NL7900524A - Snelwerkende electronische thermometer. - Google Patents

Description

* U.0.2T.294

TxWilhelmus Hubert us Maria Zomer, te Tiaardingen Snelwerkende electronische thermometer

Be uitvinding heeft betrekking op een snelwerkende electronische thermometer, die geschikt is om gebruikt te worden als koortsthermometer en/of als thermometer voor het meten van plaatselijke temperaturen van verschillende delen van het lichaam, zoals bijvoorbeeld het hart of andere lichaamsdelen bij een 5 operatie.

In de praktijk zijn thermometers voor deze functies wel bekend, die echter in het algemeen met een vertraging van bijvoorbeeld minuten een bepaalde temperatuur aanwijzen, en die in het ^ algemeen ook niet voldoende nauwkeurig zijn.

De electronische thermometer volgens de uitvinding gaat voor de aanwijzing van de temperatuur en voor het omzetten van de temperatuurgevoelige sensor afkomstige spanning uit van een bekende JL/D-omzetter met digitale aanwijzing. ^

De uitvinding zal aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld nader worden toegelicht met verwijzing naar de tekeningen,waarin:

Fig. 1 een algemeen perspectivisch aanzicht geeft van de thermometer volgens de uitvinding; ]?ig. 2 een schema geeft van een voorbeeld van een op het aanraak-schakel kanaal van de thermometer aangesloten schakeling;

Fig. 3 een voorbeeld geeft van het temperatuurgevoelige halfgeleiderelement, dat in de sensor van de thermometer wordt nir

O

toegepast;

Fig. 4 een aanzicht geeft van het voor de sensor toe te passen metalen buis voor het opnemen van het temperatuurgevoelige halfgeleiderelement uit figuur 3> 796 05 2 4 /* 2 lig. 5 een aanzicht geeft van een vlakke plaat met het daarop bevestigde temperatuurgevoelige halfgeleiderelement;

Fig. 6 een aanzicht geeft van de' voor de sensor toegepaste buis waarin het temperatuurgevoelige halfgeleiderelement is - bevestigd; 5

Fig. 7 een schema geeft van de schakeling tussen het temperatuurgevoelige halfgeleiderelement en de A/D-omzetter met indic at ie-orgaan.

In figuur 1 is een algemeen aanzicht gegeven van de thermometer.

In het huis 1 daarvan is de A/D-omzetter 2 met indicatie-orgaan 3 opgenomen, en de tussen deze omzetter en de sensor 4 opgenomen schakeling 5· De thermometer kan met zijn sensor 4 Dij een patiënt in de anus of wanneer de sensor een vlak plaatje is op een lichaamsgedeelte gebracht worden, en hierbij wordt de .

15 electronische schakeling daarvan tegelijkertijd via het aanraakschakelcontact 6 ingeschakeld. Na een voldoende lange meettijd van ongeveer 5 & 10 seconden wordt de electronsiche schakeling naar een "houd"-toestand omgeschakeld. Deze meettijd van 5 a 10 seconden is 6.1^ groot, waarbijχ ^ de thermische tijdconstante 20 is van de sensor bij dit gebruik. De in het indicatie-orgaan 3 aangegeven waarde blijft nog ongeveer 10 seconden zichtbaar. Hierdoor kan de temperatuur van de patiënt worden afgelezen.

Hierna schakelt de electronische schakeling zichzelf uit.

25

De'thermometer kan hoofdzakelijk in drie delen worden verdeeld, te weten a) het aanraakschakelcontact 6 in de vorm van twee strookjes met bijbehorende electronica; b) de sensor 4 met het warmtegevoelige halfgeleider- 30 element 20, bijvoorbeeld een diode· of transistor; en c) de electronische meetschakeling, waaronder de A/D-omzetter, de tussen deze omzetter en het temperatuurgevoelige element opgenomen schakeling.

Het aanraakschakelcontact 6 is opzij van het huis 1 van de thermometer aangebracht. Wanneer dit contact of toets wordt 7900524 • · -Ό 35 5 ‘ * tr aangeraakt wordt dit contact daarna electrisch geblokkeerd.

Hierna verloopt een vaste meettijd die niet door toevallig aanraken van het contact kan worden verstoord. Tevens wordt gedurende deze hele meettijd een spanning aan de meetschakeling en het indicatie-orgaan aangeboden, en wordt na ± 10 seconden 5 een signaal voor de "houd"-toestand gegeven.

In figuur 2 is een schema gegeven van een voorbeeld van een voor deze voedingsspanning en het houdsignaal bestemde schakeling uitgevoerd met behulp van een C-MOS poort. ^ -

Links in figuur 2 is het schakelcontact aangegeven met behulp waarvan de voeding voor de meetschakeling wordt ingeschakeld. Onmiddellijk rechts hiervan bevindt zich een soort trekker, waarmee de meetschakeling van spanning wordt voorzien. Het meest 15 rechtse deel vormt een tijdvertragend element, waardoor na de J meetperiode naar de houdtoestand kan worden omgeschakeld.

Met behulp van de sensor waarin een temperatuurgevoelig element zoals een diode of transistor is opgenomen, wordt een spanning afgegeven die een maat is voor de temperatuur. Het grote voor- 20 deel van de volgens de uitvinding uitgevoerde thermometer met bijbehorende sensor is dat deze buitengewoon snel werkt en· hierbij op stabiele wijze een nauwkeurige temperatuurindicatie aangeeft.

25

In de sensor wordt bijvoorbeeld gebruik gemaakt van een silicium pn-diode chip.

In figuur 3 is een voorbeeld gegeven van een dergelijke als temperatuurgevoelig element fungerende pn-diode 20. In de figuur stelt 21 het goudplaatje of de kathode voor van deze 30 diode, en stelt 22 de als een gouden stip uitgevoerde anode van de pn-diode voor. Leze als een chip uitgevoerde pn-dioden kunnen op de markt verkregen worden, en zijn eigenlijk een speciale uitvoering van de gewone siliciumdiode.

790 0 5 2 4 > 4 4 - . ·. ï?

De kathode 21 van de in figuur 3 aangegeven pn-diode moet goed electrisch en warmtegeleidendin een bij de thermometer behorende sensorbuis worden gemonteerd. Ook kan de kathode bij voorbeeld bij oppervlakte metingen (huid of hart) op een vlakke plaat worden aangebracht. Dit aanbrengen kan bijvoorbeeld door middel 5 van soldeer of electrisch geleidende lijm gebeuren.

De bij een koortsthermometer behorende sensorbuis 23 kan de vorm hebben zoals aangegeven in figuur 4· Set materiaal van de buis 23 moet stevig zijn en mag niet roesten. Het materiaal kan bijvoorbeeld een legering van zilver en koper zijn. De buis kan bijvoorbeeld een lengte van + 10 mm, een diameter van 3 mm een wanddikte van enige tienden van een mm hebben.

De gouden kathodeplaat van de pn-diode chip kan in de sensorbuis 15 van de thermometer gelijm of gesoldeerd of gelast worden. Ook y kan de kathodeplaat van de pn-diode chip op een aparte vlakke plaat vast gemaakt worden wat zo nodig rond gebogen wordt en dan verend in het buisje over een bepaalde afstand wordt geklemd. Dit vlakke om te buigen plaatje kan bijvoorbeeld een messing 20 folie zijn. Deze folie kan tot in het midden van het buisje of helemaal tot aan het dichte andere uiteinde worden opgeschoven.

Op de kathodeplaat of op de wand van het buisje kan een eerste aansluitgeleider gesoldeerd of electrisch geleidend gelijmd worden. Deze eerste geleider vormt de gemeenschappelijke massa wélke verderop op de A/D-omzetter is aangesloten. Bij orgaan of huid temperatuurmetingen vormt deze kathodeplaat de sensor.

De aansluiting van de stipanode is in verband met de snelle werking van de thermometer van groot belang. In figuur 5 is aangegeim op welke wijze de anode 22 van de pn-diode welke al 30 dan niet op een plaat 24 kan zijn vastgezet, op een verdere geïsoleerde tweede (anode) geleider 26 is aangesloten.

Tussen de geïsoleerde tweede geleider 26 en de anodestip 22 wordt een tussendraadje 27 van ± 25 micro diameter opgenomen bijvoorbeeld van aluminium of goud. Dit tussendraadje 27 is door middel van "bonden" electósch aangesloten aan de anode 790 0 5 2 4 33 5 zonder dat hierbij het meten -veel warmte verloren gaat. Het is derhalve van groot belang dat een goede electrisohe geleiding en een slechte warmtegeleiding wordt verkregen.

In figuur 6 is aangegeven op welke wijze bij toepassing van een ^ aan één zijde afgesloten sensorbuis 23 de pn-diode chip 20 met bijbehorende aansluitgeleiders 25 en 26 hierin opgenomen kan zijn. De pn-diode chip 20 kan al dan niet op een recht of omgebogen folie 24 in de buis zijn aangebracht en halverwege of bij voorkeur aan het dichte einde daarvan zijn bevestigd aan ^ de buiswand. De kathode-aansluitgeleider 25 kan aan de buiswand bevestigd zijn, terwijl de geïsoleerde anode-aansluitgeleider 26 via het aluminium of gouden draadje 27 aan de anodestip 22 via bonding of dergelijke bewerking bevestigd is. Hierbij kan het aluminium of gouden draadje 27 met isolatielijm over het ^ oppervlak van de chip en vervolgens langs de buiswand gehecht zijn tot aan de geïsoleerde anode-aansluitgeleider 26. Deze isolatielijm is zeer goed electrisch isolerend en heeft dus een slechte warmtegeleiding. Echter, doordat hier deze verbinding over zijn hele lengte wordt opgewarmd kan de chip toch sneller zijn stationaire temperatuur bereiken. Eventueel is het zelfs mogelijk hierbij het tussendraadje 27 te laten vervallen en de aansluitdraad 26 direct met de anode 22 te verbinden. De aansluit draad 26 zal dan enige mm langs het buis- of plaatoppervlak gelijmd moeten zijn. Ook kan de pn-diode chip 20 met het ^ bijbehorende aansluitdraadje 27 en het begin van de aansluitdraad 26 in isolatielijm opgenomen en als één geheel aan de buiswand bevestigd zijn.

In figuur 7 is de bijbehorende schakeling aangegeven welke tussen de temperatuurgevoelige meetdiode 20 en de A/D-omzetter ^ 30 is opgenomen. Het is van groot belang dat de variërende uitgangsspanning van de meetdiode niet alleen zeer snel maar ook op zeer accurate wijze aan de ingang van de A/D-omzetter wordt toegevoerd. De zeer snelle overdracht van de variërende uitgangsspanning van de meetdiode kan slechts gebruikt worden 790 05 2 4 ί1 6 wanneer deze nauwkeurig (voedingsspanning en temperatuur onafhankelijk) wordt doorgegeven. Daartoe is de van de A/D-omzetter afkomstige voedingsspanning voor de meetdiode nog eens op aanvullende wijze gestabiliseerd met behulp van een zenerdiode 33· Over deze zenerdioden zijn nog twee aanvullende 5 weerstandsketens geschakeld voor het afleiden van een nul compensatiespanning een voor een referentiespanning,

De van de meetdiode afkomstige anode aansluitgeleider 26 en de kathode-aansluitgeleider 25 worden toegevoerd aan de opj de ^ A/D -omzetter 30 aangegeven miningan 31 en massa. Over de zenerdiode 33 zijn twee uit afzonderlijke weerstanden bestaande weerstandsdelers 34 en 35 geschakeld.

Vanaf een weerstand in de weerstandsdeler 35 wordt een compensa- 15 tiespanning toegevoerd aan de plusingang om een compensatie J ‘ te verkrijgen van de bij 0°C door van de meetdiode afkomstige spanning aan de miningang 31 zodat op het indicatie-orgaan 3 een nulindicatie wordt verkregen. Vanaf een weerstand in de spanningsdeler 34 wordt een referentiespanning toe gevoerd aan * OCi de plusingang 37 van de A/D-omzetter 30· Over de beide plus/ miningangen zijn condensatoren opgenomen om de weerstandsruis te ontkoppelen.

Voor de weerstanden in de spanningsdelers 34 en 35 geldt dat zij alle dezelfde temperatuurscoëfficiënt moeten hebben, afgezien 25 van het feit dat zij zeer stabiel moeten zijn.

De ingang van de A/D-omzetter is zodanig aangesloten dat er een minteken wordt gegenereerd dat als kommasturing gebruikt kan worden.

30

Op het indicatie-orgaan 3 kan de temperatuur tot op 0,1 0°C of tot op 0,1 F worden weergegeven. Dit kan slechts gebeuren bij een variërende omgevingstemperatuur met behulp van de via de zenerdiode 33 verkregen extra spanningsstabilisatie waardoor over de spanningsdelers 34 en 35 een spanning van 1,22 volt 790 05 2 4 7 met een temperatuurcoëfficiënt van 5 a 10 p.p.m. wordt verkregen.

(bij gebruik van de referentiebron ICL 8069--- van Intersil)

Het IC 7106 of 7116 heeft een referentiebron met een temperatuurafhankelijkheid van 80 p.p.m. Hierdoor wordt bij 5^0 temperatuurverandering van de omgeving het laatste digit van 5 de uitlezing beïnvloed. Dit is nu bij de thermometer volgens de uitvinding pas bij een omgevings-temperatuurverandering van meer dan 25^0 het geval. Juist met behulp van deze uitvoering wordt een zeer nauwkeurige digitale uitlezing verkregen.

10

Zoals boven reeds kort toegelicht wordt met behulp van de spanningsdeler 35 de nulinstelling verkregen zodat 0°C overeen-komt met een aanduiding van 00,0. Met de andere spanningsdeler 34 wordt een referentiespanning verkregen waarmede de versterking wordt ingesteld, zodanig dat bijvoorbeeld 35UC overeen- ^ komt met een uitlezing van 35,0.

In de A/D-omzetter die een in de handel gebruikelijke omzetter (IC7106) kan zijn, is een inwendige osoilator opgenomen die kan worden gestopt door middel van het eerder genoemde 20 ”houd"-signaal. Het IC 7116 is hiervoor van een speciale ingang voorzien.

790 05 24

Claims (11)

1. Elektronische thermometer voorzien van een sensor met tempera- tuurgevoelig halfgeleiderelement, een in een huis opgenomen meetschakeling met A/D-omzetter, uitleesorgaan en inschakel-orgaan, met het kenmerk, dat het temperatuur-gevoelige halfgeleiderelement met een elektrode in direct goed 5 warmtegeleidend contact elektrisch bevestigd is aan de sensor-wand waarop een afgaande geleider is aangesloten, en met een andere elektrode elektrisch verbonden is met een dunne tussen-draad met slechte warmtegeleiding, waarop een tweede afgaande geleider is aangesloten'. 10

2. Elektronische thermometer volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de sensor ten behoeve van oppervlakte-metingen de vorm heeft van een vlakke plaat.

3. Elektronische thermometer volgens conclusie 1,ij e t het kenmerk, dat de sensor de vorm heeft van een dunne aan 15 een zijde afgesloten buis, waarin het halfgeleiderelement is ingebracht.

4. Elektronische thermometer volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat tussen de ene elektrode van het halfgeleiderelement en de sensorwand een tussenplaat 20 opgenomen is.

5· Elektronische thermometer volgens conclusie 4» met het kenmerk, dat de tussenplaat een messingfolie is.

6. Elektronische thermometer volgens conclusie 4 of 5> met het kenmerk, dat de tussenplaat met bet daarop 25 bevestigde halfgeleiderelement rondgebogen en verend in de sensorbuis ingevoerd en vastgeklemd is.

7· Elektronische thermometer volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de tussendraad door middel van bonden aan de andere elektrode van het halfgeleiderelement 30 is bevestigd.

8. Elektronische thermometer volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de tussendraad een diameter van + 25 micron heeft. 790 05 24

9. Elektronische thermometer volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de tussendraad van aluminium of goud is.

10. Elektronische thermometer volgens een dee voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de tussendraad 5 geïsoleerd is met isolatielym die slecht warmtegeleidend is.

11. Elektronische thermometer volgens een der voorgaande conclusies, waarby de meetschakeling de voedingsspanning voor het halfgeleiderelement af geeft, met het kenmerk, dat deze voeding extra gestabiliseerd wordt met behulp van 10 een spanningsstabilisatieelement, waarover twee spannings-delers zyn aangesloten, waarbij van de ene spanningsdeler een . compensatie spanning voor nulinstelling van het uitleesorgaan en van de andere spanningsdeler een referentiespanning voor instelling van de versterking van de meetschakeling wordt 15 af genomen. 790 05 2 4