Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ МАЛОГАБАРИТНЫХ ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ ДЛЯ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ДИАГНОСТИКИ В СУДЕБНОЙ МЕДИЦИНЕ 13
1.1. Анализ требований к первичным преобразователям температуры в системах температурной диагностики давности наступления смерти 13
1.2. Обзор электронных средств измерения температуры. Выбор типа термопреобразователя для температурной диагностики давности наступления смерти 18
1.3. Направления разработки малогабаритных термопреобразователей сопротивления на основе микропровода, цель и задачи исследований 26
ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕРМО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ НА ВИРТУАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДЕЛЯХ 33
2.1. Классификация математических методов исследования тепловых процессов. Обоснование компьютерного метода электрического моделирования 33
2.2. Электротепловая аналогия. Структура и идентификация параметров виртуальной электрической модели 41
2.3. Методика составления виртуальных электрических моделей и особенности проведения компьютерных экспериментов 45
2.4. Исследование адекватности моделей 58
Выводы 70
ГЛАВА 3, ИССЛЕДОВАНИЕ САМОРАЗОГРЕВА ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМ ТОКОМ 73
3.1. Исследование саморазогрева термопреобразователей сопротивления на основе статических моделей с сосредоточенными параметрами 73
3.2. Исследование саморазогрева термопреобразователей сопротивления на основе виртуальных электрических моделей 78
3.3. Экспериментальные исследования саморазогрева термопреобразователей сопротивления 95
3.4. Разработка рекомендаций по снижению погрешности измерений температуры от саморазогрева термопреобразователей сопротивления измерительным током 109
Выводы 113
ГЛАВА 4. ПРИМЕНЕНИЕ МАЛОГАБАРИТНЫХ ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ В СИСТЕМАХ ДИАГНОСТИКИ ДАВНОСТИ НАСТУПЛЕНИЯ СМЕРТИ ЧЕЛОВЕКА 116
4.1. Тепловой оперативный метод измерения давности наступления смерти человека 116
4.2. Аппаратная реализация метода измерения давности наступления смерти 121
4.3. Оценка погрешности измерения давности наступления смерти 127
Выводы 132
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 134
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 136
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 147
ПРИЛОЖЕНИЕ2 159
- Анализ требований к первичным преобразователям температуры в системах температурной диагностики давности наступления смерти
- Классификация математических методов исследования тепловых процессов. Обоснование компьютерного метода электрического моделирования
- Исследование саморазогрева термопреобразователей сопротивления на основе статических моделей с сосредоточенными параметрами
- Тепловой оперативный метод измерения давности наступления смерти человека
Введение к работе
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
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 +45С.
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:
Анализ требований к термопреобразователям в системах температурной диагностики ДНС, выбор типа термопреобразователя и определение направлений совершенствования их характеристик и параметров.
Разработка и исследование компьютерной виртуальной математической модели термопреобразователей сопротивления (ТПС) на основе электротепловой аналогии.
Теоретические и экспериментальные исследования саморазогрева ТПС измерительным током и его влияния на погрешность измерений. Разработка рекомендаций по снижению погрешности саморазогрева ТПС.
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 сбор- нике трудов научно-технического форума с международным участием, 1 статья в межвузовском сборнике и 2 статьи депонированы в ВИНИТИ.
Струюура 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.
В первой главе работы рассматриваются предпосылки создания малогабаритных термопреобразователей сопротивления для температурной диагностики в судебной медицине. Проведен анализ требований к первичным преобразователям в системах температурной диагностики ДНС по температурной чувствительности, разрешающей способности, времени установления температуры и геометрическим параметрам. На основе обзора известных технических решений выбран тип первичного преобразователя - ТПС с металлическим чувствительным элементом, потенциально удовлетворяющего этим требованиям, определены направления его совершенствования, цель и задачи исследования.
Во второй главе рассматриваются вопросы математического моделирования ТПС на виртуальных электрических моделях. Проведена классификация математических методов исследования тепловых процессов и обоснован выбор компьютерного метода электрического моделирования ТПС, дана сравнительная оценка программ схемотехнического моделирования с позиции возможности их использования в математическом моделировании.
Рассмотрена электротепловая аналогия, структура и идентификация параметров виртуальной электрической модели элементов конструкции ТПС. Показано, что при математическом моделировании на виртуальных электрических моделях не требуется введения и использования масштабных коэффициентов, связывающих тепловые и электрические величины, и может быть использовано прямое их численное соответствие. При этом переходы от теп- ловых величин к электрическим и обратно осуществляются с использованием единичных размерных коэффициентов.
Рассмотрены алгоритмы составления виртуальных электрических моделей и методики расчета параметров элементарных ячеек моделей, соответствующих элементарным физическим объемам исследуемого объекта, в декартовых и цилиндрических координатах.
Проведено исследование адекватности виртуальных электрических моделей на примере цилиндра при теплоподводе через торцевую и боковую поверхности при граничных условия первого рода. Путем сравнения с аналитическим решением соответствующей тепловой задачи определена общая погрешность моделирования, обусловленная дискретизацией пространства объекта моделирования и собственной погрешностью моделирующей программы. При этом предложена и проверена методика оценки абсолютной погрешности моделирования, обусловленной в чистом виде дискретизацией пространства объекта, позволяющая по заданной погрешности определять необходимое число элементарных объемов при составлении виртуальной электрической 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 с температурой среды, измерительным током, тепловыми и электрическими параметрами ТПС. Предложена эквивалентная тепловая схема ТПС, учитывающая внутреннюю положительную обратную связь, возникающую при питании ТПС от источника тока. Выведены соотношения, позволяющие расчетным путем определять точное значение температуры среды по результатам измерений сопротивления ТПС при двух значениях измерительного тока.
Разработана виртуальная динамическая электрическая модель ТПС с чувствительным элементом, выполненным в виде катушки из медного микропровода на металлическом каркасе, учитывающая внутренние тешювыде- ления в чувствительном элементе и тепловую положительную обратную связь.
На виртуальных электрических моделях, проведено исследование саморазогрева ТПС и установлены основные закономерности теплообмена между катушкой чувствительного элемента и окружающей средой, влияние режима работы и геометрических параметров элементов конструкции на погрешность саморазогрева.
Изложены результаты экспериментальных исследований саморазогрева ТПС различных вариантов исполнения с применением лабораторной информационно-измерительной системы высокого разрешения. Разработана методика идентификации параметров измерительного канала этой системы.
Предложены и использованы в исследованиях статическая и импульсная методики измерения внутреннего термического сопротивления, определены параметры быстродействия экспериментальных 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.
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 и режимы его работы, описан малогабаритный ТПС медицинского назначения.
Изложена методика статистической обработки результатов испытаний прибора при проведении диагностики ДНС, проведена оценка погрешности измерений, подтвердившая высокую эффективность прибора в стационарных условиях по сравнению с применяемой методикой расчета ДНС по Хенсге.
Благодарности. Автор благодарен к.т.н., доценту кафедры «Вычислительная техника» ИжГТУ Сяктереву В.Н. за консультации, заведующему кафедрой «Физика» ИжГТУ д.ф.-м.н., профессору Загребину Л.Д. за ряд цен- ных замечаний и советов, сотрудникам и преподавателям кафедры «Вычислительная техника» за доброжелательное отношение, конструктивную критику и полезные советы, позволившие улучшить работу на этапе ее выполнения и оформления, начальнику Бюро судмедэкспертизы УР Жихареву В.И., заведующему кафедрой «Судебная медицина» ИГМА д.м.н., профессору Битеру В.И. и K.M.H., доценту Вавилову А.Ю за исключительную заинтересованность, практическую помощь в выполнении этой работы и предоставленную возможность проведения испытаний макета прибора судмедэксперта при проведении судебно-медицинских экспертиз.
Анализ требований к первичным преобразователям температуры в системах температурной диагностики давности наступления смерти
Определение давности наступления смерти (ДНС) человека в настоящее время является одной из основных проблем судебной медицины как в научном, так и в практическом плане [12]. Наибольшее число исследователей этой проблемы склоняются к тому, что в области малых времен (до суток) перспективным для разработки и применения является тепловой метод, основанный на анализе динамики посмертного остывания тела и расчете математическими методами момента начала его остывания, который интерпретируется как момент наступления смерти [49, 107, 95]. Этот метод является основным, так как наибольшее число экспертиз ДНС (до 80 %) приходится на период до суток. (Данные Бюро судебно-медицинской экспертизы при Минздраве Удмуртской республики).
До 90-х годов XX века решением проблемы определения ДНС занимались только судебные медики. В 1989 году Швед Е.Ф. с соавт. [101] высказали предположение о том, что возможности медицинской науки в этом направлении исследований исчерпаны. В 1998 было показано [49], что задача определения ДНС в рамках теплового метода относится к измерительным и, таким образом, является технической.
В частности, были выделены такие признаки теплового метода:
1. Значение посмертной температуры тела функционально связано с ДНС и может быть измерено количественно;
2. По диапазону применимости тепловой метод перекрывает минимальный жизненный период человека - сутки, в течение которого после наступления смерти обычно обнаруживается большая часть (в том числе криминальных) трупов;
3. Для детальной разработки метода имеется хорошо разработанная в фундаментальной науке основа - теория теплопроводности;
4. Могут быть разработаны технические средства как для измерения температуры и определения условий теплообмена тела со средой, так и для последующего анализа результатов математическими методами.
С этого момента тепловой метод был классифицирован как косвенный метод измерения ДНС, и начался новый этап его разработки.
В основе любого измерительного средства лежит первичный преобразователь (датчик), который определяет его потенциальные возможности по точности. В информационно-измерительной системе (ИИС), предназначенной для измерения ДНС, таким преобразователем является датчик температуры. Выбор датчика температуры должен производиться, исходя из требований, предъявляемых к нему. Рассмотрим этот вопрос.
В качестве исходной информации будем использовать требования к ИИС, выдвигаемые установленным порядком проведения судебно-медицинской экспертизы (СМЭ).
СМЭ является составной частью следственных действий, проводимых на месте обнаружения трупа, и должна занимать ограниченное время. На диагностику ДНС обычно отводится не более 15...30 минут. Таким образом, можно считать, что именно в течение этого времени должны быть проведены все измерения на месте проведения экспертизы, необходимые для определения ДНС.
Классификация математических методов исследования тепловых процессов. Обоснование компьютерного метода электрического моделирования
В большинстве случаев целью исследования тепловых процессов является поиск распределения температуры в твердом теле и его изменения во времени. Математические методы решения таких задач подразделяются на три группы (рис. 2.1.1): методы, основанные на аналитическом решении уравнений теплообмена (аналитические), методы, основанные на численном решении уравнений теплообмена (численные), и методы математического моделирования.
В общем случае при аналитическом решении уравнений теплообмена требуется решить единую систему уравнений сплошности, движения, состояния и энергии, дополненную краевыми условиями [108]. В этом случае все уравнения записываются относительно первоначальных величин, таких, как температура, линейный размер, промежуток времени, скорость, физические константы и т. п., а не относительно сложных, таких, как работа, теплота, энергия, и получаются очень сложными, включая дифференциальные уравнения второго порядка в частных производных. Решение уравнений позволяет установить влияние всех аргументов (независимых переменных и параметров) на развитие исследуемого процесса и связь между искомой величиной и этими аргументами.
Исследование саморазогрева термопреобразователей сопротивления на основе статических моделей с сосредоточенными параметрами
В принципе действия электрических контактных термометров заложено предположение о том, что температура чувствительного элемента (ЧЭ) первичного преобразователя, индицируемая прибором, соответствует температуре среды в точке измерений. Однако в случае применения ТПС температура ЧЭ за счет дополнительного подогрева измерительным током превышает температуру среды. Степень этого превышения определяется значением измерительного тока, сопротивлением и тепловой измерительной схемой ТПС.
В тепловой схеме ТПС присутствуют три источника тепла - исследуемая среда, окружающая среда и источник внутренней теплоты, обусловленной измерительным током. В зависимости от связей между источниками, определяемых конструктивным исполнением ТПС, различаются два вида тепловых схем - последовательная и звездообразная, представленные на рис. 3.1.1, а, б [48].
Тепловая схема ТПС В схемах приняты обозначения: Тс, Тс\ Тк, Тчэ - температура исследуемой среды, окружающей среды, корпуса и чувствительного элемента ТПС соответственно; ДТ, /tT2,-KTi\ Лті" -термические сопротивления между исследуемой средой и корпусом, корпусом и ЧЭ, окружающей средой и ЧЭ, окружающей средой и корпусом соответственно. Источники тепла в схеме представлены идеальными источниками температуры (Тс и Тс) и идеальным источником теплового потока (/ ,). Погрешность измерений AT, обусловленная саморазогревом, представлена как сумма падений температуры на термических сопротивлениях RT] и І?Т2 .
Для металлических ТПС, в которых провод ЧЭ наматывается на тепло-воспринимающий каркас и не является промежуточным звеном последовательно расположенных конструктивных элементов, более подходит схема на рис. 3.1.1, б. В случае, если Тс = Тс\ схема упрощается, RTl и RT" объединяются как параллельные элементы. В правильно сконструированном ТПС в применениях, на которые он рассчитан, цепь Дт[ , Тс не оказывает влияние на результат измерений, превышающее допустимую погрешность измерений. Поэтому в дальнейшем эту цепь учитывать не будем.
Тепловой оперативный метод измерения давности наступления смерти человека
В работе [49] доказано, что при анализе процессов остывания в первые часы после наступления смерти тело человека может быть представлено в виде двухслойной структуры. Внутренний слой (ядро тела) образован внутренними органами, имеющими, как показано экспериментально в работе [41], близкие значения теплофизических параметров. Внешний слой (поверхностный) включает жировую прослойку и одежду с теплофизическими параметрами, существенно отличающимися от параметров внутренних органов. Двухслойная структура тела определяет количество RC-звеньев в электрической модели на рис. 4.1.1 [8, 49].
В схеме теплоемкости тела и внешнего слоя представлены емкостями Ст и Сп, термические сопротивления тело-поверхностный слой и поверхностный слой-среда - сопротивлениями Rmi, Rm2 и Rnc. При этом Rml моделирует теплопередачу от внутреннего слоя к внешнему за счет теплопроводности, a Rrn2 - за счет внутренней конвекции. Температура среды представлена идеальным источником напряжения, обозначенным в терминах температуры как Tt. Источник rrt моделирует прижизненную теплопродукцию в теле в момент, предшествующий наступлению смерти.
Благодаря малому значению общего термического сопротивления Дто11 йтп2 по сравнению с Дпс температура внешнего слоя (поверхности тела) Тп0 в прижизненном периоде близка к внутренней температуре Т .
Прекращение теплопродукции при наступлении смерти моделируется размыканием ключа 5,, а прекращение внутренней конвекции за счет кровотока - одновременным размыканием ключа При этом общее термическое сопротивление тело - поверхностный слой возрастает до значения Rml.
В модели могут быть учтены упрощающие условия. Практически подтверждается, что постоянная времени т, = R1IliCT существенно превышает постоянную T2=(RTnl\\Rne)Cll, кроме того теплоемкость Сп поверхностного слоя много меньше теплоемкости Ст ядра. Это объясняется большим объемом ядра тела и большой теплоемкостью внутренних органов по сравнению с внешним слоем, образованным жировой прослойкой и одеждой. Поэтому можно полагать, что после наступления смерти процесс разряда емкости происходит практически при постоянной внутренней температуре ГЛ, то есть влиянием внутреннего источника накопленной теплоты на динамику температуры поверхностного слоя можно пренебречь.
