Пристрій для оцінки впливу матеріалів одягу на організм людини

Пристрій для оцінки впливу матеріалів одягу на організм людини, що містить два голчастих вимірювальних електроди і опорний електрод, з'єднаний з загальною заземленою шиною, автоматичний перемикач, послідовно з'єднані підсилювач частоти комутації, синхронний детектор, фільтр нижніх частот і вольтметр, комутаційний генератор, ви хід якого з'єднаний з керуючими входами 3 34896 України №19353, МПК G01N33/483, Бюл. №12, 2006], що містить два голчастих вимірювальних електроди і опорний електрод, з'єднаний з загальною заземленою шиною, автоматичний перемикач, послідовно з'єднані підсилювач частоти комутації, синхронний детектор, фільтр нижніх частот, і вольтметр, комутаційний генератор, вихід якого з'єднаний з керуючими входами автоматичного перемикача і синхронного детектора. Крім цього відомий пристрій включає підсилювач високої частоти, гетеродин, що переналагоджується зі зміною частоти, змішувач, вузько смуговий підсилювач проміжної частоти, квадратичний детектор і підсилювач низької частоти, які утворюють приймач амплітудно-модульованих сигналів. Завдяки двом вимірювальним електродам, які електрично зв'язані з опорним електродом, вимірюється коефіцієнт взаємної кореляції біологічних шумів, який доволі чутливий до зовнішніх впливів на організм. Однак, використання широкосмугових вхідних приладів призводить до насичення диференційного підсилювача та спотворення кореляційного зв'язку біологічних шумів, який чутливий до зовнішнього впливу на організм. Ввімкнення автоматичного перемикача безпосередньо у вхідний ланцюг вимірювального пристрою збільшує рівень комутаційних завад через необхідність періодичного перемикання слабих шумових сигналів. Вказані особливості приладу знижують достовірність оцінки впливу матеріалів одягу на організм людини. В основу корисної моделі покладена задача створити такий пристрій для оцінки впливу матеріалів одягу на організм людини, в якому шляхом введення нових елементів та зв'язків забезпечилося б виділення інформаційних шумів безпосередньо з біологічно активних точок людини та за рахунок їх кореляційної обробки підвищити достовірність кількісної оцінки впливу різних матеріалів одягу на стан організму. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрій для оцінки впливу матеріалів одягу на організм людини, що містить два голчасти х вимірювальних електроди і опорний електрод, з'єднаний з загальною заземленою шиною, автоматичний перемикач, послідовно з'єднані підсилювач частоти комутації, синхронний детектор, фільтр нижніх частот, і вольтметр, комутаційний генератор, ви хід якого з'єднаний з керуючими входами автоматичного перемикача і синхронного детектора, згідно з корисною моделлю в нього введені два розділових конденсатори, підвищувальні трансформатори і широкосмугові підсилювачі, аналоговий перемножувач та інтегратор, вихід якого з'єднаний з входом підсилювача частоти комутації, первинні обмотки першого та друго го підвищувальних трансформаторів через розділові конденсатори з'єднані з голчастими вимірювальними електродами, потенціальні кінці їх вторинних обмоток, середня точка другої з яких з'єднана з загальною заземленою шиною, підключені до входу першого широкосмугового підсилювача та через автоматичний перемикач, до входу др угого широкосмугового підсилювача, виходи яких з'єднані з входами 4 аналогового перемножувача, до виходу якого підключений інтегратор. Введення в схему пристрою двох підвищувальних трансформаторів, двох розділових конденсаторів та двох широкосмугових підсилювачів, а також аналогового перемножувача з інтегратором, з'єднаних певним чином забезпечує безпосереднє виділення біологічних шумів із суміші з тепловими шумами БАТ організму за рахунок резонансу біологічного шумового стр уму в первинній обмотці підвищуючого трансформатора. Періодичне перемикання полярності однієї з вихідних шумових напруг трансформатора за допомогою автоматичного перемикача, що керується комутаційним генератором, та подальше перемножування підсилених напруг з шумами, усереднення перемножених напруг інтегратором дає можливість отримати кореляційний момент шумових сигналів, які знімаємо вимірювальними та опорним електродами. Підсилення змінної складової вихідної напруги інтегратора підсилювачем частоти комутації забезпечує виділення сигналу, пропорційного коефіцієнту кореляції біологічних шумів, на фоні паразитного сигналу перемножувала. Цей сигнал відокремлений від корельованих шумів самих підсилювачів та флуктуючої напруги зміщення нуля аналогового перемножувача. Синхронне детектування напруги частоти комутації синхронним детектором та подальше усереднення фільтром низьких частот, пригнічує вплив низькочастотних шумів перемножувала, який є корелятором, на результат вимірювання коефіцієнта кореляції біологічних шумів, що дозволяє підвищити достовірність оцінки впливу матеріалів одягу на організм людини. На рисунку зображена функціональна електрична схема пристрою для оцінювання впливу матеріалів одягу на організм людини. Пристрій містить два голчастих вимірювальних електрода 1 і 2, опорний електрод 3, з'єднаний з загальною заземленою шиною 4, розділові конденсатори 5 і 6, підвищувальні трансформатори 7 і 8, автоматичний перемикач 9, комутаційний генератор 10, з'єднаний керуючим входом з автоматичним перемикачем 9, широкосмугові підсилювачі 11 і 12, аналоговий перемножувач 13, інтегратор 14, підсилювач 15 частоти комутації, синхронний детектор 16, з'єднаний керуючим входом з комутаційним генератором 10, фільтр нижніх частот 17 і вольтметр 18. Позиціями 19 і 20 позначені БАТ на шкіряному покриву 21 досліджуваної людини, а позицією 22 нижня кінцівка цієї людини. Вимірювальні електроди 1 і 2 через конденсатори 5 і 6 з'єднані з первинними обмотками підвищувальних трансформаторів 7 і 8. Потенціальний кінець вторинної обмотки трансформатора 7 з'єднаний з входом широкосмугового підсилювача 11, а потенціальні кінці вторинної обмотки трансформатора 8, середня точка якого з'єднана з загальною заземленою шиною 4, з'єднані з входом автоматичного перемикача 9, вихід якого з'єднаний із входом широкосмугового підсилювача 12. Виходи широкосмугових підсилювачів 11 і 12 з'єднані з входами аналогового перемножувача 13, до виходу якого підключений інтегратор 14. Вихід комута 5 34896 ційного генератора 10 з'єднаний з керуючим входом автоматичного перемикача 9 і з керуючим входом синхронного детектора 16, який своїм сигнальним входом через підсилювач 15 частоти комутації з'єднаний з виходом інтегратора 14. Вихід синхронного детектора 16 через фільтр 17 нижніх частот з'єднаний з вольтметром 18. На нижню частину кінцівки досліджуваної людини накладається опорний електрод 3. Пристрій працює наступним чином. Вимірювальними електродами 1 і 2, які мають голчасту форму, торкаються обраних БАТ 19 та 20 на шкіряному покрові 21 досліджуваної людини. Опорний електрод конструктивно виконано у вигляді електрода-затискача, яким охоплюють нижню частину руки або ноги. Біологічні шуми, які зумовлені дискретним характером іонних струмів кліткових стр уктур, мають максимум спектральної щільності в області частот генерації та рекомбінації позитивних та негативних іонів. Ці частоти тим більші, чим менший час життя носіїв електричного заряду, тобто чим вище рухомість іонів різних знаків. Для іонів кальцію та калію максимум спектральної щільності генераційно-рекомбінаційного шуму має місце в області звукових, а літію та берилію - ультразвукових частот. Для виділення біологічних шумів з теплових шумів, спектральна щільність яких рівномірна в широкому діапазоні частот, використовуються резонансні ланцюги з послідовно з'єднаних розділових конденсаторів 5 і 6 та індуктивностей первинних обмоток підвищувальних трансформаторів 7 і 8. Завдяки послідовному резонансу шумові струми БАТ 19 і 20 перетворяться в первинних обмотках трансформаторів 7 і 8 в пропорційні шумові напруги: & U1 = S1 × D&1 , (1) I & = S × D& , (2) U I 2 2 2 & & де U1 і U2 - комплексні амплітуди шумових напруг; D&1 і D &2 - комплексні амплітуди флуктуючи х I I іонних клітинних струмів; S1 і S 2 - крутизна резонансного перетворювача стр уму в напругу. Напруги (1) і (2) навіть при резонансному підсиленні шумового струму доволі малі (частки мілівольт). Тому напруги на вторинних обмотках підвищувальних трансформаторів 7 і 8 одного порядку з власними шумами широкосмугових підсилювачів 11 і 12. З врахуванням власних шумів підсилювачів 11, 12 шумові напруги на їх входах можна подати у вигляді суми комплексних напруг: & & & U = K K U + U , (3) 3 1 3 (1 ( ) n1 ) & & & U4 = K 2K 4 U 2 + Un2 , (4) де K1 = K 2 - коефіцієнти трансформації підвищувальних трансформаторів 7 і 8; K3 = K 4 - коефіцієнти підсилення широкосмугових підсилювачів 11 і 12; & & Un1 і Un2 - комплексні напруги власних шумів широкосмугових підсилювачів 11 і 12. 6 Підсилені шумові напруги (3) і (4) перемножуються в аналоговому перемножувачі 13, а їх добуток усереднюється в інтеграторі 14. Усереднена напруга є скалярним добутком двох комплексних напруг: & & U = mU U , (5) 5 3 4 де m - масштабний коефіцієнт з врахуванням крутизни перетворення аналогового перемножувача 13 та усереднюючих властивостей інтегратора 14. Підставляючи у вираз (5) значення напруг (3) і (4) та усереднюючи результат множення отримуємо: 2 & & & & & & & & ÷ U6 = mK1 K 2 æ U1U 2 + U1Un2 + U2Un1 + Un1Un2 ö + U0 , 3ç è ø (6) де U0 - сумарна напруга зміщення нуля аналогового перемножувач 13 та інтегратора 14. Власні шуми двох широкосмугових підсилювачів 11 і 12 через паразитні зв'язки частково корельовано. Тому їх усереднений добуток відмінний від нуля та з умовлює додаткову напругу зміщення: & & DU = mK2K 2 U U . (7) 1 3 n1 n 2 & & Напруги вимірюваних шумів U1 і U2 не корельовано з власними шумами широкосмугових підсилювачів 11 і 12, тому їх усереднені добутки дорівнюють нулю: & & mK2K2 U U = 0 , (8) 1 3 1 n2 2 & & mK1 K2 U2Un1 = 0 . (9) 3 & & Шумові напруги U1 і U2 доволі корельовані між собою внаслідок певної синхронізації внутрішньо клітинних процесів в БАТ 19 і 20, а також впливу матеріалів одягу на ці процеси. Тому усереднені напруги на виході інтегратора 14 визначаються коефіцієнтом кореляції R перемножених шумів та напруг зміщення (6) та (7): 2 2& & & & mK1 K3 U1U2 = RmK2K 2 U1U2 + U 0 + D U , (10) 1 3 де U1 і U2 - середньоквадратичні значення & & шумових напруг U1 і U2 у смузі пропускання вхідних резонансних ланцюгів підвищувальних трансформаторів 7 і 8. В процесі безперервної роботи автоматичного перемикача 9 полярність вихідної напруги підвищувального трансформатора 8, яка подається на один із входів аналогового перемножувача 13, періодично змінюється. Внаслідок цього і постійна & & складова від добутку шумових напруг U1 і U2 , усереднених інтегратором 14, періодично змінює свій знак від: & & U = RmK2K 2 U U , (11) 7 1 3 1 2 до значення: 2 & & U8 = -RmK1K 2 U1U 2 . (12). 3 При цьому напруга зміщення (7) від корельованих шумів широкосмугових підсилювачів 11 і 12 свій знак не змінює, так як їх полярність автоматичним перемикачем 9 не змінюється. 7 34896 Знакозмінні напруги (11) і (12) підсилюються підсилювачем 15 частоти комутації та випрямляється синхронним детектором 16, який керується напругою комутаційного генератора 10. Випрямлена напруга згладжується фільтром 17 нижніх частот та вимірюється вольтметром 18. Виміряна напруга з ура хуванням виразів (11) і (12) має вигляд: 2 U9 = RmK1K 2K 4K5 U1U2 , (13) 3 де K 4 - коефіцієнт підсилення підсилювача 15 частоти комутації; K 5 - коефіцієнт передачі фільтра 17 нижніх частот. Підставив у формулу напруги (13) ви хідні напруги (1) і (2), що виражені через флуктуючі іонні струми, отримуємо: 2 2 U10 = RS1mK1K 2K 4K5 DI1DI2 , (14) 3 де DI1 і DI2 - середньоквадратичні значення шумових стр умів DI1 і D I2 . Для отримання числового значення коефіцієнта кореляції R виконують додаткові зміни дисперсій шумових стр умів DI2 і DI2 в тій самій смузі 1 2 частот, яка визначається добротністю резонансних ланцюгів підвищувальних трансформаторів 7 і 8. Спочатку обидва голчасті вимірювальні електроди 1 і 2 розташовують в БАТ 19. У цьому випадку, відповідно виразу (14) вимірюють напругу пропорційну середньому квадрату одного з шумових струмів: 2 2 2 2 U11 = S1 mK1 K3K 4K 5 D I1 , (15) тобто оцінюють дисперсію одного шумового струму. Надалі голчасті вимірювальні електроди 1 і 2 розташовують в БАТ 20 та аналогічним чином ви 8 мірюють напругу пропорційну середньому квадрату др угого шумового струму: 2 2 U12 = S1 mK1 K2K 4K 5 D I2 . (16) 3 2 Значення коефіцієнту кореляції визначають з кореляційного моменту (14): U10 R= . (17) U11U12 Таким чином, за результатами трьох вимірів вихідних постійних напруг, заміряних вольтметром 18, можна визначити числове значення коефіцієнту кореляції. За коефіцієнтом кореляції R між обраними БАТ можна об'єктивно оцінювати фізіологічний та психічний стан організму людини, який здійснює експериментальне носіння одягу з досліджуваних матеріалів. Позитивний вплив матеріалів одягу призводить до збільшення коефіцієнту кореляції R в порівнянні з початковим значенням, розрахованим до носіння цього одягу. Навпаки, негативний вплив на організм ряду матеріалів, особливо з хімічних ниток, позначається зниженням коефіцієнту кореляції. Таким чином, запропонований пристрій для оцінки впливу матеріалів одягу на організм людини дозволяє: - більш достовірно оцінювати комфортність матеріалів для одягу спираючись на показання приладу без проведення клінічних досліджень; - отримати інформацію про коефіцієнт кореляції фізіологічних процесів без зовнішніх електричних впливів на організм, що абсолютно нешкідливо для здоров'я людини; - проводити сертифікаційні дослідження матеріалів для одягу щодо безпечності їх впливу на організм людини за відносно короткий час та з мінімальними затратами. 9 Комп’ютерна в ерстка І.Скворцов а 34896 Підписне 10 Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601