Применение емкостного датчика для определения температуры тела

В статье описаны способы определения температуры тела, используемые в медицине. Названы их достоинства и недостатки. Предложен ёмкостной метод, который не используется в медицинской технике, несмотря на его достоинства.

Ключевые слова: определение температуры, термометр, градусник, ёмкостной, датчик, сегнетоэлектрики, ферроэлектрики.

Тепловое состояние тела характеризуется величиной, называемой температурой. Точное измерение температуры тела важно во многих областях, в частности, в медицине. Температура − это важный показатель, характеризующий текущее состояние биологического объекта. Благодаря этому есть возможность выявлять заболевания на ранней стадии, контролировать течение различных болезней, а также определять, эффективен ли назначенный курс лечения. При появлении воспалительных процессов любой температура организма обычно повышается, а при ослаблении организма − снижается ниже нормы. Нормальная температура тела для многих здоровых людей 36,6°С.

Температуру в настоящее время измеряют с помощью приборов, принцип работы которых базируется на свойствах твердых тел, газов и жидкостей изменять свои характеристики при изменении температуры. Если 18 веке было совершено множество открытий в сфере систем измерения температуры, то с прошлого столетия началась пора открытий в области методов измерения температуры. В современной медицине используют 3 вида термометров: ртутный градусник, оптический термометр (инфракрасный), электрический термометр.

Ртутные градусники − простые, дешевые и достаточно точные (погрешность 0,1°С). По принципу работы они относятся к жидкостным, то есть в процессе нагревания жидкости её объем меняется, за счет чего и происходит изменение показаний термометра. Данный вид термометров обладает следующими недостатками: перед каждым измерением термометр необходимо встряхивать, что обусловлено физическими свойствами ртути, без применения специальной увеличительной оптики плохо видно шкалу. При использовании ртутного градусника нет возможности автоматической записи показаний и передачи их на расстояние, что также является недостатком этого метода. Измерения с помощью данного термометра продолжительные − около 10 минут. Помимо этого, есть риск разбить градусник и вылить ртуть, которая является крайне токсичной.

В инфракрасном спектре от биологического объекта исходит излучение, интенсивность которого несет информацию о его температуре. На этом и основан принцип действия электронных инфракрасных термометров. Они позволяют производить измерения быстро (1–2 секунды) и без соприкосновения с телом, что существенно облегчает процедуру измерения температуры у детей и исключает возможность переноса инфекции. Инфракрасные термометры имеют дисплей, на котором, кроме измеренной температуры может отображаться также история измерений. Это удобно использовать в тех случаях, когда необходимо периодически замерять температуру у нескольких человек. Однако такие термометры предназначены для определенных точек тела (лоб, уши, виски), часто дают погрешности (до 0,3–0,5 °С), требуют периодической поверки и имеют довольно высокую стоимость.

Более широко применяются электронные термометры, измеряющие температуру с помощью специальных датчиков. У них также имеется дисплей для отображения температуры, они могут обладать памятью для сохранения истории измерений и могут выдавать звуковые сигналы в зависимости от времени или результата измерения. Как и инфракрасный, такой градусник случайно разбить почти невозможно, и он не содержит ртути. Отличие от инфракрасных термометров в том, что электронным термометрам требуется плотный контакт датчика с поверхностью тела человека. Время измерения температуры электронным термометром относительно небольшое − 30–60 секунд.

Принцип работы электронных термометров основан на изменении сопротивления проводника (платина, медь или никель) или терморезистора при изменении температуры окружающей среды. При нагревании чувствительного элемента (проводника, терморезистора) его сопротивление электрическому току изменяется. Сопротивление оценивается с помощью мостовой измерительной цепи, усиливается, преобразуется в цифровой код и подается на цифровой индикатор (чаще всего жидкокристаллический).

Электронные термометры более широкого диапазона основаны на термопарах: контакт между металлами с разной электроотрицательностью создаёт контактную разность потенциалов, зависящую от температуры. Эти термометры обладают очень высокой точностью (вплоть до ±0,01 °С), но на показания влияет температура свободных концов, на которую необходимо вносить поправку. В момент снятия показаний необходимо исключить протекание тока через термопару, так как ток, протекающий через неё, охлаждает горячий спай и разогревает холодный (эффект Пельтье).

Температуру тела также возможно измерять емкостным методом. Для этого можно использовать сегнетоэлектрики − вещества, которые в определенном диапазоне температур обладают собственным спонтанным дипольным моментом. Эти вещества также называют ферроэлектриками. Температура (точка Кюри) является температурой фазового перехода. При температуре ниже точки Кюри эти материалы имеют доменное строение и обладают специфическими свойствами. Если же температура больше , доменная структура разрушается и ферроэлектрик переходит в параэлектрическое состояние. Следствием доменного строения сегнетоэлектриков является резко выраженная зависимость диэлектрической проницаемости от температуры, причем максимум диэлектрической проницаемости достигается при температуре, соответствующей точке Кюри (Рис. 1).

Рис. 1. Зависимость диэлектрической проницаемости ферроэлектриков от температуры

То есть при небольшом изменении температуры диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика сильно увеличивается. Если использовать в качестве температурного датчика конденсатор с сегнетоэлектрическим диэлектриком, то с изменением температуры диэлектрическая проницаемость конденсатора также будет изменяться, что приведет к изменению электрической емкости. Метод будет достаточно достоверен, если применять сегнетоэлектрик с температурой Кюри около 38°С.

Таким образом, при применении этого метода информативным параметром будет емкость конденсатора. Для ее измерения можно применить мостовую схему, однако в этом случае нужно использовать источник переменного тока, что является неудобным. Возможно использование измеряемой емкости в качестве времязадающей в RC-генераторе с последующим измерением постоянной времени. Метод прост, но не точен.

Также есть метод измерения емкости с применением зарядового усилителя (Рис. 2), который преобразует соотношение измеряемой и опорной емкостей в сигнал напряжения, измеряемую емкость при этом можно определить по следующей формуле:

Такая схема поставляется в виде специализированных микросхем.

Рис. 2. Способ измерения емкости с применением зарядового усилителя

Емкость температурного датчика можно непосредственно измерять с помощью сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Для этого можно использовать схему, предложенную в работе [1].

Рис. 3. Способ измерения емкости с применением сигма-дельта АЦП

В сигма-дельта АЦП уравнивание зарядов между сигналом источника опорного напряжения и сигналом на аналоговом входе обычно достигается за счет переключения конденсаторов определенной емкости. В модифицированной схеме (Рис. 3) входное напряжение остается постоянным (напряжение возбуждения), но емкость меняется. В качестве меняющейся емкости как раз и можно использовать емкостной сегнетоэлектрический датчик. В итоге выходной код преобразователя будет соответствовать отношению измеряемой емкости к опорной ().

За счет прямого подключения датчика к АЦП метод имеет «высокую разрешающую способность, точность и линейность» [1]. Кроме того, промышленностью выпускаются специализированные емкостные сигма-дельта АЦП, к входам которых непосредственно подключается измеряемая емкость, что обеспечивает высокую повторяемость, надежность, простоту реализации схемы, а также снижение себестоимости.

Таким образом, в настоящее время в медицине применяется несколько способов определения температуры тела, каждый из которых имеет и достоинства, и недостатки. Один из методов, который может применяться при проектировании термометров − использование сегнетоэлектрического конденсатора в качестве температурного датчика. Указанный метод определения температуры тела еще не используется. Остается надеяться, что в будущем и этот метод найдет свое применение в медицине.

Литература:

1.                  Брихта, М. Преобразователи ёмкости в цифровой код на основе сигма-дельта модулятора/М. Брихта //Компоненты и технологии. − 2006. − № 1.

2.                  Геращенко О. А. Температурные измерения. Справочник/О. А. Геращенко, А. Н. Гордов и др. − Киев: Наукова думка, 1989.

3.                  Пасынков, В. В. Материалы электронной техники: учебник для вузов / В. В. Пасынков, В. С. Сорокин — СПб.: Изд-во «Лань», 2003.