Применение термопреобразователей в биологии и медицине

Температура является одним из важнейших показателей жизнедеятельности человека. Многие заболевания сопровождаются повышением температуры, поэтому ее определяют при диагностике заболеваний.

С помощью температурных датчиков можно измерять тепловые потоки, а значит осуществлять калориметрию, измерять температуру на определенных участках тела человека и следить за распределением температурных полей на теле.

Последний метод нашел широкое применение для обнаружения воспалительных процессов и злокачественных опухолей, для которых характерно местное повышение температуры на 2-3 градуса по сравнению со здоровыми участками тела человека. Термометрия позволяет выявить участки с плохим кровоснабжением (пути закупорке вен, спазмах сосудов, склеротических изменениях), а также позволяет хирургам убедиться в том, что кровоснабжение на оперированных участках восстановилось. Например при пересадке органов. Малые размеры термисторов позволяет вводить их в различные полости организма (ткани, опухали) их можно соединить с усилителем и через телеметрическую систему передавать информацию на большие расстояния, можно автоматизировать систему съема информации и фиксировать ее в памяти ЭВМ и включить сигнализацию, если температура достигла критического значения. Терморезисторы используются в различных системах наблюдения за больными перед операцией, во время операции и после не. Специалисты ФРГ и Англии разработали оборудование, сигнализирующие об остановке дыхания недоношенных детей. В матраце, разделенном на отдельные секции, находится нагреваемый слабым током терморезистор. Дыхательные движения младенца создаются в матраце слабые движения воздуха, которые охлаждают терморезистор и препятствует подъему его температуры определенного значения. Если дыхание приостановилось даже на некоторое время, температура термистора увеличивается, изменяется сопротивление, установка дает звуковой и световой сигнал тревоги.

Терморезисторы (термисторы) представляют собой полупроводник - смесь окислов некоторых металлов спрессованных и спеченных при высоких температурах.

Зависимость сопротивления полупроводников от абсолютной температуры Т достаточно точно описывается соотношением

где А и В - постоянные

Т - абсолютная температура.

Как видно зависимость сопротивления термистора от абсолютной температуры описывается экспоненциальной функцией.

Если известно сопротивление термистора для какой-либо температуры, то можно рассчитать сопротивление термистора для любой другой температуры по формуле

где R_T1 - сопротивление термистора при температуре Т₁, К;

R_T2 - сопротивление термистора при температуре Т₂, К;

Т₁ и Т₂ - значение абсолютной температуры в К.

Постоянная термистора В может быть определена по формуле;

для чего необходимо знать сопротивление термистора для двух температур, например R_T2 и R_T1..

Абсолютная чувствительность термистора численно равна изменению его сопротивления при изменении температуры на один градус. Ее можно вычислить по формуле

В последнее время разработаны термисторы, у которых в некотором диапазоне температур сопротивление увеличивается с увеличением температуры. Такие термисторы называются позисторами.

Полупроводниковые терморезисторы имеют ряд достоинств и недостатков по отношению к проводниковым терморезисторам. К достоинствам термистора относится большая величина удельного электрического сопротивления, что позволяет использовать термисторы малых размеров. Такие термисторы (объем порядка 1 мм³) имеют малую инерционность и позволяют измерять температуру в различных участках тела, как с наружи так и внутри. Большой температурой коэффициент сопротивления термистора дает возможность измерять малые изменения температуры и разности температур. Высокое сопротивление термистора позволяет пренебречь сопротивлением подводящих проводов при измерении температуры на больших расстояниях.

Недостатки полупроводниковых терморезистров является плохая воспроизводимость зависимости сопротивления от температуры, что затрудняет их стандартную градуировку, приходится каждый термистор градуировать отдельно.

Описание установки

В нашей работе мы будем пользоваться схемой сбалансированного моста Уитстона (Рис.5). Мост состоит из четырех сопротивлений, включенных в его плечи: R₁, R₂, R₃, R₄,

где R₄ - сопротивление магазина,

R₃ - сопротивление термистора.

Рис.5

В диагонали моста 2-4 находится гальванометр (Г). Если схема работает в режиме сбалансированного мота, то ток гальванометра должен быть равен нулю. В другую диагональ моста подключается источник постоянного напряжения.

Включим цепь и с помощью магазина сопротивления R₄ добьемся баланса моста (J_G=0). Раз на участке 4-2 ток равен нулю, значит потенциалы точек 4 и 2 будут между собой равны, т.е. j₁ =j₂, а значит:

j₁ - j₂ = j₁ - j₄, j₂ - j₃ = j₄ - j₃

По закону Ома разность потенциалов Dj = JR значит

j₁ - j₂ = J₁R₁

j_{1 -} j₄ = J₄R₄ J₁R₁ = J₄R₄

j₂ - j₃ = J₂R₂ J₂R₂ = J₃R₄ (1)

j₄ - j₃ = J₃R₃

Так как J_G = 0, то J₁=J₂, J₃ = J₄

Поделим почленно левые и правые части уравнения (1) и сократив токи получим:

или

Если R₁ = R₂, то R₃ = R₄.

Учебные задачи

Приборы и принадлежности: термометр, термистор, мост Уитстона, магазин сопротивления, сосуд с водой, электронагреватель, источник тока для питания моста, источник тока для питания нагревателя.

Дата добавления: 2015-07-12