Курсовая работа: Медицинский термогигрометр

КЫРГЫЗСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. И. РАЗЗАКОВА

Кафедра «Телематика»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине: «Микропроцессорные системы»

На тему «Медицинский термогигрометр»

Выполнил: Айбек кызы Айыке

Проверил: Султангазиева Р.Т.

БИШКЕК-2020

Техническое задание

На выполнение курсовой работы студентам: 4-го курса группы БСТг -16 Айбек кызы Айыке

Тема курсовой работы: «Медицинский термогигрометр»

Исходные данные к работе: Аппарат сочетает в себе функции двух приборов - термометра и гигрометра и измеряют одновременно влажность и температуру воздуха в помещении; Основы и принципы работы с микроконтроллером;

Аннотация

В данном курсовом проекте выполнено конструирование медицинского термогигрометра, который будет отображать влажность и температуру воздуха помещения. Разработана принципиальная схема прибора и подбор деталей. Были рассмотрены отдельные типы медицинских датчиков и изучены физические принципы их работы. Проведены проверочные расчеты, анализ устойчивости.

Введение

Различные преобразователи неэлектрических величин в электрические прочно заняли свое место во многих областях человеческого знания, и уж тем более в медицине. Трудно представить современного врача, занимающегося диагностикой различных заболеваний и их лечением, не опирающегося на огромное число достижений таких наук, как радиоэлектроника, микроэлектроника, метрология, материаловедение. И хотя, датчики являются одной из самых медленно развивающихся областей медицинской электроники, да и всей электроники в целом, но подавляющее большинство диагностических и терапевтических приборов и систем прямо или косвенно содержат множество самых разных преобразователей и электродов, без которых, подчас немыслима работа этой системы. Вот о некоторых типах датчиков я и попытаюсь рассказать в представленной работе. Определенная сложность, повторюсь, заключается в огромнейшем номенклатурном разнообразии медицинских датчиков, а также в довольно малом количестве публикаций, касающихся этой темы.

Глава 1. Обзорно-аналитическая часть

1.1 Температурные датчики. Термисторы

Одной из наиболее распространенных задач промышленной, бытовой и медицинской автоматики, решаемых путем температурных измерений, является задача выделения заданного значения температуры или диапазона температур, в пределах которого контролируемые физические процессы протекают нормально, с требуемыми параметрами. Это, в первую очередь, относится к приборам и устройствам, работающим при температурах, определяемых условиями жизнедеятельности человека и используемых им при этом приборов машин и механизмов, т.е. -40є +100°С, например, кондиционирование температуры жилых, складских и технологических помещений, контроль нагрева различных двигателей, трансмиссий, тормозных устройств и т.п., системы пожарной сигнализации, контроль температуры в медицине, биотехнологиях и сельском хозяйстве и пр. В качестве чувствительных элементов таких систем в последнее время широко используются полупроводниковые термосопротивления с отрицательным температурным коэффициентом или термисторы (NTC-thermistors). Однако, для решения задачи в целом, т.е. получения электрического сигнала, возникающего при повышении или 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.

Рисунок 1.1 Схема включения обычного термистора

Рисунок 1.2 Схема включения Z-термистора

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 (рис.). 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 (roomtemperature) +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 1.1).

Таблица 1.1 - Технические характеристики Z-термисторов при температуре +20°C и сопротивлении резистора R = 0.25 + 5 кОм

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 mm

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 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). Для этого могут быть использованы участки 1,2,3 ВАХ (рис.). 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.

График 1.1 Вольтамперная характеристика (ВАХ) Z-термистора

медицинский термогигрометр микроконтроллер

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.

1.2 Датчики влажности

Определение количественных показателей влажности газовых сред, жидкостей, твердых и сыпучих тел - востребованная задача практически для всех сфер промышленности, хозяйственной и научной деятельности, различного типа производств. Все методы определения влажностных показателей делятся на прямые и косвенные. Прямой способ подразумевает непосредственное отделение сухого вещества в исследуемом материале от влаги. Принцип косвенных методов заключается в измерении физических величин, имеющих функциональную связь с влажностью вещества или материала.

Необходимость беспрерывно производить замеры, контролировать и регулировать содержание влаги в различных веществах способствовало разработке и развитию компактных сенсорных приборов - датчиков влаги. Они значительно облегчили процесс круглосуточного детектирования концентрации молекул воды в анализируемом материале. Современные сенсорные датчики должны отвечать целому ряду требований: помимо высокой точности, чувствительности и быстроты операций, данные устройства должны иметь широкий измерительный диапазон, охват нескольких порядков анализируемой величины, стабильность показаний.

Области применения датчиков

Измерение показателей влажности необходимо в таких сферах деятельности, как:

химическое производство;

транспортировка топлива;

фармацевтика;

полимеризация;

животноводство;

хранение продукции;

обслуживание холодильных и морозильных камер;

лесоперерабатывающая промышленность;

работа пищевых цехов;

сельскохозяйственная отрасль и т. д.

Виды влажностных датчиков

Датчики для замеров влажности классифицируются по различным критериям, например по:

агрегатному состоянию и структурным особенностям материала, который подлежит анализу;

условиям и режиму эксплуатации - существуют датчики для беспрерывных и дискретных контрольно-измерительных мероприятий;

способу осуществления замеров - датчики имеют проточный и погружной тип;

методу определения влажностных показателей.

Последний критерий поспособствовал выделению двух больших групп, пользующихся высоким спросом: сорбционные и сорбционно-импедансные датчики.

Сорбционные датчики влажности

Для определения и контроля незначительных концентраций влаги применяются датчики сорбционного типа, принцип измерения в которых основывается на пьезосорбционных и сорбционно-импендасных способах мониторинга.

Главный функциональный элемент таких датчиков - сорбционный слой, который при контакте со средой исследования способен поглощать пары воды. Часто в роли такого слоя выступает полимерная пленка или материал на основе высокопористых неорганических оксидов.

Чем выше размерные характеристики внутренних полостей материала, тем большей эффективностью обладает датчик на его основе. Поэтому оптимальными анализирующими элементами служат пористые и мезопористые материалы. При этом важно отметить, что увеличение влагочувствительности датчиков с помощью такого материала так же может сопровождаться увеличением погрешности производимых замеров. В связи с этим разработка и производство датчиков влажности требует особого контроля и соблюдения технологий формирования чувствительного элемента.

Сорбционные датчики, задействуемые при мониторинге влажности различных сред, могут иметь структуру по типу «сэндвич». Изготовление датчика осуществляется на подложках из стеклокристаллического материала или поликорового наполнителя. Электроды выполняются на основе никеля с ванадиевым покрытием. Чувствительная гидрофильная прослойка представлена специальной наноструктурированной пленкой из полимеров, ее формирование происходит по особой технике. На прослойку из полученной диэлектрической пленки наносится особо тонкое золотое покрытие (мембраны данной пленки способны селективно пропускать молекулы воды), которое берет на себя функционал второго электрода. Обеспечивает надежное исполнение конструкции непосредственное расположение контактов на уровне нижнего электрода. Постоянная времени имеет значение:

для датчика относительной влажности - 1-2 с;

для датчика микровлажности - от 10 до 180 с, такой широкий диапазон обуславливается зависимостью от уровня исследуемой концентрации влаги.

Особая технология термической обработки влажностного датчика помогает снизить значение погрешности устройства до 2 %.

Рисунок 1.3 Датчик влажности

Датчик влажности «сэндвич» типа:

1. Основание датчика;

2. Нижние электроды;

3. Пленка сорбента;

4. Верхний электрод.

Работа датчиков влажности часто сопряжена с применением термоизмерителей. Это помогает повышать точность исследований среды, обеспечивать корректный пересчет единиц измерения и получать максимально точные значения абсолютной и относительной влажности.

Особая роль отводится датчикам относительной влажности при мониторинге атмосферы, климата производственных помещений и жилых построек. Также без данных датчиков не обходится работа гидрометеорологического оборудования, в том числе зондов.

Датчики, применяемые для мониторинга параметров микровлажности, востребованы при исследованиях особо чистых активных газов и их сред (примером может служить аргон или кислород). Поэтому без такого измерительного оборудования не обходятся отрасли электроники, лабораторные корпуса и т. д.

Сорбционно-импедансные датчики

Определить концентрацию влаги в различных средах помогают датчики сорбционно-импедансного типа. Преимуществом этих устройств мониторинга влажности служат:

высокие показатели чувствительности;

простая технология изготовления;

компактность изделия.

Работа такого датчика основывается на зависимости комплексного сопротивления сорбционного слоя от объема поглощенной им влаги. Такие датчики влажности могут иметь два варианта конструктивного исполнения: