Weryfikacja łącznego modelu analizatora

Parametry modeli układów pneumatycznego i czujnika zostały zoptymalizowane w sposób przedstawiony w rozdziale 4 i rozdziale 5. Proces optymalizacji przebiegał osobno dla kaŜdego z modeli. W identyfikacji parametrów posłuŜono się metodą strojonego modelu. Jako sygnały testowe dla czujnika, wykorzystane zostały sygnały skoków ciśnienia parcjalnego tlenu. Drugim sygnałem testowym dla modelu czujnika była zmiana temperatury zarejestrowana w rzeczywistym układzie. Dla modelu układu pneumatycznego, sygnałami testowymi były przebiegi ciśnień i przepływów zarejestrowanych na rzeczywistym układzie. Do przeprowadzenia pomiarów weryfikujących model łączny zastosowany został układ pomiarowy prezentowany na rysunku 37. Jest to układ podobny do układu stosowanego w pomiarach jakości modeli elektrochemicznych czujników stęŜenia, którego schemat przedstawia rysunek 32, ale rozbudowany o moduł sterowania zaworem trójdroŜnym, przełączającym źródło gazu. Zadaniem tego

modułu jest realizacja przełączenia w momencie, gdy pulsujący przepływ gazu w układzie ma wartość bliską zeru. Pulsujący charakter przepływu gazu powodowany jest pracą pompki membranowej w układzie pneumatycznym.

Rys.37. Schemat blokowy pełnego układu analizatora stęŜenia tlenu w wydychanym powietrzu

Zadaniem układu przedstawionego na rysunku 37 było wytworzenie okresowych skokowych (prostokątnych) zmian stęŜenia tlenu na wejściu analizatora. PosłuŜył do tego sterowany elektromagnesem zawór trójdroŜny. Zawór ten wyzwalany był przez

sygnał zmian ciśnienia mierzonego na wejściu węŜyka

doprowadzającego. Dzięki takiemu sposobowi sterowania zaworem, zminimalizowany został wpływ przełączania na układ. Dynamika przełączenia zaworka i czujnik ciśnienia umieszczony w komorze czujnika tlenu, zostały zamodelowane jako obiekty pierwszego rzędu. Wartości stałych czasowych zaczerpnięte zostały z danych katalogowych [50] [53]. Do sterowania zaworem, próbkowania przebiegów z czujnika stęŜenia i ciśnienia, a takŜe do transmisji wyników do komputera PC w celu ich przetwarzania zbudowany

został specjalny układ z mikrokontrolerem. Rejestracje

przeprowadzone zostały w jednakowych i stałych warunkach

U~(c_O2,T, p) p_kom Sygnał przełączenia ref K C D Q Czujnik ciśnienia c_O2 Zawór trójdroŜny Powietrze atmosferyczne Mieszanka gazowa Mieszan-ka gazowa Worek

Układ wyzwolenia zaworu trójdroŜnego

Układ analizatora stęŜenia

tlenu z elektrochemicznym czujnikiem FOS-65 Czujnik ciśnienia Wzmacniacze Multiplekser Przetwornik A/D System mikroprocesorowy RS232 Komputer PC MODEL UKŁADU ANALIZATORA

w poprzednim rozdziale 5. Uzyskane wyniki oceny jakości modelu przedstawia tabela 14.

Przyjęte w pracy kryterium obejmuje zarówno ocenę jakości modelu w stanie ustalonym, jak równieŜ w stanie przejściowym. Do wyznaczenia prezentowanej w tabeli 14 oceny jakości brane były przebiegi zmiennych układu i modelu o tej samej liczbie okresów. W badaniu jakości modelu, zastosowane zostały pobudzenia prostokątne okresowe o zmiennym okresie i o parametrach przedstawionych w tabeli 13:

Pobudzenie I Zmiana stęŜenia z tlenu 20.8% (powietrze atmosferyczne) na 15.1% (mieszanka wzorcowa).

Pobudzenie II Zmiana stęŜenia tlenu z 20.8% (powietrze atmosferyczne) na 17.6% mieszanka wzorcowa zmieszana z powietrzem. Pobudzenie III Zmiana stęŜenia tlenu z 20.8% (powietrze atmosferyczne) na

19.4% mieszanka wzorcowa zmieszana z powietrzem. Tab.13. Zestawienie parametrów sygnałów testowych

Okres pobudzenia Odpowiadająca pobudzeniu częstotliwość oddechu BF Jakość modelu dla pobudzenia I [Tab.12] Jakość modelu dla pobudzenia II [Tab.12] Jakość modelu dla pobudzenia III [Tab.12] [s] [1/min] [%] [%] [%] 1 60 0.86 0.81 0.74 1.5 40 0.63 0.63 0.69 2 30 0.67 0.57 0.68 2.5 24 0.40 0.51 0.40 3 20 0.54 0.49 0.48 3.5 17,14 0.60 0.51 0.52 4 15 0.31 0.49 0.14 5 12 0.27 0.38 0.13 6 10 0.10 0.32 0.03 7 * 0.55 0.66 0.40 8 * 0.57 0.67 0.50 9 * 0.76 0.96 0.82 10 * 0.76 0.88 0.84 11 * 0.77 0.82 0.84 12 * 0.70 0.86 0.68 13 * 0.76 0.96 0.65 14 * 0.80 0.80 0.88 15 * 0.84 1.00 0.69 16 * 0.76 0.85 0.73 17 * 0.77 0.97 0.82

*nieprawdopodobny (z punktu widzenia częstotliwości oddychania w badaniach wysiłkowych) zakres częstotliwości oddechu, rejestracje wykonane z powodu uzyskiwania wartości ustalonej w przebiegu wyjściowym czujnika.

Tab.14. Ocena jakości modelu łącznego układu analizatora wykonana za pomocą sygnałów o parametrach tabeli 13

Testowe poziomy stęŜenia tlenu stosowane w pobudzeniach II i III uzyskane zostały poprzez zmieszanie mieszanki gazowej zawierającej 15.1% tlenu z powietrzem atmosferycznym. StęŜenia tlenu w tak uzyskanych mieszankach zmierzone zostały za pomocą innego (referencyjnego) analizatora z czujnikiem paramagnetycznym.

Przedstawione w tabeli 14 wyniki weryfikacji łącznego modelu badanego układu analizatora wskazują, Ŝe łączny błąd odwzorowania analizatora w modelu z uwzględnieniem stanów dynamicznych nie przekracza 1%. Wyniki te zatem świadczą o dość dobrym przybliŜeniu przez model rzeczywistego układu. RóŜnice pomiędzy rejestracjami na obiekcie rzeczywistym a sygnałami generowanymi przez model w badanym zakresie, nie zaleŜą od częstotliwości pobudzającego sygnału stęŜenia tlenu, czyli w praktyce od częstości oddychania. Częstotliwości te zostały tak dobrane, aby w części odpowiadały zakresowi częstotliwości oddychania.

Tak zweryfikowany model zastosowano do analizy wpływu zmian ciśnienia atmosferycznego i temperatury na wynik pomiaru stęŜenia tlenu. W pomiarach biomedycznych układy analizatorów stęŜeń gazu przed pomiarem wzorcuje się za pomocą mieszanki wzorcowej, przy pewnym ciśnieniu atmosferycznym i w pewnej temperaturze. Ciśnienie atmosferyczne i temperatura stanowią parametry otoczenia i w trakcie trwania pomiaru mogą one ulec zmianie, wpływając na wynik pomiaru. Sytuacja taka moŜe zaistnieć w przypadku, gdy pomiar prowadzony jest bez uwzględniania tych zmian. W praktyce, aby zminimalizować błąd pochodzący od zmian parametrów zewnętrznych naleŜy monitorować te wielkości w trakcie trwania pomiaru i korygować wyniki stęŜenia tlenu. Parametrami opisującymi wpływ temperatury i ciśnienia na wyniki pomiarowe są wraŜliwości statyczne zdefiniowane za pomocą wyraŜeń (28) i (29):

I W I O W O T T T c c S − −

= 2 2 WraŜliwość wyniku pomiaru na temperaturę (28) I W I O W O p p p c c S − −

= 2 2 WraŜliwość wyniku pomiaru na ciśnienie atmosferyczne.

(29)

ST - wraŜliwość wyniku pomiaru na temperaturę

S_p - wraŜliwość wyniku pomiaru na ciśnienie atmosferyczne W

O

c ₂ -wskazanie analizatora dla mieszanki wzorcowej I

O

c ₂ -wskazanie analizatora dla zmienionych temperatury lub ciśnienia atmosferycznego

T_W - temperatura mieszanki wzorcowej

pW -ciśnienie dla mieszanki wzorcowej

TI - zmieniona temperatura otoczenia p _I- zmienione ciśnienie atmosferyczne

Symulacyjną analizę wraŜliwości w oparciu o przedstawione powyŜej definicje (28) i (29) przeprowadzono dla dwóch stęŜeń tlenu wynoszących 20.8% 15% oraz TW = 20 ^oC, TI = 10 ^oC, pW = 100,2kPa,

p I = 99,7kPa .Wartość stęŜenia 15% jest zbliŜona do stęŜenia tlenu

w gazie wydechowym. Uzyskane wyniki przedstawia tabela 15:

StęŜenie 15[%] StęŜenie 20.8[%]

ST [%(O2)/^oC] 0.03 0.03

S_P [%(O2)/kPa] 0.18 0.18

Tab.15. Zestawienie wyników wyznaczenia wraŜliwości badanego układu analizatora

Z tabeli 15 wynika, Ŝe wpływ badanych zmian temperatury otoczenia na wyniki pomiarów stęŜenia tlenu jest niewielki, natomiast wpływ zmian ciśnienia atmosferycznego jest istotny i powinien być korygowany.