Úvod do měření teploty těla Škorpíková Základní pojmy •Teplota •Teplo •Teplotní stupnice – definice na základě účinnosti vratného Carnotova cyklu •ϰ = Q2 - Q1/Q2 = T2 - T1/T2 •ϰ účinnost cyklu •T termodynamická teplota •Q2 odebrané teplo teploměrné lázni z lázně s teplotou T2 •Q1 odebrané teplo teploměrné lázni z lázně s teplotou T1 • přičemž platí T2 > T1 • • Základní pojmy •V případě ideálního stavu = 1 potom platí •T2/T1 = Q2/Q1 •Teploměrnou látkou může být plyn pro který platí v souladu s Carnotovým cyklem stav. rovnice •pV = RmT •Rm molární plynová konstanta , V objem plynu • pro konstantní objem vyplývá z rovnice pro plynový teploměr •T = T0 p/p0 (p0 = 1,01325.10 5 Pa, T0 =273,15 K ) •V praxi se využívají různé teplotní stupnice Teplota lidského těla • 1/ Stálá tělesná teplota •-teplotu tělesného jádra, povrchovou •-tělesná teplota vykazuje určité kolísání během dne • •2/ Tvorba tepla •- jako produkt metabolismu -vytváří se v organismu v orgánech v různé míře - Ztráty a regulace •3/ Ztráty tepla -Kondukcí ( vedením) -Radiací ( sáláním) -Konvekcí ( prouděním) -Evaporací ( odpařováním) - •4/ Regulace tělesné teploty •( přítomnost detektorů teploty – termoreceptory) •- Snižování tělesné teploty ( vazodiletace, pocení, zvýšení dýchací frekvence, snížení tepelné produkce) - -Zvyšování tělesné teploty • vazokonstrikce, svalový třes, zvyšování metabolických procesů, chemická termogeneze • Přehřátí organismu (hypertermie) • Horečka • Podchlazení organismu • Měření tělesné teploty •Rozdělení lékařských teploměrů -Invazní a neinvazní •A/ Kontaktní -Dilatační -Digitální -Chemické •B/ Bezkontaktní •- Infračervený teploměr - teploměry •Infračervený ušní teploměr •Infračervený čelní teploměr •Kalibrace IR teploměru •Teorie bezkontaktního měření teploty -v roce 1800 objevil William Herschel --využívá se při bezkontaktním měření teploty vlnové délky jen úzký svazek infračerveného záření 0,75 µm až 1 mm. •Černé těleso, emisivita • - absolutně černé těleso ( ϵ = 1) zákon •Šedá tělesa (ϵ < 1 pro konstantní vlnové délky) •Selektivní zářiče (ϵ se mění v závislosti na vlnové délce) •Zákony záření •Stefan-Bolzmannův zákon •Udává intenzitu vyzařování pro danou teplotu v celém rozsahu vlnových délek M0 = σT4 • kde σ je Stef.Bolzmannova konstanta • Pro nedokonalé zářiče ( označují jako šedé povrchy) platí • M0 = σT4 zákon •Planckův vyzařovací zákon • záření o frekvenci f může být vyzařováno nebo pohlcováno pouze po kvantech energie o velikosti E= hf , kde h je Planckova konstanta. •E0λ = c1. λ-5 / e (c2/λ T - 1) •kde E0λ je spektrální hustota zářivého toku černých objektů do poloprostoru •T je teplota objektu je vlnová délka záření • c1 – 3,74.10 -16 W . m-2 • c2 – 1,44.10-2 K.m • •(se zvětšující se teplotou zdroje se zvětšuje spektrální hustota zářivého toku dokonale černého tělesa ) • zákony •Wienův zákon posunu • Maximální hodnota spektrální hustoty zářivého toku se s rostoucí teplotou posouvá ke kratším vlnovým délkám • λmax . T = 2,8978 . 10 -3 mK • kde λmax je maximální vlnová délka pro vyzařování •První Kirchhoffův zákon • Zabývá se interakcí záření s objektem a udává, že součet reflektance r, absorbance a a transmitance t daného objektu je vždy roven jedné • r + a + t = 1 Zákon •Druhý Kirchhoffův zákon •Objekt je tak dokonalým zářičem, jak dovede záření pohlcovat • ϵ = a •Infračervené záření vyzařované lidským tělem •Suchý neochlupený rovinný povrch těla v oblasti nad 6 µm chová téměř jako černé těleso. Pro přesná měření jej považujeme za šedý zářič s ϵ = 0,98 až 0,99. Jako sselektivní zářič se tělo chová ve spektrální intrvalu 3 – 6µm. •Vnitřní faktory •Základem je látková a energetická výměna. Regulace ztrát tepla je tvořena •fyzikální termoregulací a regulací tvorby tepla chemickou termoregulací. Infračervené záření vyzařované •Vnější faktory •Pro vlastnosti snímaného povrchu – kůži platí, že v tomto spektrálním intervalu nad 6 µm ( ϵ= 0,98 - 0,99) není pro infračervené záření transparentní, lze ji považovat za matný materiál s koeficientem reflexe 1 až 2% a může částečně ovlivnit obraz teplotního reliéfu kůže. •Značný význam má teplota vnějšího prostředí -neutrální prostředí --chladné prostředí --teplé prostředí •/ proudění vzduchu, vlhkost/ Detektory infračerveného záření •Detektory rozdělujeme z hlediska principů detekce na dva základní typy: •Tepelné detektory - nejpoužívanější bolometrické detektory, kdy se elektrický odpor bolometru mění v závislosti na zvýšení teploty materiálu. Vlastnost určuje teplotní součinitel odporu- vysoká tepelná vodivost a nejmenší tepelná kapacita. •Fotonové detektory - pracují na principu vnitřního fotoelektrického jevu (polovodičový materiál - PbS, PbSe, Si/Ga, Si/In ). Vyhoda – jsou citlivější, než tepelné. Nevýhoda- vyžadují chlazení. • • Pyrometrie •Pyrometry jsou veškeré bezdotykové přístroje, které zachycují a měří termální radiaci emitovanou zkoumaným objektem za účelem zjištění teploty jeho povrchu. •Skládá se z optické soustavy, detektoru a elektronických obvodů. Výstupní hodnota detektoruje použita k vypočítání teploty objektu. Infračervené termometry (pyrometry) měří energii na vlnové délce 0,7 – 20 µm. • Pyrometry •Úhrnné pyrometry •jsou to radiační pyrometry vyhodnocující tepelné záření v celém spektru vlnových délek ( optický systém je tvořen soustavou čoček z materiálů se širokým spektrem prostupnosti nebo zrcadlem se širokým spektrem odrazivosti. •Monochromatické pyrometry •je spektrálně selektivní pro velmi úzkou šíři vlnového pásma (Δλ). •Pásmové pyrometry •jsou spektrálně selektivní , které měří teplotu prostřednictvím záření ve stanoveném pásmu vlnových délek. Používají se tepelné i kvantové detektory. •Poměrové pyrometry •Měří energii vyzářenou objektem ve dvou úzkých pásmech vlnových délek a počítají poměr těchto dvou energii ( dvoubarevné radiační pyrometry Termovize • Přednáška ve studijních materiálech v IS. •