Способ итерационного терморезистивного измерения температуры

Изобретение относится к медицинской технике, в частности - к методам измерения температуры, и направлено на повышение быстродействия измерения температуры. Способ основан на активном нагреве терморезистора, находящегося в тепловом контакте с объектом измерения. Повышение быстродействия достигается тем, что после теплового контакта с объектом измерения определяют значения Т₁, Т₂, Т₃ температуры терморезистора на границах двух одинаковых последовательных интервалов времени длительностью Δt₁, меньшей тепловой постоянной времени терморезистора, вычисляют первую оценку измеряемой температуры по формуле импульсом тока нагревают терморезистор до температуры на 1-2°С выше значения Т_х1, определяют значения Т₄, Т₅, Т₆ температуры терморезистора на границах двух последовательных интервалов длительностью Δt₂<Δt₁, примыкающих к заднему фронту импульса нагрева, и вычисляют значение измеряемой температуры по формуле

где 3 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для измерения температуры живых теплокровных организмов и прежде всего - температуры человеческого тела.

Одной из актуальных проблем медицинского приборостроения является проблема быстрого измерения температуры человека. Сложность решения данной проблемы объясняется спецификой живого организма как объекта измерения температуры [1]. Как решается данная проблема до настоящего времени? Во-первых, применением бесконтактных датчиков температуры. Наиболее или даже исключительно применяемым для этих целей является датчик инфракрасного излучения. Цифровые инфракрасные термометры выпускаются рядом зарубежных фирм. Можно назвать, например, известную японскую фирму OMRON, выпускающую ушной инфракрасный цифровой термометр ТЕМ-004, время измерения у которого составляет 1 сек. Термометр "ThermoTek" модели 820 израильской фирмы "SAAT" предусматривает измерение температуры лобной части головы человека. Поскольку она существенно отличается от температуры ядра тела, в приборе производится автоматическое введение поправки, так что измеренное значение соответствует оральной температуре. Недостатками инфракрасных термометров являются относительно высокая стоимость и низкая точность. Имеются и кондуктивные варианты цифровых термометров, обеспечивающих сравнительно высокое быстродействие. Примером может служить термометр "ThermoTek" модели 0482 той же израильской фирмы "SAAT". Термометр обладает достаточно высокими точностью (погрешность согласно стандарту ASTM Е 1112-98 не более ±0,1°C) и быстродействием (время измерения порядка 10 сек). Внешний вид прибора показывает, что разработчиками были приняты все необходимые меры для уменьшения собственной постоянной времени термометра. С этой целью в качестве датчика применен термистор, который помещен на кончике длинного имеющего малое поперечное сечение держателя, что уменьшает отток тепла в окружающую среду через корпус термометра.

Примерно аналогичные характеристики имеет цифровой термометр ТЕМ-003 японской фирмы OMRON.

Из известных наиболее близким по технической сущности является компенсационный способ измерения температуры [2], основанный на пошаговом изменении температуры терморезистора, находящегося в тепловом контакте с объектом измерения, от значения, несколько превышающего верхний предел диапазона измерения температуры, до значения, отличающегося от температуры объекта измерения на величину, не превышающую допустимого значения, путем изменения уставки системы стабилизации температуры терморезистора.

Основной недостаток способа-прототипа состоит в том, что скорость изменения уставки системы стабилизации температуры терморезистора не должна превышать скорости естественного охлаждения терморезистора, зависящей от разности температур терморезистора и объекта измерения. Поскольку скорость естественного охлаждения зависит от разности температур терморезистора и объекта измерения, то при подходе к состоянию баланса температур происходит все большее замедление скорости охлаждения. Это обуславливает низкое быстродействие, достигаемое при использовании способа-прототипа, особенно при высокой требуемой точности измерения. Кроме того, недостатком способа-прототипа является достаточно сложная реализация из-за наличия такого узла, как система стабилизации температуры терморезистора.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение быстродействия и упрощение реализации.

В способе итерационного терморезистивного измерения температуры, основанном на активном нагреве терморезистора, находящегося в тепловом контакте с объектом измерения, согласно предлагаемому изобретению после теплового контакта с объектом измерения определяют значения T₁, T₂, Т₃ температуры терморезистора на границах двух одинаковых последовательных интервалов времени длительностью Δt₁, меньшей тепловой постоянной времени терморезистора, вычисляют первую оценку измеряемой температуры по формуле

импульсом тока нагревают терморезистор до температуры на 1-2°С выше значения T_x1, определяют значения T₄, T₅, Т₆ температуры терморезистора на границах двух последовательных интервалов длительностью Δt₂<Δt₁, примыкающих к заднему фронту импульса нагрева, и вычисляют значение измеряемой температуры по формуле

где

Пример функциональной схемы устройства, реализующего предлагаемый способ, представлен на фиг.1. На фиг.2 приведена временная диаграмма работы устройства. На фиг.3 изображено окно программы, реализующей имитационную модель устройства.

Функциональная схема (фиг.1) включает измерительную цепь 1 (ИЦ), состоящую из источника 2 опорного тока (ИОТ), резистора 3 (R_o), источника 4 нагревающего тока (ИНТ), ключа 5 (Кл) и терморезистора 6 (R_t), дифференциальный усилитель 7 (ДУ), микроконтроллер 8 (МК), отсчетное устройство 9, цифрами 10 и 11 обозначены соответственно выход шины управления ключом 5, вход АЦП микроконтроллера. Причем терморезистор 6 подключен к выходу источника 4 нагревающего тока через ключ 5, управляющий вход которого соединен с выходом 10 шины управления микроконтроллера 5, выходы измерительной цепи 1 подключены ко входам дифференциального усилителя 7, выход которого соединен с входом 11 АЦП микроконтроллера 8.

Полагаем, что измерение реализуется программно. Микроконтроллер 8 служит как устройством управления, так и устройством оценки значения напряжения на выходе дифференциального усилителя 7. Процесс измерения поясняется временной диаграммой на фиг.2, где прямой 9 представлена измеряемая температура Т_х, кривой 10 - температура терморезистора и кривой 11 - импульсы нагревающего тока. Для определенности полагаем, что перед началом измерения температура терморезистора равна температуре окружающей среды (хотя это не является условием, ограничивающим реализацию способа). Температура окружающей среды обозначена на фиг.2 через Т_c. Источник опорного тока 2 и резистор 3 задают начало отсчета напряжения на терморезисторе 6, так как на вход АЦП микроконтроллера 8 поступает разность падений напряжения на терморезисторе 6 и резисторе 3, усиленная дифференциальным усилителем 7. Обеспечивается тепловой контакт терморезистора с объектом измерения. По команде микроконтроллера 8 (фиг.1) ключ 5 замыкается (момент t₁ фиг.2) на короткий интервал, равный времени установления выходного напряжения УВХ (устройства выборки и хранения), который обычно включается на входе АЦП микроконтроллера. Выходной код АЦП пересчитывается в значение T₁ температуры терморезистора, соответствующей моменту t₁. По прошествии заданного интервала Δt (момент t₂ фиг.2) аналогично определяется температура T₂. По прошествии еще одного интервала Δt (момент t₃ фиг.2) ключ 5 замыкается. В момент t₃ определяется температура Т₃ терморезистора.

По трем значениям температуры термистора T₁, T₂, Т₃ определяется первая оценка T_x1 (грубая, так как интервалы Δt короткие и поэтому соответствующие приращения температуры терморезистора также малы) температуры объекта

Формула (1) получена следующим образом. Если терморезистор имеет начальное значение температуры Т_н и находится в тепловом контакте с объектом измерения, имеющим температуру Т_х, то приращение температуры терморезистора за интервал времени Δt (в процессе пассивного теплообмена) выражается известным соотношением

где τ - постоянная времени терморезистора, характеризующая его тепловую инерционность. Т.е. при заданном интервале времени Δt приращение температуры терморезистора прямо пропорционально начальной разнице температур терморезистора и объекта измерения.

Если Δt=t₃-t₂=t₅-t₄=Const, то, введя обозначение для приращений ΔT₁ и ΔТ₂ (см. фиг.2) в соответствии с выражением (2) получим:

Вычтем (4) из (3):

ΔT₁-ΔT₂=(T₂-T₁)k,

откуда для коэффициента k получим

Согласно (4)

Подставив (5) в (6), получим формулу (1).

Ключ 5 размыкается в момент t₄, когда температура терморезистора достигла значения T₄=T_x1+ΔT, где ΔT принимается равной 1-2°С. Конкретное значение ΔT не имеет принципиального значения, главное, чтобы выполнялось неравенство Т₄>Т_х. Далее на интервале от t₄ до t₆ происходят те же самые процессы, что и на интервале от t₂ до t₄. Разница лишь в том, что на этом интервале происходит процесс охлаждения терморезистора. Известно, что при одной и той же разнице температур стороннего предмета (в данном случае - терморезистора) и объекта измерения (в данном случае - тела человека) скорости процессов пассивного охлаждения (температура терморезистора выше температуры объекта измерения) и пассивного нагрева (температура терморезистора ниже температуры объекта измерения) различаются не менее чем на порядок [1]. Поэтому длительность интервалов между отсчетами в процессе охлаждения может быть существенно меньше, чем при нагреве (напомним, что от длительности рассматриваемых интервалов зависит величина приращения температуры терморезистора и, следовательно, погрешность их определения). На фиг.2 длительности интервалов между отсчетами в процессах нагрева и охлаждения отличаются в два раза. Итак, определяются значения T₅ и T₆ температуры терморезистора в моменты t₅ и t₆ и вычисляется вторая оценка T_x2 температуры объекта

где k₁ вычисляется по формуле, аналогичной (5), а именно

Для исследования процесса измерения температуры по предлагаемому способу программными средствами была создана имитационная модель термометра. Интерфейс программы представлен на фиг.3. Элементы интерфейса на верхней панели «Параметры модели» окна программы позволяют устанавливать значение отношения Δt/τ (в данном случае оно равно 0,1), ширину диапазона преобразования АЦП микроконтроллера 8, приведенную к шкале температуры (в данном случае она равна 41-20=21°С), разрядность АЦП (в данном случае она равна 11), добавку к значению первой оценки (в данном случае она равна 1), отношение постоянных времени нагрева и охлаждения (в данном случае она равна 10). На средней панели «Результаты разового измерения» с помощью текстового окна с обозначением «Тх» можно вводить значение измеряемой температуры (в данном случае 38°С). В текстовое окно с обозначением «Первая оценка Тх без учета квантования» выводится значение первой оценки температуры объекта измерения, вычисленное по формуле (1) с точностью, которую обеспечивает компьютер. Как видно, ошибка определения измеряемой температуры по формуле (1) практически отсутствует, что свидетельствует о методической корректности этой формулы. В текстовое окно с меткой «Первая оценка Тх с учетом квантования» выводится значение измеряемой температуры, вычисленное по формуле (1) при значениях T₁, Т₂, Т₃, полученных с учетом ошибки квантования АЦП микроконтроллера 8. В текстовое окно с меткой «Температура нагрева» выводится значение первой оценки температуры плюс добавка. Наконец, в текстовое окно с меткой «Результат измерения» выводится полученное значение температуры объекта измерения. На нижней панели приведен график изменения погрешности измерения по диапазону измерения от 37 до 41°С. Как видно, при принятых параметрах модели (вполне приемлемых при практической реализации способа) максимальная абсолютная погрешность не превышает 0,015°С.

Время измерения температуры с использованием предлагаемого способа напрямую зависит от параметров терморезистора. Если использовать в качестве терморезистора термисторы, например, типа В5731 IV фирмы «EPCOS», у которых тепловая инерционность характеризуется постоянной времени порядка 4 секунд, то при выборе отношения Δt/τ=0,1 общее время измерения не превысит 1,5 секунд. На самом деле время измерения будет еще меньше, так как указанная паспортная величина постоянной времени относится к условиям теплообмена на воздухе. Эта постоянная существенно уменьшается при тепловом контакте термистора с телом человека.

Литература

1. Шахов Э.К., Акинин В.В., Долгова И.А. Особенности измерения параметров жизнедеятельности человеческого организма. // Вестник Самарского государственного технического университета, серия «Технические науки», выпуск 33, Самара, 2005, с.279-283.

2. Шахов Э.К. Компенсационный способ измерения температуры. Патент РФ №2257553. Опубликовано: 27.07.2005. Бюл. №21.

Способ итерационного терморезистивного измерения температуры, основанный на активном нагреве терморезистора, находящегося в тепловом контакте с объектом измерения, отличающийся тем, что после теплового контакта с объектом измерения определяют значения Т₁, Т₂, Т₃ температуры терморезистора на границах двух одинаковых последовательных интервалов времени длительностью Δt₁, меньшей тепловой постоянной времени терморезистора, вычисляют первую оценку измеряемой температуры по формуле

импульсом тока нагревают терморезистор до температуры на 1-2°С выше значения Т_х1, определяют значения Т₄, Т₅, Т₆ температуры терморезистора на границах двух последовательных интервалов длительностью Δt₂<Δt₁, примыкающих к заднему фронту импульса нагрева, и вычисляют значение измеряемой температуры по формуле

где