Устройство для измерения объемной скорости воздушного потока при дыхании

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для диагностики вентиляционной функции дыхания. Имеются цилиндрический воздуховод и расположенные в нем чувствительные трубы, а также сенсор воздушного потока, подсоединенный с помощью соединительных трубок к нижним торцам чувствительных труб. Дополнительно введены аэродинамические элементы, формирующие и направляющие воздушный поток в воздуховоде. Ближний аэродинамический элемент установлен перед ближней чувствительной трубой, а дальний - за дальней трубой. Чувствительные трубы в верхней части снабжены прорезью для отбора давления в воздушном потоке и выполнены идентично аэродинамическим элементам. Расстояние между ближним аэродинамическим элементом и ближней чувствительной трубой равно расстоянию между дальним аэродинамическим элементом и дальней чувствительной трубой. Принятое исполнение обеспечивает предохранение чувствительных труб от засорения продуктами выдыхаемого воздуха, благодаря чему повышается чувствительность устройства, достигаются стабильность его статической характеристики и идентичность параметров выходного сигнала сенсора воздушного потока в фазах вдоха и выдоха. 1 ил.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для диагностики вентиляционной функции дыхания методом спирометрии.

Известно устройство для определения параметров дыхания по патенту RU 2005411 от 18.03.92, А 61 В 5/08, содержащее измерительную головку, выполненную в виде сопрягаемых промежуточного цилиндрического канала и двух патрубков с площадью проходного сечения, увеличивающейся в стороны входа и выхода, и два чувствительных элемента, установленные в одной плоскости в полости канала, смещенные друг относительно друга в радиальном и осевом направлениях и подсоединенные к электронному блоку обработки сигналов, при этом полость каждого из патрубков спрофилирована в виде сопла Витошинского, а соотношение максимального диаметра проходного сечения патрубков и диаметра цилиндрического канала равно 3:1, каждый из чувствительных элементов подсоединен к блоку обработки сигналов посредством двух дифференциальных мембранных датчиков давления, подмембранные камеры которых пневматически сообщены соответственно между собой и полостью канала посредством дополнительного радиального отверстия, выполненного в его боковой стенке, ось которого перпендикулярна к плоскости расположения чувствительных элементов и равноудалена от них, причем каждый чувствительный элемент выполнен в виде трубки, свободный конец которой изогнут соосно с каналом и направлен в сторону соответствующего патрубка, а радиальное смещение каждого свободного конца относительно продольной оси канала равно половине диаметра трубки, при этом величины внутреннего диаметра трубки и диаметра отверстия находятся в интервале 1,5-1,6 мм, а соотношение внутреннего диаметра трубки и диаметра отверстия в надмембранной камере датчика для подсоединения трубки равно 1-1,5.

Недостатками известного устройства являются сложность конструкции и возможность засорения отверстия ближнего к потоку чувствительного элемента (трубки) продуктами выдыхаемого пациента воздуха (микрофлорой, слюной, мокротой, конденсатом водяных паров), что влечет за собой изменение номинальной статической характеристики устройства в процессе обследования пациента и нарушение идентичности измерений в фазах вдоха и выдоха.

Более простой и удобной для практического использования конструкцией обладает устройство для измерения скорости потока по патенту US 5443075 от 22.08.1995, А 61 В 5/087, выбранное в качестве прототипа заявленного устройства.

Это устройство содержит прямой цилиндрический воздуховод, ближнюю к источнику воздушного потока чувствительную трубу, имеющую полуцилиндрическое сопло, расположенное в воздуховоде и обращенное навстречу воздушному потоку в нем, дальнюю от источника воздушного потока чувствительную трубу, имеющую полуцилиндрическое сопло, расположенное в воздухопроводе и обращенное в направлении воздушного потока, а также сенсор воздушного потока, подсоединенный симметрично с помощью двух соединительных трубок, соответственно, к ближней и дальней от источника воздушного потока чувствительным трубам.

Устройство-прототип имеет более простую и удобную в обращении конструкцию, однако ему, как и вышеупомянутому аналогу, присущи недостатки, связанные с возможностью засорения сопла ближней к источнику воздушного потока чувствительной трубы (см. выше).

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков устройства-прототипа, а именно предохранение чувствительных труб от засорения продуктами выдыхаемого пациентом воздуха, благодаря чему одновременно повышается чувствительность устройства, обеспечиваются стабильность его статической характеристики и идентичность параметров выходного сигнала сенсора воздушного потока в фазах вдоха и выдоха.

Поставленная задача решается тем, что в устройство для измерения объемной скорости воздушного потока при дыхании, содержащее прямой цилиндрический воздуховод и последовательно расположенные в нем ближнюю к источнику воздушного потока чувствительную трубу (ближнюю чувствительную трубу) и дальнюю от источника воздушного потока чувствительную трубу (дальнюю чувствительную трубу), а также сенсор воздушного потока, подсоединенный с помощью идентичных первой и второй соединительных трубок к нижним торцам соответственно ближней и дальней чувствительных труб, дополнительно введены ближний и дальний аэродинамические элементы, формирующие и направляющие воздушный поток в прямом цилиндрическом воздуховоде, которые идентичны друг другу по форме и размерам, причем ближний аэродинамический элемент установлен перед ближней чувствительной трубой, дальний аэродинамический элемент - за дальней чувствительной трубой, каждая чувствительная труба в своей верхней части снабжена прорезью для отбора давления в воздушном потоке и выполнена в виде конструкции, идентичной по форме и внешним размерам конструкции аэродинамических элементов, а расстояние между ближним аэродинамическим элементом и ближней чувствительной трубой равно расстоянию между дальним аэродинамическим элементом и дальней аэродинамической трубой.

Устройство для измерения объемной скорости воздушного потока при дыхании изображено на чертеже, где 1 - прямой цилиндрический воздуховод; 2 - ближний аэродинамический элемент; 3 - ближняя чувствительная труба; 4 - первая соединительная трубка; 5 - сенсор воздушного потока; 6 - дальняя чувствительная труба; 7 - вторая соединительная трубка; 8 - дальний аэродинамический элемент.

Устройство работает следующим образом. При выдохе пациента воздушный поток в своем движении по воздуховоду 1 обтекает ближний аэродинамический элемент 2, испытывая его сопротивление. При этом поток оттесняется к стенкам воздуховода 1, и его линейная скорость увеличивается. Проходя над ближней чувствительной трубой 3, поток через прорезь в ее верхней части эжектирует часть объема воздуха, находящегося в ближней чувствительной трубе 3 и первой соединительной трубке 4, соединяющей нижний торец ближней чувствительной трубы 3 с первым входом сенсора воздушного потока 5. В поперечном сечении I-I воздушного потока, проходящем через продольную ось ближней чувствительной трубы 3, возникает давление, равное разности статического давления Р_CT и давления эжекции: P(I-I) = P_CT-ρ•V²/2, где ρ - плотность воздуха; V - линейная скорость воздушного потока.

В дальнейшем движении поток воздуха проходит над дальней чувствительной трубой 6 и через прорезь в ее верхней части эжектирует часть объема воздуха, находящегося в дальней чувствительной трубе 6 и второй соединительной трубке 7, соединяющей нижний торец дальней чувствительной трубы 6 со вторым входом сенсора воздушного потока 5. В поперечном сечении II-II воздушного потока, проходящем через продольную ось дальней чувствительной трубы 6, возникает давление, равное разности давления Р(I-I) и давления эжекции, то есть: P(II-II) = P_CT-ρ•V²/2-ρ•V²/2 = P_CT-ρ•V². Таким образом, при движении воздушного потока между чувствительными трубами 3 и 6 возникает перепад давления ΔP = P(I-I)-P(II-II) = ρ•V²/2, пропорциональный второй степени линейной (а следовательно, и объемной) скорости воздушного потока, воспринимаемый сенсором воздушного потока 5 через первую 4 и вторую 7 соединительные трубки.

При вдохе пациента воздушный поток в своем движении по воздуховоду 1 обтекает последовательно дальний аэродинамический элемент 8, дальнюю 3 и ближнюю 6 чувствительные трубы. Поскольку аэродинамические элементы 2 и 8 и чувствительные трубы 3 и 6 имеют идентичные внешние формы и размеры, а аэродинамические элементы расположены симметрично относительно торцов воздуховода 1 и чувствительных труб 3 и 6, то все физические процессы в воздушном потоке в фазе вдоха происходят идентично описанным выше процессам в фазе выдоха. Однако, если в фазе выдоха соблюдается соотношение P(I-I)>P(II-II), то в фазе вдоха P(II-II)>P(I-I). Изменение соотношения давлений в сечениях I-I и II-II соответственно изменяет знак перепада давления ΔP=P(I-I)-P(II-II), что позволяет с помощью сенсора воздушного потока 5 определить направление движения воздушного потока в воздуховоде 1.

Поскольку в начале своего движения по воздуховоду 1 выдыхаемый пациентом воздух обтекает ближний аэродинамический элемент 2 и оттесняется к стенкам воздуховода 1, а в дальнейшем эжектирует часть объема воздуха из ближней 3 и дальней 6 чувствительных труб, то продукты выдыхаемого воздуха не засоряют прорези в чувствительных трубах 3 и 6 и не вызывают изменения номинальной статической характеристики устройства в процессе обследования пациента. В то же время, поскольку ближний 2 и дальний 8 аэродинамические элементы, а также ближняя 3 и дальняя 6 чувствительные трубы имеют идентичные внешние формы и размеры, а аэродинамические элементы расположены симметрично относительно торцов воздуховода 1, ближней 3 и дальней 6 чувствительных труб, то при одной и той же объемной скорости воздушного потока в воздуховоде 1 в фазах вдоха и выдоха будет соблюдаться тождество выходного сигнала сенсора воздушного потока 5 в указанных фазах.

Благодаря этому обеспечивается решение поставленной задачи и соответственно представленная выше совокупность общих с прототипом и отличительных признаков заявленного устройства может быть классифицирована как изобретение.

Формула изобретения

Устройство для измерения объемной скорости воздушного потока при дыхании, содержащее прямой цилиндрический воздуховод и последовательно расположенные в нем ближнюю чувствительную трубу и дальнюю чувствительную трубу, а также сенсор воздушного потока, подсоединенный с помощью идентичных первой и второй соединительных трубок к нижним торцам соответственно ближней и дальней чувствительных труб, отличающееся тем, что в него дополнительно введены ближний и дальний аэродинамические элементы, формирующие и направляющие воздушный поток в прямом цилиндрическом воздуховоде, которые идентичны друг другу по форме и размерам, ближний аэродинамический элемент установлен перед ближней чувствительной трубой, а дальний аэродинамический элемент - за дальней чувствительной трубой, каждая из чувствительных труб в своей верхней части снабжена прорезью для отбора давления в воздушном потоке и выполнена в виде конструкции, идентичной по форме и внешним размерам конструкции аэродинамических элементов, а расстояние между ближним аэродинамическим элементом и ближней чувствительной трубой равно расстоянию между дальним аэродинамическим элементом и дальней чувствительной трубой.

РИСУНКИ

Рисунок 1