Измерение АД с помощью ртутного тонометра

Ртутные тонометры, несмотря на свою «старинность», по-прежнему считаются самыми точными механическими аппаратами для измерения артериального давления в медицинских учреждениях. Ртутный измеритель – это самый старый структурный принцип сфигмоманометров, предшественники которого участвовали как в измерении артериального давления, так и в определении самой единицы. Один из самых старых ртутных тонометров – Рива-Роччи. Сегодня он относится к антиквариату, как и устройства производства СССР (за советские и зарубежные аппараты коллекционеры готовы платить большие деньги). Более современные ртутные тонометры – Diplomat presameter (Riester) и инструменты производителя Bremed.

Согласно инструкции, ртутный тонометр Diplomat presameter указан, как точный измеритель АД. Не уступает Diplomat presameter и Bremed, точность которого считается достаточно высокой. Оба аппарата упакованы в удобный футляр.

Принцип ртутного тонометра

Ртутный тонометр для измерения артериального давления – это тонометр, состоящий из самого инструмента и надувных манжет с баллоном и клапаном. Он представляет собой флакон, содержащий небольшое количество (несколько десятков миллилитров) ртути. Этот флакон капилляром соединен с измерительным столбцом, в котором благодаря атмосферному давлению исходным показателем по умолчанию является нулевое значение. Когда давление в манжете увеличивается, ртуть выделяется из флакона в капилляр, а ртутный столбик на шкале показывает текущее значение давления в манжете. Как входной соединитель для подключения манжеты, так и измерительная трубка разделены клапанами и фильтрами таким образом, чтобы не возникала спонтанная утечка ртути. Измеряемая шкала обычно имеет диапазон до 300 мм рт. ст., хотя даже в тяжелых условиях гипертонии нет необходимости сжимать манжету более чем на 250 мм рт. ст.

Измерение

Руководство по использованию ртутного тонометра несложное. Схема измерения заключается в следующем:

  • пациент обнажает руку, на которой будет проводиться измерение, заботясь о том, чтобы рукав не сжимал ее;
  • на уровне сердца помещается манжета тонометра;
  • посредством использования баллона манжета надувается достаточно для того, чтобы прервать кровоток в артерии;
  • фонендоскоп прикладывается к локтевому сгибу;
  • нажатие на баллон увеличивает значения АД примерно до 140 мм рт. ст. (их показывает ртутный столбик на шкале) – это останавливает поток крови через артерии;
  • затем постепенно воздух из манжеты выпускается через баллонный клапан.

Результаты:

  • значение систолического АД: когда слышатся первые звуки кровотока (звуки Короткова);
  • значение диастолического АД: когда звуки Короткова исчезают.

Звуки Короткова генерируются вибрацией артерии в результате кружащего кровотока. С уменьшением давления в манжете кружение постепенно прекращается.

Работа фонендоскопа заключается в передаче звука из исследуемого места.

Достоинства

Надежная конструкция, простой дизайн, точная передача давления в манжете на шкалу – благодаря этим факторам ртутными тонометрами пользуются даже современные специалисты. Этот метод измерения выдает более точные результаты и при выраженной аритмии. Несмотря на этот факт, сегодня эти устройства устраняются из медицинских учреждений из-за минимизации ртути, используемой в здравоохранении. Кроме того, играет роль сложность ремонта из-за частого отсутствия необходимых запчастей. После поломки ртутный измеритель давления проще утилизировать. Скорее всего, в ближайшем будущем ртутный тонометр (СССР и других стран) можно будет увидеть только на фото…

Важно! Утилизация аппарата проводится только специалистами!

Недостатки

Речь идет о профессиональном измерителе, недостатком является необходимость фонендоскопа для измерения, следовательно, человек никогда не может измерить АД сам себе. Кроме того, тонометр (ртутный) требует регулярной калибровки. Для домашнего использования он пригоден только в случае, если вы живете с квалифицированным специалистом в области здравоохранения, умеющим работать с устройством.

Поскольку количество людей с проблемами высокого кровяного давления растет, увеличивается и число измерителей АД, работающих на разных принципах.

Стандартные механические устройства используются главным образом в амбулаторных клиниках, при измерении с их помощью необходим профессиональный надзор. Хотя эти аппараты очень точны, они не могут использоваться в домашних условиях. Поэтому целесообразно выбирать более современные версии – электронные, мембранные инструменты, предназначенные не только для врачей, но и для домашнего пользования. Кроме того, они будут удобны для пассажиров транспорта, т. к. более компактны.

Обзор

Резистивный датчик давления представляет из себя переменный резистор, сопротивление которого зависит от силы, приложенной к чувствительному элементу. Таким образом можно косвенно оценить силу нажатия или вес воздействующего на датчик объекта. Благодаря своей простоте, стойкости к износу и невысокой стоимости, резистивные датчики широко используются в различных проектах совместно с платформами Arduino. На сегодняшний день выпускается множество модификаций датчиков, работающих на подобном принципе. Они могут отличаться размером, формой, иметь разный диапазон и кривую изменения сопротивления, но алгоритм работы у всех одинаковый. На рисунке №1 показан один из наиболее распространённых видов датчиков, выпускаемых фирмой Sparkfun.

Рисунок №1 — Резистивный датчик давления для Arduino от Sparkfun

В данном исполнении радиус чувствительного элемента составляет 15мм, а плоская эластичная форма даёт возможность фиксировать сенсор практически на любой поверхности, например: на стенах; под различными механизмами в квест-комнатах; внутри мягких игрушек и ковриков; под одеждой и т.п.

Конструктивно датчик состоит из двух слоёв, разделённых между собой изоляционной прокладкой специальной формы. Верхний слой представляет из себя плёнку со встречно напечатанными проводниками. Это и есть тот самый чувствительный элемент, на который необходимо воздействовать путём нажатия. Нижний слой выполнен в виде подложки с печатным полупроводником. Следовательно, чем больше будет оказываться давление на чувствительный элемент, тем больший процент печатных проводников начнёт взаимодействовать с полупроводниковой подложкой. Всё это приведёт к последовательному уменьшению сопротивления резистивного датчика. На рисунке №2 показана структура сенсора с разделением на слои.

Рисунок №2 – Структурная схема с разделением на слои

Основным недостатком резистивных датчиков давления является их невысокая точность и нелинейность смены сопротивления. Это говорит о том, что применять подобные устройства для измерения точных величин не имеет никакого смысла. Однако, оценить сам факт нажатия или степень давления на сенсор вполне возможно. На рисунке №3 приведён график, взятый из технической документации. Он наглядно позволяет оценить нелинейную зависимость изменения сопротивления от силы нажатия на чувствительный элемент датчика.

Рисунок №3 – график зависимости сопротивления от силы нажатия

Как следует из графика, с увеличением давления, сопротивление начинает резко уменьшаться, но это процесс в каждой фазе происходит по-разному.

Технические характеристики

  • Диапазон фиксирования веса: 100г…10кг;

  • Длинна: 61мм;

  • Диаметр подложки с чувствительным элементом: 18мм;

  • Толщина: 0,2мм;

  • Вес: 20 грамм;

  • Гарантированное сопротивление без оказания давления: >1 Мом;

  • Диапазон сопротивлений: ∞…200 Ом;

  • Износостойкость: до 10 миллионов нажатий;

  • Диапазон рабочих температур: -30°С…+70°С;

  • Максимальная скорость срабатывания: 1-2 мСек;

  • Максимальный ток: Ima / cm2 приложенной силы;

  • Расстояние между контактами: 2.54мм;

Критерии отбора датчика

Для того чтобы контролируемая давлением система работала правильно и эффективно, важно, чтобы используемый датчик давления мог давать точные показания по мере необходимости и в течение длительного периода времени без необходимости ремонта или замены в условиях работы системы. Существует несколько факторов, влияющих на пригодность конкретного датчика давления для конкретного процесса. Основные это:

  • характеристики используемых веществ в среде которых будет использоваться устройство;
  • условия окружающей среды;
  • диапазон давлений;
  • уровень точности и чувствительности, требуемые в процессе измерения.

Процесс

Чувствительный элемент (упругий элемент) будет подвергаться воздействию веществ, используемых в процессе, поэтому материалы датчика, которые могут реагировать с данными веществами или подвергаться воздействию агрессивных сред — непригодны для использования. Мембраны (диафрагмы) являются оптимальными даже для очень суровых условий использования.

Методы измерения давления

Существует несколько наиболее часто используемых методов измерения давления. Эти методы включают в себя визуальный замер высоты жидкости в колонне, метод упругой деформации и электрические методы.

Высота жидкости в колонне

Давление можно выразить как высоту жидкости с известной плотностью в трубке. Используя уравнение P = ρ GH, можно легко вычислить значение давления. Данные типы измерительных приборов обычно называют манометрами. Для измерения высоты жидкости в колонне, может быть использована шкала с единицами измерения расстояния, также как и откалиброванная шкала давления. Обычно в качестве жидкости в этих колоннах используется вода или ртуть. Вода используется, когда вы хотите достичь более высокой чувствительности (плотность воды значительно меньше, чем плотность жидкой ртути, так что высота столба воды будет более сильно меняться при изменении давления). Ртуть же используется, когда вы хотите измерять более высокие значения давления, но с меньшей чувствительностью.

Упругая деформация

Этот метод измерения давления основан на принципе, который гласит, что степень деформации упругого материала прямо пропорциональна прикладываемому давлению. Для данного метода, в основном, используются три типа датчиков: трубки Бурдона, диафрагмы и сильфоны. (См. раздел «Типы датчиков»)

Электрические методы

Электрические методы, используемые для измерения давления основаны на принципе, основывающимся на том, что изменение размера влияет на электрическое сопротивление проводника. Устройства, использующие для измерения давления изменение сопротивления называют тензодатчиками. Также существуют и другие электрические датчики, например емкостные, индуктивные, магнетосопротивления (Холла), потенциометрические, пьезометрические и пьезорезистивные преобразователи. (См. раздел «Типы датчиков»)

Показывающие манометры для измерения избыточного давления

Для измерения избыточного давления применяются манометры с одновитковой и многовитковой трубчатыми пружинами. Показывающие лабораторные манометры изготовляют с одновитковой трубчатой пружиной. Последняя представляет собой полую металлическую трубку овального сечения, изогнутую по дуге и закрытую с одного конца. Второй конец пружины впаян в штуцер, соединяющий манометрическую трубку с установкой, в которой измеряется давление. Под действием давления трубчатая пружина меняет форму своего сечения, в результате чего ее запаянный конец перемещается пропорционально измеряемому давлению (трубка разгибается).

Для измерения давления до 5 МПа (50 кгс/см2) трубки изготовляют из латуни и бронзы, для более высоких давлений — из стали.

Показывающие манометры выпускают в круглом корпусе диаметром от 40 до 250 мм с верхними пределами измерений от 0,1 до 160 МПа. Нижний предел у всех манометров равен нулю.

Корпуса манометров, предназначенных для измерения давления различных газов, окрашиваются в соответствующие цвета: для кислорода — в голубой, водорода — в темно-зеленый, ацетилена — в белый, хлора и фосгена — в серовато-зеленый, горючих газов — в красный, а остальных негорючих газов — в черный.

Вакуумметры для различных диапазонов давления

Диапазон давлений, измеряемых вакуумметрами, значителен 1013 — 1,33 * 10 в минус 12 Па (760-10 в минус 13 мм рт. ст.), поэтому в настоящее время применяют различные манометры, каждый из которых имеет свой диапазон измеряемого давления.

Термопарный манометр типа ВТ-3 предназначен для индикации давления в диапазоне 665-66,5 Па (5-0,5 мм рт. ст.) и для измерения давления в диапазоне 13,3 — 0,133 Па (0,1 – 0,001 мм рт. ст.). Прибор состоит из измерительной установки и термопарного манометрического преобразователя (лампы) ЛТ-2 или ЛТ-4М. Измерительная установка обеспечивает питание манометрического преобразователя, измерение тока подогревателя и т. э. д. с.

В диапазоне индикации давления вакуумметр работает только с преобразователем ЛТ-2, работающим в режиме постоянства т. э. д. с., в диапазоне измерения давления — с преобразователями ЛТ-2 или ЛТ-4М, работающими в режиме постоянства тока нагревателя.

Отсчет давлений производится по градуировочным графикам, приведенным в приложении к выпускному аттестату, и инструкции по эксплуатации прибора.

Принцип действия термопарного манометрического преобразователя давления основан на зависимости теплопроводности газа от давления. Температура нагревателя определяет электродвижущую силу термопарного преобразователя. Если в преобразователе, вакуумно соединенном с обследуемым объемом, ток нагревателя поддерживать постоянным, то т. э. д. с. термопарного преобразователя будет определяться давлением окружающего газа, так как изменение температуры нагревателя зависит от теплопроводности окружающего газа. Следовательно, при понижении давления теплопроводность газа уменьшится, температура нагревателя увеличится, и возрастет т. э. д. с. термопары.

Ионизационно-термопарный вакуумметр ВИТ-2 имеет два диапазона измерений: 26,6-0,133 Па (0,2 – 0,001 мм рт. ст.) и 0,133 — 1,33 * 10 в минус 5 Па (10 в минус 3 – 10 в минус 7 мм рт. ст.). Точность измерения давлений в области высокого вакуума не очень велика, и порой определяется лишь порядок величины давления.

Прибор состоит из датчика, соединяемого с вакуумной системой, и отдельного блока электрического питания и измерения. Показания прибора зависят от вида газа, и он требует предварительной градуировки по каждому газу.

Принцип действия ионизационно-термопарных приборов основан на том, что при создании потока электронов в разреженном газе будет происходить ионизация и между двумя электродами, к которым подводится электрическое напряжение, возникнет ионный ток. Сила ионного тока при прочих равных условиях будет пропорциональна плотности газа, а следовательно, при определенной температуре пропорциональна его давлению.

Вакуумметр радиоизотопный ВР-4 предназначен для измерения давления газов в диапазоне давлений 1,33 * 0,01 — 1013 Па (10 в минус 4 — 760 мм рт. ст.) как в лабораторных, так и в производственных условиях.

Вакуумметр ВР-4 состоит из измерительной установки с выносным каскадом и радиоизотопного преобразователя МР-8.

Принцип действия преобразователя основан на свойстве а-частиц ионизировать газ, в результате чего образуется ионный ток, пропорциональный давлению газа.

Плутоний-238, используемый в преобразователе в качестве радиоактивного вещества, не обладает проникающим излучением. Прибор безопасен в эксплуатации. Вскрывать преобразователь категорически запрещается.

Регулирование давления

Приспособления, при помощи которых можно регулировать давление в вакуумируемой системе, по характеру действия могут быть разделены на две группы:

1) регулирующие давление путем периодического впуска воздуха в систему, когда разрежение превышает заданную величину;
2) регулирующие давление путем периодического включения и выключения вакуум-насоса.

Простое и достаточно эффективное приспособление для регулирования давления путем впуска воздуха в вакуумированную систему представлено на рис. 115. На шлифованной поверхности крана имеются риски, начинающиеся у отверстий и постепенно сходящие на нет. Скорость впуска воздуха регулируется длиной и диаметром капилляра.

Для регулирования вакуума наиболее распространены маностаты, в основе действия которых лежит гидростатический принцип (рис. 116). Кран 1 остается открытым до тех пор, пока не будет достигнуто нужное разрежение, затем его закрывают. Если в процессе работы давление в системе повышается, то в промывную склянку 2 через слой жидкости поступит такое количество газа, что разность давлений снова окажется постоянной. Нужная разность давлений устанавливается путем регулирования высоты положения уравнительного сосуда 3.

В качестве маностатной жидкости лучше всего пользоваться дибутилфталатом, силиконовым маслом, маслом для вакуум-насосов.

Ртутные маностаты контактного действия с помощью реле замыкают или размыкают электрическую цепь, что сопровождается включением или выключением электродвигателя вакуумного насоса. Одна из моделей изображена на рис. 117, а. Маностат состоит из замкнутой О-образной стеклянной трубки с краном вверху и с боковым отводом, присоединяемым к вакуумируемой системе. Нижняя часть трубки наполнена ртутью, которая постоянно соприкасается с одним нижним контактом и почти достигает второго контакта. Вначале устанавливают требуемое разрежение при открытом кране маностата, после чего кран закрывают. При увеличении вакуума ртуть в правом колене поднимается и замыкает электрическую цепь, в результате чего реле отключает питание электродвигателя вакуум-насоса.

Маностат другой конструкции (рис. 117,6) представляет собой манометрическую трубку с небольшим резервуаром, который соединен краном с нижней частью открытого колена трубки и трехходовым краном с верхней частью открытого колена и с атмосферой. Один из контактов введен в нижний изгиб трубки, а другой — в закрытое колено на середине расстояния между уровнями ртути в обоих коленах. В этом положении маностат установлен на нуль. Открывая нижний кран, можно спустить некоторое количество ртути из первого колена в резервуар и, таким образом, установить маностат на желаемое остаточное давление, при достижении которого электрическая цепь будет разомкнута. Для уменьшения требуемого остаточного давления резервуар, маностата, включенного в эвакуированную систему, соединяют при помощи трехходового крана с атмосферой, в результате чего ртуть в правом колене поднимается на нужную высоту.

Классификация приборов для измерения давления

Приборы для измерения давления и разрежения обычно классифицируют по роду измеряемой величины и по принципу действия. Деление по первому принципу представлено ниже:

По второму принципу приборы подразделяются на жидкостные, деформационные и электрические манометры.

Выводы:

Тип элемента Диапазон давления Чувствительность Преимущество Недостатки
Трубка Бурдона 0,1…700 МПа 0,03 МПа Портативность;
Низкие эксплуатационные расходы.
Статические измерения;
Низкая точность.
Сильфоны <0,2 МПа 0,0012 МПа Может быть использован на низких давлениях. Может быть подсоединен только к двухпозиционному переключателю или к потенциометру.
Диафрагмы 0,1…2,2 МПа 0,01 МПа Быстрое время отклика;
Высокая точность;
Хорошая линейность;
Может быть использован в коррозионных средах.
Очень дорогой.
Емкостные 2,5 Па – 70 МПа 0,07 МПа Используются для измерения низких давлений и вакуума;
Прочная конструкция.
Полностью электронный;
Емкостные пластины могут слипаться в процессе эксплуатации.
Индуктивные 250 Па – 70 МПа 0,35 МПа Высокая чувствительность. Ограничены упругими элементами;
Более грубые по сравнению с датчиками магнетосопротивления.
Магнетосопротивления 250 Па – 70 МПа 0,35 МПа Высокая чувствительность. Требуют наличия внешнего источника переменного тока.
Пьезоэлектрические 0,021…100 МПа 0,1 МПа Очень быстрое время отклика. Подвергается влиянию высоких температур и статических сил.
Потенцоиметрические 0,03…70 МПа 0,07 – 0,35 МПа Могут иметь очень маленькие размеры. Маленькая чувствительность и рабочий диапазон.
Измерения натяжения 0…14000 МПа 1,4 – 3,5 МПа Очень высокая чувствительность;
Могут быть использованы на мобильных частях.
Чрезвычайно медленное время отклика;
Слабый выходной сигнал.
Дифференциальные Зависит от других элементов устройства Зависит от других элементов устройства Используются для измерения перепада давления. Измеряются только для измерения перепада давления.
Теплопроводности 0,4Е-3…1,3Е-3 МПа 6Е-13 МПа Способны измерять вакуум. Измерения линейны только на низких давлениях.
Ионизации 1,3Е-13…1,3Е-8 МПа 1Е-13…1Е-16 МПа Высокая чувствительность;
Могут измерять глубокий и сверхглубокий вакуум.
Ограничены фотоэлектрическим эффектом.
Вибрации 0,0035…0,3 МПа 1Е-5 МПа Очень точные;
Не подвержены изменениям температуры.
Не могут быть использованы на больших давлениях.

Пример использования

Сфера применения резистивных датчиков давления довольно широка. Они могут использоваться в качестве концевиков в различных механизмах; как подобие сенсорных кнопок; как регистратор присутствия груза на конвейере или в лифте, как датчики удара и т.п.

Чтобы закрепить материал статьи, создадим небольшой проект музыкального прибора под названием «терменвокс”. Суть этого устройства заключается в изменении тона звука от силы воздействия на чувствительный элемент. И если в классическом терменвоксе чувствительным элементом является антенна, то в нашем случае эту роль выполнит датчик давления. Для усиления эффекта добавим светодиод, который будет менять свою яркость пропорционально частоте сигнала. В качестве излучателя звука будет использован буззер без встроенного генератора. Схема проекта показана на рисунке №8.

Рисунок №8 — схема проекта «Терменвокс”

Ниже приведен код проекта с подробными комментариями:

void setup() { // Инициализируем серийный порт для вывода информации в терминал Serial.begin(9600); // Источник опорного напряжения для АЦП равен напряжению питания или 5В analogReference(DEFAULT); } void loop() { // Считываем показания АЦП в переменную uint16_t adc = analogRead(7); // Вычисляем напряжение на средней точке резистивного делителя float Uout = float(adc) * 5.0 / 1023.0; // Выводим информацию в терминал Serial.print(«ADC=»); Serial.print(adc); Serial.print(» Uout=»); Serial.print(Uout, 4); Serial.println(«V»); delay(1000); } Прототип готового устройства показан на рисунке №9

Рисунок №9 — проект «Терменвокс”

FAQ. Часто задаваемые вопросы

Вопрос: Возможно ли подключение данного датчика к цифровому пину Arduino вместо аналогового?

Ответ: Такое подключение вполне приемлемо. В этом случае требуется подобрать резистор в верхнем плече делителя напряжения таким образом, чтобы получить напряжение логического нуля при комфортной для вас степени нажатия на датчик.

Вопрос: Какой разброс показаний может быть у двух одинаковых датчиков?

Ответ: Разброс точности составляет около 10%.

Инструкция для жидкостного манометра

Для гидростатических измерений в манометрах могут использоваться различные рабочие жидкости: дистиллированная вода, ртуть, этиловый спирт, жидкость Туле и другие наполнители. При их использовании важно помнить о возможных рисках. В частности, вода приводит к коррозии железосодержащих сплавов, ртуть несет угрозу здоровью человека, а ацетилен и некоторые другие виды наполнителей являются психотропными веществами.

Закладка Постоянная ссылка.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *