Быстродействующий медицинский термометр

Быстродействующий медицинский термометр

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Проблемами терморезистивного измерения температуры являются трудности обеспечения высокого быстродействия и линейности характеристики преобразования. Первая из проблем особенно актуальна при измерении температуры живых теплокровных организмов, так как из-за искажения температурного поля при контакте термочувствительного элемента и объекта измерения, а также из-за специфики механизма теплообмена в организме время установления температуры на несколько порядков превышает собственную тепловую постоянную времени тензорезистора. Поэтому даже при использовании термисторов, имеющих собственную постоянную времени порядка единиц миллисекунд, время установления их температуры с заданной точностью, равной температуре объекта измерения, достигает нескольких минут. Это объясняется эффектом холодового раздражения в момент контакта термочувствительного элемента с кожным покровом, в результате которого сужаются кровеносные сосуды так называемого поверхностного сплетения и последнее становится хорошим теплоизолятором, препятствуя нагреву термочувствительного элемента.

Обе проблемы в известной степени решены в устройстве-прототипе [1], где терморезистор используется в режиме стабилизации его температуры. Сначала рассмотрим функционирование устройства-прототипа на основе укрупненной структурной схемы, показанной на фиг.1.

Устройство содержит измерительную цепь 1, терморезистор 2, устройство сравнения 3, задатчик 4 температуры стабилизации, управляемый источник питания измерительной цепи 5. Устройство сравнения 3 сравнивает напряжение на терморезисторе 2 (его сопротивление обозначим через R_t) с уставкой, которая устанавливается с помощью задатчика 4 температуры стабилизации. Результат сравнения используется для регулирования посредством управляемого источника питания 5 напряжения, подаваемого на измерительную цепь 1 (например, в виде делителя напряжения, в одно из плеч которого включен терморезистор R_t). Таким образом, система поддерживает неизменным и заданным напряжение на терморезисторе, а следовательно, и его температуру.

Если терморезистор введен в тепловой контакт с объектом измерения, причем измеряемая температура меньше температуры стабилизации, то, очевидно, управляемый источник питания должен восполнять потерю энергии терморезистором, т.е. затрачивать на восполнение потерь тепла мощность, равную:

Здесь Р - мощность, рассеиваемая на терморезисторе; Т_c и Т_х - соответственно температура стабилизации и температура объекта измерения; λ - коэффициент теплопередачи граничной среды между терморезистором и объектом измерения. Как видно, мощность Р является линейной функцией измеряемой температуры. Динамические возможности системы определяются не тепловой инерционностью терморезистора, а динамическими свойствами замкнутой системы регулирования.

Мощность как измеряемый параметр неудобна для получения результата измерения температуры. Поэтому целесообразно использовать такой вид сигнала нагрева терморезистора, у которого некоторый легко преобразуемый (например, в цифру) параметр был бы линейно связан с мощностью. К таким сигналам относятся три типа сигналов импульсной модуляции - ШИМ, ЧИМ и ИРМ (импульсно-разностная модуляция). Описание системы стабилизации с использованием ШИМ приводится в работе [1], а с использованием ЧИМ - в работе [2].

Рассмотрим теперь более детальную функциональную схему устройства-прототипа (фиг.2), преобразующего температуру в сигнал ИРМ. Устройство включает следующие узлы и элементы: измерительную цепь 1 в виде делителя на резисторах 2 (термозависимый) и 3, задатчик 4 температуры стабилизации также в виде делителя на резисторах 5 и 6, источник опорного напряжения 7, ключ 8, устройство сравнения 9, формирователь 10 импульсов, генератор 11 опорной частоты.

Работу схемы поясним с помощью временной диаграммы, показанной на фиг.3. Перед моментом времени t₁ ключ 8 замкнут, через терморезистор 2 протекает большой ток, равный U_o/R_t, вследствие чего его температура T_Rt повышается (U₀ - выходное напряжение источника 7 опорного напряжения). Выходное напряжение устройства сравнения 9 разрешает размыкание ключа 8, которое происходит в момент появления первого импульса опорной частоты, пришедшего после смены полярности выходного напряжения устройства сравнения. После размыкания ключа 8 напряжение с выхода делителя 1 скачком уменьшается до значения ΔU (ΔU<<U_o, поэтому на временной диаграмме пилообразная составляющая входного напряжения ОУ изображена в увеличенном масштабе, что обозначено прерыванием фронтов прямоугольных импульсов штрих-пунктирной линией). Ток через терморезистор 2 и соответственно мощность нагрева его резко уменьшаются, вследствие чего он начинает охлаждаться. Сопротивление его уменьшается по экспоненциальному закону (Т_c-T_x)(1-e^-t/τ), где τ - тепловая постоянная времени терморезистора. Поскольку выполняется соотношение Т_ц/τ<<7 (T_ц - это длительность одного цикла, включающего фазу нагрева и фазу охлаждения терморезистора), то закон изменения температуры терморезистора (и соответственно напряжения с выхода делителя 1) на рассматриваемом интервале можно считать практически линейным. В момент t₂ выходное напряжение делителя 1 сравнивается с выходным напряжением делителя 4. Соответственно выходное напряжение устройства сравнения 9 скачком изменяет полярность, разрешая замкнуть ключ 8, что и происходит в момент t₃ прихода первого после момента t₂ импульса генератора 11 опорной частоты. Снова наступает фаза нагрева терморезистора и т.д. Заметим, что переменная составляющая температуры терморезистора (помечена на диаграмме как Т_Rt) также представлена в увеличенном масштабе. Амплитуда переменной составляющей существенно меньше температуры Т_c стабилизации. Очевидно, что точное равенство температуры терморезистора значению Т_c имеет место лишь в моменты равенства сравниваемых напряжений (t₂ - один из таких моментов).

Для вывода функции преобразования запишем уравнение теплового баланса терморезистора:

Это выражение справедливо в предположении, что изменением температуры терморезистора за время цикла преобразования можно пренебречь, поскольку эти изменения весьма малы по сравнению с его средней температурой (они соизмеримы с ошибкой статизма рассматриваемой замкнутой системы, которая пренебрежимо мала, учитывая огромный коэффициент усиления операционного усилителя, выполняющего функцию устройства сравнения). В выражении (2) величины Р₊ и Р_- представляют собой мощности, рассеиваемые на терморезисторе в течение интервалов t₊ и t_- соответственно, Т_c - температуру стабилизации и Т_х - измеряемую температуру. Через t₊ и t_- обозначены суммы интервалов времени соответственно замкнутого и разомкнутого состояний ключа Кл. Полагая значение R_t неизменньм и равным R_o1R_o3/R_o2 (что следует из условия равновесия моста, образуемого делителями 1 и 4), запишем выражения для Р₊ и Р_-:

Для упрощения выражений введем обозначение k=R_o2/R_о3. Найдем функцию преобразования рассматриваемой схемы, принимая в качестве выходной величины значение t₊ на заданном интервале времени преобразования

С учетом введенного соотношения сопротивлений резисторов, выражений (3), (4) и (5) получим:

Таким образом, сумма t₊ интервалов является линейной функцией измеряемой температуры. Заметим, что выражение в правой части функции преобразования содержит аддитивную составляющую, равную -T_o/[(k+1)²-k]. Данная величина выражает методическую аддитивную погрешность, свойственную всем методам терморезистивного измерения температуры и обусловленную самонагревом терморезистора от протекающего по нему тока (оценка равновесного состояния системы происходит в паузах между импульсами нагрева терморезистора, когда через него проходит ток хотя и малого, но конечного значения). Она может быть уменьшена до допустимого значения выбором коэффициента k.

Недостатком устройства-прототипа является наличие в функции преобразователя коэффициента λ теплопередачи граничной среды между терморезистором и объектом измерения, что, в частности, не позволяет непосредственно использовать описываемый преобразователь для быстрого (практически мгновенного) измерения температуры человеческого тела. Дело в том, что указанный коэффициент различен для разных индивидуумов (зависит от степени прижатия термочувствительного элемента к кожному покрову, от влажности кожного покрова и т.п.).

Изобретение направлено на повышение точности измерения. Это достигается тем, что в медицинский термометр, содержащий измерительную цепь в виде делителя с включенным в одно из плеч терморезистором, выход которой соединен с первым входом устройства сравнения, задатчик температуры стабилизации также в виде делителя на резисторах, выход которого соединен со вторым входом устройства сравнения, источник опорного напряжения, выход которого подключен к измерительной цепи и задатчику температуры стабилизации, ключ, контакты которого подключены к выходу источника опорного напряжения и выходу измерительной цепи, устройство сравнения, выход которого соединен с управляющим входом формирователя импульсов, включенного между генератором опорной частоты и управляющим входом ключа, введены первый счетчик импульсов опорной частоты, второй счетчик импульсов переполнения первого счетчика, цифроаналоговый преобразователь, сумматор и отсчетное устройство, причем задатчик температуры стабилизации терморезистора соединен со вторым входом устройства сравнения через сумматор, выход генератора опорной частоты соединен со вторым входом сумматора через последовательно включенные первый и второй счетчики и цифроаналоговый преобразователь, выход формирователя импульсов соединен с входом сброса на нуль первого счетчика, а выход второго счетчика соединен также с входом отсчетного устройства.

На фиг.4 представлена функциональная схема предлагаемого изобретения.

Основная идея измерения с помощью предлагаемого устройства состоит в том, что температуру стабилизации терморезистора дискретно во времени повышают на определенный квант от некоторого начального значения (меньшего измеряемой температуры) до значения, равного измеряемой температуре с допустимой погрешностью. При каждом очередном повышении на один квант температуры стабилизации проверяют соотношение температур терморезистора и объекта измерения. Соотношение сравниваемых температур определяют по направлению теплового потока: если температура терморезистора выше измеряемой, то тепловой поток направлен от терморезистора к объекту измерения и наоборот. Если температура терморезистора (в режиме стабилизации его температуры) выше температуры объекта измерения, то система стабилизации восполняет потерю терморезистором тепловой энергии. Т.е. признаком такого соотношения является наличие импульсов нагрева терморезистора. При обратном соотношении температур импульсы нагрева отсутствуют, что свидетельствует о том, что необходимо продолжать наращивать температуру стабилизации.

Устройство содержит измерительную цепь 1 в виде делителя на резисторах 2 (термозависимый) и 3, задатчик 4 начальной температуры терморезистора также в виде делителя на резисторах 5 и 6, источник опорного напряжения 7, ключ 8, устройство сравнения 9, формирователь 10 импульсов, генератор 11 опорной частоты, счетчик 12 импульсов опорной частоты, счетчик 13 импульсов переполнения счетчика 12, цифроаналоговый преобразователь 14, сумматор 15 и отсчетное устройство 16, причем задатчик 4 начальной температуры терморезистора соединен со вторым входом устройства сравнения 9 через сумматор 15, выход генератора 11 опорной частоты соединен со вторым входом сумматора 15 через последовательно включенные первый 12 и второй 13 счетчики и цифроаналоговый преобразователь 14, выход формирователя импульсов 10 соединен со входом сброса на нуль счетчика 12, а выход второго счетчика соединен также со входом отсчетного устройства.

На фиг.5 представлена временная диаграмма, поясняющая функционирование устройства. Работа устройства начинается установкой в нуль счетчика 13. При этом выходное напряжение цифроаналогового преобразователя 14 равно нулю, и на вход устройства сравнения подается напряжение с делителя 4, определяющего начальное значение температуры терморезистора 2. Предполагается, что до начала измерения температура терморезистора равна температуре окружающей среды, которая, естественно, ниже температуры тела человека. Для того чтобы при тепловом контакте терморезистора с объектом измерения температурное поле объекта измерения искажалось наименьшим образом, значение начальной температуры терморезистора подбирают равным нижнему пределу диапазона измерения, например, 35°С. С этой же целью включение питания прибора и обнуление счетчика 13 производят до установления теплового контакта с объектом измерения.

Итак, в момент обнуления счетчика 13 температура терморезистора ниже заданного начального значения. В результате на неинвертирующем входе операционного усилителя (устройства сравнения 9) потенциал выше, чем на инвертирующем. Это обуславливает высокий потенциал на его выходе. Такой потенциал является разрешающим для того, чтобы формирователь 10 сформировал импульс замыкания ключа 8 длительностью в один период сигнала опорной частоты с выхода генератора 11. Ключ 8 шунтирует верхнее плечо делителя 1, и на терморезистор 2 подается полное напряжение источника 7, следствием чего является повышение температуры терморезистора на один квант. Этому соответствует приращение напряжения на терморезисторе 2 (сравни, например, значения напряжения на терморезисторе 2 в моменты левее t₂ и правее t₃ на диаграмме фиг.5). Кроме того, небольшое приращение температуры терморезистора (и напряжения на нем) имеет место и в паузах между импульсами разогрева за счет того, что часть тепла к терморезистору поступает от объекта измерения. Период сигнала генератора 11 и напряжение источника 7 подбираются так, чтобы величина кванта приращения температуры терморезистора от импульса разогрева была существенно меньше кванта изменения температуры стабилизации, например, в 5 раз. Размер же кванта пошагового изменения температуры стабилизации естественно выбрать равной (или меньшей) допустимой погрешности дискретности результата измерения, для которой вполне допустимым значением является 0,1°С. Во время действия разогревающего импульса выходное напряжение устройства сравнения имеет низкий (на диаграмме фиг.5 отрицательный) уровень. По окончании импульса разогрева устройство сравнения оценивает текущую разность напряжений на выходе делителей 1 и 4. Если по-прежнему температура терморезистора ниже заданного начального значения, то в следующий такт устройство управления снова разрешит формирование импульса, замыкающего ключ 8. Важно заметить, что до достижения терморезистором заданного начального значения температуры счетчик 13 будет оставаться в нулевом состоянии, поэтому выходное напряжение цифроаналогового преобразователя тоже будет оставаться нулевым. Действительно, счетные импульсы с выхода генератора 11 непрерывно поступают на счетчик 12, но каждый импульс замыкания ключа 8 сбрасывает счетчик 12 в нуль. Поэтому до достижения терморезистором заданного начального значения температуры на выходе счетчика 12 не появится ни одного импульса переполнения, и все это время счетчик 13 будет оставаться в нулевом состоянии.

После того как температура терморезистора достигнет заданного начального значения, в схеме будут происходить повторяющиеся процессы пошагового приближения температуры терморезистора к измеряемому значению. Рассмотрим этот повторяющийся процесс, например, тогда, когда после очередного импульса переполнения счетчика 12 числовое содержание счетчика 13 увеличилось на единицу, и соответственно выходное напряжение цифроаналогового преобразователя 14 получило приращение на один квант, так что суммарное напряжение на неинвертирующем входе операционного усилителя стало равным U_N-1 (см. временную диаграмму фиг.5). На интервале t₁-t₂ напряжение на терморезисторе меньше заданного U_N-1, поэтому уровень выходного напряжения устройства сравнения высокий и разрешает формирование очередного импульса разогрева на интервале t₂-t₃. Так будет продолжаться до тех пор, пока при очередной оценке соотношения напряжения на терморезисторе и напряжения U_N-1 окажется, что напряжение на терморезисторе превысило заданное U_N-1. Именно такое состояние наступило в момент t₄. Потенциал на выходе устройства сравнения остается низким, формирование импульсов разогрева прекращается, счетчик 12 не обнуляется и его числовое содержание увеличивается с каждым импульсом опорной частоты. Формируется пауза, в течение которой производится оценка соотношения температур терморезистора и объекта измерения. На рассматриваемом отрезке времени температура терморезистора все еще меньше температуры объекта измерения, и поэтому идет процесс медленного нагрева терморезистора от объекта измерения. Для наглядности на диаграмме фиг.5 этот процесс показан достаточно явно, хотя в действительности при малой разности сравниваемых температур нарастание температуры терморезистора в принятом масштабе было бы менее заметным. В момент t₃ счетчик 12 в очередной раз переполняется, импульс переполнения увеличивает содержимое счетчика 13 на единицу, в результате чего заданное значение температуры стабилизации увеличивается на очередной квант и становится равным U_N (см. диаграмму фиг.5). Напряжение на терморезисторе снова оказывается меньшим заданного u_n, поэтому опять начинается процесс пошагового нагрева терморезистора. В момент t₆ напряжение на терморезисторе опять становится больше заданного U_N и опять начинается процесс оценки соотношения температур терморезистора и объекта измерения. Но в отличие от интервала t₅-t₆ на интервале t₆-t₇ соотношение сравниваемых температур поменялось, здесь температура терморезистора достигла значения, превышающего значение измеряемой температуры. Поэтому на этом интервале за счет охлаждения терморезистора напряжение на нем снижается и в момент t₇ оно сравнивается с заданным значением U_N. Срабатывает устройство сравнения, счетчик 12 сбрасывается в нуль и процесс повторяется. Поскольку интервал t₆-t₇ меньше, чем необходимо для переполнения за это время счетчика 12, то заданное значение U_N сохраняется неизменным. При неизменной измеряемой температуре в таком режиме схема остается сколь угодно долго. Неизменность числового содержания счетчика 13 является признаком того, что процесс измерения окончен, и можно снимать отсчет.

Во всех известных аналогах (имеются в виду термометры с использованием терморезисторов) реализуется метод прямого преобразования с пассивным нагревом терморезистора от объекта измерения, вследствие чего они отличаются низким быстродействием (по причинам, связанным со спецификой объекта измерения, о чем говорилось выше). Обеспечение точности устройств, реализующих метод прямого преобразования, предъявляет жесткие требования ко всем элементам и узлам, входящим в цепь преобразования. В предлагаемом изобретении реализуется метод уравновешивающего преобразования с активным нагревом терморезистора, что повышает и быстродействие, и точность измерения. В момент теплового контакта с объектом измерения температура терморезистора близка к измеряемой, поэтому вносятся минимальные искажения в температурное поле объекта (холодовое раздражение практически отсутствует). В момент же компенсации температурное поле объекта вообще не искажается в силу равенства температур терморезистора и объекта измерения.

Общее время измерения состоит из длительностей фаз нагрева терморезистора и фаз оценки соотношения его температуры и температуры объекта. Что касается общей длительности фаз нагрева, то надлежащим выбором параметров схемы (прежде всего - опорного напряжения) легко обеспечить ее значение, не превышающим десятки миллисекунд. При заданной тактовой частоте длительность фазы оценки соотношения сравниваемых температур устанавливается емкостью счетчика 12, но она не должна быть меньше определенного предельного значения, обеспечивающего достоверность оценки соотношения сравниваемых температур. Это предельное значение зависит от двух разностей в момент t₆ (момент перекомпенсации): от разности ΔT температур терморезистора и объекта измерения (она определяет скорость охлаждения терморезистора) и от разности ΔU напряжения на терморезисторе и заданного значения напряжения U_N (она определяет, на сколько должен охладиться терморезистор, чтобы сработало устройство сравнения). Логика работы устройства такова, что в момент перекомпенсации температура терморезистора всегда больше температуры объекта измерения по крайней мере на один квант, определяемый шагом изменения напряжения задатчика температуры стабилизации. Этот шаг естественно выбрать таким, чтобы ему соответствовало приращение температуры, равное допустимой погрешности дискретности отсчета. Практически абсолютное значение этой погрешности составляет, как уже отмечалось, 0,1°С. Таким образом, можно принять ΔT равным 0,1°С. Значение разности ΔU определяется приращением температуры терморезистора за счет нагрева одним импульсом длительностью, равной периоду сигнала генератора опорной частоты. Как следует из временной диаграммы, этому приращению температуры соответствует приращение напряжения на терморезисторе, существенно меньшее кванта задающего напряжения. Это означает что приращение температуры терморезистора от импульса нагрева в ν раз меньше значения ΔT. Причем ν - это в принципе произвольное число, которое можно выбирать заданием надлежащего значения периода генератора опорной частоты. Таким образом, минимально необходимое время t_мин оценки разности сравниваемых температур является решением уравнения:

где τ - это тепловая постоянная времени терморезистора. Поскольку τ_мин<<τ, то уравнение (7) можно упростить:

откуда

Таким образом, надлежащим выбором значения (можно обеспечить желаемое значение времени оценки сравниваемых температур t_мин. Это отнюдь не значит, что t_мин можно выбирать сколь угодно малым. Дело в том, что уменьшение t_мин означает уменьшение разности сравниваемых напряжений на входе устройства сравнения, т.е. повышаются требования к порогу его чувствительности. При заданной частоте генератора выбранное значение t_мин обеспечивается подбором емкости счетчика 12. Если пренебречь временем фазы нагрева (оно пренебрежимо мало по сравнению с суммарным временем фаз оценки сравниваемых температур), то общее время измерения равно

где Т_{х макс} и Т_{х мин} - граничные значения диапазона измерения температуры.

Пусть Т_{х мин}=35°C, Т_{х макс}=41°С, ΔТ=0,1°С, тогда t_изм=60t_мин. Практический опыт экспериментальной проверки ряда схемных вариантов системы стабилизации температуры терморезистора показывает, что при погрешности измерения порядка 0,1°С время измерения может составлять от одной до нескольких единиц секунд. Выше указывалось, что в момент перекомпенсации температура терморезистора (т.е. результат измерения) по крайней мере превышает значение ΔТ. Возникает вопрос: на сколько? Из изложенного выше очевидно, что это превышение может составлять не более ΔТ/ν, т.е. максимальное значение методической погрешности измерения составляет ΔТ(1+1/ν).

Литература

1. Шахов Э.К., Щеголев В.Е. Система стабилизации температуры для термоанемометров. - Измерительные преобразователи и информационые технологии. Межвузовский научный сборник, выпуск 1, Уфа, 1996, с.174-178.

2. Писарев А.П. Модель преобразователя температуры в ЧИМ-сигнал. Информационно-измерительная техника. Межвузовский сборник научных трудов. Изд-во Пензенского гос. ун-та. Выпуск 28. 2003, с.127-137.

Быстродействующий медицинский термометр, содержащий измерительную цепь в виде делителя с включенным в одно из плеч терморезистором, выход которой соединен с первым входом устройства сравнения, задатчик температуры стабилизации также в виде делителя на резисторах, выход которого соединен со вторым входом устройства сравнения, источник опорного напряжения, выход которого подключен к измерительной цепи и задатчику температуры стабилизации, ключ, контакты которого подключены к выходу источника опорного напряжения и выходу измерительной цепи, устройство сравнения, выход которого соединен с управляющим входом формирователя импульсов, включенного между генератором опорной частоты и управляющим входом ключа, отличающийся тем, что в него введены первый счетчик импульсов опорной частоты, второй счетчик импульсов переполнения первого счетчика, цифроаналоговый преобразователь, сумматор и отсчетное устройство, причем задатчик температуры стабилизации терморезистора соединен со вторым входом устройства сравнения через сумматор, выход генератора опорной частоты соединен со вторым входом сумматора через последовательно включенные первый и второй счетчики и цифроаналоговый преобразователь, выход формирователя импульсов соединен с входом сброса на нуль первого счетчика, а выход второго счетчика соединен также с входом отсчетного устройства.