Датчик перманентного контролю серцевого ритму шахтаря

Датчик перманентного контролю серцевого ритму шахтаря, що складається з генератора безперервних мікрохвильових коливань і антени, який відрізняється тим, що в корпусі акумуляторного блока шахтарського ліхтаря, виготовленого з радіопрозорого матеріалу, з боку його широкої стінки, зверненої до тіла шахтаря, розміщений датчик серцевого ритму, який обернений антеною до стінки корпусу акумуляторного блока або до тіла шахтаря, складається з автодинного генератора безперервних мікрохвильових коливань, поєднаного з мікросмужковою антеною, при цьому автодинним генератором є з'єднання мікросмужкової антени на діелектричній підкладці і екрануючої пластини, польового транзистора і блокувального конденсатора, причому мікросмужкова антена має три виводи, розташовані на одній осьовій лінії, перший з яких знаходиться в центрі мікросмужкової антени, C2 2 91956 1 3 магнітних хвиль. Все це робить неможливим використання його з метою індивідуального перманентного контролю серцевого ритму шахтарів. Найбільш близьким до передбачуваного винаходу є пристрій, описаний в «Detection of Human Breathing and Heartbeat by Remote Radar» [у праці конференції «Progress in Electromagnetic Research Symposium», 2004, Pisa, Italy, March 28-31, – pp. 663-669], який передбачає випромінювання мікрохвильового сигналу у напрямку людини і прийом віддзеркаленої хвилі, при цьому віддзеркалена хвиля містить інформацію про періодичні зміни в наповненні кровоносних судин людини. Пристрій має одну антену, що працює на передачу і прийом одночасно. Крім того, пристрій передбачає випромінювання і прийом безперервних коливань, що дозволять скорочувати відстань діагностики аж до повного контакту з тілом людини. Проте нарізна наявність керованого генератора, антени з розв'язуючим пристроєм, приймача сигналів, пристрою посилення сигналів і оброблювальної ПЕВМ, робить пристрій достатньо складним і дорогим в експлуатації. Окрім цього масогабаритні показники такого пристрою не припускають його носіння шахтарем під час виконання ним своєї роботи. Далі, споживання енергії пристроєм досить велике, що робить неможливим його живлення від акумуляторної батареї при перманентному вимірюванні серцевого ритму шахтаря. При цьому говорити про персональний датчик перманентного контролю серцевого ритму шахтаря, сигнал якого можна по відомих каналах зв'язку передавати далі в пункт прийому і обробки, або одержувачеві інформації, не є можливим. У той же час украй необхідний при виробництві робіт в шахтах або при виникненні в шахтах надзвичайної ситуації, спричиненої вибухом і/або обвалом гірської породи, контролювати стан шахтаря на предмет живий він або, на нещастя, вже його немає. При цьому по перманентному контролю серцевого ритму кожного шахтаря можна говорити про певні тенденції в зміні умов праці шахтаря. У разі виникнення надзвичайної ситуації і обвалу гірської породи, передусім доцільно вживати рятувальні заходи в тих випадках, коли є надія врятувати життя людини. У цьому сенсі дистанційний контроль серцевого ритму кожного шахтаря вельми актуальний. В основу винаходу поставлено завдання безконтактного і перманентного контролю серцевого ритму кожного шахтаря, що проводить роботи або що перебуває під/за завалом. Воно вирішується завдяки тому, що в корпусі акумуляторного блоку шахтарського ліхтаря, виготовленого з радіопрозорого матеріалу, з боку його широкої стінки, зверненої до тіла шахтаря, розміщений датчик серцевого ритма, при цьому датчик серцевого ритма направлений його антеною до стінки корпусу акумуляторного блоку або до тіла шахтаря, при цьому сам датчик складається з автодинного генератора безперервних мікрохвильових коливань, поєднаного з мікросмужковою антеною, при цьому автодинний генератор є з'єднаннями мікросмужкової антени на діелектричній підкладці і екрануючої пластини, польового транзистора і блокувального 91956 4 конденсатора, причому мікросмужкова антена має три виводи, розташовані на одній її вісьовій лінії, причому перший вивід знаходиться в центрі мікросмужкової антени, другий вивід зміщений від центру до краю на деяку відому відстань і третій вивід зміщений від центру ще далі до того ж краю на деяку іншу відому відстань, причому пристрій також містить датчик струму, вузькосмуговий підсилювач інфразвукової частоти, мікрокоптролер із вбудованим аналого-цифровим перетворювачем і одержувач інформації про серцевий ритм шахтаря, причому перший вивід мікросмужкової антени з'єднаний екрануючою пластиною, яка з'єднана також зі спільним дротом живлення, при цьому другий вивід мікросмужкової антени через перший отвір в екрануючій пластині з'єднаний з витоком польового транзистора, а третій вивід мікросмужкової антени через другий отвір в екрануючій пластині з'єднаний із затвором польового транзистора, при цьому стік польового транзистора з'єднаний із першим виводом блокувального конденсатора, другий вивід якого з'єднаний із екрануючою пластиною, при цьому стоком польового транзистора є вивід живлення автодинного генератора безперервних мікрохвильових коливань, поєднаний із мікросмужковою антеною, причому цей вивід живлення з'єднаний із входом датчика струму, а вихід датчика струму з'єднаний із входом вузькосмугового підсилювача інфразвукової частоти, причому вихід вузькосмугового підсилювача інфразвукової частоти з'єднаний із аналоговим входом мікроконтролера зі вбудованим аналогоцифровим перетворювачем, причому стандартний цифровий інтерфейс мікроконтролера з'єднаний із одержувачем інформації про серцевий ритм шахтаря. Порівняння передбачуваного винаходу зі вже відомими прототипами показує, що пристрій, що заявляється, виявляє нові технічні властивості, що полягають у простоті конструкції, її малогабаритності, малій вазі, малому споживанню енергії і низькій вартості, що дозволяє встановлювати датчик серцевого ритму в кожен шахтарський ліхтар і, при цьому, безконтактно і перманентно проводити моніторинг серцевого ритму кожного шахтаря, що перебуває в шахті, як при виконанні ним планових робіт, так і при виникненні надзвичайної ситуації, що призвела до ізоляції шахтаря під/за завалом гірської породи. Ці властивості передбачуваного винаходу є новими, оскільки в пристрої-прототипі через властиві йому недоліки, що полягають в неможливості установки пристрою вимірювання серцевого ритму в акумуляторний блок шахтарського ліхтаря внаслідок його великих масогабаритних показників, високого споживання енергії і високої вартості, немає можливості проводити перманентний контроль серцевого ритму кожного шахтаря, що перебуває в шахті при будь-якій ситуації. Вказаний датчик перманентного контролю серцевого ритму шахтаря можна реалізувати за схемою, приведеною на кресленні. Датчик перманентного контролю серцевого ритму шахтаря складається з автодинного генератора безперервних мікрохвильових коливань 1. 5 поєднаного з мікросмужковою антеною, такого, що є з'єднаннями мікросмужкової антени 2, розташованої на діелектричній підкладці 3 з екрануючою пластиною 4, такою, що має перший отвір 5 і другий отвір 6, польового транзистора 7 і блокувального конденсатора 8, причому мікросмужкова антена має три виводи, розташовані на одній її вісьовій лінії, причому перший вивід знаходиться в центрі мікросмужкової антени, другий вивід зміщений від центру до краю на деяку відому відстань, а третій вивід зміщений від центру ще далі до того ж краю на деяку іншу відому відстань, причому пристрій також містить датчик струму 9, вузькосмуговий підсилювач інфразвукової частоти 10, мікроконтролер із вбудованим аналого-цифровим перетворювачем 11 і одержувач інформації про серцевий ритм шахтаря 12. При цьому перший вивід мікросмужкової антени 2 з'єднаний екрануючою пластиною 4, яка з'єднана також зі спільним дротом живлення, при цьому другий вивід мікросмужкової антени 2 через перший отвір 5 в екрануючій пластині з'єднаний з витоком польового транзистора 7, а третій вивід мікросмужкової антени через другий отвір 6 в екрануючій пластині з'єднаний із затвором польового транзистора 7, при ньому стік польового транзистора 7 з'єднаний із першим виводом блокувального конденсатора 8. другий вивід якого з'єднаний з екрануючою пластиною 4, при цьому стік польового транзистора 7 є виводом живлення автодинного генератора безперервних мікрохвильових коливань 1, поєднаного з мікросмужковою антеною, причому цей вивід живлення з'єднаний також із входом датчика струму 9, а вихід датчика струму 9 з'єднаний із входом вузькосмугового підсилювача інфразвукової частоти 10, причому вихід вузькосмугового підсилювача інфразвукової частоти 10 з'єднаний з аналоговим входом мікроконтролера зі вбудованим аналого-цифровим перетворювачем 11. причому стандартний цифровий інтерфейс мікроконтролера 11 з'єднаний з одержувачем інформації про серцевий ритм шахтаря 12. Працює датчик перманентного контролю серцевого ритму шахтаря таким чином. Польовий транзистор 7 з блокувальним конденсатором 8, мікросмужковою антеною 2 на діелектричній підкладці 3 з екрануючою пластиною 4 утворюють автодинний генератор мікрохвильових коливань 1, який починає генерувати коливання при подачі на стік транзистора 7 напруги постійного струму. Автодинний генератор – це генератор із відкритою коливальною системою, здатною випромінювати і приймати електромагнітні коливання. При цьому мікросмужкова антена 2, діелектрична підкладка 3 і екрануюча пластина 4 утворюють коливальну систему генератора, до якої активний елемент – транзистор 7 підключений по схемі еквівалентної індуктивної трьохточки через виводи мікросмужкової антени. Блокувальний конденсатор 8 забезпечує з'єднання стоку польового транзистора 7 на високій частоті коливань зі спільним дротом, забезпечуючи тим самим умову генерації коливань. Перший вивід мікросмужкової антени 2, з'єднаний з екрануючою пластиною зі спільним дротом, забезпечує замикання ланцюга по постій 91956 6 ному струму, подаючи тим самим напругу живлення на витік транзистора. Це замикання мікросмужкової антени 2 на спільний дріт через її перший вивід не робить ніякого впливу на мікрохвильовий резонансний ланцюг або коливальну систему автодинного генератора 1, оскільки цей вивід знаходиться в центрі мікросмужкової антени 2, і при резонансі амплітуда напруги мікрохвильових коливань в цій точці коливальної системи дорівнює нулю. Через другий і третій виводи мікросмужкової антени 2 і через отвори в екрануючій пластині 5 і 6 забезпечується автотрансформаторний позитивний зворотний зв'язок, обумовлюючий виникнення мікрохвильових коливань, частота яких визначається лінійними розмірами мікросмужкової антени. У першому наближенні, без врахування краєвих ефектів і ефективної діелектричної проникності підкладки, частоту коливань можна визначити по наступній формулі c f 2 w де c 3 10 8 м / с – швидкість світла у вакуумі w довжина мікросмужкової антени, по осі якої розташовуються її три виводи - діелектрична проникність підкладки 3. Реальне значення частоти коливань трохи вище і залежить, окрім цього, від товщини діелектричної підкладки 3, товщини металевого шару мікросмужкової антени 2, від тих реактивностей, що вносяться до резонансного ланцюга транзистором 7, близькості до мікросмужкової антени інших металевих і діелектричних предметів або в нашому випадку тіла шахтаря, на поясі якого знаходиться пристрій, що заявляється. При збудженні автодинного генератора 1 він через мікросмужкову антену 2 починає ефективно випромінювати мікрохвильові коливання у бік тіла шахтаря. Потужність цих коливань невелика, не перевищує 1мВт, що абсолютно не позначається на здоров'ї самого шахтаря (потужність мікрохвильових коливань, що створюються мобільними телефонами, які ми носимо в кишенях постійно складає сотні мВт). Відбившись від тіла шахтаря, коливання знов уловлюються мікросмужковою антеною 2 і складаються з власними коливаннями автодинного генератора 1, спричиняти тим самим зміну постійного струму, що протікає через автодинний генератор 1. Датчик струму 9, підключений до виводів живлення автодинного генератора 1, дозволяє реєструвати ці зміни споживання струму. Відбиті від тіла шахтаря мікрохвильові коливання модульовані по амплітуді і фазі процесами життєдіяльності людини – диханням і серцебиттям, якщо людина перебуває в нерухомому стані, або ж цими ж процесами плюс переміщенням акумуляторного блоку на поясі шахтаря під час його руху. Таким чином, струм споживання живлення автодинного генератора 1 модульований процесами життєдіяльності людини полюс процесами, обумовленими рухом людини. Дихання людини викликає появу на виході датчика струму 9 спектральних складових в діапазоні частот 0,2-0,5Гц. Серцебиття людини викликає появу на виході датчика струму 9 спектральних складових в діапазоні частот 0,8-2,5Гц. Рух людини викликає появу на виході 7 91956 датчика струму 9 спектральних складових в широкому діапазоні частот. Всі ці складові мають малу величину. Вузькосмуговий підсилювач інфразвукової частоти 10 виділяє і підсилює коливання в діапазоні частот 0,8-2,5Гц, відповідні серцебиттю шахтаря. У цьому ж діапазоні частот на виході вузькосмугового підсилювача інфразвукової частоти 10 присутні складові, обумовлені рухом тіла шахтаря. Проте, ці складові мають нерегулярний характер і за своєю суттю є такими, що становлять шум, середньоквадратичне значення яких на відомому тимчасовому інтервалі дорівнює нулю. Спектральні складові, викликані серцебиттям людини, мають регулярний характер і їх легко розпізнати, застосувавши кореляційну обробку сигналу. Аналоговий вхід мікроконтролера з вбудованим аналого-цифровим перетворювачем 11 підключений до виходу підсилювача інфразвукової частоти 10. При цьому мікроконтролер 11 здійснює оцифровку сигналу, присутнього на виході підсилювача інфразвукової частоти 10, і проводить при цьому кореляційну обробку послідовності оцифрованих даних на заданому часовому інтервалі. В результаті кореляційної обробки мікроконтролер 11 виді Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 8 лить складові, що мають періодичну структуру, які, за суттю, відповідають серцевому ритму людини. Далі через свій стандартний цифровий інтерфейс мікроконтролер 11 видає дані одержувачеві інформації про серцевий ритм шахтаря 12, який, наприклад, може бути радіомаяком системи пошуку постраждалих під завалами в шахтах, як це описано, наприклад, в патенті України № 89933, від 10.03.2010, МПК (2009) А62В 99/00 E21F 11/00 Н04В 5/00 «Спосіб пошуку постраждалих під завалом і дистанційного контролю їх серцевого ритму». Народногосподарський ефект від використання передбачуваного винаходу пов'язаний з появою можливості перманентного контролю серцевого ритму шахтаря, що, як проводить планові роботи, так і перебуває під/за завалом гірської породи. При цьому з'являється можливість оцінювати зміни умов праці шахтаря по змінах його серцевого ритму, а також, у разі виникнення надзвичайної ситуації, що призвела до ізоляцію шахтаря під/за завалом породи, оперативно організувати рятувальні заходи і забезпечити, тим самим, насамперед, збереження життя людей, що знаходяться під/за завалом і ще живих. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601