устройство для измерения объемной скорости воздушного потока при дыхании

Формула изобретения

Устройство для измерения объемной скорости воздушного потока при дыхании, содержащее прямой цилиндрический воздуховод, состоящий из первой цилиндрической трубки со сквозными отверстиями для забора воздуха и второй цилиндрической трубки с двумя штуцерами для отвода воздуха, установленными перпендикулярно поверхности второй цилиндрической трубки и соединенными с помощью гибких шлангов с первым и вторым входами сенсора воздушного потока, а также аэродинамический элемент в виде диска с прорезями для пропускания воздуха, расположенный внутри первой цилиндрической трубки в плоскости, перпендикулярной ее оси, при этом внешняя поверхность первой цилиндрической трубки прилегает к внутренней поверхности второй цилиндрической трубки, отличающееся тем, что на внешней поверхности первой цилиндрической трубки проточены две кольцевые канавки, имеющие одинаковые геометрические размеры и разнесенные на равные расстояния относительно плоскости расположения диска, а сквозные отверстия расположены равномерно в каждой из канавок вдоль окружностей, находящихся в плоскостях, равноотстоящих от плоскости расположения диска, плоскости, проходящие через ось симметрии каждого штуцера и перпендикулярные оси трубок располагаются между границами соответствующих кольцевых канавок на одинаковых расстояниях от плоскости диска, а расстояние между каждой плоскостью и границами соответствующей канавки принято большим внутреннего радиуса штуцера.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для проверки вентиляционной функции дыхания методом спирометрии.

Известно устройство для определения параметров дыхания по патенту RU 2005411, А 61 В 5/08, 18.03.1992, 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 от 1,5 до 1,6 мм, а соотношение внутреннего диаметра трубки и диаметра отверстия в надмембранной камере датчика для подсоединения трубки равно 1,5.

Недостатками известного устройства являются сложность конструкции и возможность засорения отверстия ближнего к потоку чувствительного элемента (трубки) продуктами выдыхаемого пациентом 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 простыми и удобными для практического использования являются устройство для измерения скорости воздушного потока при спирометрии по патенту US 5443075, А 61 В 5/087, 22.08.1995 и устройство для измерения объемной скорости воздушного потока при дыхании по патенту RU 2189778, А 61 В 5/08, 27.09.2002.

Первое из них 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.

Второе вышеупомянутое устройство содержит 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, а также 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.

Этот класс устройств имеет более простую и удобную в обращении конструкцию, однако им, как и вышеупомянутому аналогу, присущи недостатки, связанные с возможностью засорения сопла ближней к источнику воздушного потока чувствительной трубы с соответствующей потерей точности измерений.

Более совершенным в этом плане является устройство для спирометрии по патенту US 6113549, А 61 В 5/00, 05.09.2000, выбранное в качестве прототипа предлагаемого изобретения.

Указанное устройство содержит прямой цилиндрический воздуховод, состоящий из двух идентичных внутренних цилиндрических трубок, вложенных во внешнюю цилиндрическую трубку, внутренний диаметр, которой равен внешнему диаметру внутренних цилиндрических трубок, аэродинамический элемент, выполненный в виде диска с прорезями для пропускания воздуха, установленный в плоскости, перпендикулярной оси цилиндрического воздуховода между торцами внутренних цилиндрических трубок, внешние диаметры которых равны внешнему диаметру диска, а также два штуцера для забора воздуха из прямого цилиндрического воздуховода, расположенные перпендикулярно поверхности внешней цилиндрической трубки на равных расстояниях от плоскости диска и соединенные с помощью гибких шлангов с первым и вторым входами сенсора воздушного потока.

Недостатком устройства-прототипа является нестабильность измерений, обусловленная турбулентностью воздушного потока на торцах штуцеров для забора воздуха из воздуховода. Эта нестабильность приводит к флуктуационной ошибке измерений.

Предлагаемое техническое решение направлено на устранение указанного недостатка и, соответственно, задачей предлагаемого технического решения является повышение точности измерений объемной скорости воздушного потока.

Для решения поставленной задачи в известном устройстве для измерения объемной скорости воздушного потока при дыхании, содержащем прямой цилиндрический воздуховод, состоящий из первой цилиндрической трубки со сквозными отверстиями для забора воздуха и второй цилиндрической трубки с двумя штуцерами для отвода воздуха, установленными перпендикулярно поверхности второй цилиндрической трубки и соединенными с помощью гибких шлангов с первым и вторым входами сенсора воздушного потока, а также аэродинамический элемент в виде диска с прорезями для пропускания воздуха, расположенный внутри первой цилиндрической трубки в плоскости, перпендикулярной ее оси, при этом внешняя поверхность первой цилиндрической трубки прилегает к внутренней поверхности второй цилиндрической трубки, на внешней поверхности первой цилиндрической трубки проточены две кольцевые канавки, имеющие одинаковые геометрические размеры и разнесенные на равные расстояния относительно плоскости расположения диска, а сквозные отверстия расположены равномерно в каждой из канавок вдоль окружностей, находящихся в плоскостях, равноотстоящих от плоскости расположения диска, плоскости, проходящие через ось симметрии каждого штуцера и перпендикулярные оси трубок, должны располагаться между границами соответствующих кольцевых канавок на одинаковых расстояниях от плоскости диска, а расстояние между каждой плоскостью и границами соответствующей канавки должно быть больше внутреннего радиуса штуцера.

Суть предлагаемого технического решения поясняется чертежами на фиг.1 и 2. На фиг. 1 приведен общий случай конструктивного исполнения заявляемого устройства в виде изображения сечения, проходящего через общую центральную ось внутренней и внешней цилиндрических трубок и через центральные оси обоих штуцеров. На фиг.2 приведена аксонометрическая проекция того же сечения для одного из возможных конструктивных исполнений устройства (в которой не показаны гибкие шланги и сенсор воздушного потока, а аэродинамический элемент показан без проведения его сечения).

Необходимо отметить, что плоскости, в которых расположены общая ось цилиндрических трубок и каждая из осей штуцеров, могут быть расположены относительно друг друга под любым возможным углом. Случай совпадения этих плоскостей, изображенный на фиг.1 и 2, выбран просто из соображений наглядности иллюстративного материала.

На фиг.1 и 2 использованы следующие обозначения:

1 - внутренняя цилиндрическая трубка; 2 - внешняя цилиндрическая трубка; 3, 3" - сквозные отверстия; 4, 4" - канавки; 5, 5" - штуцеры; 6, 6" - гибкие шланги; 7 - сенсор воздушного потока; 8 - аэродинамический элемент.

Для изображенного на фиг.2 возможного конструктивного исполнения устройства дополнительно обозначены:

1" - внутренний отрезок внутренней цилиндрической трубки; 2" - гайка; 9 - радиальные лучи; 10 - симметричные прорези.

Прямой цилиндрический воздуховод выполнен в виде двух трубок: внутренней цилиндрической трубки 1 и внешней цилиндрической трубки 2. При этом для возможного конструктивного исполнения, показанного на фиг.2, внутренняя цилиндрическая трубка 1 снабжена внутренним отрезком 1" внутренней цилиндрической трубки, а внешняя цилиндрическая трубка 2 снабжена гайкой 2". Внутренняя цилиндрическая трубка 1 имеет два ряда сквозных отверстий 3 и 3". Отверстия 3 (3") имеют цилиндрическую форму и расположены в каждом ряду равномерно по окружности, являющейся линией сечения внутренней цилиндрической трубки 1 плоскостью, перпендикулярной оси этой трубки 1. Каждое из указанных сквозных отверстий 3 (3") находится в пределах кольцевой канавки 4 (4"), опоясывающей внутреннюю цилиндрическую трубку 1. Во внешней цилиндрической трубке 2 над канавками 4 и 4" расположены два сквозных отверстия, к внутренней поверхности которых плотно прилегают штуцеры 5 и 5". При установке в рабочее положение внутренней 1 и внешней 2 цилиндрических трубок внутреннее отверстие каждого из штуцеров 5 и 5" находится строго между границами соответствующих канавок 4 и 4".

Во внутренней цилиндрической трубке 1 перпендикулярно ее поверхности установлен аэродинамический элемент 8 в виде диска с симметричными прорезями для пропускания воздушного потока. Для частного случая конструктивного исполнения устройства, приведенного на фиг.2, установка диска 8 внутри внутренней цилиндрической трубки 1 осуществляется при запрессовке внутреннего отрезка 1" внутренней цилиндрической трубки непосредственно во внутреннюю цилиндрическую трубку 1. По окончании запрессовки элементы 1, 1" и 8 образуют жесткое, неразъемное соединение.

Оси штуцеров 5 и 5" расположены на одинаковых расстояниях от плоскости диска 8 и, таким образом, смещены на расстояние относительно плоскостей, в которых находятся оси сквозных отверстий 3 и 3". На верхние торцы штуцеров 5 и 5" надеты гибкие шланги 6 и 6" соответственно, подключенные ко входам сенсора 7 воздушного потока.

В конструкции фиг.2, использовавшейся в экспериментах, диск 8 был выполнен в виде радиальных лучей 9 и симметричных прорезей 10. В принципе, возможны и другие варианты выполнения диска 8. Важно лишь то, что в любом варианте должна быть обеспечена симметрия прорезей 10 в диске относительно оси внутренней цилиндрической трубки 1, а плоскость диска 8 должна быть расположена симметрично по отношению к правому и левому рядам отверстий 3 и 3", канавкам 4 и 4" и штуцерам 5 и 5" соответственно. При этом желательно, чтобы расстояния между плоскостями, в которых расположены оси отверстий 3 и 3", и осями соответствующих штуцеров 5 и 5" были бы максимально возможными (с учетом того, что при всех возможных допусках внутреннее отверстие штуцера 5 или 5" не должно даже частично выходить за границы соответствующей канавки 4 или 4").

Предлагаемое устройство для измерения объемной скорости воздушного потока работает следующим образом.

При выдохе пациента воздушный поток движется по воздуховоду вдоль внутренней цилиндрической трубки 1, вложенной во внешнюю цилиндрическую трубку 2 в направлении, отмеченном на фиг.1 и 2 стрелкой "Выдох".

В рабочем положении внешняя цилиндрическая трубка 2 неподвижно закреплена относительно внутренней цилиндрической трубки 1.

Методы такого закрепления могут быть любыми (и не относятся к сущности заявляемого технического решения). Например, на фиг.2 закрепление осуществляется с помощью гайки 2", устанавливаемой на винтовой резьбе, нанесенной на внешнюю поверхность внутренней цилиндрической трубки 1. Гайка 2" плотно прижимает торец внешней цилиндрической трубки 2 к кольцевому выступу внутренней цилиндрической трубки 1.

Воздушный поток при выдохе, проходя мимо ряда сквозных отверстий 3 внутренней цилиндрической трубки 1, эжектирует в отверстия 3 часть своего объема. Этот объем попадает в канавку 4, проточенную на внешней поверхности внутренней цилиндрической трубки 1 и имеющую кольцевую форму. Поскольку внешняя цилиндрическая трубка 2 тесно прилегает к внутренней цилиндрической трубке 1, канавка 4 и внутренняя поверхность внешней цилиндрической трубки 2 образуют герметичный первый дополнительный кольцевой воздуховод, двигаясь по которому воздух при выдохе попадает в штуцер 5, а по нему через гибкий шланг 6 - на первый вход сенсора 7 воздушного потока. Поскольку отверстия 3 расположены на равных расстояниях друг от друга, а поверхность первого дополнительного кольцевого воздуховода не содержит выступающих частей, движение воздушного потока внутри этого воздуховода близко к ламинарному. Поэтому на первом входе сенсора 7 воздушного потока давление P₁ воздуха достаточно устойчиво и равно разности статического давления Р_CT и давления эжекции



где - плотность воздушного потока;

v₁ - линейная скорость воздушного потока в сечении отверстий 3.

Ламинарности воздушного потока в первом дополнительном кольцевом воздуховоде способствует и наличие смещения между осью штуцера 5 и плоскостью, проходящей через оси отверстий 3.

Далее воздушный поток пересекает аэродинамический элемент 8 и рассеивается на нем. В рассматриваемом варианте реализации устройства (фиг.2) аэродинамический элемент 8 выполнен в виде диска с радиальными лучами 9 и симметричными прорезями 10. Радиальная симметрия диска 8 также способствует сохранению ламинарности воздушного потока. Воздух отклоняется к стенкам внутренней цилиндрической трубки 1, и скорость его становится равной v₂. Проходя мимо сквозных отверстий 3", воздушный поток эжектирует часть объема воздуха в эти отверстия.

Эжектируемый воздух, пройдя сквозные отверстия 3", попадает в герметичный второй дополнительный кольцевой воздуховод, образованный канавкой 4" и внутренней поверхностью внешней цилиндрической трубки 2. Поскольку геометрические размеры канавок 4 и 4" одинаковы, а ряд сквозных отверстий 3" идентичен ряду сквозных отверстий 3 и расположен симметрично относительно диска 8, то условия для прохождения воздуха в обоих дополнительных кольцевых воздуховодах идентичны друг другу. Соответственно, давление воздуха, поступающего через штуцер 5" и гибкий шланг 6" на второй вход сенсора 7 воздушного потока, равно



где v₂ - линейная скорость воздушного потока в сечении ряда сквозных отверстий 3".

Перепад давлений Р, который фиксирует сенсор 7 воздушного потока, равен



то есть прямо пропорционален квадрату линейной (а следовательно, и объемной) скорости воздушного потока.

При вдохе пациента воздушный поток движется по воздуховоду в противоположном направлении (по стрелке "Вдох"). Поскольку конструкция устройства симметрична относительно плоскости расположения аэродинамического элемента 8, то происходящие в воздуховоде процессы полностью идентичны описанным выше процессам, сопровождающим выдох пациента. Таким образом, показания сенсора 7 воздушного потока прямо пропорциональны квадрату скорости воздушного потока, прошедшего через аэродинамический элемент 8.

При необходимости чистки устройства можно достаточно просто освободить штуцеры 5 и 5", а при исполнении устройства согласно фиг.2 путем отвинчивания гайки 2" можно легко разъединить внутреннюю 1 и внешнюю 2 цилиндрические трубки. После этого открывается свободный доступ для прочистки канавок 4 и 4", сквозных отверстий 3 и 3" и других элементов воздуховода.

Отсутствие в предлагаемом устройстве выступающих элементов (сопел, трубок) выгодно отличает его от вышеупомянутых аналогов и от устройства-прототипа. Благодаря этому воздушный поток при своем движении по воздуховоду и дополнительным воздуховодам не подвергается воздействиям, приводящим к появлению турбулентности и случайным изменениям скорости, которые не могут быть учтены при калибровке устройства и являются основной причиной флуктуационной ошибки измерений. При этом устройство не содержит деталей, которые засорялись бы элементами микрофлоры пациента, а разборность его конструкции позволяет легко прочищать отверстия и другие элементы конструкции воздуховода. Это также повышает точность и надежность измерений.

Все вышеуказанное подтверждено экспериментальными исследованиями, в которых характеристики предлагаемого устройства сравнивались с характеристиками вышеупомянутых аналогов.

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