автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка малогабаритных термопреобразователей сопротивления для систем температурной диагностики в судебной медицине

На правах рукописи

КУЛИКОВ Александр Викторович

УДК 621.3.088

РАЗРАБОТКА МАЛОГАБАРИТНЫХ ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ ДЛЯ СИСТЕМ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ДИАГНОСТИКИ В СУДЕБНОЙ МЕДИЦИНЕ

Специальность: 05.11.13 —Приборы и методы контроля природной среды,

веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ижевск - 2006

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Сяктерев Виктор Никонович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Миловзоров Георгий Владимирович (г. Уфа)

доктор физико-математических наук, профессор Ивлиев Андрей Дмитриевич (г. Екатеринбург)

Ведущее предприятие: Физико-технический институт УрО РАН (г. Ижевск)

Защита диссертации состоится «_ 1О» ноября 2006 г. в 14 часов на заседании регионального диссертационного совета ДМ 004.013.02 при Институте прикладной механики УрО РАН по адресу: 426067, г. Ижевск, ул. Т. Карамзиной, 34; тел. (3412) 50-82-00.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПМ УрО РАН, Автореферат разослан « о » с-^^г. 2006 г

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

В.В, Тарасов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Объектом исследования являются малогабаритные термопреобразователи сопротивления с чувствительным элементом на основе медного микропровода.

Предмет исследований — тепловые процессы в термопреобразователях сопротивления, математические модели термопреобразователей на основе электротепловой аналогии, саморазогрев термопреобразователей измерительным током и способы снижения его влияния на погрешность измерений температуры.

Актуальность. Температурная диагностика является одним из наиболее широко используемых в медицине методов исследования человека. В судебной медицине при установлении давности наступления смерти (ДНС) в течение первых суток применяется тепловой метод, основанный на анализе динамики температуры тела и последующем расчете момента начала его остывания, который интерпретируется как момент наступления смерти. Особенность теплового метода диагностики ДНС заключается в том, что в указанном временном интервале он является единственным методом, который позволяет с помощью технических средств получить количественную оценку ДНС и по сути представляет собой косвенный метод измерений. Именно, исходя из такой оценки, в настоящее время производится разработка этого метода специалистами и учеными.

В проблеме установления ДНС, кроме медицинского, выделяются социальный и технический аспекты.

Социальная значимость решения этой проблемы вытекает из того, что судебно-медицинская экспертиза ДНС является составной частью следственных действий и от ее качества зависит оперативность противодействия проявлениям преступности. Поэтому к методу измерения ДНС предъявляются требования, в первую очередь, как к оперативному. Своевременное определение ДНС позволяет не только ускорить следственные мероприятия, но и во время предотвратить возможное негативное развитие кризисных ситуаций.

Техническая сторона проблемы была сформулирована и выделена в отдельное направление в девяностых годах XX века и связана, в первую очередь, с разработками этого метода как метода измерения временного интервала и с разработками технических средств его реализации.

Значительный вклад в разработку технических вопросов теплового метода измерения ДНС внесли Хенсге С., Новиков П.И., Благодатских A.B. и др.

В результате были разработаны теоретические основы и исследованы потенциальные возможности метода, созданы портативные термометры судмедэксперта и компьютерные программы расчета ДНС по результатам термомет-рирования тела и среды, и в комплексе все это явилось предпосылками для разработки специализированных интеллектуальных портативных приборов — информационно-измерительных систем - измерителей ДНС.

Опыт применения портативных термометров судмедэксперта и компьютерных программ расчета ДНС показывает, что такие качества метода, как приемлемая погрешность и малое время измерений ДНС, могут быть обеспечены только при высокой разрешающей способности термометрической аппаратуры порядка тысячных долей градуса в диапазоне от -45 до +45°С.

Для создания такой аппаратуры необходим первичный термопреобразователь, имеющий малые габаритные размеры и отвечающий требованиям высокой температурной чувствительности, линейности, стабильности. Анализ средств термометрирования показывает, что такой термопреобразователь может быть построен на основе микропровода. Однако в арсенале выпускаемых промышленностью приборов нет готовых технических решений» и разработка такого термопреобразоваггеля является актуальной научно-технической задачей.

Таким образом, целью настоящего исследования определено научное обоснование технических и методических решений при разработке малогабаритных термопреобразователей сопротивления медицинского назначения, обеспечивающих снижение погрешности измерения давности наступления смерти человека тепловым методом. Задачи исследования:

1. Анализ требований к термопреобразователям в системах температурной диагностики ДНС, выбор типа термопреобразователя и определение направлений совершенствования его характеристик и параметров.

2. Разработка и исследование компьютерной виртуальной математической модели термопреобразователей сопротивления (ТПС) на основе электротепловой аналогии.

3. Теоретические и экспериментальные исследования саморазогрева ТПС измерительным током и его влияния на погрешность измерений. Разработка рекомендаций по снижению погрешности саморазогрева ТПС.

4. Экспериментальные исследования погрешности измерения ДНС с помощью микропроцессорного измерительного прибора с применением разработанного малогабаритного ТПС.

Методами исследования являются методы теории теплообмена, математическое моделирование на компьютерных электрических моделях, методы теории обратных связей, дифференциального и интегрального исчисления и теории погрешностей, статистические и экспериментальные методы. В процессе исследований, при обработке и оформлении результатов использованы компьютерные программы Micro-Cap, Mathcad, и приложения Microsoft Office.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов подтверждаются корректным использованием математических методов, проверкой теоретических выводов методами математического моделирования и экспериментами, воспроизводимостью экспериментальных результатов и использованием при экспериментальных исследованиях аттестованных средств измерений, оценками погрешностей исследований, результатами опытной эксплуатации термопреобразователей сопротивления в составе макета прибора судмедэксперта в Бюро судмедэкспертизы Удмуртской республики (УР) и на кафедре «Судебная медицина» Ижевской государственной медицинской академии (ИГМА).

На защиту выносятся:

- реализация метода математического моделирования тепловых процессов на виртуальных электрических моделях с применением компьютерной программы схемотехнического моделирования;

- методика экспериментального определения абсолютной погрешности моделирования, обусловленной дискретизацией объема объекта моделирования, основанная на экспериментальном определении функции производной погрешности от числа ячеек модели и восстановлении первообразной этой функции;

- виртуальные математические модели металлического термопреобразователя сопротивления со встроенным каркасом чувствительного элемента и методика расчета их параметров;

- тепловая эквивалентная схема ТПС с цепью внутренней положительной обратной связи;

- способ алгоритмического учета саморазогрева ТПС измерительным током, основанный на использовании при измерении температуры двух значений

измерительного тока и последующем расчете точного значения температуры по результатам измерений сопротивления ТПС;

- статический и динамический способы измерения термического сопротивления ТПС;

- статистические оценки погрешности измерения ДНС тепловым методом с применением ТПС в стационарных внешних условиях;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований саморазогрева ТПС измерительным током;

- технические решения при разработке малогабаритных ТПС на основе медного микропровода;

- ИИС для экспериментальных исследований саморазогрева ТПС измерительным током и методика идентификации параметров измерительных каналов.

Научная новизна работы заключается в дальнейшем развитии метода математического моделирования процессов теплообмена на электрических схемах с применением компьютерных программ схемотехнического моделирования, в развитии теории оценок погрешности математического моделирования, в установленных при исследовании процессов саморазогрева термопреобразователей сопротивления измерительным током взаимосвязях между тепловыми, электрическими и геометрическими величинами, в развитии методик измерения параметров тепловой схемы ТПС, в развитии теплового метода измерения ДНС в части оценок погрешности измерений.

Практическая значимость работы заключается в разработке малогабаритного термопреобразователя сопротивления, отвечающего требованиям применения в системах температурной диагностики ДНС, и ИИС для исследования процессов саморазогрева ТПС, в создании прибора судмедэксперта с улучшенными метрологическими параметрами, в разработке статистической методики оценки погрешности измерения ДНС.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы в виде макета микропроцессорного прибора с малогабаритным ТПС используются в Бюро судебно-медицинской экспертизы УР и на кафедре «Судебная медицина» ИГМА в практической и учебной деятельности судмедэкспертов, ученых и студентов.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на научно-техническом форуме с международным участием «Высокие технологии - 2004» (г. Ижевск, 2004 г.), Научно-технической конференции

«Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (г. Ижевск, 2004 г.), 3-ем научном симпозиуме «Высокие технологии в промысловой геофизике» (г. Уфа, 2004 г.), 3-ей Научно-технической конференции «Приборостроение в XXI веке» (г. Ижевск, 2006 г.).

Публикации. Результаты работы отражены в 8 научных публикациях, в том числе — 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 2 статьи в сборнике трудов научно-технического форума с международным участием, 1 статья в межвузовском сборнике, 2 статьи депонированы в ВИНИТИ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 135 страницах машинописного текста. В работу включены 48 рисунков и 23 таблицы, список литературы содержит 122 наименования, в приложениях изложена методика расчета параметров виртуальной электрической модели и представлены акты использования результатов диссертационной работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе работы изложены предпосылки создания малогабаритных термопреобразователей сопротивления для температурной диагностики в судебной медицине. Проведен анализ требований к первичным преобразователям в системах температурной диагностики ДНС.

Современные методики определения ДНС требуют измерения температуры среды и двукратного измерения температуры тела через фиксированный временной интервал. Причем разница температуры тела при первом и втором измерениях должна быть зафиксирована с разрешением не менее, чем в 100 градаций показаний термометра на интервале измерений [1]. Учитывая, что на экспертизу ДНС отводится 10-15 минут, с использованием известной модели Хенсге С. остывания тела в стационарных условиях определены требования к разрешающей способности канала измерения температуры прибора судмедэксперта на уровне тысячных долей градуса.

Установлено, что для обеспечения указанного разрешения при использовании современных измерительных операционных усилителей в промежуточном преобразователе, обладающих минимальными шумами и температурным дрейфом, требуется применять первичные термопреобразователи с вольтовой чувствительностью не хуже 2 мВ/К и временем установления температуры не более 1 минуты.

Анализ существующих промышленных первичных терм о преобразователей, среди которых выделены термопары, термопреобразователи сопротивления и полупроводниковые интегральные схемы, показал, что в системах диагностики ДНС предпочтительнее использовать термопреобразователи сопротивления (ТПС) с металлическими чувствительными элементами, например, из медного провода. Термопары не удовлетворяют требованиям по чувствительности, а интегральные схемы - также по габаритным размерам, которые превышают максимальный размер (диаметр) конструктива термопреобразователя медицинского назначения.

Вольтовая чувствительность ТПС регулируется в широких пределах измерительным током, а применение микропровода позволяет создавать конструкции малых размеров.

Обзор конструкций чувствительных элементов ТПС показал, что наиболее подходит для применения чувствительный элемент в виде катушки с каркасом, выполненным из материала провода чувствительного элемента, дополненный теплоприемником конической формы для минимизации внутреннего термического сопротивления ТПС. В этом случае удается снизить саморазогрев ТПС измерительным током за счет отвода тепла от внутренних слоев катушки.

Для разработки ТПС, обозначенной конструкции, требуется комплекс научных исследований, цель и задачи которых указаны выше.

Во второй главе рассматриваются вопросы математического моделирования ТПС на виртуальных электрических моделях.

Проведена классификация математических методов исследования тепловых процессов, выделены аналитическое и численное решения уравнений теплообмена и моделирование на электрических схемах. Показано, что в настоящее время основными математическими методами исследования являются численные методы конечных разностей и конечных элементов. При этом для их реализации при анализе сложных конструкций требуются специалисты высокой квалификации как в области теплообмена, так и в области вычислительной математики и программирования.

Другим альтернативным методом, по эффективности сравнимым с численными, может явиться моделирование на электрических моделях с применением компьютерных программ схемотехнического моделирования (моделирование на виртуальных электрических моделях) [6].

Дана сравнительная оценка программ схемотехнического моделирования, среди которых выделены PSpice, Electronics Workbench и Micro-Cap. Принято решение об использовании программы Micro-Cap, как наиболее полно отвечающей требованиям применения в научных исследованиях.

Рассмотрена электротепловая аналогия как основа моделирования. Показано, что в случае использования виртуальных электрических моделей взамен физических вследствие отсутствия ограничений на значения параметров элементов и электрических величин масштабные коэффициенты, связывающие тепловые и электрические величины, вырождаются до единичных размерных, т.е. может быть использовано прямое численное соответствие тепловых и электрических величин. При этом существенно упрощается процедура составления моделей, проведения компьютерных экспериментов и расшифровки результатов.

Рассмотрены алгоритмы составления виртуальных электрических моделей (рис. 1) и методики расчета параметров элементарных ячеек, соответствующих элементарным физическим объемам исследуемого объекта, в декартовых и цилиндрических координатах [3, 7].

Для ячейки (рис. 2) расчет емкости производится по удельной теплоемкости материала с^ элементарного объема, плотности р и значению объема V:

Ct = c^pV. В декартовых координатах элементарный объем имеет прямоугольную форму» поэтому в ячейку входят термические сопротивления между параллельными гранями объема Ra -^т"—-» где К-> —теплопроводность мате-

2 A- S

риала, расстояние между гранями и площадь грани объема в направлении оси х. Ток It рассчитывается по мощности тепловыделений в элементарном физическом объеме.

В цилиндрических координатах в зависимости от способа деления цилиндрического объема на элементарные кольцевые объемы расчет параметров ячеек в направлении радиуса г производится от наибольшего радиуса в соответствии с табл. 1, где г, и Лг - внутренний радиус и высота элементарных кольцевых объемов.

Для моделирования ТПС с чувствительным элементом в виде катушки с каркасом на основе принятой геометрической модели витка выведено выражение для термического сопротивления между витком катушки и каркасом

I А

Лп --П.05— + 0,2), где X - теплопроводность зазора между витком и кар-

2Х/, г

касом; I, - длина витка; И/г - отношение зазора и радиуса провода катушки.

а) Рис. 1.

% /у-1

1х,5х

Рис.2. Электрическая ячейка плоской модели

б)

Алгоритмы составления виртуальных моделей

Проведено исследование адекватности виртуальных электрических моделей на примере разогрева медного цилиндра диаметром 1 мм при теплоподводе через торцевую и боковую поверхности при граничных условиях первого рода. Путем сравнения с аналитическим решением соответствующей тепловой задачи определена общая погрешность модели-

рования, обусловленная дискретизацией пространства объекта моделирования и собственной погрешностью моделирующей программы Micro-Cap, которая максимально составила 0,3%.

Таблица 1

Вариант 1 Вариант2 Вариант3

Дг _ —= А = const г, Дг, = Дг = const St=S = const

1. Задается значение А. 2. Рассчитывается сопротивление элементарных объемов: b-tL1*1*»- — const. 3. Рассчитываются емкости элементарных объемов: Vt=itAr?(2+A)&z. 1. Задается число элементарных объемов jV вдоль радиуса. 2. Рассчитывается ширина кольца элементарного объема: Дг = N где г0 • радиус цилиндра. 3. Рассчитываются сопротивления элементарных объемов: 1 Дг Лн-—-¿и*1+—Л 2яАЛг rt где rt = rf_, - Дг. 4. Рассчитываются емкости элементарных объемов: С^с^р^.где V( =7tAr(2r, +Ar)Az, 1. Задается число элементарных объемов N вдоль радиуса. 2. Рассчитывается площадь элементарных объемов: с 50 S.-. где 50=7СГ„! . 3. Рассчитываются сопротивления элементарных объемов: 2nk6z rt 4. Рассчитывается емкость элементарных объемов: С, = с^р V — const, где V = SAz.

Предложена и проверена методика оценки абсолютной погрешности моделирования в выбранной точке объекта, обусловленной в чистом виде дискретизацией пространства объекта, основанная на экспериментальном определении функции производной погрешности по числу ячеек модели N и последующем восстановлении первообразной этой функции путем интегрирования по Л'.

Функция абсолютной погрешности с высокой достоверностью аппроксимируется выражением 1/„ --—--гтгт ПРИ подогреве с торца и со стороны ци-

Ь — 1N

линдрической поверхности, где а и Ь - коэффициенты, значения которых зависят от координаты точки пространства, граничных и начальных условий, и с максимальной погрешностью менее 50% может быть экстраполирована в сто-

рону увеличения N на порядок. После определения коэффициентов функция может быть использована для определения необходимо числа ячеек модели.

Третья глава посвящена исследованию саморазогрева ТПС измерительным током. Рассмотрены статические тепловые эквивалентные схемы ТПС (модели с сосредоточенными параметрами), на основе которых установлена взаимосвязь погрешности саморазогрева АТ с температурой среды Тс , измерительным током /0, термическим сопротивлением Ят, начальным электрическим

О ¡2

сопротивлением и чувствительностью у ТПС [4]: АТ = —-т- 0 /?(й + уТе).

При питании ТПС от источника тока в нем проявляется тепловая положительная обратная связь (ПОС). Предложена эквивалентная схема ТПС с ПОС (рис.

_ юляющее при неизвестном

Рюг'ьуГоТчэ

расчетным путем определять точное Рис. 3. Тепловая схема ТПС с ПОС: Тчэ- значение температуры среды по ре-

температура чувсп.иш.ьного элемента зультатам шмйрений электрического

сопротивления ТПС Л, при двух значениях измерительного тока.

Разработана виртуальная динамическая электрическая модель (рис. 4) ТПС (рис. 5) в цилиндрических координатах с чувствительным элементом, выполненным в виде катушки из медного микропровода на металлическом каркасе, учитывающая внутренние тепловыделения (источники типа I) в чувствительном элементе и тепловую ПОС (источники типа О). В элементах модели, соответствующих слоям катушки 1-3, вертикальные сопротивления моделируют межслойные термические сопротивления, горизонтальные - термические сопротивления цилиндрических объемов слоев в направлении оси ТПС.

На виртуальных электрических моделях, проведено исследование саморазогрева ТПС и установлены основные закономерности теплообмена между катушкой чувствительного элемента и окружающей средой, влияние геометрических параметров элементов конструкции и режима работы на погрешность саморазогрева. В частности, для ТПС с диаметром каркаса 0,6 мм и длиной 30 мм установлено, что в саморазогреве на уровне десятых долей градуса и инерции-

3).

Выведено соотношение

Лг Тчэ

Рис. 4. Фрагмент электрической виртуальной модели П 1С

^ г ^

Рис. 5. Конструкция ТПС: I - теплоприемник; 2 - каркас; 3 - катушка; 4 — воздушная прослойка; 5 — трубка; 6 -теплоизолирующая пробка

онности ТПС в единицы секунд определяющую роль играет термическое сопротивление вдоль оси каркаса ТПС. Существенное снижение саморазогрева и инерционности достигается путем уменьшения длины и увеличения толщины каркаса катушки. При этом может быть увеличено число слоев катушки.

Инерционность и саморазогрев ТПС с идеально теплопроводящим каркасом на порядок меньше.

Эффективным способом уменьшения саморазогрева является использование импульсного питания ТПС измерительным током. При длительностях менее 1 мс саморазогрев ТПС составляет менее 1 мК.

Для экспериментальных исследований саморазогрева ТПС применялась специально разработанная двухканальная информационно-измерительная система (ИИС), эквивалентная схема измерительного канала которой представлена на рис. 6 [2].

иоп'

Рис.6. Эквивалентная схема измерительного канала ИИС

Разработана и реализована методика экспериментальной идентификации параметров канала с использованием точных резисторов. В табл. 2 представле- , ньг параметры канала ИИС.

Экспериментально исследовалась зависимость электрического сопротивления ТПС в нулевом термостате от измерительного тока [5]. Установлено, что при небольших значениях токов (до 16 мА) наблюдается чисто квадратичная зависимость сопротивления от измерительного тока (рис. 7), что подтверждает минимальное влияние ПОС при малых измерительных токах и малых саморазо-гревах.

Аппроксимируя зависимость функцией определялось точ-

ное значение начального сопротивления ТПС /?,0 = В, и статическое термиче-

10 0А

Таблица 2

№ пп Параметр измерительного канала Значение

I. Разрядность ЦАЛ 12

2. Разрешающая способность ЦА11 в диапазоне 0...+10 В, мВ 2,4

3. Нагрузочная способность ЦАП, мА 25

4. Разрядность АЦП 16

5. Диапазон входных напряжений АЦП, В ±10

6. Разрешающая способность АЦП, мВ 0,305

7. Сопротивление баланса моста ПП Ом 55,147 ±0,001

8. Коэффициент преобразования ПП Я"/Л0, \Юм 0,09026

9. Разрешающая способность по сопротивлению ТПС, Ом/ЕМР: - при токе 4 мА - при токе 1 б мА 0,0017 0,00064

10. Разрешающая способность по температуре для ТПС с характеристикой 50М, К/ЕМР: - при токе 4 мА • притоке 1бмА 0,008 0,002

При отрицательном исходном балансе измерительного моста при скачкообразном увеличении измерительного тока выделялся отрицательный перепад выходного сигнала измерительного канала. По фрагменту перепада (рис. 8), соответствующему процессу саморазогрева ТПС измерительным током, определялся перепад

К

Щ^ЛЫи^^&Юп—) сопротивления, по которому рассчитывалось измене-

3

о

47.64

0,00005 0,0001

0,00015 кПо, А*А

0,0002 0,00025 0,0003

ние температуры ТПС 100А/?,

и динамическое термическое сопротивление Д Т

По выде-

Рис. 7. Зависимость электрического сопротивления ТПС ленному фраг-

от квадрата измерительного тока менту опреде-

лялся показатель тепловой инерции гп1 ТПС, оцениваемый по уровню 0,63 от перепада. По перепаду выходного сигнала, возникающему при переносе ТПС из жидкостного термостата с температурой, отличающейся от нуля, в нулевой термостат оценивался показатель тепловой инерции г^. Для эксперименталь-

ных ТПС с конструктивными особенностями, указанными в табл. 3, экспериментально определенны параметры, представленные в табл. 4.

Ряс. 8. Динамика саморазогрева ТПС №10 при увеличении измерительного тока

Таблица 3

Конструктивные параметры ТПС №2 №6 №10 №11

I. Расчетное номинальное сопротивление, Ом 50 50 50 10

2. Диаметр провода катушки ЧЭ, мм 0,04 0,04 0,04 0,04

2. Диаметр каркаса катушки ЧЭ, мм 0,6 0,6 1 1

3. Длина каркаса катушки, мм 33 33 20 20

4. Длина намотки катушки ЧЭ, мм 30 30 15 12

5. Расстояние от основания теп-лоприемника до катушки ЧЭ, мм 1 1 1 2

6. Тип намотки каггутки ЧЭ, мм рядовая виток квитку рядовая в навал рядовая виток к витку рядовая виток к витку

7. Количество слоев катушки ЧЭ, мм 3 ш 3 1

По результатам экспериментальных исследований сделаны следующие выводы:

1. Характер намотки микропровода на каркас не влияет значительно на термическое сопротивление ТПС. Некоторое уменьшение термического сопротивления при намотке в навал, по-видимому, обусловлено более близким расположение внешних витков катушки к защитной трубке ТПС и увеличением теплообмена со средой через трубку, минуя каркас.

2. В ТПС с малым диаметром каркаса нагревание (охлаждение) катушки ЧЭ за счет внешнего источника теплоты через каркас идет медленнее, чем саморазогрев внутренним источником теплоты. Это объясняется более медлен-

Время, с

ным переходом процесса теплообмена в первом случае из нерегулярной стадии в регулярную. В регулярной стадии постоянные времени экспоненциального процесса совпадают в обоих случаях.

Таблица 4

ТПС Статические параметры Динамические параметры

Л,0,Ом (СКО), Ом Л,, К/Вт /гм,к/вт

№2 50,288 (0,0011) 43,6 43,1 3,4 6,7

№6 49,528 (0,0022) 36,4 36,3 3,5 6,0

№10 47,635 (0,0013) 32,4 28,2 3,2 3,3

№11 9,799 (0,0038) 30,8 29,5 3,1 3,3

3. При увеличении диаметра и уменьшении длины каркаса катушки ЧЭ снижается термическое сопротивление и инерционность ТПС. При этом показатели тепловой инерции при саморазогреве измерительным током и теплообмене со средой выравниваются, что объясняется одинаково быстрым в обоих случаях переходом ТПС из нерегулярной стадии теплообмена в регулярную.

4. Применение однослойной катушки с малым числом витков вместо многослойной не ведет к снижению общего термического сопротивления ТПС, так как возрастает компонент общего термического сопротивления - сопротивление между катушкой и каркасом за счет уменьшения площади между катушкой и каркасом.

5. При моделировании тепловых процессов в ТПС рассмотренной конструкции (рис. 5) необходимо учитывать теплообмен через теплоизоляцию и защитную трубку.

6. При малых значениях измерительных токов внутренняя тепловая ПОС в ТПС может не учитываться. Это доказывается высокой точностью аппроксимации зависимости сопротивления ТПС от измерительного тока квадратичной функцией.

7. Значения термического сопротивления, измеренные экспериментально, меньше расчетных, полученных в результате моделирования. Это обусловлено не учетом при моделировании теплообмена через трубку корпуса ТПС. Воспроизводимость термического сопротивления является показателем воспроиз-

водимости конструкции ТПС, поэтому термическое сопротивление может использоваться как параметр, указываемый в паспортных данных ТПС.

Рассмотрены способы снижения погрешности саморазогрева ТПС измерительным током за счет улучшения тепловой схемы, использования импульсного питания и алгоритмического учета саморазогрева при обработке результатов измерений.

Предложен вариант бескаркасной конструкции ТПС, в которой микропровод чувствительного элемента укладывается в один слой на внутреннюю поверхность защитной трубки ТПС. Это обеспечивает снижение саморазогрева на полтора порядка и инерционности ТПС на порядок.

Другим способом является использование импульсного питания ТПС.

В основе алгоритмических способов снижения погрешности саморазогрева лежит выражение (1), которое может быть приведено к виду 1 1

ц/(1> I,

Т}

«ыг22

и ^М

'п

т =

"'«к! 1*0! '02

где С/<ЫГ)1 ~ и^п — ^(2^02' ^««21 = - Я10)101; 0^22 - (К2 ~ '

/?„ и /?/2 - сопротивления ТПС при первом 70, и втором /02 значениях измерительного тока, и реализовано с помощью ПП, представленного на рис. 9.

11вых1

АЦП

ЫЦэт

МП иэт Ко

Шп

/

№*ьп

2 —>

Рис. 9. Электрическая схема измерительного канала при реализации алгоритмических способов снижения погрешности саморазогрева ТПС

В четвертой главе описано применение малогабаритных ТПС в системе температурной диагностики ДНС. Кратко изложен тепловой оперативный метод измерения ДНС — математическая основа микропроцессорного прибора судмедэксперта, представлены аппаратная реализация прибора (рис. 10) и режимы его работы, описан малогабаритный ТПС медицинского назначения (рис. 11, табл. 5).

Прибор может работать в трех режимах: в режиме градуировки измерительных каналов по двум точкам, в режиме измерения температуры как портативный термометр и в режиме диагностики ДНС. В последнем случае по окончании измерений на дисплее индицируются первое и второе значения температуры тела, температура среды и значение ДНС.

ка

Л/2

Рис. 10. Структурная схема прибора для измерения ДНС: ПП1, ПП2-промежуточные преобразователи; АЦП — аналого-цифровой преобразователь; ИОН — источник опорного напряжения: МК -микроконтроллер; ИНД - индикатор; КЛ - клавиатура

Рис. 11. ТПС для диагностики ДНС

Таблица 5

Параметры опытных ТПС для судебно-медицинских экспертиз ДНС_

Параметр Значение

1. Номинальное электрическое сопротивление, Ом 50

2. Тип градуировочной характеристики 50М

3. Материал чувствительного элемента Микропровод ПЭТр-155 -0,04

4. Номинальная температурная чувствительность ТПС, Ом/К 0,21

5. Термическое сопротивление ТПС, К/Вт не более 45

6. Длина чувствительного элемента, мм 28

7. Диаметр погружаемой части ТПС, мм 3

8, Длина погружаемой части ТПС, мм 115

9. Электрическая схема подключения ТПС Четырех проводная линия

Прибор для измерения ДНС реализован в макетном варианте, был испытан в лабораторных условиях и в течение года находился на испытаниях в Удмуртском Республиканском бюро судебно-медицинской экспертизы и на кафедре «Судебная медицина» Ижевской государственной медицинской академии. В результате испытаний получены данные по ДНС действительные (имелись свидетели смерти) и измеренные прибором по 62-м объектам судебно-медицинской экспертизы, находившимся в стационарных условиях теплообмена.

Обработка данных произведена статистическими методами по методике [8]: определена абсолютная погрешность измерения ДНС по каждому случаю экспертизы; из данных погрешности исключены промахи по критерию непринятия резко выделяющихся наблюдений (5 случаев); для оставшихся членов ряда построена зависимость точных значений ДНС егг ДНСа, показанных прибором; по МНК найдено уравнение линейной регрессии; исходные данные отсортированы в порядке возрастания ДНСа и разбиты на труппы, начиная с ДНСа=2 часа, с шагом ДДНСа=4 часа; в каждой группе найдено среднее значение ДНС и относительно этого значения среднеквадратическое отклонение; в каждой группе найдены границы доверительного интервала дня вероятности 0,95.

На рис. 12 представлены результаты оценки погрешности измерений ДНС в виде графиков линейных уравнений границ доверительного интервала зависимости ДНС=ЯДНСа). По сравнению с применяемой методикой определения ДНС по номограммам Хенсге С. (используются температура и масса тела и температура среды) прибор измеряет ДНС с абсолютной погрешностью примерно в два раза меньшей, что подтверждает высокую его эффективность.

Рис. 12. Доверительный интервал зависимости точных значений ДНС от показаний прибора ДНСа

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе изложено научное обоснование технических и методических решений при разработке малогабаритных металлических термопреобразователей сопротивления для систем температурной диагностики давности наступления смерти человека в судебной медицине.

1. Предложен, обоснован, реализован и исследован метод математического моделирования тепловых процессов в термопреобразователях сопротивления на виртуальных электрических моделях с применением компьютерной программы схемотехнического моделирования Micro-Cap.

Разработаны алгоритмы составления виртуальных электрических моделей термопреобразователей сопротивления и методики расчета параметров ячеек моделей. Проведено исследование адекватности моделей путем сравнения с точным аналитическим решением задачи теплопроводности.

Предложена и апробирована экспериментальная методика оценки погрешности моделирования, обусловленной дискретизацией объема моделируемого объекта при составлении электрической модели.

Показано, что математическое моделирование на виртуальных электрических моделях является эффективным методом исследования тепловых процессов в о&ьектах с внутренними источниками теплоты таких, как термопреобра-

зователи сопротивления, обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с моделированием на физических электрических моделях, применяемых ранее, и позволяет достигать погрешностей моделирования на уровне десятых долей процента.

2. Разработаны и использованы для исследования малогабаритных металлических термопреобразователей сопротивления виртуальные электрические модели, позволившие установить основные закономерности теплообмена в термопреобразоваггелях с чувствительными элементами, имеющими теплопро-водящий каркас как дополнительный конструктивный элемент, улучшающий теплообмен чувствительного элемента с окружающей средой.

3. В металлических термопреобразователях сопротивления исследована внутренняя тепловая положительная обратная связь, проявляющаяся при питании термопреобразователя от источника тока и увеличивающая степень саморазогрева термопреобразователя измерительным током.

4. Исследован теоретически и экспериментально на виртуальных электрических моделях и с применением специализированной информационно-измерительной системы эффект саморазогрева термопреобразователей сопротивления под действием измерительного тока.

Разработаны и апробированы методики статических и динамических измерений термического сопротивления термопреобразователей, позволяющие проводить сравнительный анализ качества термопреобразователей с точки зрения погрешности саморазогрева.

Исследованы способы уменьшения погрешности саморазогрева термопреобразователей на основе улучшения внутренней тепловой схемы, обеспечиваемого улучшением конструкции, использования импульсного питания термопреобразователя и алгоритмического учета саморазогрева при проведении измерений температуры и обработки результатов.

5. Разработан, изготовлен и испытан в составе макета микропроцессорного прибора для измерения давности наступления смерти человека малогабаритный термопреобразователь сопротивления на основе медного микропровода с внутренним каркасом, отвечающий требованиям теплового метода измерения давности смерти по инерционности, температурной чувствительности, конструктивным особенностям и достигаемой в измерительном канале разрешающей способности.

6, Проведено экспериментальное исследование погрешности измерения давности наступления смерти человека с помощью микропроцессорного измерительного прибора с малогабаритным металлическим термопреобразователем сопротивления, которое показало высокую эффективность прибора в стационарных условиях измерений по сравнению с существующими методиками определения давности смерти.

7. Результаты диссертационной работы внедрены в практическую и учебную деятельность Республиканского бюро судебно-медицинской экспертизы Удмуртской республики и кафедры «Судебная медицина» Ижевской государственной медицинской академии, что отражено в прилагаемых к диссертации актах.

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Вавилов Л.Ю., Хсшиков A.A., Щепочкин О.В., Куликов A.B., Коковихии A.B., Белокрылова Е.Г. О погрешности термометрического метода определения давности смерти И Проблемы экспертизы в медицине. - 2004. - № 3(15), -С. 16-17.

2. Куликов А. В, Сяктерев В.Н. Метрологическое обеспечение исследований термопреобразователей сопротивления. Высокие технологии - 2004: Сб. тр. науч.-техн. форума с междунар. участием: В 4 ч. — Ч. 1. - Ижевск: Изд-во ИжГГУ, 2004. - С. 85-89.

3. Куликов A.B. Идентификация параметров тепловой модели катушки термопреобразователя сопротивления / Высокие технологии - 2004: Сб. тр. науч.-техн. форума с междунар. участием: В 4 ч. - Ч. I. — Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2004.-С. 81-85.

4. Куликов A.B. Исследование саморазогрева термопреобразователей сопротивления на основе статических тепловых моделей // Вестник ИжГТУ. — 2006. — № 2. - С. 68-70.

5. Куликов A.B. Коновалов КА. Экспериментальные исследования малогабаритных термопреобразователей сопротивления высокого разрешения / ИжГТУ. - Ижевск, 2006. -12 с. - Деп. в ВИНИТИ 17.04.06, № 510-В2006.

6. Куликов A.B. Особенности математического моделирования тепловых процессов на виртуальных электрических моделях // Электротехнические комплексы и системы. Межвуз. сборник. - Уфа: Изд-во УГАТУ, 2006. - С. 2125.

7. Куликов A.B. Математическое моделирование тепловых процессов на виртуальных электрических моделях / ИжГТУ. — Ижевск, 2006. — 37 с, - Деп. в ВИНИТИ 17.04.06, № 509-В2006.

8. Куликов A.B., Коновалов Е.А., Вавилов А.Ю. Оценка погрешности измерения ДНС микропроцессорным прибором с терморезистивным датчиком // Проблемы экспертизы в медицине. - 2006. - № 1(20). - С. 7-9.

По ¿результатам исследований подана заявка в Роспатент №2006117260/17(018803) от 19.05.2006 на полезную модель «Термопреобразователь сопротивления»; авторы Куликов A.B., Сяктерев В.Н., Вавилов А.Ю. Решение о выдаче патента от 07.07.2006.

Подписано в печать 2006 г.

Бумага офсетная. Формат 60x84/16. Объем 1 пл. Тираж 100 экз. Отпечатано в типографии ИПМ УрО РАН. 426067, Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34. ИД № 04847 от 24.05.2001

Соис]

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ МАЛОГАБАРИТНЫХ ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ ДЛЯ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ДИАГНОСТИКИ В СУДЕБНОЙ МЕДИЦИНЕ.

1.1. Анализ требований к первичным преобразователям температуры в системах температурной диагностики давности наступления смерти

1.2. Обзор электронных средств измерения температуры. Выбор типа термопреобразователя для температурной диагностики давности наступления смерти

1.3. Направления разработки малогабаритных термопреобразователей сопротивления на основе микропровода, цель и задачи исследований.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ НА ВИРТУАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДЕЛЯХ.

2.1. Классификация математических методов исследования тепловых процессов. Обоснование компьютерного метода электрического моделирования.

2.2. Электротепловая аналогия. Структура и идентификация параметров виртуальной электрической модели.

2.3. Методика составления виртуальных электрических моделей и особенности проведения компьютерных экспериментов

2.4. Исследование адекватности моделей.

Выводы

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ САМОРАЗОГРЕВА ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМ ТОКОМ.

3.1. Исследование саморазогрева термопреобразователей сопротивления на основе статических моделей с сосредоточенными параметрами.

3.2. Исследование саморазогрева термопреобразователей сопротивления на основе виртуальных электрических моделей

3.3. Экспериментальные исследования саморазогрева термопреобразователей сопротивления.

3.4. Разработка рекомендаций по снижению погрешности измерений температуры от саморазогрева термопреобразователей сопротивления измерительным током.

Выводы

ГЛАВА 4. ПРИМЕНЕНИЕ МАЛОГАБАРИТНЫХ ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ В СИСТЕМАХ ДИАГНОСТИКИ ДАВНОСТИ НАСТУПЛЕНИЯ СМЕРТИ ЧЕЛОВЕКА.

4.1. Тепловой оперативный метод измерения давности наступления смерти человека.

4.2. Аппаратная реализация метода измерения давности наступления смерти

4.3. Оценка погрешности измерения давности наступления смерти.

Выводы

Актуальность. Температурная диагностика является одним из наиболее широко используемых в медицине методов исследования человека. В судебной медицине при установлении давности наступления смерти (ДНС) в течение первых суток применяется тепловой метод, основанный на анализе динамики температуры тела и последующем расчете момента начала его остывания, который интерпретируется как момент наступления смерти. Особенность теплового метода диагностики ДНС заключается в том, что в указанном временном интервале он является единственным методом, который позволяет с помощью технических средств получить количественную оценку ДНС и по сути представляет собой косвенный метод измерений. Именно, исходя из такой оценки, в настоящее время производится разработка этого метода специалистами и учеными.

В проблеме установления ДНС выделяются три аспекта: социальный, медицинский и технический.

Социальная значимость решения этой проблемы вытекает из того, что судебно-медицинская экспертиза ДНС является составной частью следственных действий и от ее качества зависит оперативность противодействия проявлениям преступности. Поэтому к методу измерения ДНС предъявляются требования, в первую очередь, как к оперативному. Своевременное определение ДНС позволяет не только ускорить следственные мероприятия, но и во время предотвратить возможное негативное развитие кризисных ситуаций.

Медицинский аспект проблемы очевиден, поскольку метод применяется судебными медиками и вместе с другими методами исследования позволяет устанавливать не только давность, но и причину смерти.

Техническая сторона проблемы была сформулирована и выделена в отдельное направление в девяностых годах XX века и связана, в первую очередь, с разработками этого метода как метода измерения временного интервала и с разработками технических средств его реализации.

Значительный вклад в разработку технических вопросов теплового метода измерения ДНС внесли Хенсге С., Новиков П.И., Благодатских А.В. и др.

В результате были разработаны теоретические основы метода, исследованы его потенциальные возможности, созданы портативные термометры судмедэксперта и компьютерные программы расчета ДНС по результатам термометрирования тела и среды, и в комплексе все это явилось предпосылками для разработки специализированных интеллектуальных портативных приборов - информационно-измерительных систем - измерителей ДНС.

Опыт применения портативных термометров судмедэксперта и компьютерных программ расчета ДНС показывает, что такие качества метода, как приемлемая погрешность и малое время измерений ДНС, могут быть обеспечены только при высокой разрешающей способности термометрической аппаратуры порядка 0,001 К в диапазоне от -45 до +45°С.

Для создания такой аппаратуры необходим первичный термопреобразователь, имеющий малые габаритные размеры и отвечающий требованиям высокой температурной чувствительности, линейности, стабильности. Анализ контактных средств термометрирования показывает, что такой термопреобразователь может быть построен на основе микропровода. Однако в арсенале выпускаемых промышленностью приборов нет готовых технических решений, и разработка такого термопреобразователя является актуальной научно-технической задачей.

Таким образом, целью настоящего исследования определено научное обоснование технических и методических решений при разработке малогабаритных термопреобразователей сопротивления медицинского назначения, обеспечивающих снижение погрешности измерения давности наступления смерти человека тепловым методом.

Задачи исследования:

1. Анализ требований к термопреобразователям в системах температурной диагностики ДНС, выбор типа термопреобразователя и определение направлений совершенствования их характеристик и параметров.

2. Разработка и исследование компьютерной виртуальной математической модели термопреобразователей сопротивления (ТПС) на основе электротепловой аналогии.

3. Теоретические и экспериментальные исследования саморазогрева ТПС измерительным током и его влияния на погрешность измерений. Разработка рекомендаций по снижению погрешности саморазогрева ТПС.

4. Экспериментальные исследования погрешности измерения ДНС с помощью микропроцессорного измерительного прибора с применением разработанного малогабаритного ТПС.

Методами исследования являются теория теплопроводности, математическое моделирование на компьютерных электрических моделях, теория обратных связей, методы дифференциального и интегрального исчисления и теории погрешностей, статистические и экспериментальные методы. В процессе исследований, при обработке и оформлении результатов использованы компьютерные программы Micro-Cap, Mathcad, С++ и приложения Microsoft Office.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов подтверждаются корректным использованием математических методов, проверкой теоретических выводов методами математического моделирования и экспериментами, воспроизводимостью экспериментальных результатов и использованием при экспериментальных исследованиях аттестованных средств измерений, оценками погрешностей исследований, результатами опытной эксплуатации термопреобразователей сопротивления в составе макета прибора судмедэксперта в Бюро судмедэкспертизы Удмуртской республики (УР) и на кафедре «Судебная медицина» Ижевской государственной медицинской академии (ИГМА).

На защиту выносятся:

- реализация метода математического моделирования тепловых процессов на виртуальных электрических моделях с применением компьютерной программы схемотехнического моделирования;

- методика экспериментального определения абсолютной погрешности моделирования, обусловленной дискретизацией объема объекта моделирования, основанная на определении функции производной погрешности от числа ячеек модели и восстановлении первообразной этой функции;

- виртуальные математические модели металлического термопреобразователя сопротивления со встроенным каркасом чувствительного элемента и методика расчета их параметров;

- способ алгоритмического учета саморазогрева ТПС измерительным током, основанный на использовании при измерении температуры двух значений измерительного тока и последующем расчете точного значения температуры по результатам измерений сопротивления ТПС;

- статический и динамический способы измерения термического сопротивления ТПС;

- тепловая эквивалентная схема ТПС с цепью внутренней положительной обратной связи;

- статистические оценки погрешности измерения ДНС тепловым методом с применением ТПС в стационарных внешних условиях;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований саморазогрева ТПС измерительным током;

- технические решения при разработке малогабаритных ТПС на основе медного микропровода;

- ИИС для экспериментальных исследований саморазогрева ТПС измерительным током и методика идентификации параметров измерительных каналов.

Научная новизна работы заключается в дальнейшем развитии метода математического моделирования процессов теплообмена на электрических схемах с применением компьютерных программ схемотехнического моделирования, в развитии теории оценок погрешности математического моделирования, в установленных при исследовании процессов саморазогрева термопреобразователей сопротивления измерительным током взаимосвязях между тепловыми, электрическими и геометрическими величинами, в развитии методик измерения параметров тепловой схемы ТПС, в развитии теплового метода измерения ДНС в части оценок погрешности измерений.

Практическая значимость работы заключается в разработке малогабаритного термопреобразователя сопротивления, отвечающего требованиям применения в системах температурной диагностики ДНС, и ИИС для исследования процессов саморазогрева ТПС, в создании прибора судмедэксперта с улучшенными метрологическими параметрами, в разработке статистической методики оценки погрешности измерения ДНС.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы в виде макета микропроцессорного прибора с малогабаритным ТПС используются в Республиканском бюро судебно-медицинской экспертизы УР и на кафедре «Судебная медицина» ИГМА в практической и учебно-научной деятельности судмедэкспертов, студентов и ученых.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на научно-техническом форуме с международным участием «Высокие технологии - 2004» (г. Ижевск, 2004 г.), Научно-технической конференции «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (г. Ижевск, 2004 г.), 3-ем научном симпозиуме «Высокие технологии в промысловой геофизике» (г.Уфа, 2004 г.), Научно-технической конференции «Приборостроение в XXI веке» (г, Ижевск, 2006 г.), на заседаниях кафедр «Вычислительная техника» ИжГТУ и «Судебная медицина» ИГМА.

Публикации. Результаты работы отражены в 8 научных публикациях, в том числе - 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 2 статьи в сборнике трудов научно-технического форума с международным участием, 1 статья в межвузовском сборнике и 2 статьи депонированы в ВИНИТИ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 135 страницах машинописного текста. В работу включены 48 рисунков и 23 таблицы, список литературы содержит 122 наименования, в приложениях изложена методика расчета параметров виртуальной электрической модели и представлены акты использования результатов диссертационной работы.

Выводы

1. Малогабаритные термопреобразователи сопротивления на основе микропровода с встроенным каркасом, научное обоснование разработки которых изложено в диссертационной работе, могут быть использованы при диагностике давности наступления смерти человека для измерения температуры тела и среды в составе портативных электронных микропроцессорных приборов и систем.

2. Погрешность измерения ДНС, определенная экспериментально в процессе опытной эксплуатации прибора в Бюро судебно-медицинской экспертизы, существенно меньше погрешности других существующих методик определения ДНС, например, методики Хенсге.

3. Полученные в результате статистической обработки экспериментальных данных уравнения границ доверительной области зависимости точных значений ДНС от показаний прибора могут быть использованы для оценки погрешности измерения ДНС при дальнейшей эксплуатации прибора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе изложено научное обоснование разработки малогабаритных металлических термопреобразователей сопротивления для систем температурной диагностики давности наступления смерти человека в судебной медицине.

1. Предложен, обоснован, реализован и исследован метод математического моделирования тепловых процессов в термопреобразователях сопротивления на виртуальных электрических моделях с применением компьютерной программы схемотехнического моделирования Micro-Cap.

Разработаны алгоритмы составления виртуальных электрических моделей термопреобразователей сопротивления и методики расчета параметров ячеек моделей. Проведено исследование адекватности моделей путем сравнения с точным аналитическим решением задачи теплопроводности.

Предложена и апробирована экспериментальная методика оценки погрешности моделирования, обусловленной дискретизацией объема моделируемого объекта при составлении электрической модели.

Показано, что математическое моделирование на виртуальных электрических моделях является эффективным методом исследования тепловых процессов в объектах с внутренними источниками теплоты таких, как термопреобразователи сопротивления, обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с моделированием на физических электрических моделях, применяемых ранее, и позволяет достигать погрешностей моделирования на уровне десятых долей процента.

2. Разработаны и использованы для исследования малогабаритных металлических термопреобразователей сопротивления виртуальные электрические модели, позволившие установить основные закономерности теплообмена в термопреобразователях с чувствительными элементами, имеющими каркас как дополнительный конструктивный элемент, улучшающий теплообмен чувствительного элемента с окружающей средой.

3. В металлических термопреобразователях сопротивления обнаружена и исследована внутренняя тепловая положительная обратная связь, проявляющаяся при питании термопреобразователя от источника тока и увеличивающая степень саморазогрева термопреобразователя измерительным током.

134

4. Исследован теоретически и экспериментально на виртуальных электрических моделях и с применением специализированной информационно-измерительной системы эффект саморазогрева термопреобразователей сопротивления под действием измерительного тока.

Разработаны и апробированы методики статических и динамических измерений термического сопротивления термопреобразователей, позволяющие проводить сравнительный анализ качества термопреобразователей с точки зрения погрешности саморазогрева.

Исследованы способы уменьшения погрешности саморазогрева термопреобразователей на основе улучшения внутренней тепловой схемы, обеспечиваемого улучшением конструкции, использования импульсного питания термопреобразователя и алгоритмического учета саморазогрева при проведении измерений температуры и обработки результатов.

5. Разработан, изготовлен и испытан в составе макета микропроцессорного прибора для измерения давности наступления смерти человека малогабаритный термопреобразователь сопротивления на основе медного микропровода с внутренним каркасом, отвечающий требованиям теплового метода измерения давности смерти по инерционности, температурной чувствительности, конструктивным особенностям и достигаемой в измерительном канале разрешающей способности.

6. Проведено исследование погрешности измерения давности наступления смерти человека с помощью микропроцессорного измерительного прибора с малогабаритным металлическим термопреобразователем сопротивления, которое показало высокую эффективность прибора в стационарных условиях измерений по сравнению с существующими методиками определения давности смерти.

7. Результаты диссертационной работы внедрены в практическую и учебно-научную деятельность Республиканского бюро судебно-медицинской экспертизы Удмуртской республики и кафедры «Судебная медицина» Ижевской государственной медицинской академии, что отражено в прилагаемых актах.

1. А. с. 1426536 СССР, МКИ А 61 В 51/02. Датчик температуры / Кривомаз Ю.А., Осьмак А.Р., Фогельсон И.Б. (СССР). №39978883/23-14; Заявл. 18.12.85, опубл. 30.09.88. Бюл. № 36.

2. А. с. 777479 СССР, МКИ G 01 к 7/16. Датчик температуры кожного покрова/Осипович JI.A. № 2720001; Заявл. 05.02.79; Опубл. 04.12.80.

3. Александров В.А., Куликов В.А. Экспериментальное исследование толстопленочных термопреобразователей сопротивления на основе пасты ТФС-32М / ИжГТУ. Ижевск, 1998. - Деп. в ВИНИТИ 14.04.98. - № 1101-В98.-6с.

4. Бейлик В.М., Левин И.Я., Медведев Л.А. Термопара для низких температур из сплава медь-железо // Приборы и техника эксперимента. 1973. -№ З.-С. 240.

5. Бейлик В.М., Медведев Л.А., Рогельберг И.Л. Высокочувствительная термопара Pd+Cr+Ru / Au+Fe для измерения температуры // Приборы и техника эксперимента. 1976. - № 1. - С.229.

6. Блатт Ф.Дж., Шредер П.А., Фойлс К.Л., Грейс Г. Термоэлектродвижущая сила металлов. М.: Металлургия, 1980.

7. Боровик-Романов А.С., Орлова М.П., Стрелков П.Г. Установление шкал низких температур 10 и 19 К. Изд-во Гл. палаты мер и измер. приборов СССР, 1954.-С. 138.

8. Вавилов А.Ю, Куликов В.А., Рамишвили А.Д. Электрическая модель тела человека как многослойного объекта // Применение вычислительной техники в измерительных системах. Межвуз. сборник. Ижевск: Изд-во «Экспертиза», 1997. - С. 48-52.

9. Вавилов А.Ю., Халиков А.А., Щепочкин О.В., Куликов А.В., Коковихин А.В., Белокрылова Е.Г. О погрешности термометрического метода определения давности смерти // Проблемы экспертизы в медицине. 2004. -№3(15).-С. 16-17.

10. Васильев Г.А. Новые термопреобразователи сопротивления для газовой промышленности // Приборы и системы управления. 1992. - № 11. - С. 8.

11. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся вузов. 13-е изд., исправленное. - М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. - 544 с.

12. Витер В.И., Куликов В.А. Современное состояние и направления развития теплового метода определения давности наступления смерти // Проблемы экспертизы в медицине. 2001. - № 3. - С. 3-9.

13. Витер В.И., Куликов В.А., Корепанов Е.В. Оценка погрешности измерения ДНС по методу регулярного теплового режима // Рос. морфолог, ведомости. 1998. - № 3(4). - С. 40-42.

14. ГОСТ 6651-84 (СТ СЭВ 1057-85). Термопреобразователи сопротивления ГСП: Общие технические условия. М.: Изд-во стандартов, 1987. - 37 с.

15. ГОСТ Р 50353-92. Термопреобразователи сопротивления: Общие технические условия. -М.: Изд-во стандартов, 1994. 44 с.

16. ГОСТ Р 50431-92. Термопары: Номинальные статические характеристики преобразования. -М.: Изд-во стандартов, 1993. 129 с.

17. Грищанов В.А., Мельников В.П. Современное состояние и тенденции развития цифровых термометров за рубежом // Приборы, средства автоматизации и системы управления. Обзор, информация. М.: ЦНИТЭИПри-боростроения, 1986. - 43 с.

18. Гроженко А.И., Григоришин П.М., Дикусаров В.В. и др. Медицинский цифровой термометр // Приборы и устройства для теоретических и практических методов. Респ. научно-практическая конф. (Киев, 20-22 сент. 1983 г.). Киев, 1985. - С. 35-39.

19. Гудим В.А. Термоэлектрические преобразователи // Приборы и системы управления. 1992. - № 11/12. - С. 14-16.

20. Гутников B.C., Клементьев А.В., Лопатин В.В. Микропроцессорный измеритель давления и температуры // Приборы и системы управления. -1995.-№8.-С. 28.

21. Демидова Н.В. Терморезисторы для рабочих температур от -200 до +(400.500) °С // Приборы и системы управления. 1991. - № 2. - С. 23.

22. Джонсон Гай. Воздействие неионизирующего электромагнитного излучения на биологические среды и системы // Труды Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике: Пер. с англ. 1972. - Т. 60. - № 6. -С. 49-82.

23. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке: Методы обработки данных. Пер. с англ. М.: Мир, 1980. - 610 с.

24. Дубовой Н.Д. Автоматические многофункциональные измерительные преобразователи. -М.: Радио и связь, 1989. 256 с.

25. Дульнев Г.Н., Парфенов В.Г., Сигалов А.В. Методы расчета теплового режима приборов. М.: Радио и связь, 1990. - 312 с.

26. Зайцев Ю.В. Полупроводниковые резисторы. М.: Энергия, 1969. - 48 с.

27. Заявка 2466007 Франция, МКИ G 01 к 13/00 / Hammerslag Juius George. -№7923711; Заявл. 24.09.79, опубл. 27.03.81.

28. Зеленер У.Ф. Нормирование и определение технических характеристик термоприемников устройств для измерения температуры выдыхаемого воздуха // Новости мед. техники. 1978. - № 2. - С. 74-78.

29. Измерения в промышленности. Справ, изд. в 3-х кн. Пер. с нем./ Под ред. Профоса П. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1990.

30. Калиткин Н.Н. Численные методы / Под ред. А.А. Самарского. М.: Наука, 1978.-512 с.

31. Карлашук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC: Лабораторный практикум на базе Electronics Workbench и MATLAB. Издание 5-е. М.: СОЛОН-Пресс, 2004. - 800 с.

32. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC: Программа Electronics Workbench и ее применение. М.: Солон - Пресс, 2003.

33. Кильдюшов Е.М., Буромский И.В. Использование поправочных коэффициентов при установлении давности наступления смерти на месте обнаружения трупа с помощью номограмм С. Henssge // Суд.-мед. экспертиза. 1997.- №4.-С. 4-7.

34. Кильдюшов Е.М., Буромский И.В., Плаксин В.О., Кильдюшова Е.А. О путях дальнейшего повышения точности установления давности наступления смерти по результатам ректальной термометрии // Приборы экспертизы в медицине. 2002. - № 2. - Т. 2. - С. 20-22.

35. Солохин А.А., Солохин Ю.А. Руководство по судебно-медицинской экспертизе трупа. М.: РМАПО, 1997. - 264 с.

36. Коздоба J1.A. Решение нелинейных задач теплопроводности. Киев: Нау-кова думка, 1976.

37. Коздоба JI.A., Круковский П.Г. Методы решения обратных задач тепло-переноса. Киев: Наукова думка, 1982. - 360 с.

38. Крамарухин Ю.Е. Приборы для измерения температуры. М.: Машиностроение, 1990.-208 с.

39. Кузьмин М.П. Электрическое моделирование нестационарных процессов теплообмена. М.: Энергия, 1974. - 419 с.

40. Куликов А.В., Сяктерев В.Н. Метрологическое обеспечение исследований термопреобразователей сопротивления. Высокие технологии 2004: Сб. тр. науч.-техн. форума с междунар. участием: В 4 ч. - Ч. 1. - Ижевск: Изд-воИжГТУ, 2004.-С. 85-89.

41. Куликов А.В. Идентификация параметров тепловой модели катушки термопреобразователя сопротивления / Высокие технологии 2004: Сб. тр. науч.-техн. форума с междунар. участием: В 4 ч. - Ч. 1. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2004.-С. 81-85.

42. Куликов А.В. Исследование саморазогрева термопреобразователей сопротивления на основе статических тепловых моделей // Вестник ИжГТУ. -2006.-№2.-С. 68-70.

43. Куликов А.В., Коновалов Е.А. Экспериментальные исследования малогабаритных термопреобразователей сопротивления высокого разрешения / ИжГТУ. Ижевск, 2006. - 12 с. - Деп. в ВИНИТИ 17.04.06, № 510-В2006.

44. Куликов А.В. Особенности математического моделирования тепловых процессов на виртуальных электрических моделях // Электротехнические комплексы и системы. Межвуз сборник. Уфа: Изд-во УГАТУ, 2006. — С. 21-25.

45. Куликов А.В. Математическое моделирование тепловых процессов на виртуальных электрических моделях / ИжГТУ. Ижевск, 2006. - 37 с. -Деп. в ВИНИТИ 17.04.06, № 509-В2006.

46. Куликов А.В., Коновалов Е.А., Вавилов А.Ю. Оценка погрешности измерения ДНС микропроцессорным прибором с терморезистивным датчиком // Проблемы экспертизы в медицине. 2006. - № 1. - С. 6-9.

47. Куликов В.А. Вопросы проектирования первичных термопреобразователей сопротивления повышенной точности // Применение вычислительной техники в измерительных системах. Межвуз. сборник. Ижевск: Экспертиза, 1997.-С. 22-29.

48. Куликов В.А. Исследование саморазогрева термопреобразователей сопротивления под действием измерительного тока / ИжГТУ. Ижевск, 1998. - Деп. в ВИНИТИ 06.04.98. - № 1025-В98. - 18 с.

49. Куликов В.А. Практическая методика измерения ДНС по методу регулярного теплового режима // Современные вопросы судебной медицины и экспертной практики. Изд-во: «Экспертиза», 1998. - Вып. X. - С. 115120.

50. Куликов В.А. Формальный метод проектирования функциональных схем мостовых промежуточных преобразователей // Научный и информационный бюллетень. Ижевск: Персей, 1997. - № 2. - Ч. 1. - С. 184-188.

51. Куприянов А.С. Терморезисторный измеритель температуры // Тр. Ле-нинргад. политех, инст-та. 1972. - № 326. - С. 59-60.

52. Куритнык И.П., Стаднык Б.И., Расторгуев Б.П. и др. Термоэлектрические термометры в медикобиологических исследованиях // Сб. Рефератов докладов на 1-м Всесоюзном симпозиуме «Радиотехника в хирургии». Иваново, 1975.

53. Лах В.И. Нестабильность градуировочных характеристик термопар и термометров сопротивления // Приборы и системы управления. 1971. — №9.-С. 25-27.

54. Лах В.И. Новые унифицированные термопреобразователи сопротивления и термоэлектрические преобразователи // Приборы и системы управления. -1980.- №2.-С. 16.

55. Лах В.И. Решение проблемы создания первичных средств электротермии широкого промышленного применения. Автореф. дис. . докт. техн. наук.-Киев, 1983.-45 с.

56. Лах В.И., Журба И.Т., Киц А.И. и др. Унифицированные термометры сопротивления и термопары широкого промышленного применения // Приборы и системы управления. 1979. - № 9. - С. 20-23.

57. Линевег Ф. Измерение температур в технике: Справочник. Пер. с нем. — М.: Металлургия, 1980. 544 с.

58. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Высш. школа, 1967. - 599 с.

59. Медведев Л.А., Орлов М.П. Термопара для измерения низких температур // Приборы и техника эксперимента. 1970. - №5. - С. 208.

60. Микропроцессорное управление технологическим оборудованием микроэлектроники: Учеб. пособие / А.А. Сазонов, Р.В. Корнилов, Н.П. Кохан и др.; Под ред. А.А. Сазонова. М.: Радио и связь, 1988. - 264 с.

61. Мюллер Е. Точная термометрия, основанная на измерении сопротивления // Методы измерения температуры / Под ред. В.А. Соколова. М.: Изд-во иностранной литературы, 1954. - Ч. II. - С. 5-28.

62. Наладка средств измерений и систем технологического контроля: Справочное пособие / А.С. Клюев, JI.M. Пин, Е.И. Коломиец; Под ред. А.С. Клюева. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 400 с.

63. Нечаев Г.К. Полупроводниковые термосопротивления в автоматике. Киев: Гостехиздат, 1962. - 256 с.

64. Нигматулин P.M., Шибанов М.Г., Курмакбаева JI.A и др. Пленочный терморезистор на основе висмута // Приборы и техника эксперимента. -1990.- №6.-С. 193.

65. Новиков П.И. Определение оптимальной зоны измерения температуры тела трупа для установления давности смерти // Судебно-медицинская экспертиза. 1986. - № 1. - С. 11-14.

66. Пасынков В.В., Чиркин JI.K. Полупроводниковые приборы: Учеб. для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1987. - 479 с.

67. Пат. 4148005 САШ, МКИ Н 01 с 7/04, НКИ 338/28. Thermometric transduced devise / Larsen Lavrence E., Jacobi John H. № 842138; Заявл. 14.10.77; Опубл. 03.04.79.

68. Пат. 4174631 США, МКИ G 01 к 7/02. Clinical thermometer with thermocouple prob / Hammerslag Julius G. № 867975; Заявл. 9.01.78; Опубл. 20.11.79.

69. Пат. 4202353 США, МКИ А61 b 5/00, НКИ 128/724 / Hirsch Leon С., Rawson Paul О., Nagy Louis E. №17098; Заявл. 05.03.79; Опубл. 13.05.80.

70. Пат. 4317367 США, МКИ G 01 к 7/22, НКИ 73/362 / Schonderger Milton. -№ 45551; Заявл. 23.05.79; Опубл. 02.03.82.

71. Пат. 4357936 США, МКИ А 61 м 16/00, НКИ 128/204.23 / Ellestad Raymond A., Sveen Finn. № 139628; Заявл. 14.04.80; Опубл. 09.11.82.

72. Пат. 4369795 США, МКИ А 61 В 10/09, НКИ 128/736. Implantable mi-crothermocouple member / Bicher James I., Frinak Stanley. № 160218; Заявл. 17.06.80; Опубл. 25.01.83.

73. Пат. 4392005 США, МКИ Н 01 L 35/06, НКИ 136/235. Temperature sensor/ Mohrman Raymond F. -№317128; Заявл. 02.11.81; Опубл. 05.07.83.

74. Пат. 4728369 США, МКИ А 01 L 35/02, G 01 к 7/00 / Hammerslag Julius G., Hammerslag Gaiy R. №37075; Заявл. 08.04.87; Опубл. 01.03.88; НКИ 136/230.

75. Пат. №3416973 США, G 01 к 7/12, заявл. 27.09.65, опубл. 17.12.68.

76. Пат. №3688580 США, G 01 к 7/12, заявл. 7.07.70, опубл. 5.09.72.

77. Пехович А.И., Жидких В.М. Расчеты теплового режима твердых тел. JL: Энергия, 1976.-352 с.

78. Плетенецкий Г.Е. Градуировочная характеристика вольфрам-молибденовой термопары // Приборы и техника эксперимента. 1971. -№2.-С. 251.

79. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы: Учеб. для вузов. 3-е изд., перераб. -М.: Энергия, 1978. - 704 с.

80. Разевиг В.Д. Моделирование аналоговых электронных устройств на персональных ЭВМ. М.: Изд-во МЭИ, 1992. - 162 с.

81. Разевиг В.Д. Применение программ P-Cad и PSpice для схемотехнического моделирования на ПЭВМ. В 4 выпусках. М.: Радио и связь, 1992.

82. Разевиг В.Д. Схемотехническое моделирование с помощью программы Micro-Cap 7. М.: Горячая линия - Телеком, 2003. - 368 с.

83. Розер У. Термометрия при помощи термоэлектричества // Методы измерения температуры / Под ред. В.А. Соколова. М: Изд-во иностр. литературы, 1954.-Ч. II.-С. 120-153.

84. РТМ 44-62. Методика статистической обработки эмпирических данных. -М.: Изд-во комитета стандартов, мер и измер. приборов при СМ СССР, 1966.-100 с.

85. Савостенко П.И., Сербии С.П. Термометр сопротивления // Измерительная техника. 1984. - № 9. - С. 41.

86. Самсонов Г.В. и др. Датчики для измерения температуры в промышленности / Самсонов Г.В., Киц А.И., Кюздени О.А., Jlax В.И., Паляныця И.Ф., Стаднык Б.И. Киев: Наук, думка, 1972. - 224 с.

87. Самсонов Г.В., Киц А.И., Кюздеин О.А. и др. Датчики для измерения температуры в промышленности. Киев: Наук, думка, 1972. - 224 с.

88. Смолов В.Б. Аналоговые вычислительные машины. М.: Высш. школа, 1972.

89. Сосновский А.Г., Столярова Н.И. Измерение температур. М.: Изд-во комитета стандартов, мер и изм. приборов при СМ СССР, 1970. - 258 с.

90. Сумский В.П., Смыслов В.И. Датчики температуры // Приборы и системы управления. 1993. - № 8. - С. 4.

91. Температурные измерения: Справочник / Геращенко О.А., Гордов А.Н., Еремина А.К. и др.; Отв. ред. Геращенко О.А.; АН УССР. Ин-т проблем энергосбережения. Киев: Наук, думка, 1989. - 704 с.

92. Теория тепломассообмена: Учебник для вузов/ С.И. Исаев, И.А. Кожинов, В.И. Кофанов и др.; Под ред. А.И. Леонтьева. М.: Высш. школа, 1979. -495 с.

93. Толстолуцкий В.Ю. Математическое моделирование температуры в по-стмортальном периоде для определения давности наступления смерти. -Автореф. дис. докт. мед. наук. -М., 1974.

94. Удалов Н.П. Полупроводниковые датчики. М.: Энергия, 1965. - 272 с.

95. Урмаев А.С. Основы моделирования на АВМ. М.: Наука, 1978.

96. Фарзане Н.Г., Илясов Л.В., Азим-заде А.Ю. Технологические измерения и приборы: Учеб. для вузов. М.: Высш. шк., 1989. - 456 с.

97. Черенков В.А., Рогельберг И.Л., Бейлин В.М. Термодатчик на основе ре-зистивного сплава Ni+Mn // Приборы и техника эксперимента. 1979. -№6.-С. 153.

98. Чистяков B.C. Краткий справочник по теплотехническим измерениям. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 320 с.

99. Швед Е.Ф., Новиков П.И., Власов А.Ю. Реализация на микро-ЭВМ адаптивного способа моделирования процесса изменения температуры трупа // Судебно-медицинская экспертиза. 1989. - № 2. - С. 4-6.

100. Шиммел Б.Д. Эффективный коэффициент температуропроводности многослойного композитного материала. Теплопередача, 1977. - Т. 99,. -№ 3. - С. 130-136.

101. Штефтель И.Т., Текстер-Проскурякова Г.Н., Лейкина Б.Б. и др. Основные характеристики и параметры промышленных терморезисторов термометров сопротивления // Приборы и системы управления. - 1971. - №9. -С. 32-36.

102. Шульце А. Металлы и сплавы в качестве материалов для термопар // Методы измерения температуры / Под ред. В.А. Соколова. М: Изд-во иностр. литературы, 1954. - Ч. II. - С. 286-329.

103. Шуп Т. Решение инженерных задач на ЭВМ: Практическое руководство. Пер. с англ. М.: Мир, 1982. - 238 с.

104. Щепочкин О.В. Определение давности наступления смерти по результатам краниоэнцефальной термометрии // Проблемы экспертизы в медицине.-2001.- № 3. С. 9-13.

105. Щепочкин О.В. Термометрия головного мозга в аспекте определения давности наступления смерти. Автореф. дис. . канд. мед. наук. -Ижевск, 2001.

106. Юдаев Б.Н. Теплопередача: Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп.-М.: Высш. школа, 1981.-319 с.

107. Barnard R.D. Thermoelectricity in metals and alloys. London: Taylor and Francis Ltd., 1972.

108. Callendar H.L. Notes on platinum thermometry // Phill. Mag. 1899. - 47, №2.-P. 191-222.

109. Callendar H.L. On the constructhion of platinum thermometers // Proc. Roy. Soc. 1886.-41, № 5. - P. 231-240.

110. Chomant J., Gonault J., Somson M. // Rev. Electroencephalogr. et neuro-physiol, 1974. №2. - P. 237-239.

111. Guilbeau Eric J., Mauali Bruce I. Microthermocouple for soft tissue temperature determination // IEEE Trans. Biomed. Eng., 1981. V. 28. -№3. - P. 301-305.

112. Henssge C. // Z. Rechtsmed. 1979. - Bd 83, № 1. - S. 49.

113. Micro-Cap and Micro-Logic//Byte.- 1986.-Vol. ll.-№6.-P. 186.

114. Micro-Cap III. Third-generation interactive circuit analysis//Byte. 1989. -Vol. 14.-№4.-P. 81.

115. PSpice User's guide. MicroSim Corporation. La Cadena Drive, Laguna Hills, 1989.-450 p.

116. Roser W.F. Temperature, N. Y., p. 180-205, 1941.

117. Schulze A. Metallische Werkstoffe fur Thermoelemente, Berlin, 1940.

118. Shartner Carl D. / Behav. Res. Meth. And Instrum. 1978. -Vol. 10. - № 5. -P. 642-645.j

119. The estimation of the time since death in the early postmortem period, 2 Edition / C. Henssge, B. Knight, T. Krompecher and ad.; Edited by B. Knight. -London: Arnold, 2002.

120. Vieman H. Elektrische Verfahren der Temperaturmessung in der Medizin // PTB Mittei-lungen, 1970. - №1. - S. 528-533.