ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРНЫЙ НАКОПИТЕЛЬНЫЙ

Изобретение относится к области приборостроения для температурных измерений контактными термоприемниками и может быть использовано для контроля самых разных процессов в медицине, биологии, ветеринарии для регистрации температуры тела животного дистанционным беспроводным способом.
Компании, специализирующиеся на производстве ветеринарного оборудования, предлагают разнообразную линейку влагостойких, ударопрочных электронных термометров для животных разной анатомии и комплекции. Форма наконечника конструируется с таким расчетом, чтобы причинить пациенту минимум дискомфорта. В новейших моделях предусмотрен крупный цифровой дисплей, встроенная память на несколько серий наблюдений и звуковые сигналы, сообщающие о завершении исследования, а также возможность применения имплантантов для оперативного обнаружения заболевания.
Известен зонд-датчик измерения ректальной температуры тела животного по патенту RU №2073498, который содержит датчик, кабель с разъемами и с зажимами. Кабель со стороны датчика на длине 12,8-12,9 мм выполнен в полимерной трубке, которая имеет форму усеченного конуса. Отношение диаметра датчика к диаметру кабеля равно 2,25. Недостатком данного способа и термодатчика является то, что животное должно быть зафиксировано стационарно неподвижно, нет возможности дистанционного измерения температуры.
Известен, также радиоэлектронный преобразователь температуры для дистанционного измерения температуры патент RU 2240518. Преобразователь содержит источник питания, генератор и чувствительный элемент. Источник питания содержит термобатарею, соединенную с преобразователем стабилизированного напряжения. Выход источника со стабилизированным напряжением подключен к генератору. Чувствительный элемент, установленный в точке контроля температуры, подключен к генератору. При этом генератор соединен с антенной, а чувствительный элемент подключен линией передачи длиной, равной половине длины волны рабочей частоты. Изобретение позволяет преобразовать температуру в информационный сигнал и осуществить его дистанционную передачу. Однако, недостатком данного изобретения является то, что происходит передача аналогового сигнала с температурного датчика и необходим очень качественный и, соответственно, сложный приемник. Такая схема измерения температуры не позволяет сконструировать системы для долговременного мониторинга температуры тела животного.
Известен способ определения температуры, по патенту RU 2330250, в котором температурные измерения измеряются контактными термоприемниками и может быть использован для контроля самых разных процессов, протекающих как в рамках решения медицинских и бытовых проблем человека, так и в ходе его производственной деятельности. Сущность изобретения состоит в том, что в способе измерения температуры, состоящем в том, что термодатчик помещают в исследуемую среду и определяют температуру этой среды, согласно изобретению предварительно строят графики зависимости показаний термометра от времени для дискретных, заранее заданных калиброванных значений температуры исследуемой среды и начальной температуры термодатчика, создают эталонную базу данных из построенных графиков. Затем помещают термодатчик в исследуемую среду и измеряют температуру исследуемой среды при максимально возможном количестве отсчетов термодатчика в течение фиксированного интервала времени. По этим отсчетам строят график и сравнивают его с графиками из эталонной базы данных, а определение температуры исследуемой среды осуществляют по наиболее совпадающей кривой из тех, что имеются в эталонной базе данных. Технический результат - усовершенствование способа определения температуры. Недостатком известного способа является, то, что данный способ приемлем только для измерения температуры у объектов с постоянной либо медленно меняющейся температурой.
Известен электронный термометр патент RU 2497441, который используется в медицинских целях для измерения температуры тела пациентов. Электронный термометр включает полый внешний корпус с зондом, содержащим блок измерения температуры, который соприкасается с измеряемой областью пользователя своим передним концом, температурный датчик, расположенный в блоке измерения температуры, для определения температуры, внутренний корпус, который установлен в осевом отверстии внешнего корпуса. На внутреннем корпусе закреплена электронная монтажная плата. Устройство также содержит схему управления, которая обрабатывает данные из температурного датчика, сформированную в электронной монтажной плате.
Из уровня техники также известен преобразователь температуры по патенту RU 2235979. Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано для решения задачи измерения температуры дистанционным беспроводным способом. Преобразователь содержит источник питания, являющийся чувствительным элементом, высокочастотный и низкочастотный генераторы. Источник питания содержит термобатарею, соединенную с преобразователем напряжения. Выход источника со стабилизированным напряжением подключен к высокочастотному генератору. Выход источника с напряжением, пропорциональным измеряемой температуре, подключен к низкочастотному генератору. При этом низкочастотный генератор является модулятором для высокочастотного, соединенного с антенной. Изобретение позволяет исключить кабельную линию связи между местом измерения температуры и блоком обработки измерений, однако имеет такие же недостатки что и в изобретении описанном в патенте RU 2240518: происходит передача аналогового сигнала с температурного датчика и необходим очень качественный и, соответственно, сложный приемник. Такая схема измерения температуры не позволяет сконструировать системы для долговременного мониторинга температуры тела животных.
За прототип выбран датчик температуры для мониторинга параметров различной физической природы, в том числе температуры по патенту RU 2278360. При этом осуществляют мониторинг изменения параметров температуры в удаленном месте и сохраняют соответствующие цифровые данные. Кроме этого, измеритель вводят в проводящее отверстие на глубину, равную протяженности узла основания датчика. Согласовывают емкостную связь узла измерения с его габаритными размерами. Формируют радиочастотный канал для передачи данных вблизи узла крышки корпуса, выступающего над гнездом, и осуществляют передачу данных. Для внешнего считывания данных формируют радиочастотный канал передачи данных через емкостную связь и внешнюю стенку проводящего отверстия. Недостатком данного устройства является то, что оно не предназначено для удаленного непрерывного мониторинга и накопления информации.
Задачей изобретения является создание электронного накопительного термодатчика с малой массой, имплантируемого в тело животного для непрерывного мониторинга и повышение точности измерения температуры.
Положительный эффект обеспечивается благодаря использованию термодатчика с инертной биосовместимой оболочкой, имплантируемого в тело животного, регистрацию данных во внутреннюю накопительную память датчика и передачу информации бесконтактным способом на внешнее считывающее устройство и в компьютер для обработки данных и построения графика изменения температуры во времени.
Поставленная задача решается благодаря тому, что датчик температурный накопительный для мониторинга, хранения и передачи данных температуры дистанционным беспроводным способом для внешнего считывания через радиочастотную связь, выполнен в виде полого корпуса содержащего термочувствительный элемент, микросхему памяти, часы реального времени, батарею питания, блок приема радиосигнала и  радиочастотную антенну. Существенными отличиями является то, что датчик имеет герметичную влагостойкую оболочку, выполненную из биосовместимого материала, и снабжен микроконтроллером с встроенным сенсорным термочувствительным элементом и АЦП (аналого-цифровой преобразователь температуры) для измерения температуры и ее записи в энергонезависимую микросхему памяти - EEPROM по протоколу IIC, и связанным с микросхемой часов реального времени, которая снабжена встроенным высокоточным кварцевым резонатором. Радиоприемник выполнен с возможностью приема радиосигнала на антенну, которая представлена электромагнитной катушкой параллельного колебательного контура, функционирующей также в качестве излучающей антенны при ее перекоммутировании при помощи микроконтроллера из параллельного колебательного контура в последовательный колебательный контур, а микроконтроллер приспособлен для передачи сигнала. Оболочка датчика может быть выполнена, например, из полипропилена или силикона.
На фиг. 1 - электрическая схема датчика температуры накопительного; на фиг. 2 - термодатчик (фото); на фиг. 3, 4, 5 - графики температуры, полученные при выполнении экспериментов.
Корпус накопительного термодатчика имеет герметичную влагостойкую инертную оболочку из биосовместимого материала, например полипропилена или силикона. Датчик имеет овальную конфигурацию малого размера (см. фиг. 2), позволяющую имплантировать датчик в тело даже мелкого животного, обычно в брюшную полость. В полый корпус помещены все составляющие части датчика температуры: микроконтроллер 1, микросхема энергонезависимой памяти 2, часы реального времени 3, батарея питания 4, блок приема радиосигнала 5, излучающая антенна 6. Микроконтроллер 1 осуществляет измерение температуры, запись данных температуры и времени в микросхему памяти 2, прием и передачу данных через специальный считыватель 7, посредством радиоканала антенны 6 - с последующим вводом полученных данных в компьютер. Измерение
температуры осуществляется при помощи встроенных в микроконтроллер 1 сенсорного датчика температуры и АЦП (аналого-цифровой преобразователь). Запись осуществляется в энергонезависимую память 2 (EEPROM) по протоколу IIC, устройство микросхемы памяти позволяет в не зависимости от наличия электропитания сохранять записанные данные в течение не менее чем 30 лет. Отсчет времени измерения температуры осуществляется при помощи специальной микросхемы часов реального времени 3, со встроенным высокоточным кварцевым резонатором, что обеспечивает точность хода часов не хуже чем ±20 секунд в месяц. Для приема радиосигнала применен приемник, использующий энергию принимаемого радиосигнала, в частности, детекторный радиоприемник 5 собранный на одном транзисторе, в качестве излучающей антенны 6 используется электромагнитная катушка параллельного колебательного контура. Для передачи радиосигнала используется та же излучающая антенна 6 (электромагнитная катушка), но перекомутированная при помощи микроконтроллера 1 в последовательный колебательный контур. Такое устройство приема-передачи очень просто и не требует расхода энергии при ожидании внешнего сигнала, при этом обеспечивает устойчивую приемо-передачу на расстояние превышающем в 8-10 раз диаметр датчика температуры, при мощности считывателя 7 около 200 мВт. Такого расстояния вполне достаточно, чтобы при помощи внешнего считывателя 7 обмениваться данными с датчиком, имплантированным в животное.
Датчик работает следующим образом.
Сущность изобретения состоит в том, что термодатчик изготавливается минимальных размеров (см. на фиг. 2), что, при наличии инертной (герметичной и влагостойкой) оболочки, позволяет имплантировать датчик в тело исследуемого животного и измерять температуру. При этом очень малые размеры позволяют без потери точности отказаться от выносного сенсора температуры и использовать сенсор,
расположенный в микроконтроллере 1. Наличие микроконтроллера и микросхемы часов реального времени позволяет запрограммировать измерение температуры практически по любому протоколу, а наличие встроенной энергонезависимой памяти позволяет сохранять значения измеренной температуры на протяжении длительного времени. Наличие радиоканала используется только во время программирования режимов измерения и считывания записанных значений, такое считывание не вызывает радиопомех и позволяет беспрепятственную работу любого количества близкорасположенных датчиков.
Предлагаемым датчиком температуры был проведен мониторинг состояния на мышах и хомяках в естественных и лабораторных условиях (см. фиг. 3, 4).
Эксперимент в естественных условиях состоял в отлове мышей, имплантировании в брюшную полость накопительного датчика температуры и возвращение их в точку отлова. Далее через пять месяцев мышей повторно отлавливали и через бесконтактный считыватель 7 снимали температурную информацию для построения графика динамики температурных изменений на компьютере.
Применение накопительного датчика температуры при вакцинации животных позволяет с точностью до 0,1°C определять изменение температуры тела животного и проверять эффективность вакцинации (см. фиг. 4).
Были также проведены исследования показаний накопительного датчика температуры в лабораторных условиях при интранозальном введении наночастиц (НЧ) оксида марганца (MnO) (см. фиг. 5).
Основные технические характеристики накопительного датчика температуры, который был использован при экспериментах.
Масса
0,8 г
Количество измерений
28000
расстояние считывания
35 мм
Интервал между измерениями
1-25S минут
Срок службы
5 лет
Время работы одного комплекта батареек
Не менее 6 месяцев
Точность измерения
±0,5°C
Температурный диапазон эксплуатации
0°C+50°C
Технический результат - повышение точности измерений, количество измерений и температурный диапазон измерений. Изобретение позволяет многократно измерять температуру тела мелких животных в заданные моменты времени без излишнего воздействия на животных и исключить кабельную линию связи между местом измерения температуры и блоком обработки измерений.
Источники информации:
1. Патент RU 2073498, МПК A61D 13/00, 1994 г.;
2. Патент RU 2240518, МПК G01K 7/00, 2002 г.;
3. Патент RU 2330250, МПК G01K 7/02, 2006 г.;
4. Патент RU 2497441, МПК А61В 5/01, 2009 г.
5. Патент RU 2235979, МПК G01K 7/02, 2002 г.
6. Патент RU 2278360, МПК G01K 1/00, 2001 г. - прототип