ВОЗМОЖНОСТИ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДАВЛЕНИЯ В РЕШЕНИИ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ ФЛОУСПИРОМЕТРИИ

О.М.Грудин, *И.И.Кацан, В.А.Лопата, *С.И.Лупица, *Х.Эльози, Г.А.Фролов

ООО “Сенсорные системы”, г. Киев,
*Факультет электроники Национального технического университета Украины, г. Киев

Диагностика вентиляционной функции легких базируется н применении флоуспирометров, измеряющих объемные расходы потоков воздуха при дыхании. Измерительный канал флоуспирометра состоит из приемника воздушного потока (ПВП), преобразующего объемный расход потока в перепад давления, и измерительного преобразователя перепада давления (ИППД) в выходной сигнал канала. Регламентированный современными медико-техническими требованиями (ММТ) диапазон измерений объемных расходов воздуха при дыхании (0,1-15,0 л/с) и применение ПВП, использующих различные принципы преобразования (гидравлические сопротивления, сужающие и напорные устройства) ставят перед ИППД задачу измерения перепада давления в динамическом диапазоне от 1,5× 102 до 2,25× 104 с пределами относительной погрешности ± 2% и нелинейностью амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) не более ± 3% в полосе частот до 15 Гц. Такие жесткие требования и активное внедрение микропроцессорной техники потребовали применения в составе флоуспирометров электронных ИППД.

Опыт использования в этих целях ИППД тензорезисторного, пьезорезисторного, емкостного, емкостного и терморезисторного типов может быть обобщен следующими выводами и заключениями:

  1. Тензорезисторные ИППД с гофрированной мембраной в качестве барочувствительного элемента имеют динамический диапазон измерений давления не более 2× 102, что ограничивает их возможности использованием в комплектах с ПВП гидравлического сопротивления. Нелинейность АЧХ, достигающая ± 10% в диапазоне частот 3-12 Гц, свидетельствует о недостаточности динамических свойств. Применение микроэлектронной технологии позволяет формировать барочувствительный и упругий элементы совместно с тензочувствительными в едином конструктиве, что значительно улучшает характеристики ИППД: динамический диапазон - до 103, диапазон частот - до 50 Гц. Основное внимание в разработке тензорезисторных ИППД для флоуспирометров следует уделить снижению порога реагирования и расширению динамического диапазона измерения.
  2. Специализированные пьезорезистивные ИППД демонстрируют в составе флоуспирометров высокие метрологические качества - динамический диапазон измерений до 2× 104 с порогом реагирования не более 0,2 Па и нелинейностью АЧХ не более ± 1% в полосе частот до 32 Гц.
  3. Достижимые параметры емкостных ИППД (рабочая полоса частот до 20 кГц при нелинейности АЧХ не более ± 5%; динамический диапазон измерений 103 с порогом реагирования не более 0,2 Па и пределами относительной погрешности ± 2,5%) в принципе способны удовлетворить МТТ к флоуспирометрам, но зависимость от величин диэлектрической проницаемости газов требует исследований влияния изменений газового состава воздушного потока в процессе дыхания на их характеристики.
  4. Оригинальные решения на основе пленочных технологий микроэлектроники и микромеханики ввели в практику флоуспирометрии ИППД терморезисторного типа, построенный по принципу термоанемометра. Динамический диапазон измерений 106 с пределами относительной погрешности ± 1,5%, порогом реагирования 0,001 Па и линейной АЧХ в полосе частот до 30 Гц позволяют использовать ИППД в комплектах с любыми ПВП, в т.ч. с напорными и сужающими устройствами, имеющими нелинейные статические характеристики.
  5. Перспективы успешного применения электронных ИППД в составе современных флоуспирометров связываются со специализацией их конструкций применительно к условиям измерений динамичных знакопеременных перепадов давления и оптимального сочетания различных типов ИППД и ПВП в измерительных каналах приборов.