Розробка вимірювача температури тіла

ЗАВДАННЯ НА КУРСОВЕ  ПРОЕКТУВАННЯ

Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

2

 

Розробити вимірювач температури  тіла.

В даному курсовому проекті  необхідно розробити алгоритм роботи пристрою, який буде вимірювати температуру тіла людини.

Діапазон вимірюваних  значень первинного перетворювача :  -50...+100°С

Похибка вимірювання температури: 0,1...0,2 °С

Точність вимірювання: не гірше 0,5°С

Кінцевий результат схема  електрична принципова.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

АНОТАЦІЯЗмн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

3

 

 

В даній курсовій роботі об’єктом дослідження являється пристрій для вимірювання температури.

Метою роботи є проектування пристрою для вимірювання температури.

Методом дослідження є  теоретичне дослідження можливостей  реалізації пристрою для вимірювання  температури  з використанням доступної елементної бази.

В результаті виконання курсового  проекту була розроблена електрична принципова схема пристрою для вимірювання температури.

Область використання: медицина, побут.

 

ABSTRACT

 

In this term paper the object of study is a device for measuring temperature.

The aim is to design a device for measuring temperature.

The method of study is a theoretical study of the feasibility of the device for measuring temperature using available components.

As a result of the course project was developed electrical schematic diagram of a device for measuring temperature.

Scope of Use: medicine, life.

 

ВСТУПЗмн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

4

 

 

      Пристрої для вимірювання температури тіла є одними з найстаріших діагностичних пристроїв. Вимірювання температури внутрішніх органів та шкіри дає лікарю важливу інформацію про фізіологічний стан пацієнта. Коли температуру не потрібно реєструвати безперервно, стандартним засобом вимірювання все ще залишається ртутний термометр. Проте у випадках, коли необхідно забезпечити безперервне спостереження за температурою пацієнта, вимірювальний пристрій не повинен створювати дискомфорту. Тому електронні термометри часто замінюють ртутні. Ці пристрої, що мають зручні для використання датчики, дозволяють отримати відлік температури значно швидше, а самі показання зчитувати значно зручніше, ніж на звичайному термометрі. Для вимірювання температури можна використовувати термопари, оптоволоконні термодатчики, напівпровідникові датчики температури та ін.

Метою виконання даної  роботи є проектування пристрою для  вимірювання температури, вивчення методів вимірювання необхідного параметру та засвоєння принципів функціонування розробленого пристрою.

Дана робота є актуальною, оскільки через надзвичайну важливість такого параметру організму, як температура, пристрій, що проектується, є необхідним в медицині та побуті.

 

 

 

ЗМІСТ

Завдання на курсове  проектування

Анотація

Вступ

1. Аналітичний огляд літературних джерел……………………………………6

Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

 

      5

 

 Розроб.

Мосійчук С.О

 Перевір.

Нікітчук Т.М

 Реценз.

 

 Н. Контр.

 

 Затверд.

 

Пристрій вимірювання температури тіла

Літ.

Акрушів

34

ЖДТУ, гр. РА-13

    1.1 Загальні відомості про вимірювання температури тіла………………...6

       1.1.1Вимірювання температури за допомогою термопар………………..6

       1.1.2 Безконтактна термометрія…………………………………………....7

       1.1.3 Оптоволоконні термодатчики………………………………………..8

4. Напівпровідникові датчики температури…………………………..9

   1.2 Цифрові вимірювачі температури ………………………………………11

2.Технічне завдання на курсове проектування……………………………….15

3. Техніко-економічне обгрунтування доцільності розробки………………16

4.Розробка принципової схеми системи. Обґрунтування та вибір елементної бази……………………………………………………………………………...18

    4.1 Розробка принципової схеми системи…………………………..…....18

    4.2 Обґрунтування та вибір елементної бази……………………….……...18

5. Розрахунок параметрів  системи……………………………………………28

Висновок……………………………………………………………………..…31

Література………………………………………………………………………32

Додатки…………………………………………………………………….……33

Додаток 1…………………………………………………………………..……33

Додаток 2…………………………………………………………………..……34

 

 

 

 

 

 

1. АНАЛІТИЧНИЙ ОГЛЯД

 

1.1 Загальні відомості  про вимірювання температури  тіла

Вимірювання температури  тіла дає лікарю важливу інформацію про фізіологічний стан пацієнта. Зовнішня температура тіла є одним  з параметрів, що використовуються для оцінки стану пацієнта при  інфекційних захворюваннях, шоці, артриті, хронічних запаленнях та ін.

Прилад для вимірювання  температури людського тіла дуже мало відрізняється від приладів, що використовуються в різноманітних  галузях промисловості, але для  фізіологічних вимірювань температури  необхідний вузький діапазон температур і спеціальні розміри і форма  елементів чутливості.

У людського тіла можна  вимірювати температури двох основних типів: системну (температура внутрішніх органів тіла) і поверхневу або  шкіряну. Обидва вимірювання дозволяють отримати цінну діагностичну інформацію, хоча ширше використовується вимірювання  системної температури.

Нижче описуються методи вимірювання  температури за допомогою термопар, термісторів, оптоволоконних детекторів, а також шляхом реєстрації випромінювання [1].

 

1.1.1 Вимірювання температури за допомогою термопар

 

Вимірювання температури  за допомогою термоелектрики засноване  на відкритті, зробленому Зеєбеком в 1921 році: якщо спаї двох різнорідних металів, що створюють замкнутий електричний ланцюг, мають неоднакову температуру, то в ланцюзі протікає електричний струм. Зміна знаку у різниці температур спаїв супроводжується зміною напряму струму. Під термоелектричним ефектом розуміється генерування термоелектрорушійної сили (термоЕРС), що виникає через різницю температур між двома з'єднаннями різних металів і сплавів.

Таким чином, термопара може утворювати пристрій (або його частину), що використовує термоелектричний ефект  для вимірювання температури. У  поєднанні з приладом електровимірювання термопара утворює термоеЗмн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

6

лектричний термометр. Вимірювальний прилад або електронну вимірювальну систему підключають або до кінців термоелектродів або в розрив одного з них.

Використання термопар має  наступні переваги: малий час відгуку (постійна часу може досягати 1 мс), малі розміри (до 12 мкм в діаметрі), простота виготовлення і довготривала стабільність, дешевизна, зручність монтажу, можливість вимірювання малих різниць температур. Термопари можуть забезпечувати високу точність вимірювання температури на рівні ±0,01°С. До недоліків можна віднести малу напругу на виході, низьку чутливість і необхідність мати опорну температуру. Термопари можна зробити настільки малими за розмірами, що вони вміщатимуться всередині катетера або підшкірної голки [1].

 

1.1.2 Безконтактна термометрія

Метод безконтактного вимірювання  температури (БВТ) (пірометрії) заснований на відомому співвідношенні між температурою об'єкту і характеристиками його випромінювання. Ця властивість дозволяє проводити  вимірювання температури тіла без  фізичного контакту з ним.

Медична термографія дає можливість вимірювати температуру різних ділянок тіла з точністю до декількох десятих кельвіна. Важливість отриманої інформації пояснюється тим, що температура шкіри в даній точці залежить від локальних клітинних процесів і від кровопостачання даної ділянки тіла. Термографія використовується для локалізації і визначення ступеня порушень при артриті, для визначення глибини ураження тканин при обмороженнях і опіках і для виявлення різних порушень периферійного кровообігу, таких як венозний тромбоз, оклюзія сонної артерії та ін [1].

У реальних умовах на достовірність  результатів БВТ впливають неідеальність об'єкту вимірювань, середовище поширення випромінювання, наявність паразитних джерел та ін. У структурі радіометричного ланцюга (рис. 1.1) реальний об'єкт представлений у вигляді абсолютно чорного тіла (АЧТ), сигнал якого проходить через ланку з коефіцієнтом випромінювання ε (λ, Т, φ, х, у) < 1, що визначається станом поверхні, формою, матеріалом об'єкту і є скЗмн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

7

ладною функцією довжини хвилі, температури, Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

8

 напрямку поширення  для даної координати поверхні.

 

Рисунок 1.1 – Структурна схема радіометричного ланцюга

 

При поширенні випромінювання з корисним сигналом сумується випромінювання фону і завад (широкосмугові при наявності інших нагрітих тіл або вузькосмугові від газів, що горять). Параметри середовища поширення, що вносить вибіркове ослаблення сигналу в різних спектральних інтервалах, і їх флуктуації залежать від температури, тиску, компонентного складу і концентрації газів, наявності дисперсних включень і т. п. Необхідно враховувати також характеристики оптичної системи і приймача випромінювання.

Через велику кількість чинників підходити до рішення задачі визначення температури найбільш доцільно зі статистичної точки зору [2].

 

1.1.3 Оптоволоконні термодатчики

На рис. 1.2 зображено схему напівпровідникового зонда для вимірювання температури на основі арсеніда галію GaAs. Невеликий монокристал бездомішкового GaAs, виготовлений у вигляді призми, закріплений за допомогою епоксидної смоли на кінці двох сполучених разом оптоволоконних світлопроводів. Розміри датчика і світлопроводів повинні бути достатньо малими, щоб разом із захисним ковпачком їх можна було помістити в точку вимірювання. Один зі світлопроводів передає світло від світлодіода до датчика. Світло проходить через кристал GaAs і потім по другому світлопроводу передається у вимірювальний пристрій. При проходженні через напівпровідник частина енергії випромінювання поглинається, причому ця енергія передається електронам, які через це зможуть перестрибнути через заборонену зону з валентної зони в зону провіЗмн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

9

дності. Ширина забороненої  енергетичної зони сильно залежить від  температури напівпровідника, тому при підвищенні температури кількість  енергії, що поглинається, зростає.

Такі неметалічні зонди  особливо зручні для вимірювання  температури в сильних електромагнітних полях, які можуть використовуватися  для нагрівання тканин при лікуванні  раку або обігріві пацієнта [1].

 

Рисунок 1.2 – Структура  оптоволоконного напівпровідникового  зонду для вимірювання температури  на основі датчика з арсеніда галію

 

1.1.4 Напівпровідникові датчики температури

В сучасних електронних пристроях  вимірювання температури надзвичайно важливо, особливо якщо мова йде про дорогі малогабаритні комп'ютери або інших портативні пристрої з щільно упакованими електронними компонентами, які розсіюють помітну потужність у вигляді теплової енергії. Знання температури системи можна також використовувати для управління зарядом акумуляторних батарей і для запобігання пошкодженню дорогих мікропроцесорів. Портативне високо споживаюче устаткування часто має охолоджуючий вентилятор для підтримки внутрішньої температури на потрібному рівні. Для того, щоб продовжити життєвий цикл акумуляторних батарей, вентилятор повинен працювати тільки тоді, коли це необхідно. Точне управління роботою вентилятора вимагає знання критичних температур, які вимірюються за допомогою відповідних датчиків температури.

Датчики температури використовуються:

• для моніторингу (спостереження);

портативного устаткування; Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

10

 

• температури центрального процесора;
• температури акумуляторної батареї;
• температури навколишнього середовища;
• для компенсації;
• для компенсації дрейфу генератора в стільникових телефонах;
• для компенсації температури холодного спаю термопар;
• для керування;
• зарядом акумуляторної батареї;
• управління процесом утримання температури.