ЭЛЕКТРОННЫЙ ТЕРМОМЕТР ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕЛА

Область техники
Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к электронному термометру для непрерывного мониторинга температуры тела и беспроводной передачи данных, синхронизированного с мобильным приложением и облачным сервисом. Термометр может применяться в стационарных и лабораторных лечебно-профилактических учреждениях, а также в домашних условиях для личного пользования с целью непрерывного мониторинга и измерения температуры.
Уровень техники
Широко известны электронные термометры, которые могут точно измерять температуру тела путем восприятия, находится ли человеческое тело в контакте с блоком измерения температуры, в котором расположен температурный датчик (например, RU 2497441 C2).
Для более точного восприятия температуры человеческого тела используют термометры с вынесенными термочувствительными элементами, температура с которых считается с помощью микросхем. Например, такие электронные термометры известны из KR 20210018088 A, JP 2021018152 A, CN 212539464 U, CN 211668666 U, CN 112129423 A. Однако, что касается электронных термометров данного вида, несмотря на их доступную коммерческую цену и их малые размеры, в связи с близким расположением измерительной и вычислительной частей, возникает погрешность из-за нагрева печатной платы, что приводит к возможной погрешности измерения температуры.
Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели является электронный беспроводной термометр, раскрытый в патентном документе CN 211668666 U. Термометр состоит из термоизмерительного слоя, прикрепляемого на гибкую печатную плату, и съемного патча, прикрепляемого к термоизмерительному слою. При этом на печатной плате размещены модуль контроля температуры и блок управления электропитанием, аккумуляторная батарея и модуль передачи данных на удаленное устройство.
Несмотря на то, что конфигурация такого электронного термометра удобна в использовании, коммерчески доступна и безопасна, возможны погрешности в измерении из-за нагрева печатной платы.
Суть полезной модели
Задачей настоящей полезной модели является разработка электронного термометра, который позволит точно и непрерывно измерять температуру тела контактным методом в течение длительного периода.
Техническим результатом, достигаемым при использовании полезной модели, является повышение точности измерения по сравнению с существующими аналогами.
Технический результат достигается за счет того, что электронный термометр для непрерывного измерения температуры пользователя включает расположенные последовательно в осевом направлении в полом пластиковом корпусе: печатную плату управления (3), на которой смонтирована коммуникационная микросхема (4); печатную плату датчика температуры (8), которая имеет удлиненную часть и измерительную часть, при этом на измерительной части печатной платы датчика температуры смонтирована микросхема датчика температуры для регистрации данных о температуре пользователя и передачи их на коммуникационную микросхему (4) на плате управления (3) для обработки данных о зарегистрированной температуре; металлическую мембрану (11) для соприкосновения с измеряемой областью пользователя и для передачи тепловой энергии между пользователем и микросхемой датчика температуры; при этом измерительная часть печатной платы датчика температуры (8) и металлическая мембрана (11) выполнены в форме, обеспечивающей плотное соприкосновение всей площади поверхности измерительной части печатной платы датчика температуры (8) и мембраны (11), а электрический контакт между двумя платами (3, 8) осуществляется посредством проводников, проходящих по удлиненной части печатной платы датчика температуры (8).
При этом проводники являются медными.
При этом между печатной платой управления (3) и печатной платой датчика температуры (8) расположена аккумуляторная батарея (6), электрически связанная с микросхемой управления зарядом аккумуляторной батареи и преобразования напряжения питания, смонтированной на плате управления (3), при этом микросхема управления зарядом аккумуляторной батареи и преобразования напряжения питания электрически связана с коммуникационной микросхемой (4).
Кроме того, на измерительной части печатной платы датчика температуры (8) смонтирован емкостной датчик приближения, а на плате управления (3) смонтирована микросхема емкостного датчика приближения для обработки сигнала с емкостного датчика приближения, электрически связанная с коммуникационной микросхемой (4).
Кроме того, корпус электронного термометра имеет верхнюю часть (1) и нижнюю часть (10), причем в нижней части корпуса (10) расположен зарядный интерфейс, электрически связанный с коммуникационной микросхемой (4), аккумуляторной батареей (6) и микросхемой управления зарядом аккумулятора и выполненный в виде четырех контактных площадок (9) для заряда аккумуляторной батареи (6).
При этом металлическая мембрана (11) закреплена в нижней части (10) корпуса и выходит за его пределы.
Причем коммуникационная микросхема (4) выполнена с возможностью управления электропитанием, зарядом аккумуляторной батареи, емкостным датчиком приближения, светодиодами, звуковым излучателем, передачей данных на удаленное устройство.
При этом нижняя части корпуса (10), обращенная к пользователю, имеет возможность прикрепляться к измеряемой области пользователя.
Краткое описание рисунков
Цели, особенности и преимущества данной полезной модели станут более очевидными после обращения к следующему описанию и приложенным фигурам, на которых изображено:
Фиг. 1. Конструкция электронного термометра согласно настоящей полезной модели.
Фиг. 2. Вид электронного термометра снизу.
Подробное описание полезной модели.
Электронный термометр с беспроводной передачей данных предназначен для точного измерения температуры человека на протяжении длительного периода времени. Комплект электронного термометра состоит из многоразового, перезаряжаемого электронного термометра, сменных элементов для фиксации электронного термометра на теле человека и док-станции для зарядки электронного термометра. Док-станция получает питание через зарядный кабель, который подключается к разъему USB на блоке питания, который в свою очередь подключается к сети переменного тока.
Настоящая полезная модель относится к внутренней конфигурации многоразового, перезаряжаемого электронного термометра, которая обеспечивает большую точность измерения по сравнению с аналогами.
Внутреннее устройство электронного термометра представлено на фиг. 1. Корпус электронного термометра выполнен из пластика в предпочтительном варианте исполнения в форме правильного параллелепипеда со скругленными ребрами. Корпус состоит из двух частей: верхней (1) и нижней (10). В верхней части (1) корпуса расположено окно вывода (2) модуля индикации. Верхняя часть (1) корпуса может содержать экран дисплея (не показан на фиг.1). Непосредственно под верхней частью (1) корпуса располагается плата управления (3). На плате управления (3) расположены электрически связанные между собой по меньшей мере коммуникационная микросхема (4), микросхема управления зарядом аккумуляторной батареи и преобразования напряжения питания (не показана на фиг. 1), микросхема датчика приближения (не показана на фиг.1), обрабатывающая сигнал датчика приближения, разъем для гибких печатных кабелей (5).
Коммуникационная микросхема (4) обеспечивает беспроводное взаимодействие термометра, алгоритмы получения и обработки температуры, управление модулем индикации, электропитанием, зарядом аккумуляторной батареи, датчиком приближения. В качестве коммуникационной микросхемы (4) могут быть использованы микросхемы с наличием интерфейсов Bluetooth, Wi-Fi.
Под платой управления (3) расположена аккумуляторная батарея (6).
Под ней располагается пластиковая деталь (7), которая обеспечивает фиксацию расположенной под ней печатной платы датчика температуры (8). Печатная плата (8) датчика температуры содержит удлиненную часть, по которой проходят медные электрические проводники для электрического соединения с разъемом для гибких печатных кабелей (5), расположенном на плате управления (3), и основную измерительную часть.
На измерительной части печатной платы (8) датчика температуры расположены емкостной датчик приближения, который обнаруживает контакт термометра с телом человека, и микросхема датчика температуры, представляющая собой цифровой датчик температуры. С её помощью производятся измерения температуры. В качестве микросхемы датчика температуры используется, например, цифровой датчик температуры TMP117. Микросхема датчика температуры формирует данные о температуре и передает их по медным электрическим проводникам на коммуникационную микросхему (4) на плате управления (3).
Под платой (8) датчика температуры располагается нижняя часть (10) корпуса. В ней имеется отверстие по центру, которое закрывает металлическая мембрана (11). Металлическая мембрана (11) при эксплуатации контактирует с поверхностью тела человека. С неё снимаются показания температуры.
Измерительная часть печатной платы датчика температуры (8) и металлическая мембрана (11) выполнены в форме, обеспечивающей плотное соприкосновение всей площади поверхности измерительной части печатной платы датчика температуры (8) и мембраны (11).
В нижней части (10) корпуса расположен зарядный интерфейс, который представляет собой расположенные симметрично относительно центра (фиг.1-2) 4 (четыре) контактные площадки (9) для заряда встроенного аккумулятора (6). Зарядный интерфейс электрически связан с коммуникационной микросхемой (4), аккумуляторной батареей (6), микросхемой управления зарядом аккумулятора и преобразования напряжения питания. Благодаря схемотехническому и конструктивному решениям термометр в зарядной док-станции можно размещать 4 (четырьмя) разными способами, что повышает удобство его эксплуатации.
Микросхемы и датчики (коммуникационная микросхема, микросхема детектора приближения, микросхема датчика температуры) выполнены с возможностью их использования в режиме пониженного энергопотребления. Использование этого режима, а также подбор компонентов с небольшими токами утечки, обеспечивают минимальное тепловыделение и длительную работу устройства без подзаряда внутреннего аккумулятора.
Нижняя часть корпуса (10) имеет возможность прикрепляться к измеряемой области пользователя. Для этого используют сменные элементы (не показаны на фигурах), которые облегчает использование данного термометра.
Все данные, полученные от электронного термометра, сохраняются в облачном сервисе и отображаются в виде графика зависимости температуры от времени в мобильном приложении (iOS, Android). Таким образом, электронный термометр позволяет осуществлять непрерывный мониторинг температуры тела и беспроводную передачу данных, синхронизированных с мобильным приложением и облачным сервисом.
Точность измерения определяет:
1) точность самого измерительного преобразователя;
2) погрешность, вносимую нагревом печатной платы;
3) погрешность теплового рассеивания;
4) скорость нагрева.
Точность измерительного преобразователя.
В разработанном электронном термометре используется интегральное решение, микросхема датчика температуры, представляющая собой цифровой датчик температуры, например, датчик температуры TMP117, откалиброванный производителем. Благодаря использованию интегрального решения минимизируется влияние внешних помех, так как аналоговые измерительные линии не выходят за пределы микросхемы. Это улучшает качество измерений. Данный подход имеет большую повторяемость точности измерений в партии устройств.
Погрешность нагрева платы.
На фиг. 1 видно, что печатная плата (8) датчика температуры содержит удлиненную часть, по которой проходят медные электрические проводники. Таким образом, обеспечивается разнос в пространстве между возможным источником тепловой помехи и измерителем, обеспечивается электрический контакт с минимальной теплопроводимостью. Таким образом, снижается как нагрев платы управления, так и влияние нагрева платы управления на погрешность.
Погрешность, вносимая рассеиванием тепла.
Погрешность, вносимая рассеиванием тепла, возможна при больших металлических площадках, контактирующих с внешней средой и не контактирующих с кожей.
Корпус термометра выполнен из пластика, пластик не обладает большой теплопроводностью, а нагретый датчик температуры физически разнесен с основной управляющей платой. Плата датчика температуры практически полностью соприкасается с металлической мембраной.
Таким образом, теплопередача между объектом измерения и микросхемой датчика температуры увеличена, а между микросхемой датчика температуры и платой управления ослаблена. За счет этого погрешность, вносимая рассеиванием тепла, уменьшена.
Скорость нагрева
Для обеспечения высокой скорости нагрева датчика была разработана печатная плата датчика температуры, и был выбран датчик с наибольшей скоростью выхода на рабочую температуру TMP117. Плата выполнена в форме круга с наличием вытянутой части с одной из сторон.
Плата обладает большой площадью контакта с металлической мембраной. Металлическая мембрана предназначена для быстрой передачи тепловой энергии между объектом измерения и микросхемой датчика температуры. Она не связана с корпусом материалами с высокой теплопроводностью, таким образом, обеспечивает быстрое выравнивание температуры между объектом измерения и микросхемой датчика температуры.