Калибровка датчика кислорода mindray
©А. Пахомов 2007 (aka IS_ 18 , Ижевск)
На написание этого материала натолкнуло обилие вопросов на нашем форуме, связанных с непониманием (или недопониманием) принципа работы датчика кислорода, или лямбда-зонда.
Прежде всего, нужно идти от общего к частному и понимать работу системы в целом. Только тогда сложится правильное понимание работы этого весьма важного элемента ЭСУД и станут понятны методы диагностики.
Чтоб не углубляться в дебри и не перегружать читателя информацией, я поведу речь о циркониевом лямбда-зонде, используемом на автомобилях ВАЗ. Желающие разобраться более глубоко могут самостоятельно найти и прочитать материалы про титановые датчики, про широкополосные датчики кислорода (ШДК) и придумать методы их проверки. Мы же поговорим о самом распространенном датчике, знакомом большинству диагностов.
Итак, датчик кислорода. Когда-то очень давно он представлял собой только лишь чувствительный элемент, без какого-либо подогревателя. Нагрев датчика осуществлялся выхлопными газами и занимал весьма продолжительное время. Жесткие нормы токсичности требовали быстрого вступления датчика в полноценную работу, вследствие чего лямбда-зонд обзавелся встроенным подогревателем. Поэтому датчик кислорода ВАЗ имеет 4 вывода: два из них – подогреватель, один – масса, еще один – сигнал.
Из всех этих выводов нас интересует только сигнальный. Форму напряжения на нем можно увидеть двумя способами:
а) сканером
б) мотортестером, подключив щупы и запустив самописец.
Второй вариант, вообще говоря, предпочтительнее. Почему? Потому, что мотортестер дает возможность оценить не только текущие и пиковые значения, но и форму сигнала, и скорость его изменения. Скорость изменения – это как раз характеристика исправности датчика.
Итак, главное: датчик кислорода реагирует на кислород. Не на состав смеси. Не на угол опережения зажигания. Не на что-либо еще. Только на кислород. Это нужно осознать обязательно. Как именно это происходит, в подробностях описано здесь.
На сигнальный вывод датчика с ЭБУ подается опорное напряжение 0 . 45 В. Чтоб быть полностью уверенным, можно отключить разъем датчика и проверить это напряжение мультиметром или сканером. Все в порядке? Тогда подключаем датчик обратно.
К слову, на старых иномарках опорное напряжение «уплывает», и в итоге нормальная работа зонда и всей системы нарушается. Чаще всего опорное напряжение при отключенном датчике бывает выше необходимых 0 . 45 В. Проблема решается путем подбора и установки резистора, подтягивающего напряжение к «массе», тем самым возвращая опорное напряжение на необходимый уровень.
Дальше схема работы датчика проста. Если кислорода в газах, омывающих датчик, много, то напряжение на нем упадет ниже опорного 0 . 45 В, примерно до 0 . 1 В. Если кислорода мало, напряжение станет выше, около 0 . 8 – 0 . 9 В. Прелесть циркониевого датчика в том, что он «перепрыгивает» с низкого на высокое напряжение при таком содержании кислорода в отработанных газах, которое соответствует стехиометрической смеси. Это замечательное его свойство используется для поддержания состава смеси на стехиометрическом уровне.
Поняв, как работает датчик, легко осознать методику его проверки. Предположим, ЭБУ выдает ошибку, связанную с этим датчиком. Например, Р 0131 «Низкий уровень сигнала датчика кислорода 1 ». Нужно понимать, что датчик отображает состояние системы, и если смесь действительно бедная, то он это отразит. И замена его абсолютно бессмысленна!
Как же нам выяснить, в чем кроется проблема – в датчике или в системе? Очень просто. Смоделируем ту или иную ситуацию.
1 . Например, при жалобе на бедную смесь и низком напряжении на сигнально выводе датчика увеличим подачу топлива, пережав шланг обратного слива. Или, при его отсутствии, брызнув во впускной коллектор бензина из шприца. Как отреагировал датчик? Показал ли обогащенную смесь? Если да – то нет никакого смысла его менять, нужно искать причину, почему система подает недостаточное количество топлива.
2 . Если же смесь богатая, и зонд это отображает, попробуйте создать искусственный подсос, сняв какой-нибудь вакуумный шланг. Напряжение на датчике упало? Значит, он абсолютно исправен.
3 . Третий вариант (достаточно редкий, но имеющий место). Создаем подсос, пережимаем «обратку» – а сигнал на датчике не меняется, так и висит на уровне 0 . 45 В, либо меняется, но очень медленно и в небольших пределах. Все, датчик умер. Ибо он должен чутко реагировать на изменения состава смеси, быстро меняя напряжение на сигнальном выводе.
Для более глубокого понимания добавлю, что при наличии небольшого опыта легко установить степень изношенности датчика. Это делается по крутизне фронтов перехода с богатой смеси на бедную и обратно. Хороший, исправный датчик реагирует быстро, переход почти что вертикальный (смотреть, само собой, мотортестером). Отравленный либо просто изношенный датчик реагирует медленно, фронты переходов пологие. Такой датчик требует замены.
Понимая, что датчик реагирует на кислород, можно легко уяснить еще один распространенный момент. При пропусках воспламенения, когда из цилиндра в выпускной тракт выбрасывается смесь атмосферного воздуха и бензина, лямбда-зонд отреагирует на большое количество кислорода, содержащееся в этой смеси. Поэтому при пропусках воспламенения очень возможно возникновение ошибки, указывающей на бедную топливо-воздушную смесь.
Хочется обратить внимание еще на один важный момент: возможный подсос атмосферного воздуха в выпускной тракт перед лямбда-зондом. Мы упоминали, что датчик реагирует на кислород. Что же будет, если в выпуске будет свищ до него? Датчик отреагирует на большое содержание кислорода, что эквивалентно бедной смеси. Обратите внимание: эквивалентно! Смесь при этом может быть (и будет) богатой, а сигнал зонда ошибочно воспринимается системой как наличие бедной смеси. И ЭБУ ее обогатит! В итоге имеем парадоксальную ситуацию: ошибка «бедная смесь», а газоанализатор показывает, что она богатая. Кстати сказать, газоанализатор в данном случае – очень хороший помощник диагноста. Как пользоваться извлекаемой с его помощью информацией, описано в этой статье.
1 . Нужно совершенно четко отличать неисправность ЭСУД от неисправности лямбда-зонда.
2 . Проверить зонд можно, контролируя напряжение на его сигнальном выводе сканером или подключив к сигнальному выводу мотортестер.
3 . Искусственно смоделировав обедненную или, наоборот, обогащенную смесь и отследив реакцию зонда, можно сделать достоверный вывод о его исправности.
4 . По крутизне перехода напряжения от состояния «богато» к состоянию «бедно» и наоборот легко сделать вывод о состоянии лямбда-зонда и его остаточном ресурсе.
5 . Наличие ошибки, указывающей на дефект лямбда-зонда, отнюдь не является поводом для его замены.
Источник
Градуировка анализаторов по концентрации кислорода
Калибровку датчика ДКТП-02 необходимо повторять не реже 1 раза в месяц. Подготовьте свободную от кислорода водную среду с температурой (20 ± 5) °С. Для этого приготовьте раствор сульфита натрия (Na2SO3) в дистиллированной воде c концентрацией 80 г/л. Раствор после приготовления необходимо выдержать не менее 20 минут.
Подключите кислородный датчик к разъему “О2” или «Т/О2» измерительного преобразователя. Включите анализатор, войдите в режим “Доп.Режим” и нажмите кнопку “ВВОД”.
Введите в память анализатора значение атмосферного давления. Для этого с помощью кнопок “◄“ и “►“ войдите в опцию “[Давление мм.рт.ст]”, нажмите кнопку “ВВОД”. На дисплее появится надпись с каким-либо значением давления, например:
[Давление мм]
Нажмите кнопку “Числ”. Появится сообщение “Введите число”. Введите значение атмосферного давления, измеренное барометром и нажмите кнопку “ВВОД”. После сообщения
Ввод изменения?
ДА — ВВОД НЕТ — ОТМ
нажмите последовательно кнопки “ВВОД” и “ОТМ”. Вы вернетесь в режим “Доп.Режим”.
Кнопками “◄“ и “►“ войдите в опцию “Калибр.О2” и нажмите кнопку. При этом на дисплее появится окно с таблицей, со значениями температур растворов (левый столбец), сопротивлением термодатчика (средний столбец) и значениями тока (правый столбец), например:
T 0 C R Ом I мкА
Нулевой 0.0014
10.0 901 0,1024
33.0 1079 0,2451
Проведите градуировку анализатора по нулевому значению кислорода.
Поместите датчик кислорода в приготовленный раствор сульфита натрия и выдержите не менее 10 мин. Кнопками “◄“ и “►“ выберите первой строку таблицы с надписью «нулевой р-р». Нажмите кнопку “Изм”.
После установления постоянного значения тока в правом столбце нажмите кнопку “ВВОД”. Появится сообщение:
Ввод изменения ?
ДА — ВВОД НЕТ — ОТМ
Нажмите кнопку “ВВОД”. Первая точка градуировки будет занесена в память ИП.
Датчик выньте из раствора и тщательно промойте дистиллированной водой.
Проведите градуировку анализатора по 100%-ному насыщению воды кислородом воздуха при двух температурах диапазона температурной компенсации следующим образом.
В емкость с дистиллированной водой помещают датчик. Воду термостатируют с точностью поддержания температуры ± 0,1°С и насыщают кислородом воздуха с помощью микрокомпрессора до 100% насыщения не менее 60 минут.
Установите в термостате температуру воды в начале диапазона температурной компенсации, например 10 °С. Перейдите ко второй точке градуировки (следующая строка таблицы). Для этого кнопкой “►“ выберите вторую строку таблицы. Если в левом столбце записана температура, отличающаяся от температуры в термостате, нажмите кнопку “Числ”, и введите температуру, установленную для термостата, подтвердив нажатием клавиши ВВОД”. Затем нажмите кнопку “Изм”. При этом одновременно идет калибровка термодатчика, встроенного в датчик ДКТП-02. После установления постоянного значения тока в правом столбце нажмите кнопку “ВВОД”. Появится сообщение:
Ввод изменения ?
ДА — ВВОД НЕТ — ОТМ
Нажмите кнопку “ВВОД”. Первая точка градуировки будет занесена в память ИП.
Ввод изменения?
ДА — ВВОД НЕТ — ОТМ
нажмите кнопку “ВВОД”.
Аналогично проведите градуировку в третьей точке градуировки (третья строка таблицы) например при температуре 33 °С.
Калибровка датчика ДКТП-02 по 1 точке.
При отсутствии термостата возможна калибровка датчика ДКТП-02 по 1 контрольной точке. Для калибровки по 1 точке комплекс должен иметь в памяти калибровку по 3 точкам, методика проведения которой описана выше. Такую калибровку рекомендуется проводить каждый день перед началом работы.
Для калибровки по 1 контрольной точке снять с датчика транспортировочный кожух, и вылить из него воду, мембрану датчика аккуратно промакнуть фильтровальной бумагой, после чего надеть кожух обратно на датчик, не накручивая его. Таким образом датчик должен находиться во влажной атмосфере, которая будет обеспечиваться остатками воды на стенках кожуха. Накручивать кожух не допускается, т.к. при этом внутри возникнет повышение давления, что исказит результаты калибровки. Прибор перевести в режим «Термооксиметр» и нажать кнопку “Изм”. После стабилизации показаний, не прерывая измерения, нажать кнопку “Клб” и “ВВОД”. Период установления показаний зависит от того, как долго датчик хранился без использования. Если датчик ежедневно используется для измерений, то время установления показаний порядка 4-5 минут. При длительном хранении (неделя и больше) время установления показаний может достигать 30-40 минут. При дальнейшей работе период установления показаний датчика нормализуется и составляет 4-5 минут.
Введите число
Введите текущее атмосферное давление в мм. рт.ст. и нажмите кнопку “ВВОД”.
Прибор автоматически рассчитает необходимую поправку и внесет ее в память. Режим измерения кислорода с учетом поправочной точки индицируется знаком “+” на дисплее справа. Для отказа от использования поправочной точки необходимо в режиме измерения кислорода нажать “Клб” и “ОТМ”, при этом прибор вернется к расчету концентрации кислорода по проведенной ранее калибровке по 3 точкам. Для повторного включения поправочной точки необходимо вновь проделать все процедуры, описанные в настоящем разделе.
Источник
Пульсоксиметр своими руками
Во время самоизоляции я попытался сделать пульсоксиметр из того, что уже есть у меня в закромах
Я бы хотел измерить уровень насыщения крови кислородом в процентах в моей крови при помощи самостоятельно изготовленного пульсоксиметра. Я не эксперт в медицине, поэтому данный проект не имеет диагностической ценности. Это просто образовательный проект, подходящий для изучения принципов работы прибора.
- Arduino Uno.
- Датчик KY-039 – его можно собрать из двух резисторов и фотодиода.
- Красный светодиод.
- Резистор на 330 Ом – 2 шт.
- Дисплей LCD 16×2 I2C.
Я разбил инструкцию на 5 частей:
- Насыщение крови кислородом и COVID-19.
- Как работает измеритель пульса.
- Измерение пульса через обнаружение пиков сигнала с датчика.
- Изменение датчика пульса KY-039 для измерения насыщения крови кислородом.
- Как измеряется насыщение.
Подробности
1. Насыщение крови кислородом и COVID-19
В данном невероятном периоде нашей жизни мы многое узнали о вирусах, лёгких, хирургических масках и о том, как правильно мыть руки. Все читали о таких симптомах, как кашель, повышение температуры и затруднение дыхания. Мы также знаем, что один из способов измерить затруднения дыхания – это узнать количество кислорода в крови.
Это можно сделать косвенным методом при помощи такого медицинского устройства, как пульсоксиметр. Вы, наверное, уже видели его – это неинвазивное устройство, цепляющееся на палец, за работу которого отвечают мигающие огоньки.
Если у вас всё в порядке со здоровьем, насыщение кислородом вашей крови составляет 95% или выше. Когда оно опускается ниже 90%, вы кашляете и у вас повышается температура – это проблема.
Так давайте же попробуем собрать пульсоксиметр!
2. Как работает измеритель пульса
Перед измерением насыщения крови кислородом нам нужно понять, как работает датчик пульса. У меня есть датчик KY-0039 с инфракрасным светодиодом и фотодиодом (вероятно, OP550A или LTR-301).
Я нашёл его в наборе из нескольких датчиков:
Как видно по схеме, это просто инфракрасный светодиод, светящий на фотодиод. У него есть ещё два резистора, для защиты светодиода и получения слабого сигнала с датчика. Палец помещается между фотодиодом и светодиодом, как на фото:
Излучаемый инфракрасным светодиодом свет частично поглощается ногтем, кожей и остальными частями пальца. Но поглощение не остаётся неизменным, поскольку оно меняется вместе с потоком крови, идущей по венам. Когда сокращается сердце, оно проталкивает кровь по венам, в результате чего меняется поглощение света. С контакта S датчика KY-039 можно снимать данные о токе, генерируемом светом, поглощённым фотодиодом.
3. Измерение пульса через обнаружение пиков сигнала с датчика
Качественно считать значение изменяющегося сигнала – задача непростая. В данном случае сигнал слабый, а шума много, поэтому для того, чтобы найти какие-то осмысленные значения, нам придётся провести определённые вычисления.
Выражаю благодарность Йохану Ха за его пост с объяснениями того, как строить среднее значение для небольшой выборки данных, а также удалять шум настольной лампы (содержащийся в её свете). Однако я обнаружил, что мой датчик хорошо считывает сигнал, в условиях хорошей освещённости, а если накрыть его тёмной тряпочкой, то шума становится больше.
В своём коде Ха создаёт массив, где хранит значения, а потом уменьшает их, вычисляя среднее на основе X последних значений, прочитанных с датчика. Он также описывает способ найти тот момент, когда сигнал начинает расти (когда N подряд значений сигнала превышают опорное), чтобы искать пики.
При помощи программы SerialPlot мне удалось лучше подобрать необходимое количество измерений, которое позволит нам корректно определить N (константа rise_threshold в коде). На примере графика ниже – если задать это число больше 7, то некоторые удары пульса программа пропустит и не заметит:
Когда мы научились находить пики, мы можем их подсчитать – или подсчитать время между пиками, и так определить количество сердечных сокращений в минуту.
4. Взламываем датчик пульса KY-039 для измерения насыщения крови кислородом
Наша кровь поглощает свет по-разному в зависимости от длины его волны. Красный свет лучше поглощает кровь, содержащая больше кислорода, поэтому мы можем сравнить измерения и найти процентное содержание кислорода в крови. Это значение называется Sp02%.
Sp02% полностью называется «насыщение кислородом периферийных капилляров», и обозначает примерное содержание кислорода в крови. Точнее, это процентное соотношение насыщенного кислородом гемоглобина по сравнению с общим количеством гемоглобина в крови.
У нашего датчика KY-039 есть только один инфракрасный (950 нм) светодиод. Нам нужно добавить к схеме красный светодиод (600 нм), подсоединить его к контакту Arduino, а кроме того, нам надо отсоединить инфракрасный светодиод от Vcc и подключить его к ещё одному контакту Arduino. Я также использовал два резистора на 330 Ом для защиты светодиода.
Схема изменённого датчика:
Теперь мы можем включать инфракрасный светодиод, считывать показания с контакта S датчика KY-039, а потом выключать инфракрасный светодиод и включать красный светодиод, и снова считывать показания с контакта S.
Если мы построим два графика, мы увидим, что значения, полученные с ИД всегда меньше, чем значения красного светодиода.
5. Как измеряется насыщение
Насыщение измеряется как функция параметра R, который определяется через максимум и минимум двух сигналов:
Rnum = (REDmax — REDmin) / REDmin;
Rden = (IRmax — IRmin) / IRmin;
R = Rnum / Rden;
Уровень насыщения кислородом (SpO2%) – это функция от R (подробности я нашёл в данной работе одного студента из Миланского политехнического).
У каждого инструмента функция от R получается своей, и чтобы найти правильную функцию, соотносящую R и SpO2%, новый пульсоксиметр нужно откалибровать по показаниям другого пульсоксиметра.
Как указано в 3-м разделе, подсчитать количество пиков довольно легко. Но нам кроме этого нужно ещё найти максимумы и минимумы двух кривых (для красного светодиода и для инфракрасного светодиода).
Для этого нам нужно оценить «период» сердцебиений (длительность каждого из них) и поделить его на скорость считывания показаний (в моём коде это 40 мс – 20 для красного светодиода и 20 для инфракрасного светодиода). Период сердцебиения – это время между двумя пиками кривых сигнала.
Теперь мы можем проанализировать N последних запросов (N = период / 40) и найти REDmax, REDmin, IRmax и IRmin. Затем через max и min мы можем вычислить R. R, N и период вычисляются после каждого сокращения сердца.
Как откалибровать самодельный пульсоксиметр, чтобы перейти от R к SpO2%?
Функцию, связывающую R с SpO2%, можно аппроксимировать прямой (SpO2 = K * R + M). Нам понадобятся две точки, чтобы определить параметры K и M, определяющие уравнение прямой – то есть, две пары значений SpO2% и R. Единственный способ найти их – использовать другой пульсоксиметр и прочесть значения с него.
Во время калибровки необходимо быть внимательным – на наш самодельный пульсоксиметр влияет освещение, поэтому его уровень нужно поддерживать одинаковым во всех случаях. Я пробовал закрывать его тёмной тканью, однако при отсутствии света сигнал получается слишком слабым и его сложно отличить от шума.
Рекомендую делать много измерений. Для получения двух разных точек на графике рекомендую понижать значения SpO2%, задерживая дыхание или выдыхая и вдыхая их пластикового пакета.
Найдя две хороших точки, вам останется решить уравнение 2-го порядка. Так можно будет найти параметры K и M.
Я в итоге решил добавить ещё и дисплей, чтобы сразу видеть все показания, а также добавил в код массив измерений. Я вывожу на дисплей измерения, только когда нахожу не менее 5 значений подряд, не сильно отличающихся друг от друга. Таким образом я избавляюсь от шума, вызванного недостаточно качественными компонентами или освещением. Однако всё равно измерения R получаются не очень стабильными, и коэффициент насыщения сильно скачет. Думаю, результаты были бы лучше, если бы я смог усилить сигнал.
Чтобы не зависеть от окружающего освещения, я добавил в схему ещё один, белый светодиод, и стал считывать показания, закрывая всё тёмной тканью. Так получается гораздо лучше, чем просто прикрывать всё тканью – идёт сильный сигнал, не зависящий от освещения в помещении.
Источник