МЕДИЦИНСКИЙ ТЕРМОМЕТР

Полезная модель относится к биомедицинской технике, в частности к диагностике, предназначена для обеспечения измерения температуры, в частности для оценки локальной температуры биологических объектов в диапазоне температур от 20°C до 40°C, 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 термометр на основе транзисторного датчика, включенного в качестве диода [Граф Р. Электронные схемы: 1300 примеров: Пер. с англ. - М.: Мир, 1989, с. 552]. Устройство содержит также операционный усилитель для усиления выходного сигнала, отражающего изменение температуры, резистивный делитель для задания коэффициента усиления операционного усилителя, токозадающий резистор для формирования тока, проходящего через термозависимый транзистор (датчик температуры).
Недостатком схемы является нестабильность тока, протекающего через транзисторный датчик (ток база-эмиттер). Указанная нестабильность тока возникает при работе термометра из-за изменения напряжения, которое появляется при изменении измеряемой температуры и вызывает изменение тока база-эмиттер, которое в конечном итоге приводит к снижению точности показаний термометра.
По совокупности существенных признаков наиболее близким к заявляемому устройству является схема термометра по патенту US №4138616 (МПК G01K 7/01, G01K 7/00, H03K 1/14, опубликован 06.02.1979 г.), схема которого представлена на фиг. 1. Прототип содержит температурный датчик, представляющий собой транзистор 1 типа n-p-n с включенным между его базой и коллектором резистором 3 задания рабочей точки, операционный усилитель 4 (ОУ), неинвертирующий вход которого соединен с коллектором транзистора и первым выводом резистора 3 задания рабочей точки, а инвертирующий вход ОУ соединен с первым выводом резистора 6 обратной связи и первыми выводами первого и второго резисторов (5 и 7) резистивного делителя. Второй вывод резистора обратной связи соединен с выходом операционного усилителя, который является выходом термометра, второй вывод первого резистора 5 резистивного делителя, эмиттер транзистора 1 и отрицательный вывод источника 9 стабилизированного напряжения соединены с общим проводом 8, второй вывод второго резистора 7 резистивного делителя соединен с положительным выводом источника 9 стабилизированного напряжения и первым выводом токозадающего резистора 2, который вторым своим выводом соединен с базой транзистора и вторым выводом резистора 3 задания рабочей точки.
При прохождении постоянного стабильного тока, обеспечиваемого стабилизированным источником стабилизированного напряжения, через эмиттер температурного транзисторного датчика, напряжение на переходе зависит от температуры. Однако, изменение от температуры напряжения на переходе база-эмиттер вызывает такое же изменение напряжения на токозадающем резисторе при постоянном напряжении источника 9 стабилизированного напряжения и, следовательно, приводит к изменению тока через переход коллектор-эмиттер температурного датчика, то есть к нестабильности тока эмиттера, и к изменению напряжения коллектор-эмиттер, которое зависит от напряжения база-эмиттер и прикладывается к неинвертирующему входу ОУ, что снижает точность работы термометра.
Таким образом, главным недостатком этой схемы является то, что измеряемое для определения температуры прямое напряжение транзисторного датчика зависит от стабильности тока, проходящего через эмиттер транзистора и токозадающий резистор. Нестабильность прямого тока эмиттера транзистора приводит к дополнительной погрешности измерения температуры на выходе термометра.
Техническим результатом, на достижение которого направлена полезная модель, является увеличение точности измерения температуры за счет повышения стабильности тока, протекающего через температурный датчик.
U
U
U
6
5
7
Технический результат достигается за счет того, что в медицинский термометр, содержащий температурный датчик, представляющий собой транзистор типа n-p-n, операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с коллектором транзистора, инвертирующий вход соединен с первым выводом резистора обратной связи и первыми выводами первого и второго резисторов резистивного делителя, второй вывод резистора обратной связи соединен с выходом операционного усилителя, который является выходом термометра, второй вывод первого резистора резистивного делителя, эмиттер транзистора и отрицательный вывод источника стабилизированного напряжения соединены с общим проводом, второй вывод второго резистора резистивного делителя соединен с положительным выводом источника стабилизированного напряжения и первым выводом токозадающего резистора, который вторым своим выводом соединен с базой транзистора, введен компенсационный резистор, который первым своим выводом соединен со вторым выводом токозадающего резистора, а также с соединенными между собой базой и коллектором транзистора и неинвертирующим входом операционного усилителя, а вторым выводом с выходом операционного усилителя, при этом значение компенсационного резистора определяется по формуле R3=R2(K-1), где R2 - значение токозадающего резистора, K - коэффициент усиления неинвертирующего операционного усилителя с отрицательной обратной связью, определяемый по формуле K=1+R/(1/(1/R+1/R))
Полезная модель поясняется чертежами, представленными на фиг. 1 и 2. На фиг. 1 изображена схема прототипа, на фиг. 2 представлена схема заявляемого устройства.
Заявляемое устройство (фиг. 2) содержит температурный датчик, представляющий собой транзистор 1 типа n-p-n, операционный усилитель 4 (ОУ), неинвертирующий вход которого соединен с коллектором и базой транзистора 1, вторым выводом токозадающего резистра 2 и первым выводом компенсационного резистора 3. Второй вывод компенсационного резистора 3 соединен с выходом операционного усилителя 4, который является выходом термометра. Инвертирующий вход операционного усилителя 4 соединен с первым выводом резистора 6 обратной связи и первыми выводами первого и второго резисторов (5 и 7 соответственно) резистивного делителя. При этом, второй вывод резистора 6 обратной связи соединен с выходом операционного усилителя 4, второй вывод первого резистора 5 резистивного делителя, эмиттер транзистора 1 и отрицательный вывод источника 9 стабилизированного напряжения соединены с общим проводом 8, а второй вывод второго резистора 7 резистивного делителя соединен с положительным выводом источника 9 стабилизированного напряжения и первым выводом токозадающего резистора 2.
Источник стабильного напряжения соединен своим положительным выводом (длинная линия) с резисторами 2 и 7, а отрицательным выводом (короткая линия) с общим проводом 8.
Включение в схему компенсационного резистора позволяет сформировать дополнительный компенсирующий ток из выходного напряжения операционного усилителя, которое представляет собой величину усиленного изменения напряжения, вызванного изменением температуры на переходе база-эмиттер температурного датчика. Компенсационный резистор обеспечивает автоматическую компенсацию изменений тока эмиттера, вызванных изменением температуры транзисторного датчика. Следовательно, обеспечивается стабильность тока, проходящего через температурный датчик, тем самым повышается точность измерения температуры. Величина компенсирующего тока определяется величиной компенсационного резистора, которая рассчитывается, исходя из условия стабильности тока эмиттера транзистора температурного датчика.
Диодное включение транзистора температурного датчика (база и коллектор транзистора соединены между собой) также позволяет исключить дополнительный источник погрешности медицинского термометра, поскольку в триодном включении транзистора его параметры, в частности, коэффициент усиления по току также зависит от температуры, что требует компенсации. При диодном включении транзистора влияние изменения коэффициента усиления по току значительно снижается, тем самым снижается нестабильность тока и погрешность из-за этой нестабильности.
Стабильность тока, проходящего через транзисторный температурный датчик в диодном включении и введенным компенсационным резистором, доказывается следующими расчетами.
э
э
Условием стабильности тока I эмиттера транзисторного датчика температуры является отсутствие изменения тока I при изменении температуры в ходе проведения измерений, то есть:
э
где dI - разность значений тока эмиттера, вызванная изменением температуры в заданном диапазоне измеряемых температур.
2
3
где I - ток через токозадающий резистор 2, а I - ток через компенсационный резистор 3.
При этом напряжение на компенсационном резисторе 3:
вых
бэ
где U - напряжение на выходе термометра и U - напряжение база-эмиттер транзисторного температурного датчика,
а напряжение на токозадающем резисторе 2:
Очевидно, что:
2
3
где R - значение токозадающего резистора 2, а R - значение компенсационного резистора 3.
С учетом выражений (3), (4), (5), (6), выражение (2), определяющее значение тока эмиттера, преобразуется к виду:
Тогда величина разности значений токов, вызванная изменением температуры в заданном диапазоне измеряемых температур, будет определяться как:
бэ
вых
пит
где dU - разность значений напряжений на переходе база-эмиттер, вызванная изменением температуры в заданном диапазоне измеряемых температур, dU - разность значений выходных напряжений, вызванная изменением температуры в заданном диапазоне температур, dU - разность значений напряжений питания, вызванная изменением температуры в заданном диапазоне измеряемых температур.
пит
Поскольку в схеме используется источник стабилизированного напряжения, не зависящий от температуры, то dU=0, тогда выражение (8) принимает вид:
С учетом выражения (1) имеем:
Так как:
то выражение (10) будет иметь вид:
U
где K - коэффициент усиления неинвертирующего операционного усилителя с отрицательной обратной связью, который задается с помощью резистора 6 обратной связи и входящего в цепочку обратной связи операционного усилителя 4 резистивного делителя (резисторы 5 и 7), формирующего на инвертирующем входе операционного усилителя 4 напряжение, равное напряжению база-эмиттер при минимальной температуре заданного диапазона измеряемых температур, и рассчитывается по формуле:
где R5, R7 - значения соответственно первого и второго резисторов 5 и 7 резистивного делителя в цепочке обратной связи операционного усилителя, а R6 - значение резистора 6 обратной связи.
Таким образом, условие стабильности тока эмиттера (p-n-перехода), определяемое выражением (1), соблюдается при включении компенсационного резистора 3, значение сопротивления которого рассчитывается по формуле, вытекающей из выражения (12):
Устройство работает следующим образом.
От источника 9 стабилизированного напряжения через токозадающий резистор 2 ток поступает на переход база-эмиттер транзистора 1. Проходящий через транзистор 1 ток образует прямое напряжение на переходе база-эмиттер. Это напряжение прикладывается к неинвертирующему входу операционного усилителя 4. К инвертирующему входу операционного усилителя 4 прикладывается напряжение, создаваемое на резистивном делителе (резисторы 5 и 7) в цепочке обратной связи операционного усилителя и равное напряжению перехода база-эмиттер при минимальной температуре заданного диапазона измеряемых температур. При изменении температуры изменяется напряжение перехода база-эмиттер, подаваемое на неинвертирующий вход операционного усилителя 4. На выходе операционного усилителя 4 появляется выходное напряжение, соответствующее изменению от температуры напряжения перехода база-эмиттер и усиленное в соответствии с коэффициентом усиления операционного усилителя 4, которое и определяет величину температуры. Коэффициент усиления операционного усилителя 4 устанавливается при помощи резистора 6 обратной связи. Изменяющееся от температуры выходное напряжение операционного усилителя 4 вызывает соответствующие изменения напряжения на токозадающем резисторе 2, это приводит к изменению тока через токозадающий резистор 2, а следовательно и тока эмиттера транзистора 1. Для компенсации изменений тока через эмиттер и исключения его нестабильности выходное напряжение операционного усилителя 4 подается на компенсационный резистор 3, значение которого определяется в соответствии с выражениями (14) и (13), что позволяет сформировать компенсирующий ток необходимой величины.
Таким образом при диодном включении транзисторного температурного датчика и введении компенсационного резистора, значение которого определяется с помощью выражений (14) и (13), формируется компенсационный ток необходимой величины, обеспечивающий стабильность тока через транзисторный температурный датчик и тем самым исключающий дополнительную погрешность термометра, вызываемую изменением температуры на p-n-переходе датчика в заданном диапазоне измеряемых температур от 20°C до 40°C.