Приветствую, товарищи-инженеры и любители электроники!

Собственно возникла задача измерять частоту дыхания человека в скафандре. Проблема в том, что ничего в нос и рот засовывать нельзя, как в госпитале. Только внешние датчики, и желательно не ограничивающие движение головы. Кроме того, дыхание возможно и через рот, и через нос. Всякие доплеры итд тоже не подходят из за энергопотребления и сложности крепления на шее ))))

У меня на данный момент несколько вариантов:
1. Измерять температуру термистором расположенным на крепежке микрофона. Вдох-выдох (в том числе из носа) достаточно стабильно детектится выделением переменной составляющей, усилением и фильтрацией. Этот вариант проверил. Плох он тем, что микрофон надо тогда в определенном положении располагать. И при использовании другой модели микрофона, с крепежкой далекой от области выдоха может не работать.
2. Измерение влажности. Выдох естественно у нас с повышенной влажностью. В замкнутой системе дыхания лишняя влага удаляется. Расположив пару сенсоров в области выдоха, например в нижней части обзорного иллюминатора,
можно было бы измерять. Но увы, время отклика у доступных датчиков влажности велико. Даже при нормальном дыхании сливаться будут выходные данные...
3. Измерение давления. В скафандре давление поддерживается постоянным. Но система контроля давления имеет и мертвую зону, и инерционность. Выдох хорошо ушами детектируется - их закладывает ))). Тут есть 2 варианта. Либо мерить абсолютное давление, убирать постоянную составляющую, усиливать и регистрировать вдох выдох по ее провалу-выбросу (проблема - рабочее давление в скафандре пониже атмосферного, но высокое; сложно будет на его фоне выделять очень небольшое отклонение; и кроме того - при движении давление будет тоже прыгать). Либо расположить микросенсор относительного давления например в том же микрофоне; выдох будет создавать градиент давления, которое можно регистрировать.

Если у кого есть идеи интересные, комментарии или дополнения - прошу выложить на обсуждение.
Всем желаю успехов в разработке!

Ленточку на грудь и все дела. Типа как у спортсменов. Наверное даже ничего разрабатывать не придётся - взять стандартный.

Забыл добавить - ленточку пробовал. Прямо с модулем готовым от Nonin. Увы - ленточка работает когда "пациент неподвижен" ))). В стоячем положении [человека] спадает ленточка. И тем более много людей животиком дышит. В общем не подходит. А вот кстати их OEM модуль с датчиком на ушко прекрасно подошел для измерения пульса и насыщения крови кислородом. Кому интересно - www.nonin.com. Но это уже офф...

Если от движений уши не закладывает, то воздушная камера за датчиком относительного давления с небольшим отверстием для выравнивания давления, аналог конденсатора.

Небольшая коробочка. Соединяется с внешним миром трубочкой (трубочка внутри коробочки). В трубочке проволочка вольфрамовая (лампочка без стекла). Термоанемометр. Такими измеряют. Другие потоки...

Поясните пожалуйста. Как я понимаю, имеется в виду воздушная камера подсоединенная ко 2му терминалу датчика относительного давления, с небольшим отверстием. После выдоха, давление снаружи повышается, в камере ниже, датчик формирует разностный сигнал. Благодаря отверстию давление через какой то момент времени выровняется. Правильно понимаю? Камера с жесткими стенками. И размещать ее по идее можно в любом месте скафандра тогда. Например в главном блоке чтоб лишнюю коробку не лепить.
Надо подумать. Спасибо!

PS: От движения уши не закладывает. Но реально чувствуется когда выдыхаешь даже немного (причем в последнем случае давление в ушах постоянно пока не вдохнешь, а если полностью выдохнешь - то на момент выдоха). К сожалению характеристик работы системы подачи дыхательной смеси у меня многих нет. Таких как гистерезис клапана выпускного, редуктора итд.

Ну так аналог закладывающихся ушей. Дифференциальный датчик давления между внутренностия и внешностями коробочки, в стенке которой маленькая дырочка. Такая, чтобы постоянная времени выравнивания давления в коробочке была десятки секунд.

Только не забудьте про тонкий филдьтр снаружи, потому что если пылинка попадет - датчик сдохнет.

Ответственно заявляю, что самый надежный способ детектировать разность давления такого порядка - проволочка в канале между полостями.

А если плоскую коробочку из диэлектрического материала, и превратить деформацию стенки в изменение индуктивности или емкости ? Или, скажем, этакий слоеный пирог из трех элементов и двух диэлектрических проставок, в крайних элементах - отверстия (одно маленькое, другое по-больше, чтобы второе сопротивление воздуха не создавала), и вся конструкция будет представлять собой дифференциальный конденсатор...

А аналог барабанной перепонки в виде упругой мембраны с емкостным датчиком на ней хуже?

Почему-то хуже... это не мое мнение, а уважаемых мною датчикостроителей для ...
Вот вибрации, толчки и пр. продукты жизнедеятельности, к примеру, как на Вашу мембрану будут влиять?

для справки.
Женщины дышут грудью всегда. Животиком дышут мужчины в спокойном состоянии, при физической нагрузке и они переходят на грудной тип дыхания..

Я когда-то делал некую инкарнацию кардиографа, в нем пульс всегда промодулирован дыханием. Разделяются они довольно легко частотными фильтрами. Датчик я не делал. По моему-он какой-то по-типу как в поликлинике. Но... Типа как есть бесконтактные пульсомеры основанные на том, что мочка уха по-разному проводит красный свет когда она наполнена кровью и когда нет. Промодулированны ли эти изменения частотой дыхания - я не знаю. Но можно попробовать.

Ну и еще конечно UWB датчики российского производства.

Вибрации и толчки - они немного в другом частотном диапазоне. Равно как и резонансы самой мембраны.
"Продукты жизнедеятельности" вроде бы в открытом виде в скафандре не предусмотрены?
Микрофоны электретные работают, и очень надежно. Ну а дифференциальный датчик давления можно какой-нибудь и MEMS, такие есть и на миллиметры водяного столба полный диапазон.

Если смотреть в сторону термоанемометров, то можно обратиться к датчика потока (AWM) от Honnywell. Достаточно чувствительные - если он лежит на столе, а в стороне на расстоянии 1 метра чихнуть, то он детектит движение воздуха. Совместив его с коробочкой можно получить искомый девайс. Там еще и направление потока видно.

Если не йоги. Всё это ерунда, по-моему. Ну, две ленточки повесить можно. Не будет человек в скафандре дышать жабрами. Поэтому наполнение воздухом лёгких (а они, насколько помню анатомию, не в животике располагаются) не может не сказаться на объёме грудной клетки.

А зачем? Мне интересно... Узнать, жив ли еще? Или воздух экономим? Начал чаще дышать - дадим немного воздуха...

Да вот я тоже задумался. ИМХО для диссертаций в ИМБП. Насыщение крови кислородом гораздо более информативный параметр для оценки состояния человека, а меряется клипсой на ухе.

Собачкам раньше делали "лифчик" - следить за грудной клеткой, но то собаки.

Эта информация, вместе с другими данными отправляется по беспроводке на удаленную базу, там отображается. В регулировании потока воздуха участия не принимает. Чисто для мониторинга. И важное условие - никак не может быть "врезана" или совмещена с системой подачи дых. смеси. То есть я не могу поставить например датчик потока в линию выдува дыхательной смеси. Даже патрубок надеть )))

Я смотрел датчики потока воздуха. Понравились Ханивил серии Зефир (например http://sensing.honeywell.com/index.cfm/ci_...ment/1/re_id/0), с I2C. Есть на низкий поток, и цена в пределах 100уе.
В целом - 2 варианта вырисовывается: либо датчик относительного давления с коробочкой, рассчитать объем и отверстие, мерить отклонение давления; либо датчик потока, тоже с коробочкой (тогда можно в любом месте разместить скафандра), или без коробочки на продув (тогда надо его перед лицом располагать, что неудобно - датчики не маленькие)...




Нет, это реальный проект, в новых типах скафандров разработанных соседним департментом будет применяться. Ну и одновременно работа моя навучная ))
По поводу насыщения кислородом крови - как я уже писал этот параметр также измеряется и передается, и да - используется клипса на мочке, переделанная немного чтоб не спадала при вращении головы. С этой частью проблем никаких нет. Кстати - искал информацию о зависимости степени насыщения крови кислородом от частоты пульса и дыхания. По идее, если первые известны, то последнюю можно вычислить, пусть и не в числе вдохов-выдохов в мин, но в виде коэффициента какого то. Но не нашел никаких сведений.




Верное замечание. Лишний "выпущенный" газ может быть распознан системой как сбой в дыхании. Для справки - с газами у космонавтов проблем нет, они питаются специально, и пьют раствор хлорофилла. Иначе бы экипаж Аполлона имел бы проблемы с ректальными датчиками температуры...)))
Но вот толчки и движения действительно немного меняют давление. Но как я уже говорил, ушами не чувствуется. А вот выдох хорошо давит. В костюмах пилотов высотных летательных аппаратов раздельная подача воздуха - то есть дыхательная смесь подается только в область шлема, и там в районе шеи уплотнитель; так когда дышишь - этот уплотнитель туда-сюда прыгает. Достаточно неприятно, если только каждый день не летаешь и привык уже.

Именно так.
И главный блок в качестве этой камеры использовать, если, конечно, он не полностью герметичен от скафандра.

Скажите плиз, а в чем можно промоделировать работу подобного блока? Допустим я получу экспериментальные данные об изменении давления при дыхании, потом можно как то трензиент анализ сделать системы - постоянную времени найти при определенном диаметре отверстия и объеме коробки... Попытаться в ансис сделать... или за талмуд и ручками считать. Давно физика жидкости и газа была, давно...))))

Отверстие должно быть небольшое. Значит, течение воздуха в нем ламинарное. Значит, если отверстие круглое и его длина гораздо больше диаметра - можно воспользоваться формулой для потерь давления при течении вязкой жидкости по трубе. Эта оценка совершенно тривиальна, если вспомнить, что при ламинарном течении распределение скорости установавшегося потока в трубе квадратично по радиусу.

Ультразвуковой датчик скорости воздуха.

Основан на времени прохождения ультразвукового сигнала в зависимости от скорости воздуха, от одной головки преобразователя до другой.

Широко используется в метеостанциях.

Берете маленькую лампочку с тоненькой спиралью (на большое напряжение и малую мощность). Спиливаете аккуратно стекло - с торца и сбоку, чтобы был проход воздуха. На торец надеваете трубку резиновую жесткую - типа вакуумного шланга (думаю, у Вас найдется). Конец трубочки - через пробку в стеклянную бутылку...
Измеряете сопротивление. Подбираете ток такой, чтобы сопротивление выросло... раза в полтора-два. Делаете мост. В диагональ усилитель и осциллограф и смотрите...
Все это в скафандр вместе с человеком... без осциллографа.
Если получится, ищите датчик от хроматографа - катарометр называется. Детектор теплопроводности. Их делали в больших количествах.

А я бы попробовал на тему той же проволочки, но в дифференциальном варианте - маленькая камера, посередине трухольный резистор, который нагреваем градусов так до 50, а по сторонам от него - пара обычных 1n4148, тоже трухольных. Смещаем, балансируем. Уж если диодный датчик на простое дуновение реагирует (а он реагирует, при соответствующем усилении), то в дифференциальном варианте тем более должно получиться хорошо.

Я думаю, что тоненькая (микрон так... 10 проволочка) имеет меньшую теплоемкость. И соотношение объем/поверхность.

Несомненно. Но в данном случае речь идет о настолько низких частотах, что это непринципиально, IMHO. Даже лучше будет - инерционность будет фильтровать лишнее. Зато дешево и практически вечно, и ударов не боится, и агрессивной внешней среды. Опробовать - делов на один свободный вечер...

Чувствительность к потоку будет разная. А что такое "трухольный"?

В смысле, компонент с проволочными выводами, предназначенный для монтажа в отверстия, "throught hole". Жаргонизм.

Так бы и писали - чрездырный.

Берете
вот это
И проблема решена, имхо. Уж колебания температуры наверняка то, что нужно.

Вы думаете, эта штучка может измерять температуру воздуха, а не стенки?

Вспомнил про одну тонкость с термоанемометрическими датчиками - они чувствительны к влажности. И хонейвел и спиралька лампочки.

В данном случае чувствительность не очень важна. Лишь бы хватило. Должны наблюдатся колебания потока - в одну сторону - остановка - в другую сторону. Минимум теплоотдачи (максимум температуры) при остановке.

Фактически это фильтр первого порядка, где объём воздуха эквивалентен конденсатору, а отвестие - резистору.
Конкретные цифры можно поискать в расчётах акустических систем, смотрите для "закрытого ящика" суммарную гибкость подвеса, куда входит и "гибкость" внутреннего объёма воздуха.
Промоделировать в натуре вероятно можно поместив эту коробочку внутрь достаточно большого "закрытого ящика", тщательно его загерметизировав и подав на динамик соответсвующий сигнал.

Блин, точно, я не сообразил. Большое спасибо за идею. Хотя конечно если на динамик подать сигнал такой низкой частоты, он загнется ))) Надо посмотреть китайский сабвуфер. Но идея то что надо. Для коробки можно
сразу взять бокс от колонки мощной. Еще подумал что вместо коробочки можно использовать свернутую в спираль пластиковую трубку. Легче будет юстировать объем.


Так а толку с этото бесконтактного термометра. Температуру губ и носа измерять которая при дыхании колеблется...



Проблема в энергопотреблении. Нечем греть спираль. А так конечно Вы правы что метод подходящий. Правда мне желательно ничего не располагать на "оси дыхания"...

Вы шутите? Милливатты...

Но все-таки подумайте о UWB датчиках. Там тоже микромощности, слабое влияние на другую аппаратуру, заодно и пульс будет чем мерить.

Даже тот что на фотографии над ребенком висит и меряет - увы великоват будет )))


Извиняюсь за профанизм, с ними никогда не работал, не в курсе. Тут просто проскочили сведения - греть до 50 градусов нить, а это не милливатты. Тогда еще один вариант решения надо обкатать...

Там, наверное, в том "обтекателе" рупорная антенна - датчик то почитайте на каких расстояниях работает. Вам так далеко "зондировать" не надо и направленность будет не нужна! Будут просто широкополосные диполи. Очень маленькие. Не ленитесь, полистайте всю статью ссылку на которую я дал. Там есть и малогабаритные датчики-коробочки. Тем более для скафандра - епс, серьезно скафандр!? - не грех и уникальные датчики заказать. Прекрасная технологичность - и измерение сразу 2-х параметров. А в спиральки я не верю... Хлиплые они...

Обратите внимание на Рис.7 и 22-23 вот в этой статье...

Микрофон, или даже несколько, усилитель, спектр вдоха - спектр выдоха, НЧ фильтр...

То есть прямо стетоскоп сделать, и микрофон монтировать в районе грудной клетки... Кстати вариант. Тогда болезнь легких даже кстати - шум при дыхании выше, точнее распознавать можно! )))) Спасибо!

Кстати - вариант с датчиком давления и коробочкой не работает. Ребята измеряли давление внутреннее - движение ноги, изгиб в локте - и давление прыгает с 4.5 до 5psi. Легкие создают куда меньшее изменение, поэтому выделить полезный сигнал будет тяжело. Можно конечно посмотреть спектр изменения давления при подобных движениях, и сопоставить с НЧ спектром при дыхании. Но думаю при плавных движениях и ходьбе все это дело будет накладываться.
С термо анемометром тоже есть сложность - там над головой расположены выходы системы жизнеобеспечения, через которые подается свежая дыхательная смесь. Это создает дополнительные потоки в области шлема, поэтому если использовать такой датчик то надо располагать в непосредственной близости ото рта...

Вы, я так понял, работали с самодельными термо анемометрами. Скажите, какие лампочки использовали? Полученные результаты? Если время есть, могли бы схемку моста и усилителя тут выложить, ПРОВЕРЕННУЮ на практике (там конечно все просто, но хотелось бы посмотреть на конкретный вариант).
В идеале нужно либо покупать готовый датчик потока, либо если мастерить - вместо нити лампочки использовать платиновую проволочку покрытую серебром. После пайки серебро съедается азотной кислотой, и остается только платиновый волосок. Но стоит такая "проволочка"...

Либо чтоб выдох попадал на пластину с малой теплопроводностью, либо три датчика под 120 градусов - и направлять на нижнюю часть лица.

На мой взгляд, уважаемыми посетителями темы забыта главная причина, по которой человек дышит. А именно: поглощает кислород и выделяет углекислый газ.
Поставьте датчик углекислоты под носом и перед ртом, в районе микрофона, и меряйте изменение её концентрации. При выдохе она будет всегда больше, чем при вдохе, а период изменения и будет периодом дыхания.

Олдринг, ваши советы в который раз уж придётся ассенизировать. Ибо они никуда не годны.

Еще вариант - эластичный поясок вокруг грудной клетки, плотно, но чтобы дыханию не мешал, и какой-то тензодатчик на растяжение. Тогда натурально именно вдох-выход будет регистрироваться.



Ну попробуйте с резистором и парой диодов по бокам. Чтобы резистор разогреть, нужны, конечно, не миливатты (это проволочке да, хватит и меньше), но, по среднепотолочной прикидке, сотни mW хватит, уж для эксперимента-то можно.

Ха! Так а где ж найти такой компактный датчик СО2 с большой скоростью отклика? В системе один уже есть, от Альфасенс (NDIR, IRC-A1), но "думает" ооочень долго. Быстрый например - LDC-A1, но куда ж его лепить с такими габаритами. Думал уже, конечно бы это был очень хороший вариант, но увы...это надо сенсор создавать такой компактный.

А вариант с коробочкой то неплохой. Если бы изгибы скафандра при движении рук-ног не вызывали изменения давления в таких размерах (хотя как такой может быть то... я правда когда туда залазил - ушами ощущал давление только при выдохе; видимо просто медленно двигал конечностями, не чувствовал) то можно было бы диф. датчик давления использовать.



Это уже готовый вариант есть. И поясок готовый, и трансдьюсер к ниму. Все в коробочке лежит ))). Проблема с пояском - он спадает часто (непонятно кстати почему дополнительно ремешки на плечи они не сделали - это бы проблему решило). И то что люди и животом дышат без нагрузки, уже тут обсуждали. Хотелось бы альтернативный вариант найти. Почву дали уже тут на размышление (спасибо!), теперь надо определиться с тем что пробовать, и готовить эксперименты прикидочные...

Кстати, а датчики влажности с высокой скоростью отклика никому не известны? Я делал эксперимент с одним (CHIPCAP-R), если дышать медленно, то вполне можно отслеживать дыхательный цикл. Вот только даже когда нормально дышишь - все сливается... Написать что ли в документации на прибор - "не дышать чаще..." )))) ?

А какая постоянная времени получиццо?

Мы делали для американцев такой датчик CO2, но не для скафандра, а для стационарных измерений дыхания. С постоянной времени около 70 мс. Сам датчик маленький, около см в размере, но к нему надо блок управления. Хотя если сделать без экрана, поэкономить питание, можно уложиться в ватт и, наверное, литр, может меньше - не думал никогда об этом, честно говоря.

В серебре не видела. Только в меди. Это технология такая для получения тонких проволок - в полый медный цилиндр вставляется платиновый цилиндр, а потом все это вытягивается. Внутри бывает после обработки даже 5 микрон. Подозреваю, что примерно так делают и вольфрамовую проволоку для лампочек. Но не уверена. Лампочку предлагала "для попробовать" только, так как думала, что длинненькие индикаторные лампочки Вы легко найдете. В одной сделать одну дырку, в другой - две для продувки. Первая (можно две) должна компенсировать дрейф температуры. Но можно и обычный резистор.
Схемы... самые разнообразные. Самое простое - обычный классический мост, питаемый постоянным напряжением.
Возможна модификация - автобалансирующийся мост. Сигнал разбаланса поступает на ПИ(Д)-регулятор, выход которого питает мост. Напряжение на выходе и есть выход.
Платиновая проволочка хороша тем, что легко очищается при нагревании. Не знаю, сколько стоит, но, думаю, что не очень много. Бывают пленочные очень маленькие. Можно попробовать их.