Рис. 1 Схема включения NTC-термистора.
Для оценки изменения функционального состояния человека необходимо измерение температуры. Различают температуру ядра (сердцевины) тела и температуру поверхности кожи тела. Последняя зависит от целого ряда факторов (температура и влажность воздуха, развития волосяного покрова, кровоснабжения кожи и т.д.). Хотя температура ядра является более достоверным показателем системы терморегуляции организма, в научно-исследовательских работах производят измерения обоих величин.
Для оценки температуры ядра измеряют температуру в мышцах и отдельных органах, ректальную температуру, температуру в полости рта, подмышечной впадине, паховой области и пупочной ямке.
При измерении температуры поверхности кожи важны симметричные температурные поля, которые дают возможность оценить интенсивность кровоснабжения какой-либо части или сегмента человеческого тела. Места наложения температурных датчиков для измерения данного показателя определяет и обосновывает эксперт.
Поскольку температура не может быть измерена непосредственно, для ее определения необходимо установить температурную шкалу: выбрать термометрическое вещество и физическое свойство, зависящее от температуры. Преобразующий элемент температурного датчика основан на определенном процессе, (физическом и химическом явлении) связанном с электрическими характеристиками устройства так, что изменение измеряемой величины влечет за собой изменение этих характеристик. Изменения в электрических характеристиках создает электрический сигнал, зависящий от измеряемой величины (в нашем случае температуры).
Наиболее часто для измерения температуры человеческого тела в качестве датчиков применяют терморезисторы. Принцип работы датчиков основан на их свойстве изменять сопротивление при изменении температуры. Изменение сопротивления оценивается величиной температурного коэффициента сопротивления (ТКС). ТКС может быть как положительным (при увеличении температуры величина сопротивления возрастает), так и отрицательным. Величина ТКС характеризует чувствительность датчика. Термисторы относят к классу пассивных (входной преобразователь, получает энергию от измеряемой величины) биоуправляемых датчиков.
Среди характеристик, определяющих качество температурных датчиков, можно выделить:
Преимущества термисторов:
Термисторы благодаря небольшим габаритам быстрее реагируют на изменение температуры. Небольшие размеры термисторов приводят к тому, что для их самонагрева требуется небольшой ток. Следовательно, можно считать, что ток не влияет на точность измерений.
В качестве чувствительных элементов применяемой системы используются полупроводниковые термосопротивления (термисторы) с отрицательным температурным коэффициентом (NTC-thermistors). Для решения задачи в целом, т.е. получения электрического сигнала, возникающего при понижении температуры контролируемого процесса до заданного значения, термистор должен быть снабжен дополнительными электронными схемами, которые и осуществляют решение задачи выделения заданного значения температуры. В Институте проблем управления РАН совместно с фирмой VZ SENSOR Ltd., на основе полупроводниковых структур с L-образной вольтамперной характеристикой были разработаны интеллектуальные (функциональные) термисторы (Z-thermistors), которые способны решать задачу выделения заданного значения температуры без использования дополнительных электронных схем.
|
Рис. 1 Схема включения NTC-термистора. |
Рис. 2 Технические характеристики Z-термисторов при температуре +20°C и сопротивлении резистора R = 0.25 + 5 кОм Тип Z-термистора |
Диапазон рабочих температур: -20 + 100 °C.
Диапазон пороговых напряжений: 60 - 0,5 B.
Размеры Z-термисторов: 1 x 1 x 0,3; 2 x 2 x 0,3; 3 x 1,5 x 0,3 мм.
Маркировка Z-термисторов: TZ-(1; 3; 4; 12; 18; 24).
Здесь: T - функциональный тип сенсора (Thermistor);
Z - физический принцип действия (Z-эффект);
(1; 3; 4; 12; 18; 24) - пороговое напряжение при 20°C
Z-термисторы представляют собой полупроводниковую p-n структуру, включаемую в прямом направлении (+ к p-области структуры) в цепь источника постоянного напряжения. Структура обладает функцией перехода из одного устойчивого состояния (с малым током) в другое устойчивое состояние (в 50 - 100 раз большим током) при ее нагреве до заданного значения температуры. Установка требуемого значения температуры срабатывания осуществляется простым изменением напряжения питания. Длительность перехода структуры (Z-термистора) из одного устойчивого состояния в другое 1 - 2 мкс. Схема включения Z-термистора состоит из источника питания U и нагрузочного резистора R, который одновременно служит ограничителем тока Z-термистора при его переходе в состояние с большим током . Выходной сигнал (бросок напряжения) может быть снят как с нагрузочного резистора R, так и с самого Z-термистора, но с обратным знаком. Как уже было сказано, Z-термистор может быть настроен на любое значение температуры в диапазоне –40 -+100°С путем изменения питающего напряжения U. При этом могут быть изготовлены разные типы Z-термисторов, срабатывающие при одной и той же температуре от разных напряжений питания. Для того, чтобы разделить Z-термисторы по типам, было введено понятие базовой температуры. В качестве базовой было принято значение комнатной температуры (room temperature) +20°С. Принципиально Z-термисторы могут быть изготовлены на любые напряжения срабатывания в пределах от 1 до 100 В при базовой температуре, но для удобства пользователей мы ограничились рядом типовых значений напряжения, чаще всего используемых в электронной технике, а именно: 1,5 В; 3 В; 4,5 В; 9 В; 12 В; 18 В; 24 В (см. таблицу).
Z-термисторы могут быть использованы не только как высокоточные, надежные и простые в эксплуатации сигнализаторы заданного значения температуры, но также, как температурные сенсоры для непрерывного измерения температуры, приблизительно в том же диапазоне (-40 - +100°С). При этом, зная нижний и верхний пределы измерений температуры, (например, для медицинского термометра +34° - +43°С), напряжение питания выбирается таким, чтобы значение токов термистора, соответствующие этим пределам измерений, находились на выбранном участке ВАХ. Точностные возможности Z-термисторов при их использовании как в пороговом режиме, так и в режиме непрерывных измерений практически полностью определяются стабильностью питающего напряжения и лежат в пределах 0,1 - 0,01°С. Большой интерес с практической точки зрения представляет собой возможность использования Z-термисторов в частотно-импульсном режиме работы. Для этого параллельно Z-термистору подключают емкость С >> 0,05 - 0,15 мкФ (рис.), что вызывает генерацию пилообразных импульсов большой амплитуды (порядка 0,5 от питающего напряжения), частота следования которых пропорциональна температуре.
Многолетние исследования не выявили каких-либо проявлений деградации или дрейфа рабочих характеристик Z-термисторов. Более чем двукратный по отношению к рабочему диапазону перегрев Z-термисторов не приводит к их разрушению либо к изменению характеристик, что говорит об их весьма высокой надежности (робастности). Z-термисторы не имеют аналогов в мировой практике и технологией их производства не обладает ни один из западных производителей электронных компонентов.