-usileniya/magnitnye-antenny/;
2. .Курс физики: Учеб. пособие для вузов/Трохимова Т.И – М.: Выш. шк., 1990. – 478с.: ил;
3. Основы диагностики синдромов внутренних болезней/Храмов Ю.А: Самиздат в электронном формате PDF, 2008. - 380 с.: ил.;
4. Математичне та комп’ютерне моделювання медтехніки. Методичні вказівки та завдання для практичних занять та тестування/Шадріна Г.М.. – Тернопіль : ТДТУ імені Івана Пулюя, 2008. – 70 с.
5. .Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Спра-вочник/ Найвельт Г.С. и др. – М.: Радио и связь, 1985 – 576с: ил.
ДОДАТОК А
ПРОГРАМА ДЛЯ РОЗРАХУНКУ ПАРАМЕТРІВ ВИМІРЮВАЛЬНОГО ПЕРЕТВОРЮВАЧА ВИМІРЮВАЧА ЛІНІЙНИХ ПЕРЕМІЩЕНЬ
clear all, clc
%%Розрахунок параметрів вимірювального перетворювача
td=10^(-5); %період дисктетизації
t=[0:td:0.02]; %Вектор часу
F=120; %Частота зміни відстані між котушками
r=0.5+0.02.*sin(2.*pi.*F.*t); %Функція, що описує
%зміну відстані між котушками
I10=0.1; %Амплітудне значення струму в котушці збудження
f=4*(10^3); %частота струму в котушці збудження
u0=4*pi*(10^-7); %Магнітна стала
u=600; %мангітна проникність осердя приймальної котушки
d2=3*(10^-3); %Діаметр осердя приймальної котушки
S2=pi*(d2^2)/4; %Січення осердя приймальної котушки
N=2*0.5/(I10.*u.*u0.*S2.*f) %
N1=sqrt(N/10) %Визначення числа витків котушок
N2=N/N1 %
k=-I10.*N1.*N2.*u.*u0.*S2.*f; %Визначення коефіцієнта передачі
e=(k./r).*cos(2.*pi.*f.*t); %ЕРС, наведена в приймальній котушці
R=[0.05:0.001:2]; %Вектор відстані між котушками
E=k./R; %ЕРС, наведена в приймальній котушці. Діюче значення
E=abs(E);
%Візуалізація обчислень
figure(1)
plot(t,e,'k',t,r,'r'), xlabel('t, c.'), ylabel('E, B')
grid on
figure(2)
plot(R,E,'k'), xlabel('R, M'), ylabel('E, B')
%%Обчислення похибки
R0=0.4; %Середнє значення відстані на заданому проміжку
d=0.05; %Амплітудне значення зміни відстані
dR=[(R0-d):td:(R0+d)]; %Вектор відстані між котушками на
%заданому проміжку
dE=abs(k./dR); %ЕРС, наведена в приймальній котушці на
%заданому проміжку. Діюче значення
% Метод найменших квадратів
%Обчислення сум, необхідних для побудови системи рівнянь
Exi=sum(dR);
Efi=sum(dE);
Exifi=sum(dR.*dE);
Ex2=sum(dR.^2);
n=length(dR);
%Розвязання системи рівнянь
A=[Ex2, Exi; Exi, n]
B=[Exifi; Efi]
kb=inv(A)*B;
k=kb(1,:)
b=kb(2,:)
F=k.*dR+b;
delta=abs(dE-F);
delta_max=max(delta) %Визначення максимального значення
%абсолютної похибки на заданому проміжку
figure(3)
plot(dR,F,'-.k',dR,dE,'k'), xlabel('R, M'), ylabel('E, B')
text(0.31, 3.3, '1')
text(0.305, 3.1, '2')
Страницы: 1, 2, 3
