心電圖機時間常數在不同規程中檢定方法的分析

本文發表在中國計量雜志 2015.2

崔秀艷 佳木斯市質量技術監督檢驗中心

郜大華 鄭州市先達電子技術有限公司

      模擬心電圖機的檢定依據《JJG 543- 2008 心電圖機檢定規程》（以下簡稱規程1），數字心電圖機的檢定依據《JJG 1041- 2008 數字心電圖機檢定規程》（以下簡稱規程2），在這兩個規程中，心電圖機的時間常數的檢定從表述和具體操作上有差別較大，但實質上是否相同呢，本文將對此作較為詳細的分析。

1  時間常數檢定在2個規程中的表述和操作   
      在規程1中，時間常數的檢定方法是這樣的：檢定儀輸出2mV峰峰值、周期為1s的方波信號，被檢心電圖機描記波形，測量波形從開始（此處不討論過沖問題）到320ms處電壓幅度的衰減量，如果這個衰減量不大于2mm（即200μV）,則心電圖機的時間常數不小于3.2s。
    在規程2中，時間常數的測量方法是這樣的：檢定儀輸出2mV峰峰值、周期為10s的方波信號，被檢心電圖機描記波形，測量信號幅度衰減到初始值37%所經歷的時間間隔，這個時間間隔就是心電圖機的時間常數。合格心電圖機的時間常數不小于3.2s。
      從兩種規程的表述可以看出二者的異同點。
      相同點:二者對心電圖機的時間常數的要求是相同的, 時間常數不小于3.2s。
      不同點1：規程1只要求判斷心電圖機的時間常數合格與否，而不需要給出具體數據。規程2則要求先測出時間常數，再判斷合格與否。
      不同點2：二者采用的方波信號的周期不同。
      二者表面上看，差別比較大，實質是否相同呢？

      心電圖機時間常數通常用來反映放大緩變信號的能力，與前級放大器與中間級放大器之間RC耦合電路有關。通過RC電路中電容的隔直作用，將來自心電電極信號（經前級放大過的）中的直流極化電壓成分濾除，而只允許電極信號中變化的心電信號通過。下面我們從電路時間常數的定義出發，來進行分析。

2  RC電路時間常數分析計算

      在圖1所示電路中，單刀雙擲開關S原來處于觸點1和3導通位置，電源對電容器C充電，充電結束，電容器端電壓是Us。
      在時間t=0，開關S觸點1和2導通，電容器通過電阻R放電，通過電路計算可以得到，任意時刻電容器端電壓u(t)的表達式：
               
      其中τ=RC，它稱為RC電路的時間常數，當電阻單位為Ω，電容單位為F時，τ的單位為s。
      需要說明的是電路的時間常數τ是RC電路本身所決定的，與外加的信號源無關。
可以計算出：
      
即經過一個時間τ/10后，電壓衰減了9.5%，或為原值的90.5%。
經過一個時間常數τ后，電壓衰減了63.2%，或為原值的36.8%。

      電容器端電壓u(t)隨時間變化的曲線如圖2所示。

      

      如果Us =2mV，心電圖機靈敏度S=10mm/mV,則Us在心電圖紙上對應20mm。
      在t=τ/10，u(τ/10) =1.81mV, 在心電圖紙對應18.1mm。換句話來說,電壓在t=τ/10處,電壓衰減量為0.19mV, 在心電圖紙上對應1.9mm。
      在t=τ，u(τ) =0.736mV, 即電壓衰減到0.736mV,在心電圖紙上對應7.36mm。

      從以上計算可以看出:
      規程1是在t=τ/10處，通過測量電壓衰減量，判斷電圖機時間常數是否合格，即在t=τ/10=0.32s處，如果電壓衰減量不大于0.19mV(對應1.9mm)，則時間常數不小于3.2s。為了方便測量，規程1中把電壓衰減量定義為0.2mV(對應2.0mm),這將會帶來5%的系統誤差。
      規程2采用的心電圖時間常數的測量方法是基于RC時間常數的基本定義，即在電壓衰減為原值的37%處，找出對應時間，給出心電圖機的時間常數。當然用37%代替36.8%也會帶來0.54%的系統誤差。

3 結束語
      通過對RC電路時間常數的分析計算和對2個心電圖機規程關于時間常數檢定的比較，我們可以得出如下結論：
      第一：2種方法在本質上是一樣的，都是基于RC電路的定義和分析計算。
      第二：規程1采用的方法便于具體操作和記憶，其圖示清楚，且能滿足準確性的要求。由于考慮的是τ/10時的數據，所以可以采用周期為1s激勵信號,心電圖機不需要走較多的紙。
      第三：規程2是基于時間常數的定義,準確普適，由于沒有圖示，對檢定員的能力要求稍高一點。采用周期為10s激勵信號,心電圖機需要走較多的紙。
      第四：本文給出了RC電路電容放電曲線,這可以很好地幫助檢定員理解時間常數的概念，正確地分析處理所測試的心電圖數據。