Электронный медицинский термометр Советский патент 1992 года по МПК G01K7/32 

со

Изобретение относится к приборостроению, в маетности к средствам измерения температуры. Целью изобретения является уменьшение погрешности измерения температуры и упрощение устройства. Термометр содержит тем- пературно-зависимый резонатор 1 и температурно-стабильный резонатор 3, связанные с кварцевыми генераторами 2 и Ц, схемы 5 Ю сравнения, коммутатор 6, счетчик 7 с дешифратором, индикатор 8, счетчики 9, 12, 15, 16, делитель 13, усилитель 17, звуковой сигнализатор 18 и стартовый элемент 19. 2 ил.

ic

5

фигЛ

J 1719927

Изобретение относится к приборостроению, в частности к средствам измерения температуры для нужд здравоохранения.,

Известен медицинский термометр, содержащий емкость и отсчетную трубку, связанные между собой и частично заполненные ртутью. Трубка жестко связана со шкалой. Конструкция ю позволяет определять температуру тела пациента, не отнимая прибор от точки измерения.

Недостатками устройства являются экологическая опасность, так как в 15 нем используется ртуть, и недостаточная точность, так как отсчет производится на глаз, по положению ртутного мениска относительно шкалы.

Наиболее близким к предлагаемому 20 является электронный медицинский термометр, содержащий два кварцевых генератора с вынесенными пьезоэлектрическими кристаллами и схему обравым генератором 2 и температурно-ста- бильный резонатор 3, связанный с вторым кварцевым генератором k. На фиг.1 показаны также первая схема 5 сравнения, коммутатор 6, двоично-десятичный счетчик 7 с дешифратором, индикатор 8, первый счетчик 9, вторая схема 10 сравнения, формирователь 11 цикла измерения, второй счетчик 12, делитель 13 формирователь 14 временного интервала между смежными измерениями, третий и четвертый счетчики 15 и 16, усилитель 17, звуковой сигнализатор 18, стартовый элемент.- пусковая кнопка 19.

Работа термометра основана на сравнении частот двух генераторов - опорного k и температурно-зависимо- го 2. Частота опорного генератора стабилизирована кварцевым резонатором типа РК-206 и имеет высокую стабильность на частоте 32768 Гц во всем диапазоне измеряемых температур. Чаботки сигнала, которая включает сред- 25 стота температурно-зависимого генераства для периодического измерения температуры, сравнения, подсчета и давления числа импульсов, для коммутации, принятия решений и цифровой индикации результатов измерения. 30

Недостатками прототипа являются . излишняя сложность, обусловленная заложенным в приборе алгоритмом оценки результатов измерения и определения окончания процесса измерения, 35 большие габариты, обусловленные наличием трехступенчатой индикации результатов измерения.

Цель изобретения - упрощение конструкции и уменьшение габаритов уст- 40 ройства при повышении точности измерений.

Цель достигается за счет размещения устройства в корпусе, соответсттора 2 изменяется по линейному закону благодаря использованию температу но-зависимого кварцевого резонатора 1 типа РКТ-206 с чувствительностью 1,9-2,1 Гц/°С.

Устройство содержит два аналогичных генератора 2 и k. Частоты-резонаторов 1 и 3 отличаются на некоторую величину, определяемую диапазоном изменения параметра. Причем резо натор 1 представляет собой температу но-зависимый кварцевый измерительный преобразователь. На схему 5 сравнения поступают частоты F0 и (t°). Сигнал разностной частоты AF подается на коммутатор 6. С помощью делите ля 13 формируются сигналы с часто а- ми 1; 2; 102 Гц. Формирователь 14 формирует интервал времени измеревующем по форме корпусу обычного ртут-tf ни равный 5 с, и управляет формирователем 11 цикла, который, в свою очередь, с помощью коммутатора 6 под ключает выход схемы 5 сравнения к вх дам счетчиков 9 и 12 с коэффициентом пересчета и двоично-десятичного счетчика с дешифратором 7. Выходы его соединены с трехразрядным семисегментным индикатором 8. Состояние счетчиков 9 и 12 сравнивается схемой 10 сравнения. При равенстве кодов счетчиков 9 и 12 на выходе 10 появляются импульсы, количество которых подсчитывается счетчи ком 15. Сигнал с выхода счетчика 15

ного медицинского термометра, с выносом температурно-зависимого резонатора в утонченную часть корпуса, выполненную из материала с высоким коэффициентом теплопередачи, и за счет расположения в корпусе автономной схемы обработки сигналов.

На фиг. 1 изображена схема прибора; на фиг. 2 - структурная схема блока обработки.

Электронный медицинский термометр содержит температурно-зависимый резонатор 1 , связанный с первым кварцевым генератором 2 и температурно-ста- бильный резонатор 3, связанный с вторым кварцевым генератором k. На фиг.1 показаны также первая схема 5 сравнения, коммутатор 6, двоично-десятичный счетчик 7 с дешифратором, индикатор 8, первый счетчик 9, вторая схема 10 сравнения, формирователь 11 цикла измерения, второй счетчик 12, делитель 13 формирователь 14 временного интервала между смежными измерениями, третий и четвертый счетчики 15 и 16, усилитель 17, звуковой сигнализатор 18, стартовый элемент.- пусковая кнопка 19.

Работа термометра основана на сравнении частот двух генераторов - опорного k и температурно-зависимо- го 2. Частота опорного генератора стабилизирована кварцевым резонатором типа РК-206 и имеет высокую стабильность на частоте 32768 Гц во всем диапазоне измеряемых температур. Чатора 2 изменяется по линейному закону благодаря использованию температурно-зависимого кварцевого резонатора 1 типа РКТ-206 с чувствительностью 1,9-2,1 Гц/°С.

Устройство содержит два аналогичных генератора 2 и k. Частоты-резонаторов 1 и 3 отличаются на некоторую величину, определяемую диапазоном изменения параметра. Причем резонатор 1 представляет собой температур но-зависимый кварцевый измерительный преобразователь. На схему 5 сравнения поступают частоты F0 и (t°). Сигнал разностной частоты AF подается на коммутатор 6. С помощью делителя 13 формируются сигналы с часто а- ми 1; 2; 102 Гц. Формирователь 14 формирует интервал времени измерени равный 5 с, и управляет форми

рователем 11 цикла, который, в свою очередь, с помощью коммутатора 6 подключает выход схемы 5 сравнения к входам счетчиков 9 и 12 с коэффициентом пересчета и двоично-десятичного счетчика с дешифратором 7. Выходы его соединены с трехразрядным семисегментным индикатором 8. Состояние счетчиков 9 и 12 сравнивается схемой 10 сравнения. При равенстве кодов счетчиков 9 и 12 на выходе 10 появляются импульсы, количество которых подсчитывается счетчиком 15. Сигнал с выхода счетчика 15

блокирует формирователь I и разрешает работу счетчика 16, который управляет работой усилителя 17с нагрузкой в виде малогабаритного телефона 18.

.Схема работает следующим образом.

После нажатия на кнопку 19 происходит установка всех счетчиков в нулевое состояние. Сигнал разностной частоты &F частоты коммутатор 6 в течение 5 с поступает на счетчики 7 и 9- Следующие 5 с этот сигнал подаётся на счетчик 12. Затем происходит сравнение кодов счетчиков 9 и 12 с помощью схемы 10. В случае совпадения кодов четыре раза подряд счетчик 15 блокирует формирователь I и через него 11-тый коммутатор 6, а счетчик

to

длительный. Помещая термометр а по шечную впаДину, производят прогрев не только датчика, но и корпуса те мометра. При этом температура тела несколько понижается, а затем снов начинает повышаться, т.е. появляет ся колебательный процесс установле температуры. Поэтому нельзя считат измерение законченным при первом с падении результатов двух смежных и рений. Двухкратное совпадение резу татов может удовлетворить точности измерения, но следует учитывать, ч при любом дискретном измерении погрешность составляет ±1 младшего ряда. Поэтому для получения более достоверных результатов необходимо трехкратное совпадение результатов

16 формирует импульса длительностью20 Однако с точки зрения схемотехники

0,5 с, которые разрешают прохождение звуковой частоты 102 Гц на вход усилителя 17. Счетчик 16 становится на самоблокировку, а на индикаторе 8 индицируется показание измеренной тем-25 пературы с дискретностью 0,1°С. Если чувствительность датчика равна 2 Гц/рС, то при изменении температуры на 1°С за время измерения 5 с на

счетчик с коэффициентом пересчета 3 получают с помощью двух триггеро с обратными связями. Эти же два три гера, но без обратных связей, дают пересчет А, что удлиняет процесс измерения температуры, но увеличива ет достоверность полученных результатов измерения.

Блок обработки выполнен в виде о ной бескорпусной большой интегральн схемы (БИС), разработанной на основ высококачественной КМДП-технологии с самосовмещенным поликремниевым за твором и двух микронными проектными нормами.

счетчики проходит 10 импульсов, а на индикаторе отображается число 01,0°С. В результате при первоначальной настройке температурно-зави- симого резонатора на частоту 32768 Гц при 0СС и времени измерения 5 с получают устройство с высокой линейностью и равномерностью шкалы в широком диапазоне измерения температуры. Обработка результатов сводится к простому счету числа периодов разностной частоты без дополнительной обработки и введения масштабных коэф фициентов.

Датчик 1 является низкочастотным. Его малые размеры позволяют разместить датчик на общей печатной плате. Подстройка устройства осуществляется изменением частоты опорного генератора стандартными методами (триммер, электронная настройка и т.д;) при температуре окружающей среды на уровне измеряемого диапазона (например, его середины - 38 С).

Чувствительность датчика 1 высокая, а постоянная времени составляет 1 с. При измерении температуры- тела 37°С от температуры окружающей среды 20°С требуется 17 с. Сам процесс измерения температуры более

o

длительный. Помещая термометр а подмышечную впаДину, производят прогрев не только датчика, но и корпуса термометра. При этом температура тела несколько понижается, а затем снова начинает повышаться, т.е. появляется колебательный процесс установления температуры. Поэтому нельзя считать измерение законченным при первом совпадении результатов двух смежных измерений. Двухкратное совпадение результатов может удовлетворить точности измерения, но следует учитывать, что при любом дискретном измерении погрешность составляет ±1 младшего разряда. Поэтому для получения более достоверных результатов необходимо трехкратное совпадение результатов.

Однако с точки зрения схемотехники

5

0

5

0

5

0

5

счетчик с коэффициентом пересчета 3 получают с помощью двух триггеров с обратными связями. Эти же два триггера, но без обратных связей, дают пересчет А, что удлиняет процесс измерения температуры, но увеличивает достоверность полученных результатов измерения.

Блок обработки выполнен в виде одной бескорпусной большой интегральной схемы (БИС), разработанной на основе высококачественной КМДП-технологии с самосовмещенным поликремниевым затвором и двух микронными проектными нормами.

БИС осуществляет выделение разностной частоты эталонного кварцевого k и температурного кварцевого 2 генераторов за определенное время с учетом чувствительности конкретного датчика, являющейся функцией от измеряемой температуры. БИС проводит сравнение предыдущего и последующего замеров, осуществляет дешифрацию и вывод информации, а также функцию управления жидкокристаллическим инди- .катором в режиме двухуровневого мультиплексирования.

Структурная схема БИС для электронного термометра приведена на фиг.2. Микросхема содержит следующие основные блоки: блок 20 кварцевого генератора (КГ), блок 21 кварцевого генератора температуры (КГТ), блок 22 делителя частоты (ДЧ), блок 23 счетчика времени измерений (СЧ) , блок 2k синхронизации (БС) , блок 25 выделения разностной частоты (БВ), блок 26 счета разностной частоты (СЧР), ариф

мётическо-логическое устройство 27 (АЛУ), регистр 28 предварительного хранения (РГП), регистр 29 поправки (РГП) , регистр 30 вывода данных (РГВ), дешифратор 31 (ДШ) .

Блоки 20 и 21 кварцевых генераторов содержат активные и пассивные элементы, интегрированные в составе БИС (кварцевые резонаторы, внешние элементы генераторов подключаются к выводам ВхГ, ВыхГ, ВхГТ, ВыхГТ).

Делитель частоты осуществляет деление частоты эталонного сигнала 32768 Гц до частоты 1 Гц, а также формирует исходные сигналы для тактовых последовательностей сигналов БС 24. Счетчик 23 осуществляет счет временного интервала, в течение которого производится очередное измерение температуры.

Блок 2k синхронизации формирует последовательность тактовых сигналов синхронизирующих работу узлов БИС, а также осуществляет управление работой блоков БИС в зависимости от последовательностей логических сигналов на внешнем выводе КН, соединенном с кнопкой управления термомет ра, и обеспечивает работу БИС в соответствии с выбранным алгоритмом управления.

Блок 25 выделения разностной частты осуществляет выделение разностной частоты температурного и эталонного кварцевых генераторов и формирует импульсы на вход СЧР 26, который производит счет импульсов и их хранение до момента поступления сигнала обнуления из БС.

АЛУ 27 производит суммирование ил вычитание поправки на каждый градус, величина которой зависит от содержимого РгП, а знак - от состояния входа БИС 1 подстройки. Кроме того, АЛУ 27 производит сравнение содержимого СЧР 26 и РгПх 28 и при совпадени результата, по команде БС 2k, выдает информацию на ДШ 31

РгПх 28 служит для предварительного хранения результата, поступающего из АЛУ 27. Дешифрированная блоком 31 информация, представляющая собой семисегментный позиционный код, поступает на РгВ 30, осуществляющий хранение информации в ячейках памя ти, а также управление жидкокристал

0

0

5

30

лическим индикатором в режиме двухуровневого мультиплексирования

Одной из важнейших характеристик микросхемы, определяющей автономность работы электронного термометра от элементов питания, является ток потребления.

Ток потребления КМДП БИС можно рассматривать как сумму токов утечки р-п переходов областей транзисторов, р-п переходов карман-подложка, токов утечки каналов закрытых транзисторов, поверхностных токов утеч- 5 ки, которые определяются, в основном, технологией изготовления микросхем. Для используемой КМДП технологии с самосовмещенным поликремниевым затвором и охраной толстым окислом для БИС, содержащей 2000 транзисторов, этот ток составляет не более 0,05мкА. Динамический ток микросхемы прямо пропорционален напряжению питания емкости, перезаряжаемой схемой, и частоте переключения схемы. Максимальную рабочую частоту имеют блоки 20 и 21 кварцевых генераторов и первые каскады делителя 22 частоты, работающие на частоте, близкой к 32768 Гц.

Напряжение питания, при котором работает делитель частоты, равно 1,5 В110%. При использовании триггеров с минимальными узловыми емкостями величина динамического тока делителя частоты и схемы кварцевого генератора составляет 0,2-0,3 мкА. Учитывая наличие блоков 21 и 25, этот ток составляет величину порядка 0,4 - 0,5 мкА. Вклад в ток потребления остальных блоков, с учетом того, что часть элементов схемы 30 подключека к шине повышающего преобразователя (на фиг. 2 не указаны) напряжением -3,0 В±10% и с учетом КПД преобразователя, составляет не более 0,3- 0,4 мкА. Вклад кроссовых токов составляет до 0,1 мкА.

Таким образом,ток потребления микросхемы составляет величину не более 1,1 мкА. Источником питания электронного термометра является химический источник тока СЦ-30 емкостью 60 мА/ч.

Автономность определяется следу- ющим образом

35

40

45

50

55

L06T

. 9- f

с учетом самоQ - емкость ХИТ

разряда;

1Т - суммарный ток потребления термометра.

де

I Т -Ы т ЧБИС ки

1С6ИС ток потребления СБИС

ки

1,2 мкА; и- ток потребления ЖКИ 1 ,8 мкА.

180QO ч,

авт.

51 мА/ч

что соответствует 2,05 лет.

Таким образом автономность работы термометра составляет не менее 2 лет непрерывной работы.

Изготовленный опытный образец устройства имеет следующие технические характеристики: диапазон измеряемых температур тип индикатора - жидкокристаллический (ЖКИ), трехразрядный, с двумя символами; дискретность вывода значений температуры 0,1°С; погрешность измерения 0,1°С; габаритные размеры МО мм; форма - аналогичная форме обычного ртутного медицинского термометра; источник питания СЦ-30, 1 шт; ток потребления в процессе измерения не более 3 мкА; автономность не мене 2: лет; конструкция рассчитана на многократную дезинфекцию путем выдержки термометра в водных дезинфицирующих растворах.

Все узлы и элементы электронной схемы смонтированы на одной печатной плате, выполненной из двухстороннего фольгированного гальваностойкого стеклотекстолита, и имеют вытянутую форму, соответствующую форме корпуса изделия. В центральной части печатной платы в углублении смонтирована БИС, выводные площадки-которой соединены с площадками печатного монтажа платы с помощью ультразвуковой разварки. После сборки микросхема герметизирована компаундом.

Навесные элементы - подстроечные конденсаторы, кварцевые резонаторы, бескорпусные емкости, минусовой контакт элемента питания - смонтированы на контактные площадки платы методом пайки с одной стороны платы, что снижает трудоемкость сборки.

Для обеспечения совмещения контактных площадок печатной платы с кон

0

5

0

5

0

5

0

5

0

s

тактными площадками ЖКИ на плате вы- : полнены две базовых отверстия ф мм, в которые входят фиксирующие штыри сопрягаемой детали - рамки .

По длинным сторонам платы имеются выступы, выполняющие функции как элементов фиксации пружинной рамки, так и направляющих для установки собранной платы (электронного блока) в корпус.

Рамка - элемент конструкции,обеспечивающий установку и фиксацию ЖКИ слоистого соединителя, коммутацию ЖКИ с платой. Рамка выполнена из термопластичной пластмассы методом литья под давлением. Окончательная сборка блока и фиксации индикатора с обоймой на плате осуществляются металлической пружинной рамкой.Пружинная рамка выполнена из нержавеющей стали (бронзы) толщиной 0,2 мм и выполняет ряд дополнительных функций: является посадочным местом для элемента питания, контактной пружиной кнопки управления, держателем элемента питания и экраном для защиты электронной схемы от воздействия статического электричества на элементы электронной схемы.

Собранный электронный блок устанавливается в корпус. Корпус состоит из следующих элементов: собственно корпус - основная деталь элептичес- кого сечения, выполненная из ударопрочного сополимера .типа АБС 2030 белого цвета. Внутренняя полость имеет прямоугольное сечение и направляющие пазы для установки блока. В средней части корпуса выполнено окно, в которое монтируются защитное стекло индикатора и отверстие для кнопки управления. В удлиненной части корпуса, для размещения датчика- резонатора, установлен металлический полый тонкостенный, полированный наконечник, выполненный из алюминиевого сплава. Установка наконечника в корпус производится с помощью клея.

С обратной стороны на корпусе выполнена ступенька, на которую одевается крышка, также выполненная из ударопрочного пластика.

Сборка изделия проводится в следующей последовательности: монтаж на плату БИС и проверка на функционирование, герметизация; монтаж Навесных элементов и минусового контакта

питания; монтаж рамки, установка соединителя (зебра) И ЖКИ, фиксация их пружинной рамки; проверка функционирования и настройка; сборка корпуса (установка наконечника и стекла); установка блока в корпус; установка кнопки управления; установка элемента питания и крышки.

Формула изобретения

Электронный медицинский термометр, содержащий расположенные в корпусе , температурно-зависимый и опорный квартз цевые резонаторы, соединенные с первым и вторым генераторами соответственно, первый и второй элементы сравнения, коммутатор, первый и второй счетчики, двоично-десятичный счетчик 20 с дешифратором, соединенный выходом с индикатором, и блок обработки, отличающийся тем, что, с целью уменьшения погрешности измерения температуры и упрощения тер- 25 мометра, в него введены кнопка, последовательно соединенные усилитель и звуковой сигнализатор, а блок обработки содержит последовательно соединенные дeлиteль, подключенный вхо0

з 0 5

дом к выходу второго генератора и первому входу первого элемента сравнения, формирователь временных интервалов и формирователь цикла, соединенный выходом с входом коммутатора, третий и четвертый счетчики,.при этом первый элемент сравнения подключен вторым входом к выходу первого генератора и выходом к управляющему входу коммутатора, подсоединенного первым, выходом к входам двоично-десятичного счетчика с дешифратором и первого счетчика, соединенного выхог дом с первым входом второго элемента сравнения, подключенного вторым входом через второй счетчик к второму выходу коммутатора и выходом к одному из входов формирователя цикла и входу третьего счетчика, подсоединенного выходом к одному из входов формирователя временных интервало в и первому входу четвертого счетчика, соединенного вторым входом с первым выходом делителя и выходом с первым входом усилителя, подключенного вторым входом к второму выходу делителя, а третий счетчик; подсоединен входом установки через кнопку к нулевой шине.

,&Ј

ВухГТ

Входы подстройки

На ЖКИ

Фиг.2.