基于低温冷冻治疗仪的温度测量方法

摘 要：采用热电偶信号放大器AD595结合K型热电偶温度传感器,设计基于低温冷冻治疗仪的热电偶测温电路；实现了冷端自动补偿、温度曲线升降功能；测量电路结构简单、成本较低，具有较强的实用性。

关键词：低温治疗;D595芯片;温度测量;热电偶

中图分类号：TP212 文献标识码：B

文章编号：1004-373X(2008)10-180-02オ

Temperature Measurement Based on a Cryotherapeutic Instrument

ZENG Shan1,2,LU Yaosheng2,DAI Jundi2,ZHANG Maojun2,SONG Liguo2

(1.Institute of Tissue Transplantation and Immunology,Ji′nan University,Guangzhou,510632,China;2.Ji′nan University,Guangzhou,510632,China)

Abstract：A cryotherapeutic instrument is designed based on the electronic cycle of thermocouple temperature measurement,applying the thermocouple signal amplifier AD595,together with K-type thermocouple temperature transducer.It has the functions including ice point compensation and temperature curve movements,and has the characteristics including relatively simple structure of electronic cycle,lower costage,and stronger practicability.

Keywords：cryotherapy;AD595 chip;temperature measurement;thermocouple

低温冷冻治疗的医学原理是一种利用低温器械，利用局部超低温或低温冷冻促使病变组织快速降温、冻结及复温融化，从而产生一系列不可逆损伤而达到消除病灶的治疗方法，他具有麻醉镇痛、止血和减少出血、反应轻、安全性高以及有冷冻免疫等优点，因而在临床上逐渐引起关注。因此，研制出一种基于低温冷冻治疗仪的温度测量方法，精确的温度测量有利于控制冷冻范围，以及对临近组织的保护，方便医生进行手术判断，且具有温度升降曲线，温度冷冻过程直观明了，且具备串行接口，可将冷凝温度数据输出，便于病历统计和数据分析。

1 测温原理及其电路

1.1 测温原理

将2种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，焊接的一端称为热端，另一端称为冷端，与仪表相连构成一个闭合回路。当导体A和B的2个执着点之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。

在低温冷冻治疗仪的研究中,常用热电偶冷端补偿方法测量冷冻探头温度，而实际应用中,热电偶输出与温度呈非线性关系,随着计算机性能的提高,通过查表或曲线拟合等方法很容易实时解决热电偶输出的非线性问题,但热电偶的温度补偿引起的误差,极大地影响温度测量的精确。作者尝试使用AD595芯片,解决了上述问题。

1.2 AD595的结构与特点

选用带冷端补偿的单片热电偶放大器AD595， AD595具有热电偶信号放大和冰点补偿双重功能,低阻抗电压温度线性输出(10 mV/℃)， AD595适用于K型热电偶,是14脚DIP封装。AD595的原理框图如图1 所示,各脚功能如表1 所示。

图1 AD595的原理框图

1.3 测温电路

温度测量电路的原理框图如图2所示，热电偶封装在冷冻治疗用的探头中，测温探针感知病灶中的治疗温度，通过测温电路把温度变化转化为电压变化，电压经AD595热电偶放大器放大和冷端补偿后，经低通滤波，低通滤波目的是消除外界干扰,并有较好的带负载能力，然后信号接入C8051F020单片机中，利用单片机对信号进行处理、控制，采用液晶显示器(LCD)显示探头温度和温度升降曲线，温度冷冻过程直观明了。AD595与热电偶组成测温电路接线方式如图 3 所示，低温冷冻治疗仪使用二氧化碳作为冷冻制冷剂，测量温度范围是-76～+40 ℃； 分辨率:±0.5 ℃；误差:±1 ℃，电路电源采用±5 V双电源供电。

图2 测温电路原理框图

图3 AD595测温电路

2 实验结果

为实现10 mV/℃线性输出以及进行准确的补偿,AD595经激光修整预调,能在25 ℃时准确匹配K型热电偶的传输特征，在25 ℃时K型热电偶有40.44 μV/℃的温度系数，因而AD595的增益必须为247.3(10 mV/℃/40.44 μV/℃=247.3)。另外，由于激光修整引入11 μV的静态电位到输出放大器，因此AD595真实输出为：

ИV0=(Vk+11 μV)×247.3（1）И

从而：

ИVk=V0/247.3-11 μV（2）И

式中：V0为AD595输出电压；Vk为热电偶输出电压。

由式(1)，(2)及K型热电偶分度表所测温度对应的V0，Vk值见表2。表中AD595分度输出电压V0由(1)式计算，AD595实际输出电压V0由AD595第9针输出实测电压值。

用以上方式测量温度时，采用间接试验的方法。因测温必须提供准确的温度环境，但实现任一温度值均恒定，必须有一台专门的设备，使用不方便且设备费用昂贵，而分度量反应了热电偶的外部特性，每一温度值对应一定的电压输出。故实验采用直流电位差计给AD595输入标准电压，模拟热电偶输出以代替实际的被测温度。

3 误差分析

为了提高仪器的温度测量精度，必需分析仪器误差主要来源，通过分析，可知仪器的主要误差来自于热电偶和单片机系统带来的误差，用热电偶测量温度时，一般要经过一段时间才能测得温度，但实事并不是这样，各种各样的因素影响温度测量的准确度，因此引起的误差主要有5个方面：热电偶的分度引起的误差；热电偶固有特性引起的误差；测量过程中引起的误差；环境影响的误差；单片机系统带来的误差。

4 测量数据处理

热电偶的输出并非线性输出，AD595实现热电偶冷端自动补偿与输出信号放大，但并未完成热电偶输出线性校正，故对测温输出采用软件校正的方法进行数据处理。由于实际的热电偶和被测温度之间存在着非线性的关系，因此需要进行非线性校正。

非线性校正又称线性化过程，是智能化测量仪表的一项重要功能。非线性校正的方法有很多,有连续函数拟合、分段直线拟合和查表法等进行非线性校正。本系统的非线性校正采用分段直线拟合法。分段直线拟合是用N条折线来拟合器件的非线性曲线，如图4所示。图中y是被测量，x是测量数据，用三段直线来逼近器件的非线性曲线。

图4 折线拟合

直线由下列方程描述：

Иy=ax + b (a,b为变化值)（1）И

采用分段直线拟合方法，即用几条非常逼近的折线来拟合探头响应曲线的非线性，系数a,b可由下式决定：

Иa=(Yn-Yn-1)/(Xn-Xn-1)

b=( Yn-1Xn-Xn-1Yn)/(Xn-Xn-1)И

在实际应用中，预先把每段直线方程的系数及测量数据x0,x1,x2，…Т嬗谀诖娲⑵髦小5テ机进行校正时，先根据测量值的大小，找到合适的校正直线段，从存储器中取出该直线段的系数，然后计算直线方程式(1)，就可获得实际被测量y。

5 讨 论

采用单片机C8051F020控制芯片实现温度实时测量、温度升降曲线显示，线路简单、数值精确。用软件实现非线性校正，并且系统有串行通信接口，可将数据输出，便于统计和数据分析。测量电路结构简单,成本较低，具有较强的实用性。

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注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。