Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методы и технические средства, применяемые для получения информации об электрических свойствах биообъектов
1.1 Живая материя, как сложный нелинейный объект 23
1.1.1. Электрические потенциалы 25
1.1.2. Электрические токи 30
1.1.3. Электрические сопротивления (проводимости) 3 3
1.2. Кожный покров человека 37
1.2.1 Структура и основные свойства кожного покрова
1.2.2. Модели кожного покрова 41
1.3. Особенности измерения электрических параметров биообъектов
1.4. Классификация технических средств, применяемых для получения информации об электрических свойствах биообъектов
1.5 Методы измерения биоимпедансометрии 52
Выводы и постановка задач исследования 60
Глава 2. Структуры ИС для оценки с повышенной достоверностью электрических свойств биообъектов
2.1. ИС, работающая совместно с платой сбора данных ПЭВМ 64
2.1.1 Функциональная схема ИС 66
2.1.2 Область применения ИС 68
2.1.3 Алгоритм работы ИС и режимы измерительной цепи 69
2.2 ИС с жесткой логикой работы
2.2.1 ИС с ИГЗМ и измерением тока короткого замыкания 73
2.2.2 ИС с ИГЗМ воздействующим попеременно двумя разными значениями электрической мощности
2.3 Перспективные типы ИС, обеспечивающие определенность энергетического режима измерения
Выводы по главе 81
Глава 3. Функциональные узлы ИС оценки электрических параметров биообъектов
3.1. Входной мультиплексор
3.2 Функциональный узел, обеспечивающий получение режима холостого хода
3.3 Функциональный узел, обеспечивающий получение режима короткого замыкания измерительных электродов
3.4 Источник заданной электрической мощности 97
3.4.1.1 Области использования измерительных генераторов 97
заданной электрической мощности
3.4.1.2. Основные требования к измерительным генераторам заданной электрической мощности
3.4.1.3. Классификация измерительных генераторов заданной мощности
3.5 Реализация ИГЗМ с УИН для ИС, работающей под управлением ПСД
3.б.Устройство деления двух электрических напряжений 116
3.7 Функциональный узел преобразования и ввода в ПЭВМ измерительной информации
3.8 Управление работой функциональных узлов
Выводы по главе 125
ГЛАВА 4. Исследование аналоговых измерительных генераторов заданной электрической мощности
4.1 Анализ технических возможностей структур генераторов заданной электрической мощности.
4.2 Элементы и узлы измерительных генераторов заданной электрической мощности
4.3 Структурные методы улучшения основных характеристик измерительных генераторов заданной электрической мощности.
4.4 Моделирование функциональных узлов измерительных генераторов заданной электрической мощности
4.5 Погрешности аналоговых генераторов заданной электрической 163
мощности
4.6.Экспериментальные исследования многодиапазонного ИГЗМ 165
4.6.1 Описание конструкции 165
4.6.2 Влияние значения и характера сопротивления нагрузки на 171 метрологические характеристики разработанного генератора
4.6.3 Особенности организации и технические возможности 180
структур ИГЗМ, работающих в ИС с программным управлением через платы сбора данных ПЭВМ
4.7 Методика инженерного проектирования генераторов заданной электрической мощности с делительными устройствами
4.8 Изменение полярности напряжения у генераторов заданной мощности и структуры квазигенераторов
4.9 Компьютерное моделирование ИГЗМ с УИН на основе АПН
4.9.1 Моделирование ИГЗМ с перемножением сигналов 189
4.9.2 Моделирование ИГЗМ с делением сигналов 193
Выводы по главе 195
Глава 5. Исследование цифровых измерительных генераторов заданной 198 электрической мощности
5.1 Математические модели цифровых измерительных генераторов заданной электрической мощности
5.2 Описание предложенной структуры ИГЗМ 200
5.3 Анализ влияния параметров однокристальных микро-ЭВМ на технические характеристики ИГЗМ
5.4 Анализ погрешностей функциональных узлов цифровых ИГЗМ 213
5.4.1. Аналого-цифровое преобразование 213
5.4.2. Цифро-аналоговое преобразование 216
5.5. Основная погрешность цифрового ИГЗМ 219
Выводы по главе 221
ГЛАВА 6. Результаты исследования электрических параметров биологических объектов
6.1. ИС с программируемой логикой работы 227
6.2 ИС с жестко заданным алгоритмом работы 244
6.2.1 Временные изменения электрических свойств локальных зон на кожном покрове человека при мощности воздействия Р = ЮОмкВт
6.2.2 Временные изменения электрических свойств локальных зон на кожном покрове при мощности воздействия р - 200мкВт
6.2.3 Временные изменения электрических свойств локальных зон при мощности воздействия Р = бОмкВт
6.2 А Временные изменения электрических свойств локальных зон при мощности воздействия Р = ЪОмкВт
6.2.5 Анализ полученных данных 249
6.2.5.1 Изменения электрических свойств локальных зон- на кожном покрове в течение суток
6.2.5.2 Влияние гидратации кожного покрова на результаты измерения
6.2.5.3 Влияние значения и плотности электрической мощности на результаты измерения
6.2.5.4 Сравнение результатов для различных режимов измерения электрических параметров локальных зон кожного покрова
6.2.5.5 Интерпретация получаемых результатов измерения 261
Выводы по главе 274
Заключение 277
Список литературы
- Электрические сопротивления (проводимости)
- Алгоритм работы ИС и режимы измерительной цепи
- Функциональный узел, обеспечивающий получение режима короткого замыкания измерительных электродов
- Анализ влияния параметров однокристальных микро-ЭВМ на технические характеристики ИГЗМ
Введение к работе
Актуальность проблемы
Во многих практических задачах в технике, медицине, биологии, электрохимии требуется получение объективной, воспроизводимой при повторных измерениях, информации об электрических параметрах исследуемых объектов, таких как электрическое сопротивление или проводимость. При любых измерениях происходит взаимодействие средства измерения и объекта исследований (ОИ). Как правило, измерения проводятся либо в режиме заданного тока, либо заданного падения напряжения. Измерения могут проводиться как на постоянном, так и на переменном токе. Указанные подходы не могут обеспечить получение высоких метрологических характеристик в случае нелинейных теплозависимых ОИ (биообъектов в частности). Это происходит потому, что не принимается во внимание количество энергии, рассеиваемое в объекте в форме джоулевой теплоты или расходуемое на изменение энергетического состояния частиц, входящих в его состав. Оно зависит от параметров объекта, то есть пренебрегают его теплозависимостью и энергозависимостью. Также не принимается во внимание, что реальные физические тела нелинейны и их вольтамперные характеристики могут содержать участки с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Таким образом, при помощи измерительных приборов, работающих в различных режимах, получают разные значения измеряемого параметра для одного и того же объекта. При создании оборудования технологического и медицинского назначения (гальванообработка, электрофорез и пр.) также необходима определенность энергетического режима (в частности одинаковое количество энергии, рассеиваемой в объекте в виде теплоты). Поэтому, для получения результатов, воспроизводимых при повторных измерениях, необходимо, чтобы объект находился при определенной температуре, и в нем рассеивалось постоянное значение электрической мощности (далее - ЭМ).
Исследования последних лет, проводимые на кафедре информационно- измерительной техники Уфимского государственного авиационного технического университета под руководством доктора технических наук, профессора В.Г. Гусева, позволили установить, что при построении устройств для оценки параметров теплозависимых компонентов целесообразно применять измерительные цепи, обеспечивающие неизменное значение ЭМ, рассеиваемой в ОИ, независимо от его электрического сопротивления. Такой подход обеспечивает определенность термодинамического состояния и неизменность мощностного возмущения, вносимого в ОИ. Электронные устройства, обеспечивающие в нагрузке, подключенной к их выходу и имеющей произвольное сопротивление (в определенном диапазоне) неизменное значение ЭМ, с погрешностью, не превышающей заданное значение, называют измерительными генераторами заданной электрической мощности (ИГЗМ).
Современные измерительные системы (ИС) для оценки электрических параметров биообъектов используют те же принципы измерения, что и в начале прошлого века. Улучшение качества получаемой измерительной информации ведется по следующим перспективным направлениям:
увеличение числа электродов и применение новых схем отведения;
создание электродов из новых материалов, позволяющих уменьшить поляризационные эффекты и проводить длительные измерения без снижения
достоверности получаемой информации;
увеличение количества рабочих частот;
применение усовершенствованных алгоритмов обработки информации.
Высокие заявляемые метрологические характеристики современных технических средств (в биоимпедансометрии, например, относительная погрешность измерения декларируется порядка 0,1% для активного и реактивного сопротивления в диапазоне 0-1000 Ом) действительны для случаев, когда ОИ является линейным, а к биоткани это допущение несправедливо. Таким образом, имеющиеся ИС не решают основной проблемы оценки электрических характеристик нелинейных теплозависимых объектов - энергетической неопределенности режима измерения. Решить эту проблему можно с помощью ИГЗМ. ИГЗМ целесообразно использовать при построении измерительных цепей для контроля физических параметров объектов неживой природы с использованием параметрических датчиков (терморезисторов, тензорезисторов и пр.). При включении параметрических датчиков в измерительные цепи, например, мостового типа, из-за изменения рассеиваемой в них ЭМ при изменении измеряемого параметра, характеристика преобразования будет нелинейной. Если ЭМ, рассеиваемая в параметрических датчиках, будет постоянна, существенная составляющая нелинейности у амплитудной характеристики измерительной цепи будет устранена. Существуют и другие области, где применение ИГЗМ может дать существенный технический эффект (например, источники питания для проверки DC/DC преобразователей).
В работе изложены научно обоснованные технические решения, внедрение которых позволит получить средства оценки электрических параметров энергозависимых объектов с характеристиками, удовлетворяющими современным требованиям, и внести значительный вклад в развитие многих отраслей экономики.
Актуальность работы подтверждается, в частности:
грантом правительства Республики Башкортостан для молодых ученых «Технические науки. Приборо- и аппаратостроение» 2010 г.;
включением в план госбюджетных НИР УГАТУ в 2001-2009 гг. («Измерительные генераторы заданной мгновенной электрической мощности» (грант Минобразования РФ 2002 г.); «Создание информационной системы нового типа для оперативного получения информации о психофизиологическом состоянии военнослужащих и операторов ответственных установок» (программа сотрудничества Минобразования и Минобороны РФ 2002-2003 гг. и др.).
Цель работы:
разработать научно обоснованную методологию и создать совокупность технических решений получения информации об электрических параметрах биообъектов, повышающих достоверность получаемых данных.
Основные задачи, которые потребовалось решить для достижения поставленной цели:
-
-
Выполнить критический анализ известных технических решений средств оценки электрических параметров нелинейных теплозависимых объектов (биообъектов) и факторов, ограничивающих их применение; определить перспективные пути их совершенствования, осуществить постановку задач исследования;
-
Разработать научно обоснованную методологию создания ИС для оценки электрических параметров биообъектов с улучшенными техническими характеристиками;
-
Разработать и исследовать совокупность научно обоснованных технических решений для ИС оценки электрических параметров биообъектов;
-
Разработать математические модели оригинальных измерительных преобразователей, установить с помощью математического моделирования их технические параметры и возможности улучшения схемотехники, дать рекомендации для проектирования;
-
Предложить новые и усовершенствовать существующие способы обработки сигналов предложенных ИС; разработать алгоритмы, позволяющие расширить объем и повысить достоверность получаемой информации;
-
Исследовать и разработать эффективные режимы работы систем получения достоверной информации о параметрах биообъектов при ограниченном числе измерительных операций;
-
Выполнить комплекс экспериментальных исследований созданного класса ИС для проверки теоретических положений.
Методы исследований
Поставленные задачи решались путем теоретических исследований с последующей разработкой и изготовлением экспериментальных образцов ИС и их проверкой. Теоретические исследования базировались на использовании положений и методов теории расчета электрических цепей, теории электронных цепей, положениях теории автоматического регулирования, теории погрешностей. При обработке экспериментальных данных использовались методы теории вероятности и математической статистики. Широко применялось компьютерное моделирование электронных схем в пакетах MicroCap, Electonics Workbench, LTSpice.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждается тем, что в теоретических построениях использовались законы и подходы из области электротехники, справедливость которых общепризнанна, а также известный и хорошо зарекомендовавший себя математический аппарат; вводимые допущения и ограничения мотивировались известными из практики фактами. Обоснованность методик проведения натурных экспериментов и достоверность их результатов гарантирована применением сертифицированных и аттестованных приборов и выполнением градуировки и испытаний в соответствии с действующими российскими и международными стандартами (ГОСТ Р 8.596-2002, и др.). Достоверность компьютерного моделирования подтверждается удовлетворительной сходимостью с результатами натурных экспериментов: расхождение результатов не превышало 10 %. Обоснованность рекомендаций по инженерному проектированию ИГЗМ и ИС, выбору их параметров и организации алгоритмов работы подтверждается положительными результатами экспериментальных исследований и испытаний в реальных условиях эксплуатации.
Научная новизна
-
-
-
Обоснована общая концепция построения ИС определения электрических параметров биообъектов и других сложных нелинейных объектов, основанная на применении принципов инвариантности измерений относительно электрического сопротивления, обеспечения избыточности за счет комбинации измерительных режимов и выполнения измерений в режиме термодинамического равновесия между объектом и ИС;
-
Предложена оригинальная классификация ИГЗМ, в совокупности с приведенными результатами исследования их технических характеристик позволяющая лучше оценивать степень пригодности конкретного типа генератора для использования в требуемых условиях;
-
Экспериментально установлено, что значения ЭМ порядка 30-60 мкВт не меняют существенно термодинамическое состояние кожного покрова. При площа- дях электродов более 3 мм2 предлагается для получения достоверной информации об электрических параметрах локальных зон кожного покрова человека нормировать значение электрической мощности;
-
Предложен ряд решений по построению ИГЗМ с улучшенными характеристиками; исследованы вопросы устойчивости и даны рекомендации по выбору структур генераторов (для диапазонов сопротивлений нагрузки) и коэффициентов преобразования функциональных узлов; предложены схемы совмещенных управляемых источников напряжения и преобразователей ток-напряжение (УИН-ПТН), обеспечивающие линейную характеристику преобразования при электрических мощностях 20-150 мкВт для нагрузки 10-1000 кОм; установлено, что наиболее точными из исследованных аналоговых ИГЗМ, являются генераторы с прямой реализацией уравнения u=p/i (погрешность обеспечения ЭМ не более 5% для нагрузки 10-1000 кОм). У генераторов, получающих ЭМ косвенным путем (за счет ОС), погрешность в два раза выше при тех же условиях;
-
Научно обоснованы новые структуры ИС и режимы их работы, обеспечивающие результат, инвариантный к электрическому сопротивлению биообъектов и повышенную сходимость получаемых данных (по сравнению с режимом заданного электрического тока на 40% и более чем на порядок по сравнению с режимом заданного падения напряжения при мощностях воздействия 30-60 мкВт).
-
Впервые в систематизированном виде представлена информация по аналоговым и цифровым ИГЗМ, как основным функциональным узлам, реализующим предлагаемую концепцию. Разработаны математические модели цифровых ИГЗМ, по которым произведена оптимизация по быстродействию и точности. Разработана методика расчета ИГЗМ с устройствами деления сигналов.
-
Показано, что при нормированном воздействии на биообъект заданным значением ЭМ, получаются более достоверные данные не только об электрическом сопротивлении объекта, но и других параметрах. Разработаны алгоритмы обработки информации, позволяющие получить расширенный объем данных о параметрах биообъектов.
Практическую ценность имеют:
результаты теоретических исследований характеристик ИГЗМ и оценок реальных характеристик и показателей функциональных узлов, полученные экспериментально;
математические модели предложенных цифровых ИГЗМ, позволяющие определять основные метрологические характеристики генераторов и оптимизировать их параметры;
рекомендации по применению, проектированию ИГЗМ и выбору параметров разработанных ИС определения электрических параметров нелинейных тепло- зависимых объектов, благодаря чему обеспечивается энергетическая определенность режима измерений и возможность получения расширенного и более достоверного объема данных, по сравнению с аналогами;
техническая документация (в виде принципиальных схем, чертежей, алгоритмов и программ) для изготовления разработанных измерительных систем и экспериментальные образцы этих систем, обеспечивающие энергетическую определенность режима измерения и за счет этого лучшую, чем у применяемых аналогов, достоверность получаемых данных;
программно-аппаратные средства обработки сигналов и калибровки разработанных средств измерения.
На защиту выносятся:
Общая концепция построения ИС оценки электрических параметров нелинейных теплозависимых объектов (биообъектов в частности).
Технические решения, направленные на повышение достоверности получаемой информации об электрических параметрах биообъектов:
структуры ИС для оценки электрических параметров биообъектов;
режимы работы ИС;
новые схемы построения ИГЗМ.
Математические модели предложенных измерительных преобразователей и рекомендации по рациональному проектированию ИС на их основе.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований предложенных ИС и алгоритмы обработки получаемой информации.
Реализация результатов работы
Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены: ФГУП УАПО, ООО «Квазар», ООО «Экситон-Автоматика» и др.
Отдельные результаты работы, связанные с разработкой ИС оценки электрических параметров нелинейных теплозависимых объектов и алгоритмами их работы, использованы при выполнении НИР и в учебном процессе на кафедре информационно-измерительной техники Уфимского государственного авиационного технического университета в дисциплинах «Приборы и устройства для измерения электрических и магнитных параметров биологических объектов», «Технические методы диагностических и лечебных воздействий», «Электронные функциональные узлы медицинской техники», «Физические основы измерений». Апробация работы
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на ряде научно-технических конференций (НТК): Международной НТК «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» (Владимир, 2002, 2008); первом Российском научном форуме «МедКомТех-2003» (Москва, 2003); Международной НТК «Измерительные и информационные технологии в охране здоровья. МЕТРОМЕД - 2007» (С.-Петербург, 2007); ежегодных Всероссийских НТК "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Гурзуф/Судак, 2000-2004); НТК "Молодежь для медицины XXI века" (Уфа, 2002).
Публикации
По результатам исследований опубликовано 39 работ, из них: 1 монография, 15 статей в журналах, рекомендованных ВАК; 1 патент на полезную модель и 1 свидетельство о регистрации программного продукта.
Структура диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав основного текста, заключения, библиографического списка (155 наименований) и приложений. Работа изложена на 295 страницах (без учета приложений), содержит 74 иллюстрации, 35 таблиц, 5 приложений.
Электрические сопротивления (проводимости)
Для диагностических целей широко используются изменения? разности потенциалов между двумя или группами электродов, которые характеризуют работу отдельных органов и систем. Разность квазистатических потенциалов между участками кожного покрова человека обычно не превышает 0,4 В (зависит в большой степени от применяемых электродов), переменная составляющая не превышает десятков милливольт [1]. Электроды могут подключаться как к точкам на кожном покрове, так и инвазивно.
Временные изменения разности потенциалов на кожном покрове грудной клетки характеризуют функциональное состояние сердца (различные виды кардиографии и векторографии). Потенциалы, снимаемые с мышц (скелетных, глазодвигательных, сосудоуправляющих и пр.), дают информацию об их функциональном состоянии (миография). Изменения потенциала электрода, введенного в желудок, дает информацию о его работе. Временные изменения сопротивлений или импедансов, определенные при высокой частоте несущей электрического сигнала, характеризуют органное кровообращение (реография). Получаемая! информация- в основном рассматривается как качественная, дающая представления о том, что может быть причиной патологических изменений у организма. Переход на количественный уровень с четким установлением коридоров нормы и- патологии затруднен из-за значительной вариабельности показаний, недостаточно хорошей их стабильности и не полной изученности физико-химических процессов, определяющих электрические сигналы.
Различные угасиш биологического организма имеют разную температуру (в районе ног температура поверхности кожного покрова составляет порядка 27С, а в районе головы - 36-37С). Если на участке с какой-либо одной температурой соединяются две различающиеся по свойствам электропроводящие системы, то на их концах, находящихся при другой температуре, появится разность потенциалов, пропорциональная разности этих температур (эффект Зеебека). Участки биоорганизма, электрически связанные между собой и имеющие разные температуры, создают предпосылку для появления между разными участками постоянной разности потенциалов, обусловленной проявлением эффекта Зеебека. Если эти участки электрически связаны между собой, то потечет электрический ток, изменяющий, картину распределения потенциалов. При изменении электрических свойств участков регистрируемый потенциал будет модулироваться сигналом этих изменений. Количественная оценка проявления этого явления пока не проведена.
Для ее использования разности потенциалов между участками на кожном покрове при диагностике используется электрод с конечной площадью поверхности и второй индифферентный электрод, площадь поверхности контактирующей с кожным покровом у которого существенно больше площади первого электрода. Как представляется сейчас, потенциал каждого полуэлемента, которым является каждый из электродов, контактирующих с кожным покровом, зависит от количества и типа ионов жидкости, достигающих электродов. Они пропускаются, кожным покровом, имеющим избирательные свойства к типу ионов и их концентрации. Основная часть, электрического сопротивления между электродами определяется» находящимися под ними участками кожного покрова, особенно на постоянном токе, когда сопротивления вне кожного покрова имеют второй порядок малости [4-5]. При такой трактовке процесса разность электрических потенциалов между электродами определяется параметрами окислительно-восстановительных реакций, происходящих между электродами и контактирующими, с ними жидкостями, а также электродвижущей силой клеток, имеющихся, в теле исследуемого объекта между приконтактными слоями электродов: Изменения разности потенциалов, предположительно, в первую очередь обусловлено изменениями проницаемости кожного покрова к подходящим к нему ионами, образующими заряженные слои, а также изменениями их концентраций и типов вследствие работы ионных каналов у клеток.
Разность потенциалов между электродами на кожном покрове меняется при механической деформации участка под электродом, зависит от материала электродов и существенно изменяется при уменьшении или увеличении гидратации участков кожи, с которым электрод контактирует. На ее значение оказывают влияние температуры системы в целом, а также разность температур между электродом и участком кожного покрова. Точное определение ее затруднено вследствие того, что кожный покров имеет большое внутреннее сопротивление и даже с высокоомным измерительным преобразователем образует делитель напряжения. В общем случае он будет изменять уровень сигнала и его форму, так как затруднительно провести согласование волновых сопротивлений измерителя ЭДС с внутренним сопротивлением источника электрического сигнала. Последнее, как показано выше, зависит от большого количества факторов. Поэтому, при наличии в выходном сигнале кожного покрова высокочастотной составляющей она будет существенно искажена по форме из-за несогласованности выходных сопротивлений источника сигнала и нагрузки.
Если один из взаимодействующих объектов содержит частицы, несущие энергию, которые могут относительно легко менять свое положение в течение конечного времени, то в процессе получения информации будут меняться не только свойства, узкой зоны, прилегающей к месту контакта, тел, но и параметры,объема, в котором содержатся подвижные частицы. При этом будут меняться и свойства места раздела контактирующих тел из-за изменений физико-химических свойств зон контакта вследствие процессов восстановления и окисления. Соответственно, сигнал сенсора будет более вариабельным и в худшей степени будет отражать свойства исходного исследуемого- объекта. Примером таких случаев является оценка разности потенциалов на кожном покрове человека с помощью накладных металлических электродов. Несмотря на все попытки выполнить их мало-поляризующимися (хлорсеребрянные электроды) и расположение их в определенных местах на теле человека при мониторинге сердечной деятельности (холтеровское мониторирование), получение достоверной информации в течение времени большем 24—48 часов, затруднительно. При использовании многочисленных ионообменных, модифицированных и микроэлектродов, проблема стабильности и воспроизводимости информации стоит достаточно остро, так как процессы выравнивания энергии взаимодействующих тел обычно идут с изменениями физико-химических свойств зоны контакта.
Алгоритм работы ИС и режимы измерительной цепи
Электрическое сопротивление, является пассивной величиной- и для его измерения в общем случае необходим внешний источник энергии, поэтому возможны следующие режимы измерения: к объекту подключается источник заданного электрического напряжения и измеряется протекающий в цепи ток; к объекту подключается источник заданного электрического тока и измеряется падение напряжения на объекте; к объекту подключается источник заданной ЭМ (возможны два варианта: на объекте задается падение напряжения и измеряется протекающий в цепи токи, и второй вариант — задается ток в объекте и измеряется падение напряжения на объекте).
Третий режим» предложен Гусевым В.Т. относительно недавно [1, 37-38]. На практике имеющиеся устройства работают в первых двух режимах. Рассмотрим их недостатки по отношению к теплозависимым объектам (в том числе, биообъектам).
На» рисунке 1.6 схематично показана реализация измерения электрического сопротивления биологической ткани в режиме заданного электрического напряжения. К объекту измерения прикладывается известное электрическое напряжение Е и оценивается созданный им электрический ток с помощью микроамперметра, имеющего малое внутреннее сопротивление. В этом случае временная- реакция биообъекта зависит от температурного коэффициента изменения его электрического сопротивления. Если он отрицательный, то под. влиянием- рассеиваемой в нем ЭМ, сопротивление объекта уменьшается. Электрическийток, характеризующий электрическую проводимость, увеличится. Процесс протекает, пока, в объекте не наступит новое состояние термодинамического равновесия:
Измерение электрического сопротивления, биоткани в режиме заданного электрического напряжения Взаимодействие средства измерений и объекта измерений приводит к уменьшению его электрического сопротивления и увеличению электрического тока через него. В объекте действует своего рода положительная обратная связь, увеличивающая отклонение сопротивления от исходного значения.
При положительном температурном коэффициенте у объекта измерений под влиянием электрического тока сопротивление увеличивается, а ток через него уменьшается. Это приводит к уменьшению рассеиваемой в нем электрической мощности и к снижению изменения электрического сопротивления. В этом случае действует своеобразная отрицательная обратная связь, уменьшающая отклонение сопротивления объекта от исходного значения.
На рисунке 1.7 схематично показана реализация второго метода -измерение электрического сопротивления ткани в режиме заданного электрического тока. Через объект измерения пропускается известное значение электрического тока, создаваемого источником (генератором) электрического тока /. Возникающее падение напряжения измеряется милливольтметром.
Измерение электрического, сопротивления ткани в режиме заданного электрического тока В этом случае, при отрицательном температурном коэффициенте у объекта, рассеиваемая в нем электрическая мощность уменьшается, что приводит к снижению величины изменения электрического сопротивления. Действует внутренняя отрицательная- обратная связь.. При положительном температурном- коэффициенте под влиянием рассеиваемой, мощности сопротивление объекта увеличивается-. В результате увеличивается рассеиваемая мощность и повышается электрическое сопротивление. Процесс продолжается до установления нового состояния термодинамического равновесия (действует внутренняя положительная обратная связь).
При измерениях с помощью двух вышеописанных методов имеются существенные методические погрешности. Причем, так как измерения проводятся на нелинейном теплозависимом объекте (биологической ткани), параметры которого зависят как от электрического тока, так и от электрического напряжения, результаты будут существенно изменяться в зависимости от значений заданного тока или напряжения измерительной цепи [1]. Рассмотрим более подробно некоторые из применяемых в настоящее время методов; их краткие характеристики приведены в табл. 1.2.
В! таблице показаны наиболее характерные приборы, реализующие соответствующие методы измерения. Обозначены UXK- напряжение в режиме холостого хода, /Кз- ток в режиме короткого- замыкания электродов. Как видно из представленных данных, неопределенность измерительного режима в данном случае составляет от трех до десяти фаз. Трудно рассчитывать на получение достоверных и воспроизводимых данных, особенно в случае таких сложных объектов, как биологические организмы.
Функциональный узел, обеспечивающий получение режима короткого замыкания измерительных электродов
Входной мультиплексор 6 (см. рис.2.1 или блок 1 рис.2.2) должен иметь малое значение сопротивления во включенном состоянии, большое сопротивление и малый ток в выключенном состоянии, а также малое время переключения. Наилучшие результаты с точки зрения значений сопротивлений во включенном и выключенном состояниях и значений паразитных электрических токов будут наблюдаться- при использовании электромеханических реле. С помощью них будет обеспечиваться и минимальное влияние друг на друга разных измерительных каналов; Но длительность их включения обычно не менее 3-20 мс при несколько меньшей длительности отпускания. Поэтому режимы, когда на объект воздействуют импульсами? энергии? с длительностями порядка, нескольких миллисекунд, с помощью реле реализовать трудно. В то же время, использование реле (например, РЭС-49 [62]) целесообразно в режиме,.когда измеряется статическое значение разности потенциалов между зонами на кожном покрове. Сопротивление цепи при замкнутых контактах оценивается десятыми долями Ома. Стабильность этого сопротивления и значения контактных, шумов, возникающих при срабатывании реле, в технических условиях обычно не регламентируются [62].
Переход с режима на режим со скоростью порядка 0,1-1 мкс возможен только при использовании аналоговых электронных ключей, или микросхем мультиплексоров.
Из отечественных интегральных микросхем (ИМС) наиболее подходящими представляются аналоговые ключи серии К590, имеющие время включения» менее 0,5 мкс. Типичные значения сопротивления ключа в открытом состоянии: 10 Ом (К590КН9), 75 Ом (К590КН4) [63]. Ключи управляются сигналами логической единицы Ui=4..15 В и логического нуля U0=0..0,8 В. Напряжение питания микросхем ±15 В. Коммутируемое напряжение не должно превышать ±15 В. Импортные микросхемы имеют на порядок, лучшие характеристики, как впрочем и стоимость. Например, ИМС аналоговых ключей МЛХ4603 фирмы Maxim [64]. Сравнительные характеристики ключей приведены в таблице 3.1.1.
С учетом особенностей микросхем быстродействующих операционных усилителей пока не представляется целесообразным использовать напряжение более 10 В на биоткани при несимметричной схеме подачи напряжения. Таким образом, при использовании электронных ключей максимальное значение электрического напряжения, приложенного в импульсе к биоткани, не может превышать 15 В для случая, когда один из электродов соединен с общей шиной. Если объект измерения имеет плавающий потенциал относительно общей шины, то значение напряжения в импульсе на биоткани может достигнуть значения ЗОВ; Таким образом, при; несимметричной схеме: подведения электрической энергии к биоткани элементная база, позволяет рассеять в биоткани 0,225 мВт при максимальном сопротивлении биоткани 1 МОм и 0,45 мВт при максимальном сопротивлении 500 кОм.
При симметричной относительно общей шины подаче напряжения и плавающем потенциале биоткани с помощью электронных ключей можно обеспечить мощность 0,9 мВт при сопротивлении Г МОм и 1,8 мВт при сопротивлении 500 кОм. Исходя из особенностей быстродействующих ОУ напряжения импульса воздействия на биоткань приходится? ограничивать значением 10 В, что при симметричной подаче энергии дает значение ЭМ 0,4 мВт при сопротивлении биоткани 1 МОм и 0,8 мВт при сопротивлении 500 кОм.
Если снизить, требования к быстродействию и использовать высоковольтные ОУ (например, КГ408УД1, которые имеют выходное напряжение до 19 Вї[64]), то можно получить те ЭМ- которые характеризуются напряжением 15В; Но при этом существенно увеличатся динамические погрешности, т.к. частота единичного усиления у У К1408УД1 порядка 0,5 МГц. Кроме того, требуется напряжение питания ±27 В.
Так как реакция биоткани на воздействия ЭМ не достаточно исследована, то пока представляется целесообразным ограничится мощностью в 0,4 мВт, которую можно легко получить с помощью доступной элементной базы. Если в процессе испытаний окажется, что максимальное электрическое сопротивление не превышает 500 кОм, то максимальная мощность может быть увеличена до 0,8 мВт. При этом придется использовать симметричную относительно общей шины схему подачи электрического напряжения и обеспечивать плавающий потенциал биоткани.
Были проведены предварительные испытания ИМС аналоговых ключей исходя из токов, возникающих в нагрузке (10 мкА, для мощности 100 мкВт на максимальном сопротивлении 1 МОм). Полученные диаграммы коммутируемых напряжений для пар ключей при токе 10 мкА и напряжении 2,5 В показаны на рис. 3.1. Как следует из полученных диаграмм, заявленные в документации технические характеристики для МАХ4603 не обеспечиваются, при коммутируемых токах менее мА, т.к. время переключения получается очень большим (порядка 200 мкс), что не соответствует требованиям, предъявляемым к блоку коммутации в данной измерительной системе.
Анализ влияния параметров однокристальных микро-ЭВМ на технические характеристики ИГЗМ
Схема блока А на ИМС 525ПС2 Усилитель DA1 необходим для инвертирования сигнала, снимаемого с резистора R13 в схеме рис. 3.9. На ОУ DA2 выполнен делитель напряжения. Постоянное напряжение на вход Z подается при замыкании ключа. Замыкание происходит в момент включения режима воздействия электрической энергией. Значение напряжения Uz подстраивается резистором і R4. Постоянное напряжение стабилизируется стабилизатором VD1, VD2. Отрицательное напряжение, пропорциональное току в объекте, подается на вход X с выхода ОУ DA1. Резисторы R13 - R15 необходимы для балансировки микросхемы DA2. Выходное напряжение UBMX имеет положительную полярность. Оно подключается к неинвертирующему входу рис. 3.9 через электронный ключ, замыкаемый синхронно с ключом в схеме рис. 3.12. Так как максимальное выходное напряжение блока А равно 10 В, а ток через биообъект при мощности электрического воздействия от двух симметричных УИН равен 0,4 мВт при сопротивлении нагрузки R=106 Ом, то максимальное значение тока не превышает 20 мкА. Если максимальное сопротивление не превышает R=5-105, а максимальная мощность 0,8 мВт, то максимальный ток равен 40 мкА.
Для-получения этих значений должно выполняться уравнение ІтахКіГГНКи=Ю В, где Кпгн - коэффициент преобразования тока, протекающего через сопротивление нагрузки, в напряжение; Ки - коэффициент передачи инвертирующего усилителя DA1 блока А. При Кптн=Ю4 и Uz=10 В; как в схеме рис. 3.3, Ки должно быть равно: при Р=0,8 мВт Кц=25, при Р=0,4 мВт Ки=50.
Если напряжение Uz уменьшить до 1 В, то для получения выходного напряжения в 10 В необходимо на входе X иметь напряжение 1 В. В. этом случае при Р=0,8 мВ Кц=2,5, а при Р=0,4 мВт Ки=5. Таким образом; изменяя напряжение на входе Z, требуемое значение мощности Рзац в сопротивлении нагрузки можно получить при разных значениях коэффициентов передачи функциональных узлов. При больших напряжениях на входе Z коэффициент преобразования ПТН соответственно будет большим. При малых U коэффициент преобразования ПТН будет небольшим, что выгодно с точки
120 зрения практического выполнения источника электрической мощности. Но при очень малых значениях напряжения Uz появятся погрешности, обусловленные неточностями балансировки перемножителя и температурными уходами параметров.
Меняя значения напряжения на входе Z, можно задавать другие значения мощности, рассеиваемой в сопротивлении нагрузки. Для этого можно использовать несколько ключей с соответствующими настроечными резисторами R4. Аналогичный подход применяется и при использовании аналоговых делительных устройств на микросхемах других типов. J
Существенным недостатком использования ИМС 525ПС2 является необходимость ручной балансировки по трем напряжениям, ИМС 525ПСЗ позволяет работать без балансировки и обеспечивает лучшие характеристики, наиболее оптимальным вариантом является использование импортной ИМС AD734 (Analog Devices, США), она обеспечивает наилучшие метрологические характеристики среди аналоговых микросхем перемножителей/делителей сигналов и не требует дополнительных внешних цепей регулировки.
На рис. 3.14 приведён второй разработанный вариант блока А на основе микросхем серии 1108. Характерной особенностью её является большое быстродействие, что- позволяет ожидать малую длительность установления электрических сигналов. Микросхема DD1 представляет собой 10-разрядный быстродействующий функционально законченный АЦП последовательного приближения типа 1108ПВ1. С помощью её напряжение, пропорциональное электрическому току через объект измерений, преобразуется в двоичный параллельный цифровой код. Микросхема обеспечивает преобразование однополярного входного напряжения в диапазоне от 0 до З В при максимальной частоте преобразования 1,1 МГц. Использована типовая схема включения. На входе установлены диоды зашиты входа VD1, VD2. Микросхема DA1 выполняет функцию устройства выборки-хранения. Выборка осуществляется в момент появления на выходе RAD логического нуля, свидетельствующего о смене информации в выходном регистре АЦП. Выходной код АЦП подаётся на входы ЦАП, выполненного на микросхеме DD2 типа К1108ПА1. Так как ЦАП имеет двенадцать разрядов, два из них не используются и: на них подан логический ноль. ЦАП относится к числу перемножающих. В нём сопротивления, с помощью? которых осуществляется кодирование, включены в цепь обратной связи ОУ. Напряжение. и(Ргщ) подается на инвертирующий вход ОУ DA21 G помощью него задаётся требуемое значение мощности. Напряжение: UREF подается с выхода ОУ. Это; напряжение изменяется в зависимости от кода на входе ЦАП:
Похожие диссертации на Информационно-измерительные системы для оценки электрических параметров биологических объектов (методология и научно обоснованные технические решения)
-
-
-
