基于低溫冷凍治療儀的溫度測量方法

摘 要：采用熱電偶信號放大器AD595結合K型熱電偶溫度傳感器，設計基于低溫冷凍治療儀的熱電偶測溫電路；實現了冷端自動補償、溫度曲線升降功能；測量電路結構簡單、成本較低，具有較強的實用性。

關鍵詞：低溫治療;D595芯片;溫度測量;熱電偶

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)10-180-02

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

低溫冷凍治療的醫學原理是一種利用低溫器械，利用局部超低溫或低溫冷凍促使病變組織快速降溫、凍結及復溫融化，從而產生一系列不可逆損傷而達到消除病灶的治療方法，他具有麻醉鎮痛、止血和減少出血、反應輕、安全性高以及有冷凍免疫等優點，因而在臨床上逐漸引起關注。因此，研制出一種基于低溫冷凍治療儀的溫度測量方法，精確的溫度測量有利于控制冷凍范圍，以及對臨近組織的保護，方便醫生進行手術判斷，且具有溫度升降曲線，溫度冷凍過程直觀明了，且具備串行接口，可將冷凝溫度數據輸出，便于病歷統計和數據分析。

1 測溫原理及其電路

1.1 測溫原理

將2種不同材料的導體或半導體A和B焊接起來，焊接的一端稱為熱端，另一端稱為冷端，與儀表相連構成一個閉合回路。當導體A和B的2個執著點之間存在溫差時，兩者之間便產生電動勢，因而在回路中形成一個大小的電流，這種現象稱為熱電效應。熱電偶就是利用這一效應來工作的。

在低溫冷凍治療儀的研究中，常用熱電偶冷端補償方法測量冷凍探頭溫度，而實際應用中，熱電偶輸出與溫度呈非線性關系，隨著計算機性能的提高，通過查表或曲線擬合等方法很容易實時解決熱電偶輸出的非線性問題，但熱電偶的溫度補償引起的誤差，極大地影響溫度測量的精確。作者嘗試使用AD595芯片，解決了上述問題。

1.2 AD595的結構與特點

選用帶冷端補償的單片熱電偶放大器AD595， AD595具有熱電偶信號放大和冰點補償雙重功能，低阻抗電壓溫度線性輸出(10 mV/℃)， AD595適用于K型熱電偶，是14腳DIP封裝。AD595的原理框圖如圖1 所示，各腳功能如表1 所示。

圖1 AD595的原理框圖

1.3 測溫電路

溫度測量電路的原理框圖如圖2所示，熱電偶封裝在冷凍治療用的探頭中，測溫探針感知病灶中的治療溫度，通過測溫電路把溫度變化轉化為電壓變化，電壓經AD595熱電偶放大器放大和冷端補償后，經低通濾波，低通濾波目的是消除外界干擾，并有較好的帶負載能力，然后信號接入C8051F020單片機中，利用單片機對信號進行處理、控制，采用液晶顯示器(LCD)顯示探頭溫度和溫度升降曲線，溫度冷凍過程直觀明了。AD595與熱電偶組成測溫電路接線方式如圖 3 所示，低溫冷凍治療儀使用二氧化碳作為冷凍制冷劑，測量溫度范圍是-76～+40 ℃； 分辨率:±0.5 ℃；誤差:±1 ℃，電路電源采用±5 V雙電源供電。

圖2 測溫電路原理框圖

圖3 AD595測溫電路

2 實驗結果

為實現10 mV/℃線性輸出以及進行準確的補償，AD595經激光修整預調，能在25 ℃時準確匹配K型熱電偶的傳輸特征，在25 ℃時K型熱電偶有40.44 μV/℃的溫度系數，因而AD595的增益必須為247.3(10 mV/℃/40.44 μV/℃=247.3)。另外，由于激光修整引入11 μV的靜態電位到輸出放大器，因此AD595真實輸出為：

V0=(Vk+11 μV)×247.3（1）

從而：

Vk=V0/247.3-11 μV（2）

式中：V0為AD595輸出電壓；Vk為熱電偶輸出電壓。

由式(1)，(2)及K型熱電偶分度表所測溫度對應的V0，Vk值見表2。表中AD595分度輸出電壓V0由(1)式計算，AD595實際輸出電壓V0由AD595第9針輸出實測電壓值。

用以上方式測量溫度時，采用間接試驗的方法。因測溫必須提供準確的溫度環境，但實現任一溫度值均恒定，必須有一臺專門的設備，使用不方便且設備費用昂貴，而分度量反應了熱電偶的外部特性，每一溫度值對應一定的電壓輸出。故實驗采用直流電位差計給AD595輸入標準電壓，模擬熱電偶輸出以代替實際的被測溫度。

3 誤差分析

為了提高儀器的溫度測量精度，必需分析儀器誤差主要來源，通過分析，可知儀器的主要誤差來自于熱電偶和單片機系統帶來的誤差，用熱電偶測量溫度時，一般要經過一段時間才能測得溫度，但實事并不是這樣，各種各樣的因素影響溫度測量的準確度，因此引起的誤差主要有5個方面：熱電偶的分度引起的誤差；熱電偶固有特性引起的誤差；測量過程中引起的誤差；環境影響的誤差；單片機系統帶來的誤差。

4 測量數據處理

熱電偶的輸出并非線性輸出，AD595實現熱電偶冷端自動補償與輸出信號放大，但并未完成熱電偶輸出線性校正，故對測溫輸出采用軟件校正的方法進行數據處理。由于實際的熱電偶和被測溫度之間存在著非線性的關系，因此需要進行非線性校正。

非線性校正又稱線性化過程，是智能化測量儀表的一項重要功能。非線性校正的方法有很多，有連續函數擬合、分段直線擬合和查表法等進行非線性校正。本系統的非線性校正采用分段直線擬合法。分段直線擬合是用N條折線來擬合器件的非線性曲線，如圖4所示。圖中y是被測量，x是測量數據，用三段直線來逼近器件的非線性曲線。

圖4 折線擬合

直線由下列方程描述：

y=ax + b (a，b為變化值)（1）

采用分段直線擬合方法，即用幾條非常逼近的折線來擬合探頭響應曲線的非線性，系數a，b可由下式決定：

a=(Yn-Yn-1)/(Xn-Xn-1)

b=( Yn-1Xn-Xn-1Yn)/(Xn-Xn-1)

在實際應用中，預先把每段直線方程的系數及測量數據x0，x1，x2，…存于內存儲器中。單片機進行校正時，先根據測量值的大小，找到合適的校正直線段，從存儲器中取出該直線段的系數，然后計算直線方程式(1)，就可獲得實際被測量y。

5 討 論

采用單片機C8051F020控制芯片實現溫度實時測量、溫度升降曲線顯示，線路簡單、數值精確。用軟件實現非線性校正，并且系統有串行通信接口，可將數據輸出，便于統計和數據分析。測量電路結構簡單，成本較低，具有較強的實用性。

參 考 文 獻

［1］章崧英，王澤時，鄭斯涌.實用低溫醫學[M].北京：科學出版社，1994.

［2］劉金剛，劉作斌.低溫醫學[M].北京：人民衛生出版社，1993.

［3］Dobak J D，Ryba E，Kovalcheck S.A New Closed-loop Cryosurgical Device for Endometrial Ablation ［J］.Am Assoc Cynecol Laparose，2000，7(2):245-249.

［4］錢進.熱電偶溫度傳感器冷端補償和信號線性化[J].長江工程職業技術學院學報，2004（2）：32-34.

［5］陳浩，鄧忠華，余紅梅.熱電偶測溫系統原理及應用[J].制造業自動化，2004（9）：68-71.

［6］姜忠良，陳秀云.溫度的測量與控制[M].北京：清華大學出版社，2005.

［7］揚振江.熱電偶測溫的軟件方法[J].電子科技雜志，1999（3）：44-46.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。