Устройство для локального измерения температуры

Устройство для локального измерения температуры

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к измерительной технике, преимущественно к медицинской диагностике, и предназначено для неинвазивного измерения температуры частей тела и внутренних органов биообъекта при контакте с поверхностью.

В последнее время методы диагностики с использованием информации о температуре отдельных частей тела или распределения поля температур по поверхности тела или внутренних органов получают все более широкое распространение. Эти методы имеют широкую область применения, используются для диагностики широкого круга заболеваний и патологических состояний, являются неинвазивными, не травмируют пациента и не требуют использования сложной аппаратуры.

Так, посредством электротермии возможно дать ранний прогноз глубины отморожения тканей (см. патент России №2183423). Посредством измерения температуры поверхности кожи пациента в ряде точек в динамическом режиме возможно провести маммографирование (см. патент России №2210313). Путем измерения температуры в нескольких зонах кожных покровов тела, расположенных на протяжении от центральных его отделов к периферическим, возможно снять информацию о реакции организма на дозированное внешнее воздействие (см. патент России №2164076).

Известно множество устройств для получения информации о локальной температуре частей тела и внутренних органов. Так, известен медицинский термометр (опубликованная заявка №94024876), в котором в тепловом контакте с поверхностью тела находится чувствительный элемент с резистивным слоем, нанесенным на диэлектрическую пластину из материала с высокой теплопроводностью, на обратной стороне которой расположен полупроводниковый датчик температуры и выполнены контактные площадки, к которым присоединены выводы датчика. Термометр снабжен электронным блоком с цифровой индикацией. Термометр обеспечивает высокую точность измерения температуры. Однако для повышения температуры чувствительного элемента от температуры окружающей среды до температуры контролируемого объекта требуется определенное время, величина которого достаточно велика для использования такого термометра при хирургическом и особенно гипертермическом воздействии.

Известен также электронный термометр (патентный документ SU 1795307), используемый для измерения температуры в медицине, в котором имеются термочувствительный элемент в виде пленочного полупроводникового терморезистора на подложке, его нагреватель, расположенный на противоположной стороне подложки параллельно терморезистору, источник питания нагревателя, блок регистрации и индикатор. При настройке электронного термометра выходные параметры нагревателя задаются таким образом, чтобы в рабочем диапазоне температур температура нагревателя поддерживалась примерно постоянной. Однако в известном изобретении погрешность и время измерения тем выше, чем больше отклонения температуры участка тела от температуры в термометре.

Известно устройство для локального измерения температуры частей тела (патент России №2158106), состоящее из термочувствительного элемента и нагревателя в виде единого полупроводникового монокристалла, работающего в режиме собственной проводимости, и включающее блоки регистрации и формирования режимов подогрева и индикации, соединенные с источником питания. Изобретение обеспечивает повышение точности, стабильности и повторяемости результатов. Однако известное решение требует использование собственной нагревательной схемы и сложной обработки результатов измерения.

Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является устройство по патентному документу SU 1597602. Известное устройство представляет собой цифровой измеритель температуры и направлено на решение задачи повышения точности измерителей с линейной градуировочной характеристикой. Устройство содержит источник тока, термометр сопротивления, включенный по четырехпроводной схеме, резисторы, операционный усилитель, аналого-цифровой преобразователь. Выходной сигнал измерителя пропорционален измеряемой температуре и не зависит от величины измерительного тока, проходящего через термометр сопротивления. Схема известного измерителя позволяет компенсировать технологический разброс аддитивной и мультипликативной составляющих градировочной характеристики термопреобразователя. Однако данное изобретение не может быть использовано с датчиками, имеющими нелинейные градировочные характеристики, в частности с платиновыми термометрами сопротивления.

Поэтому встала потребность создания устройства для локального измерения температуры частей тела, которое может использовать различные датчики и, в частности, датчики с нелинейными градировочными характеристиками.

Технический результат, достигаемый при использовании заявленного изобретения по сравнению с ближайшим аналогом, состоит в повышении точности измерений локальной температуры частей тела с использованием датчика с нелинейной градировочной характеристикой.

Технический результат достигается за счет того, что в устройстве для локального измерения температуры, включающем температурный датчик, выполненный в виде резистивного датчика, подключенного по трехпроводной схеме, управляемый генератор тока, масштабирующий усилитель баланса моста, сумматор, аналого-цифровой преобразователь, первый - третий резисторы, жидкокристаллический индикатор и соединенный с ним и шинами питания монитор питания, первый вывод температурного датчика соединен с выходом управляемого генератора тока, связанного с отрицательной шиной питания, первым входом сумматора и первым сигнальным входом аналого-цифрового преобразователя, второй вывод температурного датчика подключен к первому входу масштабирующего усилителя баланса моста, а третий вывод температурного датчика - к первому резистору, второй управляющий выход масштабирующего усилителя баланса моста подключен к входу управляемого генератора тока, а третий его выход - к точке соединения второго и третьего резисторов, второй вывод второго резистора связан с вторым выводом первого резистора, положительной шиной питания и вторым входом сумматора, а второй вывод третьего резистора заземлен, при этом выход сумматора связан с первым входом опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя, группа выходов которого подключена к группе входов жидкокристаллического индикатора. Температурный датчик представляет собой платиновый термометр сопротивления.

Сущность изобретения далее поясняется со ссылками на позиции чертежа, где изображена принципиальная схема устройства для локального измерения температуры.

Устройство для локального измерения температуры содержит температурный датчик 1, выполненный в виде платинового термометра сопротивления (резистивного датчика температуры), включенного по трехпроводной схеме, первый - третий резисторы R1-R3, первый из которых выполнен в виде настраиваемого резистора (потенциометра) для осуществления настройки на величину сопротивления, равную сопротивлению датчика 1 при нулевой температуре, а второй - третий резисторы образуют мостовую схему. Далее устройство включает управляемый генератор тока 2, масштабирующий усилитель 3 для осуществления баланса моста, сумматор 4, аналого-цифровой преобразователь 5, жидкокристаллический индикатор 6, на котором присутствует информация о знаке измеряемой температуры, монитор питания 7, плюсовую и минусовую шины напряжения питания +Еп и -Еп. Управляемый генератор тока 2 формирует по сигналу масштабирующего усилителя баланса моста 3 необходимый ток через датчик 1. Масштабирующий усилитель баланса моста 3 формирует сигнал для управляемого генератора тока 2 и создает инверсное напряжение UBX, пропорциональное сопротивлению на датчике 1 и напряжению питания моста с коэффициентом К1. Сумматор суммирует напряжение питания Еп и Uвх с настраиваемым коэффициентом К3 и формирует опорное напряжение АЦП Uоп с настраиваемым коэффициентом К2. Резисторы R2, R3 имеют одинаковую величину сопротивления и подбираются для более точной установки резистора R1 в точке нулевой температуры датчика 1.

Жидкокристаллический индикатор 6 (см., например, Бобылев Ю.П. и др. Современные методы и устройства отображения информации, М., 1981) соединен с монитором питания 7, который подключен к шинам питания. Первый вывод температурного датчика 1 соединен с выходом управляемого генератора тока 2, связанного с отрицательной шиной питания, первым входом сумматора 4 и первым сигнальным входом аналого-цифрового преобразователя 5, второй вывод температурного датчика 1 подключен к первому входу масштабирующего усилителя баланса моста 3, а третий вывод температурного датчика 1 - к первому резистору. Второй управляющий выход масштабирующего усилителя баланса моста 3 подключен к управляемому генератору тока 2. Третий его выход подключен к точке соединения второго и третьего резисторов, второй вывод второго резистора связан с вторым выводом первого резистора, положительной шиной питания и вторым входом сумматора 4. Второй вывод третьего резистора заземлен. Выход сумматора 4 связан с первым входом опорного напряжения +Uоп аналого-цифрового преобразователя 5, группа выходов которого подключена к группе входов жидкокристаллического индикатора 6. Сумматор 4, второй вывод опорного напряжения и второй сигнальный вывод -Uвх аналого-цифрового преобразователя 5, а также монитор питания 7 заземлены.

Устройство для локального измерения температуры работает следующим образом.

При изменении температуры контролируемого объекта сопротивление резистивного датчика 1 изменяется, следовательно, изменяется напряжение на нем. Напряжение Uвх на сигнальных входах аналого-цифрового преобразователя 5 будет пропорционально

где K1 - настраиваемый коэффициент усиления масштабирующего усилителя баланса моста,

En - напряжение питания,

Rt - величина, пропорциональная сопротивлению датчика 1 при температуре t,

Rto - величина, пропорциональная сопротивлению датчика 1 при температуре 0°С.

Скобку в уравнении (1) обозначим как ΔRt.

Аналого-цифровой преобразователь 5 реализует выполнение операции деления значения напряжения на сигнальных входах на значение напряжения на входах опорного напряжения, которое определяется формулой

где К2, К3 - настраиваемые коэффициенты.

Известно, что выходной код N аналого-цифрового преобразователя с двухтактным интегрированием равен

где No - коэффициент преобразования аналого-цифрового преобразователя 5.

Напряжение Nx преобразуется в цифровой код (пропорционально измеряемой температуре) и подается на управляющий цифровой жидкокристаллический индикатор 6.

Подставив в уравнение (3) уравнение (1), (2) и осуществив ряд алгебраических преобразований, получим выражение (4) в следующем виде:

Из уравнения 4 видно, что влияние напряжения питания исключается, уравнение имеет вид математической модели типа:

Путем несложных вычислений на ЭВМ можно найти такие значения А и В, при которых погрешность равна нулю в трех точках измерения, изменяет знак при переходе через точку Rto и имеет равные модули максимальных значений.

В предложенном техническом решении при использовании платинового термометра сопротивления благодаря введению управляемого генератора тока 2, масштабирующего усилителя баланса моста 3 и сумматора 4 погрешность измерения, обусловленная нелинейностью градуировочной характеристики, не превышает по абсолютной величине 0,2°С в диапазоне температур от -50°С до +200°С, что подтвердили и проведенные экспериментальные исследования.

Изобретение имеет следующие преимущества:

обеспечивает высокую чувствительность измерения температуры различных участков тела за короткие промежутки времени, позволяет использовать любые датчики, в том числе и с нелинейными градуировочными характеристиками.

1. Устройство для локального измерения температуры, включающее температурный датчик, выполненный в виде резистивного датчика, подключенного по трехпроводной схеме, управляемый генератор тока, масштабирующий усилитель баланса моста, сумматор, аналого-цифровой преобразователь, первый - третий резисторы, жидкокристаллический индикатор и соединенный с ним и шинами питания монитор питания, при этом первый вывод температурного датчика соединен с выходом управляемого генератора тока, связанного с отрицательной шиной питания, первым входом сумматора и первым сигнальным входом аналого-цифрового преобразователя, второй вывод температурного датчика подключен к первому входу масштабирующего усилителя баланса моста, а третий вывод температурного датчика к первому резистору, второй управляющий выход масштабирующего усилителя баланса моста подключен ко входу управляемого генератора тока, а третий его выход к точке соединения второго и третьего резисторов, второй вывод второго резистора связан со вторым выводом первого резистора, положительной шиной питания и вторым входом сумматора, а второй вывод третьего резистора заземлен, при этом выход сумматора связан с первым входом опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя, группа выходов которого подключена к группе входов жидкокристаллического индикатора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что температурный датчик представляет собой платиновый термометр сопротивления.