Шумовий вимірювач електрошкірного опору

Шумовий вимірювач електрошкірного опору, що містить блок вимірювальних електродів і блок базових електродів, з'єднаних відповідно з входами і виходами двох комутаторів, послідовно з'єднані смуговий підсилювач шумової напруги, квадратичний детектор, фільтр нижніх частот, аналого-цифровий перетворювач, мікроконтролер і персональний комп'ютер, цифрові виходи мікроконтролера з'єднані з керуючими входами комутаторів, автоматичний ключ і пару розділяючих конденсаторів, який відрізняється тим, що в нього введені диференціальний 3 29174 електродів, з'єднаних відповідно з входами і виходами двох комутаторів, послідовно з'єднані смуговий підсилювач шумової напруги, квадратичний детектор, фільтр нижніх частот, аналого-цифровий перетворювач, мікроконтролер і персональний комп'ютер, цифрові виходи мікроконтролера з'єднані з керуючими входами комутаторів, автоматичний ключ і пара розділяючих конденсаторів. Крім того, схема відомого шумового вимірювача електрошкірного опору включає повторювач напруги, автоматичні перемикачі, розщеплювач напруги, суматор, операційний підсилювач з перимикачем в ланцюзі зворотного зв'язку, підсилювач змінної напруги і конденсатор великої місткості. Вплив температури на результат вимірювання електрошкірного опору виключається введенням в операційний підсилювач негативного зворотного зв'язку по напрузі через електрошкірний опір випробовуваної БАТ. Через це крізь БАТ починає протікати змінний струм частоти перемикань автоматичного перемикача, що негативно позначається на організмі людини. Крім того, під впливом електричного струму змінюється провідна здатність БАТ, що приводить до нестабільності результатів повторних вимірювань і зниження достовірності оцінки стану здоров'я обстежуваної людини. В основу корисної моделі покладена задача створити такий шумовий вимірювач електрошкірного опору, в якому шляхом введення нових елементів та їх зв'язків забезпечилось би підвищення точності вимірювання електрошкірного опору і виключило би зовнішню електричну дію на БАТ в процесі вимірювання, що підвищить достовірність оцінки стану здоров'я обстежуваної людини. Поставлена задача досягається тим, що до шумового вимірювача електрошкірного опору, що містить блок вимірювальних електродів і блок базових електродів, з'єднаних відповідно з входами і виходами двох комутаторів, послідовно з'єднані смуговий підсилювач шумової напруги, квадратичний детектор, фільтр нижніх частот, аналого-цифровий перетворювач, мікроконтролер і персональний комп'ютер, цифрові виходи мікроконтролера з'єднані з керуючими входами комутаторів, автоматичний ключ і пара розділяючих конденсаторів, згідно з корисною моделлю, в нього введені диференціальний підсилювач, кодокерований магазин опорів і кодокерована міра відношення опорів, вхід якої через один розділяючий конденсатор з'єднаний з виходом комутатора вимірювальних електродів, а вихід - з входом кодокерованого магазина опорів, вихід якого через другий розділяючий конденсатор з'єднаний з входом комутатора базових електродів, прямий вхід диференціального підсилювача з'єднаний з середньою точкою кодокерованої міри відношення опорів, інверсний вхід - з виходом кодокерованого магазина опорів, а вихід - з входом смугового підсилювача шумової напруги, автоматичний ключ включений між входом і виходом кодокерованої міри відношення опорів та керуючим входом з'єднаний з логічним 4 виходом мікроконтролера, третій цифровий вихід якого з'єднаний з входом кодокерованої міри відношення опорів, а четвертий - з керуючим входом кодокерованого магазина опорів Введення в схему шумового вимірювача електрошкірного опору диференціального підсилювача, кодокерованого магазина опорів, кодокерованої міри відношення опорів, з'єднаних вказаним чином, дає можливість отримати при двох положеннях автоматичного ключа, який періодично шун тує кодокеруєму міру відношення по командах мікроконтролера, два проміжні результати вимірювання у формі цифрових кодів, порівняння отриманих кодів в мікроконтролері дає різницевий код, яким за допомогою кодокерованого магазина опорів і кодокерованої міри відношення опорів зрівнюють результати проміжних вимірювань, отримуючи рівняння зв'язку відомих опорів з шуканим електрошкірним опором. Персональний комп'ютер вирішує рівняння з урахуванням коду міри відношення і коду магазина опорів і отримує код електрошкірного опору, значення якого в одиницях електричного опору виводить на його дисплей, при цьому остаточний результат вимірювання не залежить від напруги теплових шумів БАТ, а тому і від температури БАТ, і не вимагає додаткової електричної дії на випробовувані БАТ, що підвищує точність вимірювання електрошкірного опору і достовірність оцінки стану здоров'я обстежуваної людини. На кресленні представлена функціональна схема шумового вимірювача електрошкірного опору. Схема містить блок 1 вимірювальних електродів, блок 2 базових електродів, комутатори 3 і 4 електродів, розділяючі конденсатори 5 і 6, кодокерований магазин опорів 7, кодокеровану міру відношення опорів 8, що складається з резисторів 9 і 10, автоматичний ключ 11, диференціальний підсилювач 12, смуговий підсилювач 13 шумової напруги, квадратичний детектор 14, фільтр 15 нижніх частот, аналогоцифровий перетворювач 16, мікроконтролер 17 і персональний комп'ютер 18. Виходи вимірювальних електродів блоку 1, які мають голчасту форму і контактують з БАТ, з'єднані з входами комутатора 3, ви ходи комутатора 4 з'єднані з базовими електродами блоку 2, що мають велику площину поверхні. Ви хід комутатора 3 через розділяючий конденсатор 5 з'єднаний з входом кодо-керованої міри відношення опорів 8, яка складається з резисторів 9 і 10, що перемикаються за кодом керування. Вихід кодокерованої міри відношення опорів 8 з'єднаний з входом кодокерованого магазина опорів 7, вихід якого через розділяючий конденсатор 6 з'єднаний з входом комутатора 4. Вхід і вихід кодокерованої міри відношення опорів 8 шунтується автоматичним ключем 11. Середня точка кодокерованої міри відношення опорів 8 з'єднана з прямим входом диференціального підсилювача 12, інверсний вхід якого з'єднаний з виходом кодокерованого магазина опорів 7. До виходу диференціального підсилювача 12 5 29174 підключені з'єднані послідовно смуговий підсилювач 13 шумової напруги, квадратичний детектор 14, фільтр 15 нижніх частот і аналогоцифровий перетворювач 16. Мікроконтролер 17 входом з'єднаний з цифровим виходом аналогоцифрового перетворювача 16, а виходом з'єднаний з персональним комп'ютером 18. Перший цифровий вихід мікроконтролера 17 з'єднаний з керуючим входом комутатора 3, др угий цифровий вихід з'єднаний з керуючим входом комутатора 4, третій цифровий вихід з'єднаний з керуючим входом кодокерованої міри відношення опорів 8, четвертий цифровий вихід з'єднаний з керуючим входом кодо-керованого магазина опорів 7, а логічний вихід мікроконтролера 17 з'єднаний з керуючим входом автоматичного ключа 11. Шумовий вимірювач електрошкірного опору працює таким чином. Вимірювальні голчасті електроди блоку 1 закріплюють на БАТ шкіри пацієнта, а базові електроди з блоку 2 накладають на його кінцівки. За програмою персонального комп'ютера 18 за допомогою комутаторів 3 і 4 до кодокерованих елементів 7 і 8 один з голчастих вимірювальних електродів блоку 1 і відповідний йому базовий електрод блоку 2 на верхній чи нижній кінцівках. З включеного вимірювального електроду відносно базового знімається напруга теплових шумів БАТ, середній квадрат (дисперсія) якого згідно формулі Найквіста: U 2 = 4kT1DfR x , (1) де k - постійна Больцмана ; Т1 - термодинамічна температура БАТ; D f - смуга частот, в якій виділяються теплові шуми; Rx - електричний опір БАТ; „—" - знак усереднювання за часовий інтервал. З формули (1) виходить, що середнє квадратичне значення шумової напруги (е.р.с. розімкненого ланцюга) U1 = 4kT1DfR 1 , де R1 = R x - вн утрішній опір джерела шумової е.р.с. У зовнішньому до електродів 1 і 2 ланцюзі з послідовно включених резисторів 10 і 9 кодокерованої міри відношення опорів 8 і опору кодокерованого магазина опорів 7 під дією е.р.с. (2) протікає шумовий струм, середнє квадратичне значення якого: I1 = U1 R1 + R 2 + R3 + R 4 (3) , де R2, R3 і R4 - опори відповідно резисторів 10, 9, і опір кодокерованого магазину опорів 7, які встановлюються кодами за програмою комп'ютера 18. При розімкненому автоматичному ключі 11 на входи диференціального підсилювача 12 поступає падіння шумової напруги з резистора 9 і кодокерованого магазину опорів 7: 6 U2 = R 3 + R4 U1. (4) R1 + R 2 + R3 + R 4 Одночасно з шумовою напругою U2 на входи диференціального підсилювача 12 впливає напруга власних теплових шумів резистора 9 і кодокерованого магазину опорів 7: U3 = 4kT 2 DfR 3 , (5) U4 = 4kT2 DfR 4 , (6) де T2 термодинамічна температура навколишнього середовища. Оскільки теплові шуми БАТ і резисторів між собою не корельовано на входи диференціального підсилювача 12 впливає значення середньоквадратичної шумової напруги U5 = U2 + U2 + U2 . 4 2 3 (7) U5 Напруга підсилюється спочатку диференціальним підсилювачем 12, а потім смуговим підсилювачем 13 у вибраній смузі частот Df. Шумова напруга (7) мала і сумісна з власними шумами диференціального підсилювача 12. Враховуючи, що вимірювані шуми і власні шуми диференціального підсилювача 12 також між собою не корельовані, підсилену напругу представимо у вигляді: U6 = K 1 U 2 + U2 + U2 + U2 . 4 7 2 3 де К1 коефіцієнт диференціального підсилювача 12; (8) підсилення U2 7 - дисперсія власних шумів, приведених до входу ди ференціального підсилювача 12. Із загального спектру електричних шумів смуговим підсилювачем шумової напруги 13 виділяються тільки високочастотні теплові шуми у вибраній смузі частот Df. Підсилені теплові шуми піддаються квадратичному перетворенню і детектуванню квадратичним детектором 14 та далі усереднюються фільтром нижніх частот 15. В результаті усереднювання квадратованої шумової напруги формується постійна напруга (9) U8 = K 1K 2K 3 S(U2 + U2 + U2 + U2 ), 4 7 2 3 де К2 - коефіцієнт підсилення смугового підсилювача 13 шумової напруги; К3 - коефіцієнт передачі фільтру нижніх частот 15; S - крутизна перетворення квадратичного детектора 14. За допомогою аналого-цифрового перетворювача 16 формується цифровий код (10) N1 = K 1K 2K 3 S(U2 + U2 + U2 + U2 ) / q1, 4 7 2 3 де q1 - одиниця молодшого розряду аналогоцифрового перетворювача 16. Код N1 вводиться в мікроконтролер 17, де і запам'ятовується. Далі по команді мікроконтролера 17 замикається автоматичний ключ 11. В результаті шунтування резисторів 9 і 10 кодокерованої міри відношення опорів 8 шумовий (2) 7 29174 струм (3) між вимірювальним і електродами змінюється до значення базовим U1 (11) . R1 + R 4 Відповідно цьому змінюється і падіння напруги від шумового стр уму на входа х ди ференціального підсилювача 12 R4 U/ 2 = U1. (12) R1 + R 4 При цьому частка власних шумів кодокерованого магазину опорів 7 і резистора 9, що поступають на входи диференціального підсилювача 12, практично не змінюється. Тому на входи ди ференціального підсилювача 12 починає впливати узагальнена шумова напруга, середнє квадратичне значення якої I2 = 8 // N1 N// 2 . Завдяки наступним нових кодів та порівнянням формується послідовність різницевих кодів DN2, DN3…DNn, які зменшуються. У відповідності до отриманих кодів пропорційно змінюють опір магазину опорів 7. Дана процедура повторюється до тих пір, поки не буде досягнута рівність кодів N1 і N2 при відповідно замкненому і розімкнутому автоматичному ключі 11. Досягши рівності кодів N1n=N2n, де n - число ітерацій до досягнення рівності порівнянних кодів, отримуємо рівність відповідних напруг U8 = U¢ , 8 з якої виходить, що U2 = (U / ) 2 . 2 2 U/ 5 = (U / )2 + U2 + U2 . 4 2 3 Після підсилення і квадратичного перетворення формується друге значення постійної напруги U / / 2 8 = K1K 2 K 3 S[(U2 ) + U2 3 +U2 4 + U2 ]. 7 (14) Відповідно до виразу (14) формується і друге значення цифрового коду / N2 = K 1K 2K 3 S[(U2 )2 + U2 + U2 + U2 ] / q1. 4 7 3 (15) яке також запам'ятовується в мікроконтролері 17. В результаті порівняння кодів N1 і N2 процесорі мікроконтролера 17 утворюється різницевий код DN1 = N1 - N2 . D N1 Різницевим кодом змінюється первинний код управління магазином опорів 7 у напрямі зменшення різницевого коду. Якщо значення D N позитивне опір кодокерованого магазину 7 збільшують, інакше значення опору кодокерованого магазину опорів 7 зменшують. Однак при зміні опору R4 магазину опорів 7 змінється як напруга U/ 2 згідно виразу (12), так і U напруга 2 відповідно до виразу (4). В результаті змінюються обидва коди N1 та N2. Тому для зменшення різницевого коду (16) необхідно знову визначити значення кодів, що порівнюються, та оцінити новий різницевий код. Роз'єднують автоматичний ключ 11 та при зміненому значенні опору магазину 7 виміряють N/ змінене значення коду 1 . Після цього замикають автоматичний ключ 11 і вимірюють змінене N/ значення коду 1 . Порівнюють отримані коди і фіксують новий різницевий код / (17) DN2 = N1 - N/ . 2 Знову змінюють опір магазину опорів 7 в напрямку зменшення різниці DN2 і далі повторюють операції отримання і порівняння (13) Підставляючи в рівняння напруг (19) значення U2 2 з (4) і (U / ) 2 2 з (12), отримуємо рівняння опорів: R4 = . (20) R1 + R2 + R 3 + R 4 R1 + R 4 Вирішивши (20) щодо вимірюваного опору R1=Rx, остаточно набудемо значення електрошкірного опору БАТ R R x = 2 R 4 = q2 N3 N4 , (21) R3 R N3 = 2 R3 де - код міри відношення опорів 8; R3 + R 4 N4 = R4 q2 - код опору магазина опорів 7; q2 одиниця молодшого розряду кодокерованого магазина опорів 7. Якщо змінами коду управління магазина опорів 7 не досягається рівність порівнюваних кодів N1n і N2n то за програмою змінюється код відношення N3, співвідношення резисторів R2 і R3, і процес управління кодів триває до досягнення N1n=N2n. Таким чином, за рахунок регульованої міри відношення резисторів 9 і 10 забезпечується широкий діапазон вимірювання електрошкірного опору одним кодокерованим магазином опорів. Оскільки в рівняння (21) не входить шумова напруга БАТ (2), то на результат вимірювання опору і не впливає температура Т1 БАТ, а отже нерівномірність температурного поля обстежуваної людини. Не впливає також нестабільність смуги частот Df, яка задається параметрами смугового підсилювача шумової напруги 13, і нестабільність параметрів електронної частини схеми (K1,K2,K 3,S). Використання запропонованого шумового вимірювача електрошкірного опору дозволяє: - вимірювати електрошкірний опір людини без прикладання до БАТ зовнішньої напруги, що виключає негативну дію електричного струму на організм людини і забезпечує хорошу повторюваність результатів вимірювання; (16) 9 29174 - підвищити точність вимірювання за рахунок повного виключення впливу температури БАТ та нестабільність параметрів електронної схеми на значення виміряного електрошкірного опору при будь-якому градієнті температури контрольованих БАТ; сумісне використання кодокерованого магазина опорів і кодокерованої міри відношення опорів розширює діапазон вимірюваних опорів БАТ при обмеженому числі декад кодокерованих магазинів опору. - наявність в схемі шумового вимірювача мікроконтролера і персонального комп'ютера дозволяє повністю автоматизувати процес вимірювання і реєстрації значень електрошкірного опору, а також обробку результатів багатоточкових вимірювань. 10