Ю.Н. Орлов, С.П. Скворцов - Термометрирование биообъектов (1060038)
Текст из файла
Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революциии ордена Трудового Красного Знамени ГосударственныйТехнический Университет им. Н.Э. БауманаЮ.Н. Орлов, С.П. СкворцовТЕРМОМЕТРИРОВАНИЕ БИООБЪЕКТОВУчебное пособие по курсу“Медицинские измерительные преобразователи и электроды”Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана2000 г.ВВЕДЕНИЕТемпература является одним из наиболее показательных, доступных ираспространенных параметров, применяемых в диагностической практике.Современный уровень развития методов и технических средств позволяетиспользовать ее не только для интегральной оценки состояния человеческогоорганизма, но и для локализации патологических очагов, диагностикизаболеваний на ранних этапах, исследования воздействия лекарственныхпрепаратов и др.Знание основных принципов, лежащих в основе измерения температуры,илитермометрирования,имеетбольшоепрактическоезначениедляправильного выбора метода измерения, повышения его точности и правильнойинтерпретации результатов.Температура – статистически формирующаяся термодинамическаявеличина, определяемая уровнем внутренней энергии тела.
Носителямивнутренней энергии являются атомы и молекулы тела, кинетическая энергиядвижения которых и определяет температуру [1,3].Ïåðâûå ïðèáîðû äëÿ èçìåðåíèÿ òåìïåðàòóðû ïîÿâèëèñü â XVI âåêå. Îíè ïîçâîëèëèâûäåëèòü òåìïåðàòóðó êàê îñîáóþ ôèçè÷åñêóþ âåëè÷èíó [1,3].Для представления температурных зависимостей были разработаныразличные температурные шкалы.
Гðàäóñ Ðåîìþðà (1683–1757) 10R равен 1/80÷àñòи òåìïåðàòóðíîãî èíòåðâàëà ìåæäó òî÷êîé òàÿíèÿ ëüäà è òî÷êîé êèïåíèÿ âîäû. Âòåìïåðàòóðíîé øêàëå, предложенной в 1715 году немецким физиком Даниэлем2Ôàðåíãåéòом (1686–1736), çà 00F áûëà ïðèíÿòà òåìïåðàòóðû ñìåñè ëüäà ñ ñîëüþ èíàøàòûðåì, è çà 960F – íîðìàëüíàÿ òåìïåðàòóðà ÷åëîâå÷åñêîãî òåëà. В 1742 ãîäóøâåäñêèé ôèçèê Àíäеðñ Öåëüñèé (1701–1744) èçãîòîâèë òåðìîìåòð ñî ñòîãðàäóñíîéøêàëîé, в которой â êà÷åñòâå îòñ÷åòíûõ приняты òî÷êè òàÿíèÿ ëüäà è êèïåíèÿ âîäû.В настоящее время сîãëàñíî ðåøåíèþ Ìåæäóíàðîäíîãî êîìèòåòà ìåð è âåñîâ îñíîâíîéåäèíèöåé òåìïåðàòóðû считается åäèíèöà òåðìîäèíàìè÷åñêîé òåìïåðàòóðû – êåëüâèí(Ê), ÿâëÿющаяся îäíîé èç ñåìè îñíîâíûõ åäèíèö Ìåæäóíàðîäíîé ñèñòåìû åäèíèöôèçè÷åñêèõ âåëè÷èí.
Äî 1967 ãîäà ýòà åäèíèöà íàçûâàëàñü “ãðàäóñ Êåëüâèíà”, ïîèìåíè àíãëèéñêîãî ó÷åíîãî ëîðäà Уильяма Êåëüâèíà (У.Òîìñîíà, 1824–1907). Ïîìåæäóíàðîäíîé ñèñòåìå åäèíèö ôèçè÷åñêèõ âåëè÷èí è â ñîîòâåòñòâèè ñ íàöèîíàëüíûìèñòàíäàðòàìè íàøåé ñòðàíû â Ðîññèè для измерения температуры допускаетсяприменять íàðяду с кельвином градус Öåëüñèÿ (00С соответствует 273,16К).1. ДИАГНОСТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫВ организме человека происходит непрерывное теплообразование итеплоотдачавокружающуюсреду.Теплообразуетсявследствиебиохимических реакций, обеспечивающих работу различных органов и систем:мышц, печени, почек, головного мозга и др. В покое у человека 70% теплавырабатывается внутренними органами, а 30% – за счет мышц, волокнакоторых даже в периоде полной неподвижности тела хотя незаметно и оченьслабо, но постоянно сокращаются, либо находятся “в тонусе”.3Температура тела, несмотря на значительные колебания температурыокружающей среды, поддерживается в узком диапазоне значений благодаряфизиологическим процессам терморегуляции.
Поддерживаемая температураявляется оптимальной для реакций обмена веществ и энергии. Терморегуляцияосуществляется благодаря двум механизмам: усиления теплообразования(мышечное движение и дрожь, повышение интенсивности обменных процессовпод действием некоторых гормонов и т.д.) и изменения интенсивноститеплоотдачи.Отдачатеплапроисходитврезультатетеплоизлучения,теплопроводности, испарения воды кожей и легкими.Температура внутренних органов человека в среднем составляет 370С–380С и значительно выше температуры кожных покровов (24,40С–36,70С взависимости от места измерения). Общее повышение температуры может бытьсвязано с реакцией организма на инфекцию или яды, с нарушениемнейрогуморальной регуляции.
Изменение температуры частей тела может бытьтакже обусловлено опухолями, травмами, заболеваниями сосудов и т.д. Припатологических процессах в органах и тканях колебания температуры всимметричных или рядом расположенных участках тела могут превышать0,5...1,0°С.Общая температура тела человека обычно измеряется в подмышечнойвпадине, реже в паховой складке, во рту, в прямой кишке, в слуховом проходе.С точки зрения “правдоподобности” наиболее точной является, по-видимому,температура барабанной перепонки, так как она снабжается той же кровью, что4игипоталамус,являющийсяцентромтемпературнойрегуляции.Этатемпература не зависит от состояния кожных покровов (состояния пациента) ибыстро реагирует на изменение внутренней температуры, однако техническиесредства для ее измерения появились только в последние годы.Дистанционноеизмерениетемпературыповерхноститела(тепловидение) позволяет проводить динамическое картирование (получениекартин изотерм в заданные моменты времени) для определения общегофункционального состояния, интенсивности нейрофизиологических процессов,локализациипатологическихочагов.Тепловидениепозволяеттакжеконтролировать эффективность применения лекарственных препаратов илидругих воздействий непосредственно в процессе лечения.В анестезиологии, реаниматологии, гипербарической медицине и другихобластяхнеобходимолекарственныхизмерениерастворов)игазов,температурыявляющейсяжидкостейважным(крови,параметромфункционирования организма и систем его жизнеобеспечения.
Знаниетемпературы необходимо во многих случаях при определении состава искорости движения среды (анализаторы, термоанемометры), а также вустройствах термокомпенсации (например, при измерении рН среды),термостабилизации и автоматики.52. УРАВНЕНИЕ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСАТермометрия возможна благодаря способности веществ при изменениитемпературы изменять свои свойства, которые могут быть измереныразличными способами, и излучать электромагнитные колебания в широкомдиапазоне длин волн.
Приборы, предназначенные для измерения температуры,включают в себя тепловые измерительные преобразователи (ТИП). Тепловымназывается преобразователь, принцип действия которого основан на тепловыхпроцессах и естественной входной величиной которого является температура[4].Теплоизпреобразователюизмеряемойпосредствомсредыможетпередаватьсятеплопроводности,ктепловомутеплоотдачииизлучения. Учет влияния этих механизмов теплообмена и работы самоготеплового преобразователя на процесс измерения приводит к уравнениютеплового баланса, играющего исключительно важную роль в термометрии.Оно позволяет исключать или грамотно учитывать методические ошибкиизмерений температуры, проектировать и правильно использовать тепловыепреобразователи.Физический смысл уравнения теплового баланса заключается в том, чтопоказания ТИП остаются неизменными, если количество поступающего вединицу времени тепла равно количеству отдаваемого тепла.
При этомпредполагается, что агрегатное состояние вещества ТИП также остаетсянеизменным.6Пусть Q – количество тепла, или теплосодержание, являющееся меройкинетической энергии хаотического (колебательного) движения молекул(атомов) вещества. Тогда изменение теплосодержания∆Q = mc ∆Т ,где m – масса вещества,с – удельная теплоемкость,∆Т – изменение температуры.Тепловая мощность, или полный тепловой поток W источникаW=dQ,dtгде t – время.Тепловой поток q равен мощности, проходящей через единичную площадку dS,ориентированную перпендикулярно вектору градиента температурыr dW grad Tq=⋅dS grad T .Если теплосодержание Q ТИП остается неизменным (не меняется еготемпература и агрегатное состояние), то количество поступающего в единицувремени тепла равно количеству отдаваемого тепла.
Это выражает уравнениетеплового баланса, которое в самом общем виде выглядит следующим образом:Wэл + Wвнеш + Wто = 0 ,где Wэл = I R – электрическая мощность активных потерь в ТИП,27Wвнеш – мощность внешних источников (акустических,электромагнитных), рассеиваемая на ТИП,Wто – мощность, поглощаемая или отдаваемая ТИП в результатетеплообмена с окружающей средой.Как известно, существует три способа теплообмена: теплопроводность,конвекция (Wконв) и излучение (Wи) [4], при этом теплопроводностьвозможна как через среду, в которую помещен ТИП (Wтп), так и через самТИП: подводящие провода, элементы конструкции (W’тп). Таким образом,уравнение теплового баланса имеет вид (рис.
1):Wэл + Wвнеш + WТП + WТП' + Wконв + Wи = 0 .(1)Если одно из слагаемых начинаетизменяться, то это приводит к тому , что всясумма и, следовательно,dQТСdtстановятсяотличнымит.е.изменяетсяотнуля,теплосодержание и температура. ТИП вновьвходит в состояние теплового равновесия сосредой, но уже с другими параметрами.Рис. 1. Составляющие теплового баланса8Теплопроводность состоит в переносе тепловой энергии путемвзаимодействия частиц при непосредственном контакте тел (веществ).Распространение тепла описывается законом Фурье :q = − λ grad T ,где q – тепловой поток (мощность через единичную площадь),λ – коэффициент теплопроводности,r∂T r∂ T r∂ Tgrad T = i+j+k∂x∂y∂z .Тепловая мощность, или полный тепловой поток может бытьпредставлена какWТП = ∫ q dS = G ∆T =S1∆TR ,(2)где G, R – тепловые проводимость и сопротивление границы ТИП–среда,зависящие от λ,∆Т = Т − Тс р – разность температур ТИП и среды.Если температура среды больше температуры тела (ТИП), то в любой точкеповерхности поток отрицателен , т.е.
тепло поглощается телом (ТИП).Теплоотдача обусловлена естественной и вынужденной конвекцией иописывается формулой Ньютона:WТО = ξ S ∆T,(3)где ξ – коэффициент теплоотдачи,9S – площадь поверхности тела.Коэффициент теплоотдачи ξ зависит от многих факторов и можетбыть явно найден только для некоторых поверхностей ТИП и в общемслучае зависит от многих параметров : направления обтекания и скоростипотока жидкости или газа v , вязкости η, плотности ρ , теплопроводности λ.Тепловое излучение является электромагнитным по природе инаблюдается при ненулевой температуре тела. Оно описывается закономСтефана - Больцмана:q = σ 0 Т4 ,где Т – абсолютная температура (в Кельвинах),Вт– константа излучения абсолютно черного тела.м ⋅К4σ 0 = 5,7 ⋅ 10 −82Для всей поверхности тела мощность излучения (полный поток) вслучаеплоскихповерхностей,концентрическихилиэксцентрическихцилиндров равен⎡⎛ T ⎞ 4 ⎛ TСТ ⎞ 4 ⎤Wи = C ⋅ S ⋅ ⎢⎜⎟ −⎜⎟ ⎥,⎝⎠⎝⎠ ⎦100100⎣(4)где Тст – температура стенок сосуда, поглощающего излучение ТИП стемпературой T,С – коэффициент лучеиспускания , зависящий от свойств материалов стенки иТИП, условий распространения излучения, поглощения и геометрии задачи.10Теперь с учетом полученных соотношений уравнение тепловогобаланса для мощностей теплообмена можно написать подробнее:− I 2 R(T) + G ′ (λ ′ )(T − Ta ) + G(λ )(T − Tс р ) + Wвнеш +T+ ξ( v, η, ρ, λ )(T − Tс р )S + CS1004T− ст1004=0(5)где Та – температура внешней среды (атмосферы),Тср , Тст – температура измеряемой среды и стенок сосуда.I2R(T) стоит со знаком минус, т.к.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
