CZ310098B6 - Senzor dechu pro roušku - Google Patents

Abstract

Vynález se týká senzoru zaznamenávajícího charakteristiku dechu, který je tvořen NTC termistorem, napěťovým děličem, výdechovým ventilem, hardwarovým analogovým filtrem, mikrokontrolerem a A/D převodníkem, kde NTC termistor je zapojen do obvodu napěťového děliče a je v roušce mechanicky upevněn před výdechovým ventilem, přičemž NTC termistor je pomocí vodičů propojen s hardwarovým analogovým filtrem a hardwarový analogový filtr je dále prostřednictvím A/D převodníku propojen s mikrokontrolerem. Senzor lze využít k měření frekvence vydechovaného vzduchu zejména u respirátorů a roušek.

Description

Oblast techniky

Vynalez se tÿka senzoru zaznamenavajiciho charakteristiku dechu.

Dosavadni stav techniky

Vlivem nedavné pandemie nakazlivÿch respiracnich onemocneni se znacne rozsirilo noseni rousek a respirators Pasivni noseni rousek je dnes jiz standardnim stavem, pokud ovsem neni potreba monitorovat stav rousky na zaklade délky jejiho noseni. V pripade dlouhodobého noseni rousky, bez jeji vÿmeny, roste riziko vzniku plisni a rozvoje bakterii, které maji v rousce prihodné podminky pro svûj rozvoj. Cilem predkladaného vynalezu je podat senzorickÿ systém pro nositelné rousky, kterÿ by byl schopen sebeevaluace z pohledu provoznich parametrû, a kterÿ by zaroven informoval uzivatele o nutnosti vÿmeny filtru, popr. oznamoval jiné dûlezité informace souvisejici s jeho zdravotnim stavem.

Metody a zarizeni pro mereni a hodnoceni dechu vyuzivaji senzory pracujici na bazi zmen fyzikalnich, pripadne chemickÿch vlastnosti. Napr. metoda a zarizeni popsana v prihlasce AU 2020 417750 vyuziva pro mereni dechu senzory pracujici na zaklade zmeny tlaku v trubici pri inhalaci. Tohoto principu vyuziva i reseni popsané v prihlasce US 2022096777, kde je dechovÿ senzor pro sledovani plynulosti dechu pri respiracni terapii umisten v nosni kanyle.

Jinÿ pristup je popsan v prihlasce AU 2020417219, kde je uveden pristroj pro kalibraci senzoru dechu se vzorkovaci jednotkou s pouzdrem konfigurovanÿm pro prijem vzorku dechu. Senzor umistenÿ v pouzdru detekuje koncentraci oxidu uhelnatého ve vzorku dechu. Na zaklade zmen v ùrovni koncentrace oxidu uhelnatého v case lze pak senzor dechu kalibrovat.

Dalsim pristupem k monitorovani dechu pak mûze bÿt vyuziti zmeny odporu na zaklade mechanické deformace senzoru z ohebného materials Napr. uzitnÿ vzor CZ 3632601 popisuje senzor dechu, kterÿ je umisten ve dvojici ochrannÿch pouzder, které jsou uchyceny na povrchu odevu na hrudi nositele, a je tvoren ohebnÿm paskem zalitÿm do epoxidu. Senzor obsahuje grafen, kterÿ vytvan elektricky vodivou drahu, ktera pri ohybu senzoru meni elektrickÿ odpor.

Zadné z uvedenÿch reseni znamÿch ze stavu techniky vsak nevyuziva zmenu teploty termistoru ovlivnenou zmenou teploty vzduchu vydechovaného nositelem tak, jak je tomu u nize predkladaného vynalezu.

Podstata vynalezu

Senzorem dechu podle tohoto vynalezu je mysleno zarizeni slouzici k monitorovani frekvence nadechû a vÿdechû.

Hlavnim prvkem senzoru dechu je NTC (Negative Temperature Coefficient) termistor. Termistor je soucastka, ktera meni svûj elektrickÿ odpor na zaklade své teploty. Oznaceni NTC znamena, ze ma negativni charakteristiku, tedy ze pri zvysujici se teplote jeho elektrickÿ odpor klesa a naopak.

Tento termistor je v rousce podle predkladaného vynalezu mechanicky upevnen pred vÿdechovÿm ventilem, napr. jak je ilustrovano v obrazku 1.

- 1 CZ 310098 B6

Pfi vÿdechu, ohfâtÿ vzduch z plie ofukuje termistor a zahfivâ jej. Elektrickÿ odpor termistoru tedy zacne pfi vÿdechu klesat. Pfi nâdechu, se termistor zpravidla mime ochladi, protoze okolni teplota bÿvâ obvykle nizsi nez teplota vydechovaného vzduchu. Pro samotnou konstrukei senzoru déchu byl vybrân termistor, kterÿ je rozmërovë velmi malÿ. Diky takto malé konstrukei ma termistor velice malou tepelnou kapacitu, a tak mëni svou teplotu témëf okamzitë vzhledem k podnëtu na zmënu teploty. Na jeho vÿvody jsou pfipâjeny vodiëe s velmi malÿm prûfezem (0,05 mm²) proto, aby byl omezen pfenos tepla z termistoru do pfipojenÿch vodiëù. Pfiklad takového pfipojeni vodiëe k termistoru je ilustrativnë znâzomën na obrâzku 2.

Odpor termistoru neni mozné mëfit pfimou metodou, v râmci zjistëni odporu se snimâ napëti na termistoru. Napëti je stejnosmëmé a pro ùëely dalsiho zpracovâni je digitalizovâno pomoci A/D pfevodniku.

NTC termistor je tak potfeba zapojit do obvodu napët’ového dëliëe. K termistoru je tedy sériovë pfipojen rezistor. Souëet odporu tohoto rezistoru a odporu NTC termistoru defmuje protékajici proud. Protékajici proud pak defmuje ùbytek napëti naNTC termistoru podle rovnice (1), kde U2 je ùbytek napëti na termistoru, U1 je napâjeci napëti celého obvodu, RI je pfedfadnÿ rezistor a R2 je hodnota odporu NTC termistoru.

u₂ = ^{2 1} Rj+FL·, (1)

Pfiklad zapojeni napët’ového dëliëe je na obrâzku 3.

Vÿstupni napëti z napët’ového dëliëe je pfipojeno na hardwarovÿ analogovÿ filtr typu dolni propust. Filtr typu dolni propustje realizovân pomoci rezistoru a kondenzâtoru. Schéma takového filtru je zobrazeno na obrâzku 4.

Mezni frekvence, tedy frekvence, od které filtr zaëinâ svou funkei snizovat amplitudu signâlu je definovanâ hodnotami pouzitÿch souëâstek podle rovnice (2), kde fc je mezni frekvence, R je hodnota odporu rezistoru a C je kapacita kondenzâtoru.

^L Ζ-π-R-C (2)

Graficky je pak pfenos filtru tohoto typu znâzomën frekvenëni charakteristikou, zobrazenou na obrâzku 5.

Filtr typu dolni propust signâly o frekvenci nizsi, nez je mezni frekvence propousti bez ùtlumu a signâly s vyssi frekvenci tlumi. Standartni frekvence zmëny napëti pfi snimâni déchu je pfedpoklâdanâ 2 Hz, tedy 2 nâdechy za 1 sekundu. Mezni frekvence je tedy stanovena s dostateënÿm odstupem o této pfedpoklâdané hodnoty pro odstranëni vysokofrekvenëniho ruseni.

Vysokofrekvenëni ruseni, které zatëzuje mëfenÿ prùbëh, by znesnadnovalo sprâvné vyhodnoceni prùbëhu napëti po digitalizaci signâlu A/D pfevodnikem v pouzitém mikrokontroleru. Na obrâzku 6 je ukâzka prùbëhu zmëfeného na vstupu filtru. Signâl je tedy zatizen vysokofrekvenënim rusenim a na obrâzku 7 je ukâzka prùbëhu napëti mëfeného na vÿstupu filtru, kde je ruseni jiz odfiltrovâno.

Vÿstup analogového filtru je pfipojen k analogovë digitâlnimu pfevodniku, kterÿ je integrovanÿ v mikrokontroleru. A/D pfevodnik je pouzit pro efektivni digitalizaci mëfeného prùbëhu. Digitalizace napët’ového signâlu z NTC termistoru je nezbytnâ pro dalsi numerické zpracovâni a

-2CZ 310098 B6 vyhodnoceni dat v pouzitém mikrokontroleru.

A/D pfevodnik nejprve napët’ovÿ prùbëh navzorkuje v casové oblasti. V case se urci okamziky, kdy je snimâno napëti na termistom. Napët’ovÿ prùbëh je tedy rozdëlen na jednotlivé body vzorky v ëasové oblasti. Jednotlivé vzorky jsou pak v dalsim kroku kvantovâny na jednotlivé ùrovnë. Kazdé z tëchto ùrovni je pfifazena digitâlni hodnota, pomoci které je pak interpretovân analogovÿ mëfenÿ vzorek. Kdyz je tento jeden vzorek digitalizovân, probihâ v dalsim kroku samotné zpracovâni napët’ového prùbëhu ve formé vÿpoëtu dechové frekvence.

Prvnim krokem v samotném zpracovâni digitalizovanÿch dat je vÿpoëet diskrétni derivace. Derivace je poëitâna jako rozdil nového zmëfeného vzorku a vzorku ziskaného v minulém mëfeni. Dalsim krokem je vyhodnoceni, zda je derivace kladnâ a prùbëh napëti ze senzoru déchu tedy stoupâ, nebo je derivace zâpomâ a prùbëh napëti klesâ. Pokud je 10 takovÿchto po sobë jdoucich derivaci zâpomÿch, je vyhodnoceno, ze prùbëh napëti spolehlivë klesâ a je vynulovâno poëitadlo kladnÿch derivaci. Pokud je 10 po sobë jdoucich derivaci kladnÿch, je vyhodnoceno, ze prùbëh napëti spolehlivë stoupâ. V tom pfipadë je ulozen ëasovÿ ùdaj, kdy k tomuto stavu doslo a od tohoto ëasového ùdaje je odeëten ëasovÿ ùdaj, kdy k tomuto stavu doslo v pfedchozim pfipadë. Rozdil tëchto dvou ëasovÿch ùdajù je pozit pri poëitâni dechové frekvence. Podle vzorce (3) se vypoëte poëet nâdechù za jednu minutu.

V , J , o 60000 pocet nadechu =----— rozdil casu (3)

Obiasnëni vÿkresù

Vynâlez je blize ilustrovân pomoci vÿkresù, kde na:

obrâzku 1 je znâzomëno umistëni senzoru v respirâtoru, obrâzku 2 priklad pfipojeni vodiëe k termistoru, obrâzku 3 priklad zapojeni napët’ového déliée, obrâzku 4 schéma filtru typu dolni propust, obrâzku 5 amplitudovâ charakteristika filtru typu dolni propust, obrâzku 6 prùbëh napëti na termistoru zatizeni vysokofrekvenënim rusenim, obrâzku 7 prùbëh napëti na vÿstupu filtru.

Priklad uskuteënëni vynâlezu

Senzor déchu pro rouskuje tvoren NTC termistorem o rozmërech 1,5 x 0,8 x 0,4 mm, kde NTC termistor je zapojen do obvodu napët’ového déliée a je v rousce mechanicky upevnën pfed vÿdechovÿm ventilem. NTC termistor je pomoci vodiëù propojen s hardwarovÿm analogovÿm filtrem a hardwarovÿ analogovÿ filtr je dâle prostfednictvim A/D pfevodniku propojen s mikrokontrolerem.

Osoba pouzivajici rousku vydechuje vzduch, kterÿ tepelnë pùsobi na NTC termistor. Vydechovanÿ vzduch dâle proudi vÿdechovÿm ventilem ven z prostoru rousky. Tepelnë

-3 CZ 310098 B6 ovlivnenÿ NTC termistor meni svùj elektrickÿ odpor a na napet’ovém delici se vytvon odpovidajici ùbytek napeti. Prostrednictvim vodicù je hodnota napeti odpovidajici tomuto ùbytku na termistoru privedena na analogovÿ hardwarovÿ filtr. Analogovÿ filtr je typu dolni propust s mezni frekvenci 2,57 Hz a snizi amplitudu vsech napeti s frekvenci nad touto hranici.

Analogovÿm filtrem upravené napeti je prostrednictvim A/D prevodniku privedeno do mikrokontroleru.

Mikrokontroler analyzuje hodnoty napeti a na jejich zaklade vypocte dechovou frekvenci osoby nosici rousku. Ùdaj o dechové frekvenci je pak mozné odeslat k dalsimu zpracovani.

Prùmyslova vyuzitelnost

Senzor podle predlozeného vynalezu lze vyuzit k mereni frekvence vydechovaného vzduchu 15 zejména u respiratorù a rousek.

Claims (1)

1. Senzor dechu pro rousku, vyznacujici se tim, ze je tvofen NTC termistorem, napet’ovym delicem, vÿdechovÿm ventilem, hardwarovÿm analogovÿm filtrem, mikrokontrolerem a A/D 5 pfevodnikem, kde NTC termistor je zapojen do obvodu napet’ového delice a je v rousce mechanicky upevnen pfed vÿdechovÿm ventilem, pficemz NTC termistor je pomoci vodicù propojen s hardwarovÿm analogovÿm filtrem a hardwarovÿ analogovÿ filtr je dale prostfednictvim A/D pfevodniku propojen s mikrokontrolerem.