СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ И КАЧЕСТВЕННОГО СОСТАВА ВЕЩЕСТВА В ПОТОКЕ

Изобретение принадлежит к области обеспечения безопасности работ в горной промышленности и может использоваться для контроля сердечного ритма персонала в шахтах.

Хорошо известны способы определения сердечного ритма человека, основанные на измерении его электрокардиограмм или с применением акустических средств измерений. Однако данные измерения предполагают применение стационарного оборудования и непосредственного контакта датчиков с телом человека. При производстве работ в шахтах подобные способы определения сердечного ритма человека неприемлемы.

Существуют методы и устройства бесконтактного контроля сердечного ритма человека, основанные на применении сверхширокополосной радиолокации, например "Ultra-wideband radar for remote detection and measurement of parameters of the moving objects on small range" (в трудах конференции "Ultrawideband and Ultrashort Impulse Signais", 2004, Sevastopol, Ukraine, September 19-22, pp. 215-217). Однако устройство предполагает использование двух антенн для излучения и приема соответственно и, к тому же, устройство имеет минимально возможное расстояние функционирования, обусловленное импульсным характером излучения электромагнитных волн. Все это делает невозможным для использования его в целях индивидуального перманентного контроля сердечного ритма шахтеров.

Наиболее близким к предполагаемому изобретению относится устройство, описанное в "Détection of Human Breathing and Heartbeat by Remote Radar" (в трудах конференции "Progress in Electromagnetic Research Symposium", 2004, Pisa, Italy, March 28-31, - pp. 663-669), которое предполагает излучение микроволнового сигнала в направлении человека и прием отраженной волны, при этом отраженная волна содержит информацию о периодических изменениях в наполнении кровеносных сосудов человека. Устройство имеет одну антенну, работающую на передачу и прием одновременно. Кроме того, устройство предполагает излучение и прием непрерывных колебаний, что позволят сокращать расстояние диагностики вплоть до полного контакта с телом человека. Однако наличие управляемого генератора в отдельности, антенны с развязывающим устройством, приемника сигналов, устройства усиления сигналов и обрабатывающей ПЭВМ, все это делает устройство достаточно сложным и дорогим в эксплуатации. Кроме этого, массогабаритные показатели такого устройства не предполагают его ношение шахтером во время выполнения им своей работы. Далее потребление энергии устройством достаточно велико, что делает невозможным его питание от аккумуляторной батареи при перманентном измерении сердечного ритма шахтера. При этом говорить о персональном датчике перманентного контроля сердечного ритма шахтера, сигнал которого можно по известным каналам связи передавать далее в пункт приема и обработки или получателю информации, не представляется возможным.

В тоже время крайне необходимо при производстве работ в шахтах или при возникновении в шахтах чрезвычайной ситуации, вызванной взрывом и/или обвалом горной породы, контролировать состояние шахтера на предмет жив он или, к несчастью, уже нет. При этом по перманентному контролю сердечного ритма каждого шахтера можно говорить об определенных тенденциях в изменении условий труда шахтера. В случае возникновения чрезвычайной ситуации и обвала горной породы, в первую очередь целесообразно проводить спасательные мероприятия в тех случаях, когда есть надежда спасти жизнь человека. В этом смысле дистанционный контроль сердечного ритма каждого шахтера весьма актуален.

В основу изобретения поставлена задача бесконтактного и перманентного контроля сердечного ритма каждого шахтера, производящего работы или находящегося под/за завалом. Она решается благодаря тому, что в корпусе аккумуляторного блока шахтерского фонаря, изготовленного из радиопрозрачного материала, со стороны его широкой стенки, обращенной к телу шахтера, помещен датчик сердечного ритма и при этом датчик сердечного ритма обращен его антенной к стенке корпуса аккумуляторного блока или к телу шахтера, при этом сам датчик состоит из автодинного генератора непрерывных микроволновых колебаний, совмещенного с микрополосковой антенной, при этом автодинный генератор представляет собой соединения микрополосковой антенны на диэлектрическом подложке и экранирующей пластины, полевого транзистора и блокировочного конденсатора, причем микрополосковая антенна имеет три вывода, расположенные на одной ее осевой линии, причем первый вывод находится в центре микрополосковой антенны, второй вывод смещен от центра к краю на некоторое известное расстояние и третий вывод смещен от центра еще дальше к тому же краю на некоторое другое известное расстояние, причем устройство также содержит датчика тока, узкополосный усилитель инфразвуковой частоты, микроконтроллер со встроенным аналого-цифровым преобразователем и получатель информации о сердечном ритме шахтера, причем первый вывод микрополоской антенны соединен экранирующей пластиной, которая соединена также с общим проводом питания, при этом второй вывод микрополосковой антенны через первое отверстие в экранирующей пластине соединен с истоком полевого транзистора, а третий вывод микрополосковой антенны через второе отверстие в экранирующей пластине соединен с затвором полевого транзистора, при этом сток полевого транзистора соединен с первым выводом блокировочного конденсатора, второй вывод которого соединен с экранирующей пластиной, при этом сток полевого транзистора представляет собой вывод питания автодинного генератора непрерывных микроволновых колебаний, совмещенный с микрополосковой антенной, причем этот вывод питания соединен с входом датчика тока, а выход датчика тока соединен с входом узкополосного усилителя инфразвуковой частоты, причем выход узкополосного усилителя инфразвуковой частоты соединен с аналоговым входом микроконтроллера со встроенным аналого-цифровым преобразователем, причем стандартный цифровой интерфейс микроконтроллера соединен с получателем информации о сердечном ритме шахтера.

Сравнение предполагаемого изобретения с уже известными прототипами показывает, что заявляемое устройство проявляет новые технические свойства, заключающиеся в простоте конструкции, ее малогабаритности, малого веса, малого потребления энергии и низкой стоимости, что позволяет устанавливать датчик сердечного ритма в каждый шахтерский фонарь и, при этом, бесконтактно и перманентно производить мониторинг сердечного ритма каждого шахтера, находящегося в шахте, как при производстве им плановых работ, так и при возникновении чрезвычайной ситуации, повлекшей за собой изоляцию шахтера под/за завалом горной породы.

Эти свойства предполагаемого изобретения являются новыми, так как в устройстве-прототипе в силу присущих ему недостатков, заключающихся в невозможности установки устройства измерения сердечного ритма в аккумуляторный блок шахтерского фонаря ввиду его больших массогабаритных показателей, высокого потребления энергии и высокой стоимости, нет возможности производить перманентный контроль сердечного ритма каждого шахтера, находящегося в шахте при любой ситуации.

Указанный датчик перманентного контроля сердечного ритма шахтера можно реализовать по схеме, приведенной на фиг. 1.

Датчик перманентного контроля сердечного ритма шахтера состоит из автодинного генератора непрерывных микроволновых колебаний 1, совмещенного с микрополосковой антенной, представляющего собой соединения микрополосковой антенны 2, расположенной на диэлектрической подложке 3 с экранирующей пластиной 4, имеющей первое отверстие 5 и второе отверстие 6, полевого транзистора 7 и блокировочного конденсатора 8, причем микрополосковая антенна имеет три вывода, расположенные на одной ее осевой линии, причем первый вывод находится в центре микрополосковой антенны, второй вывод смещен от центра к краю на некоторое известное расстояние, а третий вывод смещен от центра еще дальше к тому же краю на некоторое другое известное расстояние, причем устройство также содержит датчика тока 9, узкополосный усилитель инфразвуковой частоты 10, микроконтроллер со встроенным аналого-цифровым преобразователем 11 и получатель информации о сердечном ритме шахтера 12.

При этом первый вывод микрополоской антенны 2 соединен экранирующей пластиной 4, которая соединена также с общим проводом питания, при этом второй вывод микрополосковой антенны 2 через первое отверстие 5 в экранирующей пластине соединен с истоком полевого транзистора 7, а третий вывод микрополосковой антенны через второе отверстие 6 в экранирующей пластине соединен с затвором полевого транзистора 7, при этом сток полевого транзистора 7 соединен с первым выводом блокировочного конденсатора 8, второй вывод которого соединен с экранирующей пластиной 4, при этом сток полевого транзистора 7 представляет собой вывод питания автодинного генератора непрерывных микроволновых колебаний 1, совмещенный с микрополосковой антенной, причем этот вывод питания соединен также с входом датчика тока 9, а выход датчика тока 9 соединен с входом узкополосного усилителя инфразву-ковой частоты 10, причем выход узкополосного усилителя инфразвуковой частоты 10 соединен с аналоговым входом микроконтроллера со встроенным аналого-цифровым преобразователем 11, причем стандартный цифровой интерфейс микроконтроллера 11 соединен с получателем информации о сердечном ритме шахтера 12.

Работает датчик перманентного контроля сердечного ритма шахтера следующим образом.

Полевой транзистор 7 с блокировочным конденсатором 8, микрополосковой антенной 2 на диэлектрической подложке 3 с экранирующей пластиной 4 образуют автодинный генератор микроволновых колебаний 1, который начинает генерировать колебания при подаче на сток транзистора 7 напряжения постоянного тока. Автодинный генератор - это генератор с открытой колебательной системой, способной излучать и принимать электромагнитные колебания. При этом микрополосковая антенна 2, диэлектрическая подложка 3 и экранирующая пластина 4 образуют колебательную систему генератора, к которой активный элемент - транзистор 7 подключен по схеме эквивалентной индуктивной трехточки через выводы микрополосковой антенны. Блокировочный конденсатор 8 обеспечивает соединение стока полевого транзистора 7 на высокой частоте колебаний с общим проводом, обеспечивая тем самым условие генерации колебаний. Первый вывод микрополосковой антенны 2, соединенный с экранирующей пластиной и с общим проводом, обеспечивает замыкание цепи по постоянному току, подавая тем самым напряжение питания на исток транзистора. Это замыкание микрополосковой антенны 2 на общий провод через её первый вывод не оказывает никакого влияния на микроволновую резонансную цепь или колебательную систему автодинного генератора 1, поскольку этот вывод находится в центре микрополосковой антенны 2 и при резонансе амплитуда напряжения микроволновых колебаний в этой точке колебательной системы равна нулю. Через второй и третий выводы микрополосковой антенны 2 и через отверстия в экранирующей пластине 5 и 6 обеспечивается автотрансформаторная положительная обратная связь, обуславливающая возникновение микроволновых колебаний, частота которых определяется линейными размерами микрополосковой антенны. В первом приближении, без учета краевых эффектов и эффективной диэлектрической проницаемости подложки, частоту колебаний можно определить по следующей формуле

где с = 3·10⁸ м/с - скорость света в вакууме, w - длина микрополосковой антенны, по оси которой располагаются ее три вывода, ε - диэлектрическая проницаемость подложки 3. Реальное значение частоты колебаний немного выше и зависит, кроме этого, от толщины диэлектрической подложки 3, толщины металлического слоя микрополосковой антенны 2, от вносимых в резонансную цепь транзистором 7 реактивностей, близости к микрополосковой антенне других металлических и диэлектрических предметов или в нашем случае тела шахтера, на поясе которого находится заявляемое устройство.

При возбуждении автодинного генератора 1 он через микрополосковую антенну 2 начинает эффективно излучать микроволновые колебания в сторону тела шахтера. Мощность этих колебаний невелика, не превышает 1 мВт, что совершенно не сказывается на здоровье самого шахтера (мощность микроволновых колебаний, создаваемых мобильными телефонами, которые мы носим в карманах постоянно составляет сотни мВт). Отразившись от тела шахтера, колебания вновь улавливаются микрополосковой антенной 2 и складываются с собственными колебаниями автодинного генератора 1, вызывая тем самым изменение протекающего через автодинный генератор 1 постоянного тока. Датчик тока 9, подключенный к выводу питания автодинного генератора 1, позволяет регистрировать эти изменения потребления тока. Отраженные от тела шахтера микроволновые колебания модулированы по амплитуде и фазе процессами жизнедеятельности человека - дыханием и сердцебиением, если человек находится в неподвижном состоянии, либо же этими же процессами плюс перемещением аккумуляторного блока на поясе шахтера во время его движения. Таким образом, ток потребления питания автодинного генератора 1 модулирован процессами жизнедеятельности человека полюс процессами, обусловленными движением человека. Дыхание человека вызывает появление на выходе датчика тока 9 спектральных составляющих в диапазоне частот 0,2-0,5 Гц. Сердцебиение человека вызывает появление на выходе датчика тока 9 спектральных составляющих в диапазоне частот 0,8-2,5 Гц. Движение человека вызывает появление на выходе датчика тока 9 спектральных составляющих в широком диапазоне частот. Все эти составляющие имеют малую величину. Узкополосный усилитель инфразвуковой частоты 10 выделяет и усиливает колебания в диапазоне частот 0,8-2,5 Гц, соответствующие сердцебиению шахтера. В этом же диапазоне частот на выходе узкополосного усилителя инфразвуковой частоты 10 присутствуют составляющие, обусловленные движением тела шахтера. Однако эти составляющие имеют нерегулярный характер и по своей сути являются составляющими шума, среднеквадратическое значение которых на известном временном интервале равно нулю. Спектральные составляющие, вызванные сердцебиением человека, имеют регулярный характер и их легко распознать, применив корреляционную обработку сигнала. Аналоговый вход микроконтроллера со встроенным аналого-цифровым преобразователем 11 подключен к выходу усилителя инфразвуковой частоты 10. При этом микроконтроллер 11 осуществляет оцифровку сигнала, присутствующего на выходе усилителя инфразвуковой частоты 10, и производит при этом корреляционную обработку последовательности оцифрованных данных на заданном временном интервале. В результате корреляционной обработки микроконтроллер 11 выделят составляющие, имеющие периодическую структуру, которые, по сути, соответствуют сердечному ритму человека. Далее через свой стандартный цифровой интерфейс микроконтроллер 11 выдает данные получателю информации о сердечном ритме шахтера 12, который, например, может быть радиомаяком системы поиска пострадавших под завалами в шахтах, как это описано, например, в заявке на патент Украины № а200905261, от 26.05.2009, МПК (2009) А62В 99/00 E21F 11/00 Н04В 5/00 "Способ поиска пострадавших под завалом и дистанционного контроля их сердечного ритма", положительное решение по заявке вынесено 20.01.2010.

Народнохозяйственный эффект от использования предполагаемого изобретения связан с появлением возможности перманентного контроля сердечного ритма шахтера, как производящего плановые работы, так и находящегося под/за завалом горной породы. При этом появляется возможность оценивать изменения условий труда шахтера по изменениям его сердечного ритма, а также, в случае возникновения чрезвычайной ситуации, повлекшей изоляцию шахтера за/под завалом тонной породы, оперативно организовать спасательные мероприятия и обеспечить, тем самым, в первую очередь сохранение жизни людей, находящихся под/за завалом и еще живых.