МЕДИЦИНСКИЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ ТЕРМОМЕТР С ДИОДНЫМ ДАТЧИКОМ

Полезная модель относится к биомедицинской технике, а именно к устройствам для медицинской диагностики, предназначена для обеспечения измерения температуры, в частности для оценки локальной температуры биологических объектов в диапазоне от 20°С до 40°С, и может быть использована для диагностики функционального состояния человека и животного.
Локальные изменения температуры поверхности тела являются важным диагностическим показателем. Регистрация таких изменений требует применения термометров с повышенной разрешающей способностью (чувствительностью). Наиболее подходящими для этой цели являются термометры на основе полупроводниковых датчиков, в частности на основе транзисторов или диодов, преобразующих термозависимое напряжение полупроводникового перехода в выходное напряжение. Они отличаются относительно высокой линейностью температурной зависимости, большим быстродействием, низкой потребляемой мощностью, малыми габаритами и стоимостью.
Из анализа отечественных и зарубежных информационных и в том числе патентных материалов известны термометры на основе полупроводниковых транзисторных датчиков, однако они имеют существенные недостатки.
Известен диодный термометр на основе двух операционных усилителей (ОУ) с тремя источниками питания [Nezer Y. Accurate Thermometer Uses Single Quad Op Amp, Electronics, May 26, 1977, p 126]. Собственно термометр имеет датчик в виде диода, включенного в цепи обратной связи ОУ. A3, А1 и А2 задают стабильный ток через измерительный диод, чтобы изменение напряжения на диоде являлось только функцией температуры. Опорное (стабилизированное) напряжение подается на входы ОУ A3 и А4. Резистор R6 задает значение напряжения, соответствующее минимальной температуре диапазона, а резистор R10 - максимальной.
Достоинством этого термометра является питание диода стабилизированным током, независимым от напряжения на диоде, а также возможность использования стандартных ОУ с небольшим диапазоном изменения входного синфазного напряжения.
Недостатками схемы являются:
- использование в термометре двух ОУ;
- отсутствие непосредственного соединения выводов датчика температуры с шинами питания, что может потребовать использования общего экранирования двух выводов датчика;
- итерационная настройка значения коэффициента усиления ОУ, связанная с влиянием задаваемого рабочего тока диода.
По совокупности существенных признаков наиболее близким к заявляемому устройству является термометр по патенту RU №147683 (МПК А61В 5/01, G01K 7/01, опубликован 20.11.2014. Бюл. №32), схема которого представлена на фиг. 1. Прототип содержит температурный датчик, представляющий собой транзистор 1 типа n-р-n, операционный усилитель 4 (ОУ), неинвертирующий вход которого соединен с коллектором и базой транзистора 1, вторым выводом токозадающего резистора 2 и первым выводом компенсационного резистора R3. Второй вывод компенсационного резистора R3 соединен с выходом операционного усилителя (4), который является выходом термометра. Инвертирующий вход операционного усилителя 4 соединен с первым выводом резистора R6 обратной связи и первыми выводами первого и второго резисторов R5 и R7 соответственно резистивного делителя. При этом, второй вывод резистора R6 обратной связи соединен с выходом операционного усилителя 4, второй вывод первого резистора R5 резистивного делителя, эмиттер транзистора 1 и отрицательный вывод источника 9 стабилизированного напряжения соединены с общим проводом 8, а второй вывод второго резистора R7 резистивного делителя соединен с положительным выводом источника 9 стабилизированного напряжения и первым выводом токозадающего резистора R2. Иcточник стабильного напряжения соединен своим положительным выводом (длинная линия) с резисторами R2 и R7, а отрицательным выводом (короткая линия) - с общим проводом 8.
При этом значение компенсационного резистора определяется по формуле
3
2
U
R=R*(K-1),
2
U
где R - значение токозадающего резистора, K - коэффициент усиления неинвертирующего операционного усилителя с отрицательной обратной связью.
Недостатками прототипа являются:
1. Падающая линейная выходная характеристика, в схеме прототипа обеспечивает уменьшение выходного напряжения с ростом температуры, что неудобно в эксплуатации при использовании стрелочных индикаторов, поскольку пользователю удобнее иметь растущую линейную характеристику, то есть увеличение выходного напряжения с ростом температуры.
5
5
6
7
2. Сложность настройки термометра под параметры конкретного температурного датчика в заданном температурном диапазоне. Настройка носит итерационный характер и поэтому является длительной и трудоемкой операцией. Это связано с тем, что при настройке схемы под конкретно используемый температурный датчик, в данном случае, биполярный полупроводниковый триод в диодном включении, с помощью выравнивания напряжения на резисторе R, путем изменения его сопротивления до значения на переходе база-эмиттер транзистора 1 при определенной заданной крайней температуре в пределах заданного диапазона температур, одновременно происходит изменение усиления по напряжению неинвертирующего ОУ4. Другими словами, имеется взаимосвязь между заданием выходного напряжения начальной рабочей точки термометра и значением коэффициента усиления по напряжению из-за влияния всех трех резисторов R, R и R.
3
2
2
3
3
2
U
3
3. Необходимость применения в схеме прототипа в качестве компенсационного резистора R высокоомных резисторов со значениями, порядка единиц и десятков МОм. Это связано с тем, что для увеличения крутизны (коэффициента) преобразования температуры в напряжение требуется задавать большое усиление по напряжению ОУ. Кроме того, для исключения саморазогрева датчика из-за протекающего через него тока требуется снижать рабочий ток датчика от единиц до десятков мкА. При этом существенно увеличивается значение сопротивления токозадающего резистора R. Поэтому произведение сопротивления Rна коэффициент усиления приводит к необходимости увеличивать значение резистора R. При этом согласно приведенному математическому выражению [патент RU №147683] значение R представляет собой произведение R на K, вследствие чего сопротивление резистора R может достигать десятков мегом. Значение сопротивления высокоомных резисторов подвержено воздействию внешних факторов, что снижает компенсацию нестабильности тока через полупроводниковый температурный датчик от действия температуры.
4. Использование в прототипе транзистора, работающего в диодном включении, не позволяет получить высокую точность за счет необходимости дополнительного учета базового тока транзистора.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является обеспечение более высокой точности, устранение необходимости проведения итерационной настройки и исключение необходимости применения высокоомного компенсационного резистора, а также получение прямо пропорциональной (растущей) линейной выходной вольт-температурной [Вольт/°С] характеристики термометра
Полезная модель поясняется чертежами, представленными на фиг. 1 и фиг. 2. На фиг. 1 изображена схема прототипа, на фиг. 2 представлена схема заявляемого устройства, на фиг. 3 приведены зависимости выходного напряжения (верхний график) и тока диода (нижний график) от температуры.
2
3
6
7
6
7
11
12
11
12
3
12
11
2
Заявляемое устройство медицинский термометр (фиг. 2), в котором технический результат достигается за счет того, что в медицинский термометр, содержащий полупроводниковый температурный датчик 13, операционный усилитель 4, неинвертирующий вход которого соединен с точкой соединения первого вывода токозадающего резистора R и первым выводом компенсационного резистора R, инвертирующий вход соединен с первым выводом резистора отрицательной обратной связи R и первым выводом резистора R, второй вывод резистора отрицательной обратной связи R соединен с выходом операционного усилителя 4, являющимся выходом термометра, второй вывод резистора R соединен с положительным выводом источника стабилизированного напряжения 9, отрицательный вывод источника стабилизированного напряжения 9 соединен с общим проводом 8, температурный датчик 13 выполнен в виде полупроводникового диода, подключенного анодом к положительному выводу источника стабилизированного напряжения 9, а катодом - к неинвертирующему входу операционного усилителя 4, введен резистивный делитель напряжения 10, состоящий из резисторов R и R, первый вывод резистора R соединен с первым выводом резистора R, образуя выход делителя 10, соединенный со вторым выводом компенсационного резистора R, второй вывод резистора R, являющийся входом резистивного делителя напряжения 10, соединен с выходом операционного усилителя 4, второй вывод резистора R подключен к положительному выводу источника стабилизированного напряжения 9, второй вывод токозадающего резистора R подключен к общему проводу 8, введен генератор стабильного тока 14, подключенный одним выводом к инвертирующему входу операционного усилителя 4, а другим выводом - к общему проводу 8 с направлением тока к общему проводу 8, при этом значение компенсационного резистора определяется по формуле:
3
2
U
R=R*(K-1)*Kдел,
2
U
6
7
где R - значение токозадающего резистора, K=(R/R+1) - коэффициент усиления неинвертирующего операционного усилителя 4, причем коэффициент передачи делителя 10
11
11
12
Кдел=R/(R+R).
Подключение одного из выводов диодного датчика к положительному выводу источника питания обеспечивает прямо пропорциональную (растущую) линейную выходную вольт-температурную [Вольт/°С] характеристику термометра.
5
6
7
7
Использование генератора стабильного тока 14 позволило исключить итерационную настройку коэффициента усиления ОУ, вызванную шунтирующим влиянием резистора R (позиция 5 на схеме прототипа). Из-за большого выходного сопротивления генератора тока исключается его влияние на изменение коэффициента передачи усилителя и, следовательно, на величину коэффициента передачи термометра [Вольт/°С], задаваемую в этом случае только двумя резисторами R и R. Подстройка напряжения на резисторе R, равного напряжению на температурном датчике (диоде) 13, осуществляется с помощью изменения тока генератора стабильного тока 14.
3
Введение резистивного делителя 10 позволило значительно уменьшить расчетное значение компенсационного резистора R и повысить при этом стабильность работы термометра.
Замена транзистора на диод позволила повысить точность работы термометра, поскольку исключается влияние базового тока транзисторного температурного датчика.
Предложенное устройство работает следующим образом.
2
7
Рабочий ток температурного датчика (диода) 13 задается с помощью выбора номинала резистора R. По вольт-амперной характеристике диода при заданной начальной температуре Тнач и выбранном значении тока диода находится соответствующее ему напряжение Uпр. Подстройкой значения тока генератора стабильного тока 14 обеспечивается падение напряжения на резисторе R, равное напряжению Uпp температурного датчика (диода) 13. При этом выходное напряжение Uвых термометра на выходе операционного усилителя 5 соответствует задаваемой начальной температуре Тнач. Необходимый коэффициент передачи или крутизна характеристики преобразования температуры в напряжение [Вольт/°С] задается с помощью изменения только резистора обратной связи 6, чем исключается итерационная настройка термометра.
Выходное напряжение термометра Uвых делится резистивным делителем напряжения 10 и уменьшенное выходное напряжение подается на компенсационный резистор R3. Значение компенсационного резистора определяется по формуле
3
2
U
R=R*(K-1)*Kдел,
2
U
6
7
где R - значение токозадающего резистора, K=(R/R+1) - коэффициент усиления неинвертирующего операционного усилителя, коэффициент передачи делителя 10
11
11
12
Кдел=R/(R+R).
Таким образом, достигается технический результат предложенной полезной модели, состоящий в обеспечении более высокой точности, в устранении необходимости проведения итерационной настройки и исключении необходимости применения высокоомного компенсационного резистора, а также получении прямо пропорциональной (растущей) линейной выходной вольт-температурной [Вольт/°С] характеристики термометра.