Elektroninio termometro temperatūros jutikliai

Kaip tas mažas jutiklis žino, kad karščiuoji

Prisimenu, kaip vaikystėje teko laukti penkias minutes su gyvsidabriniu termometru po pažastim. Dabar elektroninis termometras parodymą išmeta per kelias sekundes. Bet kaip tas mažytis dalykas, vos didesnis už ryžio grūdą, sugeba taip greitai ir tiksliai nustatyti temperatūrą? Viskas prasideda nuo temperatūros jutiklio – elektroninio termometro širdies.

Šiuolaikiniai elektroniniai termometrai naudoja kelis skirtingų tipų jutiklius, bet dažniausiai sutinkame termistorius ir termoporas. Kiekvienas iš jų veikia pagal skirtingus fizinius principus, tačiau tikslas tas pats – paversti temperatūros pokyčius į elektrinį signalą, kurį gali suprasti elektronika.

Termistorius – pasipriešinimo meistras

Dauguma namų vaistinėlėje esančių elektroninių termometrų naudoja būtent termistorius. Tai puslaidininkiniai elementai, kurių elektrinė varža keičiasi priklausomai nuo temperatūros. Paprasčiau tariant – kai šyla, jų gebėjimas praleisti elektros srovę kardinaliai keičiasi.

Termistoriai būna dviejų tipų: NTC (neigiamas temperatūros koeficientas) ir PTC (teigiamas temperatūros koeficientas). Medicininėje technologijoje beveik visada naudojami NTC termistoriai. Jų savybė tokia: kuo aukštesnė temperatūra, tuo mažesnė varža. Kai temperatūra pakyla vienu laipsniu, varža gali sumažėti net 3-5 procentais. Tai labai jautrus pokytis, kurį elektronika lengvai užfiksuoja.

Pats termistorius pagamintas iš metalų oksidų mišinio – dažniausiai mangano, nikelio, kobalto ar vario. Šie metalai sumaišomi tiksliai apskaičiuotomis proporcijomis, supresuojami į mažytę granulę ir išdedami aukštoje temperatūroje. Rezultatas – puslaidininkinis elementas su labai nuspėjamomis savybėmis.

Kaip elektronika skaito temperatūrą

Pats termistorius temperatūros dar nerodo – jis tik keičia savo varžą. Čia į žaidimą įsijungia elektroninė schema, vadinama Wheatstone tiltu arba paprastesniu variantu – įtampos dalikliu. Principas nesudėtingas: per termistorių leidžiama žinoma elektros srovė, matuojama įtampa ant jo, ir pagal Omo dėsnį apskaičiuojama varža.

Termometro mikroprocesorius turi atmintyje išsaugotą lentelę arba matematinę formulę (dažniausiai Steinhart-Hart lygtį), kuri susieja varžos reikšmes su konkrečiomis temperatūromis. Kai mikroprocesorius nuskaito, kad termistoriaus varža yra, tarkime, 32 500 omų, jis žino, kad tai atitinka 36,6°C.

Visa ši procedūra vyksta akimirksniu. Šiuolaikiniai mikroprocesoriai gali atlikti šiuos skaičiavimus šimtus kartų per sekundę, todėl matote beveik momentinį atsakymą ekranėlyje. Beje, kai termometras „mąsto” ir rodo kintančius skaičius, jis iš tikrųjų laukia, kol termistorius pasieks termišką pusiausvyrą su matuojamu objektu.

Termopora – kitoks požiūris

Profesionaliuose medicinos prietaisuose ir pramoninėje įrangoje dažnai naudojamos termoporos. Jų veikimo principas visiškai kitoks ir paremtas Seebeck efektu, kurį atrado vokiečių fizikas Thomas Johann Seebeck 1821 metais.

Termopora – tai dviejų skirtingų metalų sujungimas. Kai vienas galas šildomas, o kitas lieka šaltesnis, tarp jų atsiranda maža įtampa. Kuo didesnis temperatūros skirtumas, tuo didesnė įtampa. Skamba keistai, bet tai veikia! Dažniausiai naudojamos chromel-alumel (K tipo), geležis-konstantanas (J tipo) arba platina-rodis (S tipo) termoporos.

Termoporos privalumas – jos gali matuoti labai plačią temperatūrų amplitudę, nuo -200°C iki +1800°C, priklausomai nuo tipo. Tačiau medicininėje technologijoje jos rečiau naudojamos dėl sudėtingesnės elektronikos ir mažesnio tikslumo žemose temperatūrose. Bet jei matote profesionalų ausies termometrą arba bekontaktį infraraudonųjų spindulių termometrą, ten greičiausiai rasite termoporos elementus.

Infraraudonieji jutikliai – šiuolaikinis stebuklas

Pandemijos metu visi susipažinome su bekontakčiais termometrais, kurie matuoja temperatūrą iš atstumo. Jie naudoja visiškai kitokią technologiją – infraraudonųjų spindulių jutiklius, vadinamus pirometrais arba bolometrais.

Kiekvienas objektas, kurio temperatūra aukštesnė už absoliutų nulį (-273,15°C), skleidžia infraraudonąją spinduliuotę. Kuo šiltesnis objektas, tuo intensyvesnė spinduliuotė. Bekontaktis termometras turi mažytį lęšį, kuris sukoncentruoja šią spinduliuotę ant specialaus jutiklio. Jutiklis, paprastai pagamintas iš termopilės (kelių termporų junginio) arba puslaidininkinio bolometro, paverčia gautą spinduliuotę į elektrinį signalą.

Problema ta, kad skirtingi paviršiai skirtingai spinduliuoja infraraudonuosius spindulius. Tai vadinama emisijos koeficientu. Žmogaus oda turi emisijos koeficientą apie 0,98, o blizgus metalas – vos 0,1. Todėl bekontakčiai termometrai turi būti kalibruojami konkrečiam paviršiui. Medicininiai bekontakčiai termometrai kalibruojami būtent žmogaus odos temperatūrai.

Tikslumas ir kalibravimas

Elektroninio termometro tikslumas priklauso ne tik nuo jutiklio, bet ir nuo visos sistemos. Medicininiai termometrai privalo atitikti griežtus standartus – paprastai tikslumas turi būti ±0,1°C diapazone nuo 35°C iki 42°C. Tai nėra paprasta pasiekti.

Termistoriai patys savaime gali būti labai tikslūs, bet jų charakteristika nėra visiškai tiesinė. Tai reiškia, kad varža nesikeičia vienodai per visą temperatūrų diapazoną. Gamykloje kiekvienas termometras kalibruojamas – jo parodymai lyginami su etaloniniais termometrais žinomose temperatūrose. Mikroprocesorius tada programuojamas su korekcijos koeficientais, kurie kompensuoja bet kokius nuokrypius.

Laikui bėgant termometrai gali „nukrypti”. Termistoriai yra gana stabilūs, bet mechaninis smūgis, drėgmė ar net paprastas senėjimas gali pakeisti jų savybes. Todėl medicininiai termometrai turėtų būti periodiškai tikrinami. Namuose tai galite padaryti paprasčiausiai – palyginti kelių skirtingų termometrų parodymus matuojant tą pačią temperatūrą.

Greitis prieš tikslumą

Vienas didžiausių elektroninių termometrų iššūkių – subalansuoti greitį ir tikslumą. Norite, kad termometras parodytų rezultatą greitai, bet kartu norite, kad jis būtų tikslus. Problema ta, kad termistoriui reikia laiko pasiekti termišką pusiausvyrą su matuojamu objektu.

Kai įkišate termometrą po liežuviu, termistorius iš pradžių yra kambario temperatūros (tarkime, 22°C), o jūsų burnos temperatūra – 36,6°C. Šiluma turi persiduoti nuo burnos per termometro korpusą iki paties termistoriaus. Šis procesas vyksta pagal eksponentinę kreivę – iš pradžių labai greitai, paskui vis lėčiau.

Šiuolaikiniai termometrai naudoja protingus algoritmus, kad „atspėtų” galutinę temperatūrą dar prieš pasiekiant tikrą pusiausvyrą. Jie analizuoja, kaip greitai kyla temperatūra, ir ekstrapoliuoja, kur ji nusistovės. Todėl termometras gali pypstelėti po 10 sekundžių, nors tikra pusiausvyra būtų pasiekta tik po minutės. Geri termometrai daro tai labai tiksliai, prastos kokybės – ne visada.

Praktiniai patarimai ir jutiklių ateitis

Jei renkate elektroninį termometrą, atkreipkite dėmesį į keletą dalykų. Pirma, patikrinkite, ar jis turi medicininės įrangos sertifikatą – tai garantuoja, kad jis atitinka tikslumo reikalavimus. Antra, skaitykite instrukcijas, kaip teisingai matuoti. Termistoriaus vieta termometre yra labai svarbi – jis turi būti tinkamoje vietoje, kad gautų tikslų rodmenį.

Bekontakčius termometrus laikykite 3-5 cm atstumu nuo kaktos ir matuokite kambario temperatūroje. Jei ką tik įėjote iš lauko šalčio, palaukite kelias minutes. Ausies termometrus naudokite švariomis antgaliais ir teisingai nukreipkite į būgnelio pusę.

Technologijos nuolat tobulėja. Jau dabar kuriami lankstūs, plonesni už popierių temperatūros jutikliai, kurie galėtų būti integruoti į drabužius ar net į odą kaip laikinos tatuiruotės. Nanomedžiagos ir grafeno jutikliai žada dar didesnį jautrumą ir greitesnį atsaką. Galbūt netrukus termometrai taps tokie maži ir pigūs, kad bus vienkartiniai – uždėjai ant kūno kaip pleistrelį ir jis nuolat siunčia duomenis į tavo telefoną.

Elektroninio termometro temperatūros jutiklis gali atrodyti kaip paprasta smulkmena, bet jame slypi dešimtmečių mokslo ir inžinerijos patirtis. Nuo puslaidininkių fizikos iki signalų apdorojimo algoritmų – visa tai dirba kartu, kad per kelias sekundes sužinotumėte, ar tikrai karščiuojate, ar tik taip atrodo. Ir kaskart, kai tas mažas prietaisas pyptelėja ir parodo skaičių, vyksta tikras technologinis stebuklas, tik mes jau taip pripratome, kad to nepastebime.