Способ итерационного терморезистивного измерения температуры

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. Известно, что термисторы (полупроводниковые термосопротивления) в силу малых габаритов и массы обладают малой собственной постоянной времени - порядка секунды и меньше. Однако реально время установления температуры термистора, равной (с приемлемой погрешностью) температуре поверхностного слоя кожного покрова, исчисляется минутами. Объясняется этот феномен особенностями механизма теплообмена организма с окружающей средой. Обычно начальная температура чувствительного элемента термометра равна температуре окружающей среды, которая, естественно, ниже температуры тела. Поэтому при касании термочувствительного элемента с поверхностью кожного покрова происходит холодовое раздражение соответствующего участка кожного покрова. В ответ на холодовое раздражение сосуды поверхностного сплетения, как правило, суживаются, а глубокого, наоборот, расширяются. Это ведет к снижению температуры наружных слоев кожи, а следовательно, к уменьшению теплоотдачи. Т.е. организм как бы теплоизолируется от холодного предмета.

Как решается данная проблема до настоящего времени? Во-первых, применением бесконтактных датчиков температуры. Наиболее или даже исключительно применяемьм 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°С) 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 [1], 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 предлагаемом способе итерационного терморезистивного измерения температуры, основанном на активном нагреве терморезистора, находящегося в тепловом контакте с объектом, согласно предлагаемому изобретению, после теплового контакта с объектом измерения определяют значения T₁, Т₂, Т₃ температуры терморезистора на границах двух одинаковых последовательных интервалов времени длительностью Δt, меньшей тепловой постоянной времени терморезистора, вычисляют первую оценку измеряемой температуры по формуле

,

импульсом тока нагревают терморезистор до температуры, равной T_x1-ΔТ, где ΔТ - величина, равная максимальной погрешности первой оценки, определяют значения Т₄, Т₅ температуры терморезистора на границах интервала длительностью Δt, примыкающего к заднему фронту импульса нагрева, вычисляют вторую оценку измеряемой температуры по формуле

,

где , импульсом тока нагревают терморезистор до температуры, равной Т_х2-ΔТ, определяют значения Т₆, Т₇ температуры терморезистора на границах интервала длительностью Δt, примыкающего к заднему фронту второго импульса нагрева, вычисляют третью оценку измеряемой температуры по формуле

которую и принимают за измеренное значение температуры объекта.

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 4 нагревающего тока (ИНТ), ключа 5 (Кл) и терморезистора 6 (R_t), и микроконтроллер 8 (МК), у которого цифрами 10 и 11 обозначены соответственно выход шины управления ключом 5 и вход АЦП. Причем терморезистор 6 через ключ 5 подключен к выходу источника 4 нагревающего тока, управляющий вход которого соединен с выходом 10 шины управления микроконтроллера 8, и 11 АЦП которого подключены к выходу измерительной цепи 1.

Полагаем, что измерение реализуется программно. Микроконтроллер 8 служит как устройством управления, так и устройством оценки значения напряжения на выходе ИЦ 1. Процесс измерения поясняется временной диаграммой на фиг.2, где прямой 12 представлена измеряемая температура Т_х, кривой 13 - температура терморезистора и кривой 14-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 микроконтроллера пересчитывается в значение T₁ температуры терморезистора, соответствующей моменту t₁. По прошествии заданного интервала Δt (момент t₂, фиг.2) аналогично определяется температура Т₂. По прошествии еще одного интервала Δt (момент t₂, 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_x, 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) и учитывая, что ΔT₁=T₂-T₁, ΔТ₂=T₃-T₂, получим формулу (1).

Значение k, полученное по формуле (5), не учитывает погрешности определения значений ΔT₁ и ΔТ₂ и использовалось лишь для вывода формулы (1). Поэтому реально значение k определяем из выражения

откуда следует

Ключ 5 размыкается в момент t₄, когда температура терморезистора достигла значения T₄=T_x1-ΔT, где ΔТ - величина, превышающая максимально возможную ошибку определения первой оценки T_x1 измеряемой температуры. Конкретное значение ΔT не имеет принципиального значения, например оно может быть принято равным 10ΔT_кв, где ΔТ_кв - основная составляющая погрешности оценки T_х1 значения измеряемой температуры, обусловленная ошибкой квантования АЦП микроконтроллера. Далее на интервале от t₄ до t₆ происходят те же самые процессы, что и на интервале от t₂ до t₄. Т.е. определяется значение T₅ температуры термористора в момент t₅, вычисляется вторая оценка Т_х2 температуры объекта, терморезистор нагревают до температуры T₆=T_x2-ΔT. Оценка производится по формуле, отличной от (1). На интервале от t₄ до t₅ имеем

где

это величина, которая была определена на первом этапе по формуле (8).

Из (9) находим уточненное значение T_x2

На интервале от t₆ до t₇ имеем

Из (12) находим уточненное значение Т_х3

Очевидно, что третья оценка будет точнее второй, так как значения Т₇, Т₆ известны с точностью, определяемой разрядностью АЦП микроконтроллера, т.е. определяем с погрешностью оценки величины коэффициента k уже не само значение температуры, а его приращение, выражаемое вторым слагаемым формулы (13).

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, приведенную к шкале температуры (в данном случае она равна 41-20=21°С), и разрядность АЦП (в данном случае она равна 11). 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 остальных текстовых окнах средней панели выводятся значения трех последовательных оценок температуры объекта, полученных в соответствии с вышеизложенным алгоритмом с учетом ошибки квантования АЦП микроконтроллера. 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 0,07°С.

Время измерения температуры с использованием предлагаемого способа напрямую зависит от параметров терморезистора. Если использовать в качестве терморезистора термисторы, например, типа В57311V 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.

Литература

1. 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 T₁, T₂, Т₃ температуры терморезистора на границах двух одинаковых последовательных интервалов времени длительностью Δt, меньшей тепловой постоянной времени терморезистора, вычисляют первую оценку измеряемой температуры по формуле

,

импульсом тока нагревают терморезистор до температуры, равной T_x1-ΔТ, где ΔТ - величина, равная максимальной погрешности первой оценки, определяют значения Т₄, Т₅ температуры терморезистора на границах интервала длительностью Δt, примыкающего к заднему фронту импульса нагрева, вычисляют вторую оценку измеряемой температуры по формуле

где импульсом тока нагревают терморезистор до температуры, равной Т_x2-ΔТ, определяют значения Т₆, Т₇ температуры терморезистора на границах интервала длительностью Δt, примыкающего к заднему фронту второго импульса нагрева, вычисляют третью оценку измеряемой температуры по формуле

которую и принимают за измеренное значение температуры объекта.