сроп 6. 6 Физические основы работы электротермометров в медицине. Меббм азастан ресей медициналы университеті нуо казахстанско
 Скачать 398.9 Kb.
|
|
МЕББМ ҚАЗАҚСТАН- РЕСЕЙ МЕДИЦИНАЛЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ НУО КАЗАХСТАНСКО РОССИЙСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Тема: Принципы преобразования биологических (неэлектрических) сигналов в электрические. Конструкции датчиков и электродов, их основные характеристики. Цель: изучить принцип работы термистора и термопары научиться градуировать термистор и термопару для измерения температуры тела изучить зависимость сопротивления полупроводников от температуры Задачи обучения Студент должен знать принцип работы прибора Студент должен знать применение физико-химических законов для объяснения процессов происходящих в протезах. Студент должен знать физико-химические особенности явления диффузии и механизмы их функционирования; Дать знания о практически важных достижениях биофизики для решения задач стоматологических, медико-биологических исследований; Основные вопросы 1. Что такое температурный коэффициент сопротивления и от чего он зависит у металлов, полупроводников? 2. Основные преимущества электротермометров. 3. Формула неизвестного сопротивления с помощью моста Уитстона. Методы обучения Обсуждение сообщений по данной теме, выполнение лабораторной работы Информационно-дидактический блок При пропускании постоянного тока через живые клетки и ткани было установлено, что сила тока не остается постоянной, а сразу же после наложения потенциала начинает непрерывно падать и, наконец, устанавливается на уровне, который во много раз ниже, чем исходный. Это объясняется тем, что при прохождении постоянного тока через биологическую систему в ней возникает нарастающая до некоторого предела электродвижущая сила противоположного направления. С возникновением встречной э.д.с. связано видимое отклонение от закона Ома. Наблюдаемое явление аналогично тому, что происходит в растворах электролитов. Для них характерно явление поляризации, т.е. образование при прохождении постоянного тока дополнительных зарядов за счет накопления ионов обратного знака. Изменение силы тока в биологических системах свидетельствует о том, что они также обладают способностью поляризовать ток. Наличие примесей в металлическом проводнике увеличивает его удельное сопротивление. Поскольку при нагревании вещества хаотическое движение его частиц становится интенсивнее, возрастает противодействие направленному движению носителей тока. В широком интервале температур приращение удельного сопротивления металла прямо пропорционально приращению температуры. Если удельное сопротивление при 0°С обозначить через 0 , а при температуре t - через t , то 0 0 ) 0 ( t t , или 0 0 t t Величину , характеризующую зависимость изменения удельного сопротивления при нагревании от рода вещества называют температурным коэффициентом сопротивления. Температурный коэффициент сопротивления измеряют числом, показывающим, на какую часть своей величины, взятой при 0°С , изменяется удельное сопротивление при нагревании на 1°С: МЕББМ ҚАЗАҚСТАН- РЕСЕЙ МЕДИЦИНАЛЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ НУО КАЗАХСТАНСКО РОССИЙСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 0 0 0 t t е . Единицей измерения является °С -1 У всех металлов - величина положительная, так как их сопротивление при нагревании возрастает, для угля и электролитов, а также для чистых полупроводников отрицателен, так как их сопротивление при нагревании уменьшается. Зависимость удельного сопротивления полупроводника от температуры kT E з e 2 0 , где 3 E - ширина запрещенной зоны; 0 - коэффициент пропорциональности, имеющий размерность удельного сопротивления; k - постоянная Больцмана Электрическим током называется упорядоченное движение электрических зарядов. Если упорядоченное движение зарядов возникает в проводнике, то электрический ток называется током проводимости. Количественной характеристикой тока является величина, равная отношению заряда q , который переносится через поперечное сечение проводника за время t , к этому промежутку времени: t q i . Эта величина называется силой тока. Если сила тока и его направление не меняются со временем, то он называется постоянным током. Для постоянного тока t q i Плотность тока qnv j , где q и n - заряд и концентрация носителей тока, v - средняя скорость их направленного движения. Плотность тока в электролите E b b qn j ) ( , где b и b - подвижности ионов соответствующих знаков; Е – напряженность электрического поля. Для возникновения в замкнутой проводящей цепи электрического тока нужно, чтобы во всей цепи или на отдельных ее участках действовали сторонние силы, т.е. силы неэлектрического происхождения. В медицинской электронике используются два вида устройства съема: электроды и датчики Электроды – это проводники специальной формы, соединяющие измерительную цепь с биологической системой к электродам предъявляются определенные требования: Они должны быстро фиксироваться Сниматься Иметь высокую стабильность электрических параметров Быть прочными Не создавать помех Не раздражать биологическую ткань Эквивалентная электрическая схема контура, включающего в себя биологическую систему и электроды МЕББМ ҚАЗАҚСТАН- РЕСЕЙ МЕДИЦИНАЛЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ НУО КАЗАХСТАНСКО РОССИЙСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ - э.д.с. источников биопотенциалов - сопротивление внутренних тканей биосистемы - сопротивление кожи и электродов, контактирующих с ней - входное сопротивление усилителя биопотенциалов Электроды для съема биоэлектрического сигнала подразделяют на следующие группы: 1. Для кратковременного применения в кабинетах функциональной диагностики, например для разового снятия электрокардиограммы; 2. Для длительного использования , например при постоянном наблюдении за тяжелобольными в условиях палат интенсивной терапии; 3. Для использования на подвижных обследуемых, например в спортивной или космической медицине; 4. Для экстренного применения, например в условиях скорой помощи При использовании электродов в электрофизиологических исследованиях возникают две специфические проблемы. Одна из них – возникновение гальванической э.д.с. при контакте электродов с биологической тканью. Другая – электролитическая поляризация электродов, что проявляется в выделении на электродах продуктов реакций при прохождении тока. В результате возникает встречная по отношению к основной э.д.с. В обоих случаях возникающие э.д.с. Искажают снимаемый электродами полезный биоэлектрический сигнал Датчиком называют устройство, преобразующее измеряемую или контролируемую величину в сигнал, удобный для передачи, дальнейшего преобразования или регистрации. В рамках медицинской электроники рассматриваются только такие датчики, которые преобразуют измеряемую или контролируемую неэлектрическую величину в электрический сигнал. Датчик характеризуется функцией преобразования – функциональной зависимостью выходной величины у от входной х, которая описывается аналитическим выражением или графиком. Чувствительность датчика показывает, в какой мере выходная величина реагирует на измерение входной: бп r R вх R ) (x f у x y z / МЕББМ ҚАЗАҚСТАН- РЕСЕЙ МЕДИЦИНАЛЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ НУО КАЗАХСТАНСКО РОССИЙСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Она в зависимости от вида датчика выражается в Омах на миллиметр (Ом/мм), в милливольтах на кельвин (мВ/К) Датчики делятся на два класса: генераторные и параметрические. Генераторные датчики под воздействием входного сигнала генерируют напряжение или ток. Например, индукционные датчики, пьезоэлектрические, фотоэлектрические и т.д. Пьезоэлектрический датчик. Принцип его действия основан на пьезоэлектрическом эффекте-явлении поляризации кристаллических диэлектриков при деформации. Входной величиной в этих датчиках может быть давление, механическое напряжение, перемещение, а выходной - электрическое напряжение. В медицине пьезодатчики нашли широкое применение в приборах для автоматического измерения артериального давления, для записи пульса лучевой артерии и т.д. Индукционный датчик. Принцип его работы заключается в наведении ЭДС индукции при относительном перемещении катушки и постоянного магнита. У индукционных датчиков входной величиной является скорость механического перемещения, поэтому их используют только в приборах предназначенных для измерения скоростей, в аппарате для импульсной регистрации легочной вентиляцией. Параметрические датчики под воздействием входного сигнала изменяется какой-либо параметр (например, тензометрические датчики, емкостные, индуктивные, реостатные и т.п.). Тензодатчик. В основе работы тензодатчика лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении активного сопротивления проводников при их механической деформации. В медицинской технике при регистрации пневмограммы, характеризующей изменение периметра грудной клетки, частоту дыхания, используются тензодатчики, располагаемые на грудной клетке пациента. Датчик выполнен в виде жилета, изготовленного из эластичной ткани. Чувствительный элемент образован двумя резиновыми трубками с угольно-графитным наполнением, сопротивление которых изменяется при деформации. Градуировка термистора и определение температуры тела При устройстве термометров сопротивления используется свойство металлов и полупроводников изменять величину своего сопротивления при изменении температуры. У металлов, как правило, сопротивление увеличивается при повышении температуры, у полупроводников - уменьшается. Можно записать формулу для расчета сопротивления проводника ) 1 ( 0 t R R t , где - температурный коэффициент сопротивления зависит от природы вещества, соответствует изменению сопротивления при изменении температуры на 1ºС В настоящее время разработаны полупроводниковые сопротивления, так называемые термисторы, которые изменяют величину своего сопротивления с температурой в 10-20 раз больше, чем металлы, причем их сопротивление уменьшается с повышением температуры. Так как полупроводниковые материалы обладают очень большим удельным сопротивлением, термисторы могут быть очень малых размеров. Термисторы используются в медицине в качестве электротермометров. Благодаря своей очень малой тепловой инерции они позволяют измерить температуру в течение очень короткого времени. Термисторы изготовляются в форме маленькой бусинки и заделывается в тонкий конец пластмассового корпуса, напоминающего авторучку через который делаются выводы для подключения к схеме мостика Уитстона. (Рис.3). МЕББМ ҚАЗАҚСТАН- РЕСЕЙ МЕДИЦИНАЛЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ НУО КАЗАХСТАНСКО РОССИЙСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ В данной схеме датчиком температуры служит термистор, который включается в одно из плеч мостика. Сопротивления других плеч подобраны таким образом, чтобы при некоторой начальной температуре мостик был сбалансирован. При соприкосновении с исследуемой средой или объектом термистор, обладая очень малой тепловой инерцией, быстро принимает температуру этой поверхности. Изменение температуры термистора вызывает изменение его сопротивления, вследствие чего нарушается баланс мостика и стрелка гальванометра отклоняется. Шкала гальванометра может быть проградуирована непосредственно в градусах Цельсия. Чтобы использовать термистор, следует его проградуировать. Градуировка заключается в определении зависимости сопротивления термистора от температуры. Для градуировки термистора собирается схема Уитстона. На схеме (рис.3) одним ключом мостика является термистор t R , другим магазин сопротивлений m R , а два последних плеча могут быть постоянными сопротивлениями R 1 и R 2 . В диагональ моста включен гальванометр. При измерении подбирают сопротивления R 1 и R 2 так, чтобы ток через гальванометр не протекал. Такое состояние измерительной цепи называется балансом или равновесием. Градуировка термопары и измерение температуры тела Прибор, состоящий из двух разнородных металлов со спаянными концами, в котором создается электрическая энергия за счет внутренней энергии другого тела, поддерживающего разность температур спаев, называют термопарой или термоэлементом. Термопары применяются для измерения температур в широком интервале (от – 270 до +1500 0 С). Если через спай полупроводниковой термопары пропустить постоянный ток от постороннего источника в направлении от дырочного полупроводника к электронному (т.е. обратно направлению термотока), то дырки и электроны, образующие ток в соответствующих полупроводниках, встретившись в контактном спае, рекомбинируют. При этом потенциальная энергия, как и кинетическая, переходит в теплоту и спай нагревается. При обратном направлении тока в спае происходит образование пар электрон-дырка, на что затрачивается энергия, которая отнимается от решетки в контактном спае. Спай охлаждается. Это явление называется эффектом Пельтье. Чтобы пользоваться термопарой для измерения температур, необходимо ее проградуировать, т.е. установить опытным путем зависимость между э.д.с. появляющийся в цепи термопары (или соответствующими отклонениями гальванометра) и разностью температур нагреваемого спая и спая постоянной температуры. Для измерения термоэлектродвижущей силы используются либо гальванометры (милливольтметры), либо потенциометры. Собирают схему, как указано на рис.2. На этой схеме А и В соответственно спаи нагреваемой и постоянной температуры, Г – гальванометр, R доб – добавочное сопротивление к гальванометру. МЕББМ ҚАЗАҚСТАН- РЕСЕЙ МЕДИЦИНАЛЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ НУО КАЗАХСТАНСКО РОССИЙСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Нагреваемый спай помещают в ванну с жидкостью, которая постоянно нагревается, другой – термостатируется. Температура ванны измеряется термометром. Градуировка производится путем измерений отклонений гальванометра или величин термо-э.д.с. при ряде температур нагреваемого спая. Результатом градуировки является график: по горизонтальной оси наносятся температуры нагреваемого спая, по вертикальной оси – отклонения гальванометра или величин термо-э.д.с. В небольших пределах изменения температур термо-э.д.с. Е пропорциональна разности температур спаев 1 2 t t , ) ( 1 2 t t K E Значит в ограниченном интервале температур график зависимости э.д.с. термопары от температуры нагреваемого спая будет изображаться прямой линией. В широком интервале измерения температуры у большинства термопар наблюдаются отступления от пропорциональности. По результатам градуировки термопары можно вычислить чувствительность (постоянную) термопары K , которая зависит от природы веществ, составляющих термопару и соответствует термо-э.д.с. при изменении температуры нагреваемого спая на 1 0 С: 1 2 1 2 ) ( t t n n R R R С K доб г T T где I - ток, измеренный гальванометром, R Т - сопротивление термопары R г – сопротивление обмотки гальванометра и R доб – добавочное сопротивление. Значения этих величин известны и для нахождения чувствительности термопары К нужно лишь определить величину 1 2 1 2 t t n n Она находится из графика зависимости отклонений n – гальванометра от температуры 0 t нагреваемого спая термопары. Задание 1. ГРАДУИРОВКА ТЕРМИСТОРА 1. Собрать схему установки (рис.3) МЕББМ ҚАЗАҚСТАН- РЕСЕЙ МЕДИЦИНАЛЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ НУО КАЗАХСТАНСКО РОССИЙСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ где, R m - магазин сопротивлений, R 1 , R 2 - постоянные сопротивления, R t - термосопротивления, изготовлены из металла, Г – гальванометр, Н – нагреватель, К – ключ 2. Отметить начальную температуру воды 0 t в сосуде, содержащей термосопротивление и нагреватель, сбалансировать мостик. Записать значение термосопротивления R t . Оно определяется по формуле: 2 1 R R R R m t поскольку , 2 1 R R то m t R R 1. Нагревая воду до кипения, провести измерение сопротивления термистора через каждые 10 о С 2. Полученные данные записать в табл.1 Таблица 1 R t (Ом) t 0 C 3. Построить график зависимости сопротивления проводников от температуры ) ( 0 C t f R 4. Определить термический коэффициент сопротивления по формуле t R R R t 0 0 (1) где R t – сопротивление при температуре 2 t , R о - начальное сопротивление при 1 t , 1 2 t t t ЗАДАНИЕ 1. ГРАДУИРОВКА ТЕРМОПАРЫ Погрузить концы термопары в сосуды с водой и измерить температуру в обоих сосудах. Нагревая воду до кипения, провести измерение по гальванометру через каждые 10 о С, записать количество делений, на которое отклонилась стрелка гальванометра в табл.2. Таблица 2 t о С n (дел) МЕББМ ҚАЗАҚСТАН- РЕСЕЙ МЕДИЦИНАЛЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ НУО КАЗАХСТАНСКО РОССИЙСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Определить чувствительность термопары по формуле 1 2 1 2 ) ( t t n n R R R С K доб г T T (2), где С – цена деления гальванометра (4,5 10 -3 А/дел), г R - сопротивление обмотки гальванометра (140 Ом), доб R - добавочное сопротивление (0 Ом), t R - сопротивление термопары (2 Ом). Построить график зависимости ) ( C t f n и сделать вывод. Контроль: 1. Проводники, полупроводники, их свойства. 2. Различие между проводниками, полупроводниками и диэлектриками с точки зрения зонной теории 3. Что такое контактная разность потенциалов? 4. Причины возникновения контактной разности потенциалов (КРП) 5. Сущность эффекта Пельте. Литература: 1. Көшенов Б.К., Сайбеков Т.С. Медицинская биофизика2014 г. 2. Сайбеков Т.С. Медицинская биофизика для Вузов и колледжей, А.: 2014 г. 3. Ремизов А.Н. Медициналық және биологиялық физика: оқулық / жауапты редактор Байдуллаева Г.Е., Мәскеу ГЭОТАР-Медиа 2019. 4. Антонов В.Ф., Козлова Е.К., Черныш А.М. Физика и биофизика: для студентов медицинских ВУЗов 2-ое изд., Москва ГЭОТАР-Медиа 2019. 5. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика: учебник 4-ое изд., Москва ГЭОТАР-Медиа 2018. Задачи для самостоятельной работы: 1.Для покрытия цинком металлических изделий в электролитическую ванну помещен цинковый электрод массой m=0,01 кг. Какой заряд должен пройти через ванну, чтобы электрод полностью израсходовался? Электрохимический эквивалент цинка k=3,4·10 -7 кг/Кл 2.При силе тока 1,6 А на катоде электролитической ванны за 10 мин отложилась медь массой 0,316 г. Определите электрохимический эквивалент меди. 3. Какую работу совершает электрический ток в электродвигателях мясорубки за 20 минут, если сила тока в цепи 0,3 А, а напряжение 10 В. |