Обоснование выбора чувствительного элемента прецизионного датчика температуры

УДК 681.5

ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ПРЕЦИЗИОННОГО ДАТЧИКА ТЕМПЕРАТУРЫ

Р.Н. ХИЗБУЛЛИН, М.Ф. ЗАМАЛТДИНОВ Казанский государственный энергетический университет

В данной статье рассмотрены вопросы по выбору чувствительных элементов датчиков температуры и возможность их применения в составе медицинских термометров для измерения температуры внутренней среды организма.

Ключевые слова: чувствительный элемент, датчик температуры, датчик-катетер, линейная характеристика, термистор, волоконно-оптический термометр, светотерапия, лазерное излучение, измерение температуры внутренней среды организма.

Низкоинтенсивное лазерное и светодиодное излучение, как вид физиотерапии, в клинической практике нашел самое широкое применение при лечении различных заболеваний. Однако существует еще ряд нерешенных проблем. Одной из них является определение диапазона параметров излучения при лазеро- и светотерапии и, самое главное, осуществление температурного контроля при воздействии излучения на биоткань (регистрация температуры). Таким образом, актуальной задачей является выбор и определение чувствительного элемента датчика температуры, с помощью которого было бы возможно осуществлять непрерывный контроль температуры внутренних органов, подвергающихся воздействию светового и лазерного излучений.

Температура не может быть измерена непосредственно. Об ее изменении судят по изменению других физических свойств тела (объема, давления, электрического сопротивления, ЭДС, интенсивности света и др.), связанных с температурой определенными закономерностями. Поэтому методы измерения температуры являются, по существу, методами измерения указанных выше термометрических свойств, которые должны однозначно зависеть от температуры и измеряться достаточно просто и точно.

При разработке датчика температуры необходимо выбрать термометрическое вещество, у которого соответствующее свойство хорошо воспроизводится и достаточно сильно изменяется с температурой [1].

Датчик температуры должен удовлетворять следующим условиям:

• линейная характеристика (зависимость термометрического параметра от температуры) в интервале температур приблизительно от +32 до +45°С;

• малые габариты: геометрические размеры датчика должны составлять не более нескольких миллиметров (1...3 мм) в диаметре, это необходимо для измерения температуры в труднодоступных местах, к которым относятся внутренние органы человека;

• точность не менее 0,1°С: при воздействии на биозону лазерным или светодиодным излучением необходимо дозировать излучение, излишняя доза приведет к увеличению температуры, поэтому важна точность измерения для предотвращения перегрева;

© Р.Н. Хизбуллин, М. Ф. Замалтдинов Проблемы энергетики, 2011, № 1-2

• безопасность: датчик должен быть травмобезопасен, не должен содержать токсичных веществ, не должен поражать электрическим током;

• низкая стоимость элементов датчика температуры.

Рассмотрим в качестве чувствительного элемента датчика температуры полупроводниковый термистор. Термисторы — это термически чувствительные резисторы. Измерение температуры с помощью полупроводниковых термисторов известно сравнительно давно, они отличаются геометрическими размерами, исполнением, температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), температурным диапазоном измерения для различных применений и т.д. Для медицинских применений, в частности для измерения температуры внутренней среды организма, используются специальные виды исполнения датчиков температуры. Например, фирма EXACON выпустила специальный датчик-катетер D-F1345 [2], имеющий диаметр активной части 1 мм и длину 450 мм, диаметр головки с термистором 1,3 мм, суммарная длина датчика, включая подводящий кабель и разъём, составляет 1,5 м. Датчик D-F1345 предназначен для измерения температуры во внутренней среде организма с погрешностью ±0,1°C в диапазоне +25...+50°C. Саморазогрев датчика составляет 0,01°C/60 мкВт. Точностные характеристики датчика соответствуют стандарту EN12470-4, по электрической безопасности датчик соответствует стандарту EN60601-1. Датчик можно стерилизовать с помощью всех обычно используемых больничных дезинфицирующих средств, например этанола, изопропила или соединений хлорита. Мягкость, эластичность и гладкость поверхности датчика при этом не изменяется. Чистка датчика может осуществляться с помощью обычных моющих средств ручным или автоматическим способом при температуре не выше 80°С. Датчик имеет стандартный разъём JACK 6,35 мм для подключения к различным медицинским приборам. Так как в качестве чувствительного элемента используется термистор, который имеет нелинейную зависимость сопротивления от температуры, то вместе с датчиком поставляется калибровочная кривая. Данная кривая подходит для всех температурных датчиков фирмы EXACON, так как в них используются термисторы одного класса.

Авторами разработан термометр медицинский прецизионный цифровой (рис. 1), в качестве датчика температуры использован данный датчик-катетер D-F1345 (рис. 2). Нелинейная калибровочная кривая записана в память микроконтроллера, который автоматически пересчитывает измеренное сопротивление термистора в температуру и отображает её на экране дисплея.

У датчика D-F1345 термистор имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления (ТКС), сопротивление убывает по экспоненциальному закону с возрастанием температуры.

Зависимость сопротивления термистора от температуры датчика D-F1345 показана на рис. 3. Как видно, данная зависимость нелинейная. Для аппроксимации данной кривой воспользуемся уравнением, которое представляет собой полином вида

Rf = Я0 + +... + anTn, где Rf — сопротивление термистора, Ом; Т — температура, °С; n — степень полинома (целое); «ц, «1,..., an — константы.

В итоге зависимость Rf (T) описывается следующим уравнением:

RT = 2,5 • 10—5 T5 — 2,333 • 10—3 T4 + 8,333 • 10—4 T3 + 7,233Т2 — 360,333Т + 7400.

Рис. 1. Термометр медицинский прецизионный цифровой: 1 - термометр; 2 - чувствительный элемент термодатчика; 3 - дисплей для отображения температуры в °С; 4 - USB-кабель для подключения к персональному компьютеру; 5 - разъём JACK для подключения датчика-катетера

D-F1345

б R

Рис. 2. Датчик температуры D-F1345: а - датчик с разъемом 1 JACK 6,35 мм; б - расположение термистора 2 в изоляционной оболочке и соединенные с ним два провода; в - диаметральный

размер чувствительного элемента

Рис. 3. Зависимость сопротивления термистора ЯТ от температуры: о - ЯТ

Калибровка полупроводникового термометра сопротивления осуществляется с помощью уравнения (1), являющегося алгебраической интерпретацией калибровочной кривой, изображенной на рис. 3.

В качестве альтернативы термистору может быть рассмотрен волоконно-оптический чувствительный элемент датчика температуры медицинского волоконно-оптического термометра (рис. 4), конструкция которого, разработанная авторами [3], несколько отличается от прототипов [4, 5].

Рис. 4. Медицинский волоконно-оптический термометр: а - термометр: 1 - термометр; 2 -дисплей для отображения температуры в °С; 3 - разъёмы для подключения оптических волокон к лазеру и фотоприемнику; 4 - оптоволокно; 5 - чувствительный элемент датчика температуры; б - чувствительный элемент (размеры даны в мм): 6 - полимер-капилляр; 7 -жидкость с коэффициентом преломления, зависящим от температуры; 8 - отражающая поверхность; 9 - сердцевина волокна; 10 - оболочка волокна

Чувствительный элемент представляет собою короткий, длиною не более 2 см, закрытый с одного конца капилляр с внутренним диаметром 1...2 мм и наружным диаметром 1,5...3 мм, заполненный внутри жидкостью, в который введен освобожденный от оболочки конец волоконного световода, срез которого имеет трапецеидальную форму. Такая форма дает возможность световому лучу выходить из волокна под одним углом. Сердцевина оптоволокна имеет диаметр сечения 300...600 мкм, она изготовлена из кварцевого стекла с показателем преломления 1,5...1,58, в то время как коэффициент преломления специально подобранного минерального масла, заполняющего капилляр, почти равен или несколько выше коэффициента преломления материала сердцевины.

При изменении температуры среды, окружающей капилляр (рис. 5), изменяется температура жидкости в капилляре, и увеличивается или уменьшается коэффициент преломления этой жидкости, что, естественно, приводит к изменению интенсивности света, вышедшего через торец сердцевины волокна и частично возвратившегося в эту сердцевину после отражения от

«донышка» капилляра. Конец волокна герметизируется. Источником света, проходящего через волокно, может быть гелий-неоновый миниатюрный лазер, а фотоприемником может служить р-1-и - диод.

Рис. 5. Принцип регистрации температуры внутренней среды организма на примере волоконно-оптического датчика: 1 - внутренняя среда организма; 2 - чувствительный элемент датчика; 3 - оптоволокно; 4 - лазер; 5 - фотоприемник

Данный волоконно-оптический термометр применим для контроля температуры ткани во внутренней среде организма, подвергающейся воздействию лазерного и светодиодного излучений. Он обладает малой инерционностью и позволяет осуществлять непрерывную регистрацию нагрева ткани. Чувствительность термометра составляет около ±0,1°С [4, 5].

Зависимость относительной интенсивности излучения /отн от температуры

Т показана на рис. 5.

/ = = г

1 отн т J V / ' 11

2

где /1 - интенсивность лазерного излучения на входе в капилляр, Вт/м ; /2 -

2

интенсивность излучения на выходе из капилляра, Вт/м ; Т- температура, °С.

Характеристика /отн(т) близка к линейной, но для более высокой точности требуется аппроксимация. Для этого воспользуемся уравнением, которое представляет собой полином вида

/отн = 5,464 • 10-5 Т4 - 8,634 • 10-3 Т3 + 0,508Т2 - 13,158Т +126,67.

Калибровка волоконно-оптического термометра осуществляется с помощью уравнения (2), являющегося алгебраической интерпретацией калибровочной кривой, изображенной на рис. 6.

Рис. 6. Зависимость относительной интенсивности излучения /отн от температуры Т: о - /отн (т),--аппроксимация полиномом (2) данной зависимости

Сравнительная характеристика двух медицинских термометров с различными термочувствительными элементами представлена в таблице.

Таблица

Сравнительная характеристика работы двух медицинских термометров с различными термочувствительными элементами

Свойства и характеристика Полупроводниковый термометр Волоконно-оптический термометр

Чувствительный элемент датчика Термистор Оптически прозрачный полимер-капилляр, заполненный жидкостью1

Используемое физическое явление, свойство Увеличение/уменьшение сопротивления при изменении температуры Увеличение/уменьшение показателя преломления жидкости и, соответственно, интенсивности света при изменении температуры

Детектируемая величина Температура ^ электрическое сопротивление Температура ^ интенсивность пропускаемого света

Чувствительность Высокая чувствительность сопротивление-температура 1) Чувствительность датчика зависит от типа жидкости (значения ее показателя преломления), 2) высокая чувствительность р4-п диода

Точность ±0,1°С ±0,1°С

Диаметральный размер чувствительного элемента 1,3 мм 1...3 мм

Зависимость детектируемой величины от температуры Нелинейная (требуется аппроксимация) Характеристика приближена к линейной, но для более высокой точности требуется аппроксимация

Преимущества 1. Высокая чувствительность сопротивление-температура 2. Малая инерционность 3. Малый размер 4. Низкая стоимость 5. Высокая стабильность Для датчика: 1. малая инерционность 2. малый размер 3. электрически нейтрален Для р4-п диода: 1. высокая чувствительность 2. быстрое время отклика 3. малый размер 5. высокая стабильность 6. не требует дополнительных источников энергии

Недостатки 1. Нелинейность 2. Требует гальваническую развязку 1. Дополнительный приемник излучения 2. Быстродействие зависит от схемы согласования фотодиода 3. Сложный подбор жидкости для различных диапазонов температур

Примечание: 1 для различных температурных диапазонов необходима определенная органическая жидкость с различными значениями показателя преломления

Выводы

1. Приведенный обзор и показанные характеристики чувствительных элементов датчиков температуры позволяют сделать вывод о возможности их применения в термометрах медицинского назначения. Достаточно высокие и близкие показатели рассматриваемых термодатчиков с различными чувствительными элементами дают равные возможности их использования в медицинских термометрах. При этом на базе термистора авторами уже реализован датчик температуры в прецизионном медицинском термометре цифровом (ТМПЦ). Применение в термодатчике чувствительного элемента в виде полимерного капилляра с органической жидкостью с определенными оптическими характеристиками усложняет конструкцию самого датчика и схему регистрации температуры, авторами ведется работа по практическому воплощению термометра с данным датчиком.

2. Разработка прецизионных термодатчиков для практической медицины актуальна, с их помощью данные о температурных реакциях органов могут использоваться для оптимизации параметров физиотерапевтических процедур: частоты и силы тока электростимуляции, мощности и времени воздействия лазерного излучения.

3. Исследование и создание прецизионных термометров для измерения температуры внутренних органов открывают путь к разработкам качественно новых физиотерапевтических устройств, которые повысят эффективность лечения в целом.

Summary

In given article questions for choice sensitive elements of temperature sensors and possibility of their application as a part of medical thermometers for temperature measurement of the internal environment of an organism are considered.

Key words: a sensitive element, the temperature sensor, the sensor-catheter, a linear characteristic, thermistor, the fiber-optical thermometer, light therapy, laser radiation, temperature measurement of the internal environment of an organism.

Литература

1. Температура: теория, практика, эксперимент; справоч. изд.: в 3-х т. Т. 1, кн. 1. Методы контроля температуры / В.Г. Лисиенко и др.; под ред. В.Г. Лисиенко. М.: Теплотехника, 2010. 549 с.: ил.

2. Medical temperature sensors [Электронный ресурс]. Exacon Scientific A/S, 2001. 25 с.: ил. Режим доступа: http://www.exacon.com.

3. Хизбуллин Р.Н. Физическая модель чувствительного элемента волоконно-оптического датчика / Р.Н. Хизбуллин, М.Ф. Замалтдинов // XVII

Туполевские чтения: тез. докл. междунар. молодеж. науч. конф. (26-28 мая 2009 г.). / Казан. гос. техн. ун-т им. А.Н. Туполева (КАИ). Казань, 2009. Т. 3. С. 304-305.

4. Световодные датчики / Б.А. Красюк и др. М.: Машиностроение, 1990. 256

с.: ил.

5. Optical fibre thermometer: pat. 4575259 U.S.A.: int. cl.4 G01J 5/58 / Mauro Bacci, Massimo Brenci, Giuliano Conforti, Riccardo Falciai, Anna G. Mignani, Anna M. Verga-Seheggi; assignee Consiglio Nazionale Delle Ricerche (Italy). - Appl. No. 661395; filed 16.10.1984; pub. 11.03.1986.

Поступила в редакцию 30 июня 2010 г.

Хизбуллин Роберт Накибович — канд. техн. наук, доцент кафедры «Электрический транспорт» (ЭТ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-43-54; E-mail: khizbullina@mail.ru.

Замалтдинов Марат Фардинович — ассистент кафедры «Электрический транспорт» (ЭТ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-43-54; E-mail: marat1st2007@rambler.ru.