ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ТЕРМОМЕТРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВНУТРЕННЕЙ СРЕДЫ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА

Полезная модель относится к измерительной технике, преимущественно к медицинской технике, и может быть использована в волоконно-оптических термометрах для измерения температуры внутренней среды организма человека.
Аналогом является чувствительный элемент медицинского волоконно-оптического термометра [Красюк Б.А. Светотоводные датчики. М., Машиностроение, 1990, § 4.3, стр. 126-128], используемого для непрерывного контроля температуры живой ткани, подвергающейся нагреву токами высокой частоты. Чувствительный элемент волоконно-оптического термометра представляет собою короткий, длиною не более 2 см, закрытый с одного конца стеклянный капилляр, заполненный внутри термометрическим веществом, в который введен освобожденный от оболочки конец оптического волокна. При изменении температуры среды, окружающей капилляр, изменяется температура масла в капилляре и увеличивается или уменьшается коэффициент преломления этой жидкости, что естественно приводит к изменению интенсивности света, вышедшего через торец сердцевины волокна и частично возвратившегося в эту сердцевину после отражения от «донышка» капилляра.
Основным недостатком аналога является то, что капилляр чувствительного элемента изготовлен из стекла, поэтому при измерении температуры внутренней среды организма человека с помощью волоконно-оптического термометра на основе чувствительного элемента в виде стеклянного капилляра необходимо соблюдать меры осторожности.
Прототипом является чувствительный элемент волоконно-оптического термометра для измерения температуры внутренней среды организма человека [патент РФ №161461, МПК G01K 11/32, опубл. 20.04.2016, бюл. №11]. Чувствительный элемент волоконно-оптического термометра выполнен в виде, заполненной термометрическим веществом, герметичной емкости, в полости которой размещен освобожденный от оболочки конец оптического волокна, при этом герметичная емкость выполнена в виде полимер-капилляра, изготовленного из нетоксичного поливинилхлорида, при этом в качестве термометрического вещества использована прозрачная циклоалифатическая эпоксидная смола, показатель преломления которой линейно зависит от температуры внутренней среды организма человека, а освобожденный от оболочки конец оптического волокна выполнен с возможностью, при повышении или понижении температуры внутренней среды организма человека, изменения отражательной и пропускательной способности границы раздела «освобожденный от оболочки конец оптического волокна -термометрическое вещество». В качестве нетоксичного поливинилхлорида использован пластифицированный поливинилхлорид медицинского назначения марки «ПМ-1/42 мед», а в качестве термометрического вещества использована прозрачная циклоалифатическая эпоксидная смола марки «ERL 4221».
Основными недостатками прототипа являются: неизвестны геометрические размеры (длина и наружный диаметр) полимер-капилляра герметичной емкости чувствительного элемента волоконно-оптического термометра, что связано с измерением температуры в труднодоступных местах, к которым относятся биологические участки внутренней среды организма человека, полимер-капилляр герметичной емкости чувствительного элемента волоконно-оптического термометра не имеет светопоглощающего покрытия, что, в свою очередь, увеличивает тепловую постоянную времени нагрева чувствительного элемента и, соответственно, снижает быстродействие волоконно-оптического термометра.
Задачей полезной модели является разработка конструкции чувствительного элемента волоконно-оптического термометра, в котором устранены основные недостатки аналога и прототипа.
Техническим результатом является повышение быстродействия волоконно-оптического термометра на основе предлагаемого чувствительного элемента, безопасности измерения температуры внутренней среды организма человека с помощью волоконно-оптического термометра.
Технический результат достигается тем, что в чувствительном элементе волоконно-оптического термометра для измерения температуры внутренней среды организма человека, заполненным термометрическим веществом в виде прозрачной циклоалифатической эпоксидной смолы марки «ERL 4221», согласно настоящей полезной модели, термометрическое вещество расположено в полости освобожденного от сердцевины конца оптического волокна, что позволяет уменьшить диаметр чувствительного элемента до размера диаметра защитного покрытия оптического волокна, а освобожденный от сердцевины конец оптического волокна выполнен с возможностью, при повышении или понижении температуры внутренней среды организма человека, изменения отражательной и пропускательной способности границы раздела «сердцевина оптического волокна - термометрическое вещество», изменения отражательной способности границы раздела «термометрическое вещество - оболочка оптического волокна», к торцевой стенке полости освобожденного от сердцевины конца оптического волокна прикрепляют отражательную пластинку путем нанесения тонкого слоя нетоксичного прозрачного клея на торцевую стенку конца оптического волокна, нетоксичный прозрачный клей применяют с целью защиты отражательной пластинки от механических деформаций, агрессивной химической внутренней среды организма человека, отражательную пластинку используют для отражения оптического излучения, входящего в полость освобожденного от сердцевины конца оптического волокна, с целью направления оптического излучения обратно в сердцевину оптического волокна и далее к фотоприемнику, наружная поверхность чувствительного элемента волоконно-оптического термометра имеет нетоксичное черное светопоглощающее покрытие для увеличения способности чувствительного элемента к поглощению теплового излучения биологических участков внутренней среды организма человека с целью уменьшения тепловой постоянной времени нагрева чувствительного элемента волоконно-оптического термометра и, соответственно, увеличения быстродействия волоконно-оптического термометра на основе предлагаемого чувствительного элемента.
В качестве отражательной пластинки использована тонкая металлическая пленка, например, на основе серебра, алюминия или золота. В качестве нетоксичного прозрачного клея использован нетоксичный прозрачный эпоксидный клей-компаунд марки ПЭО-10К-20/0. В качестве оптического волокна использовано многомодовое ступенчатое кварцевое волокно с диаметром сердцевины, равным 0,3 мм, диаметром оболочки, равным 0,6 мм, диаметром защитного покрытия, равным 0,8 мм, показателем преломления сердцевины, равным 1,47, показателем преломления оболочки, равным 1,45.
Сущность полезной модели поясняется чертежом (фиг. 1), на котором изображена конструкция предлагаемого чувствительного элемента.
На фиг. 1 цифрами обозначены:
1 - термометрическое вещество,
2 - полость освобожденного от сердцевины конца оптического волокна,
3 - сердцевина оптического волокна,
4 - оптическое волокно,
5 - отражательная пластинка,
6 - тонкий слой нетоксичного прозрачного клея,
7 - нетоксичное черное светопоглощающее покрытие,
8 - оболочка оптического волокна,
9 - защитное покрытие оптического волокна,
А, В, С, D - геометрические точки, обозначающие границы полости освобожденного от сердцевины конца оптического волокна, границы разделов «сердцевина оптического волокна - термометрическое вещество» и «термометрическое вещество - оболочка оптического волокна»,
1
P - мощность оптического излучения, входящего в полость освобожденного от сердцевины конца оптического волокна,
2
Р - мощность оптического излучения, выходящего из полости освобожденного от сердцевины конца оптического волокна,
всо
T - температура внутренней среды организма человека,
тв
T - температура термометрического вещества,
тв
n - показатель преломления термометрического вещества,
с
n - показатель преломления сердцевины оптического волокна,
об
n - показатель преломления оболочки оптического волокна,
c
d - диаметр сердцевины оптического волокна,
oб
d - диаметр оболочки оптического волокна,
ов
d - диаметр защитного покрытия оптического волокна.
ов
всо
Отличием предлагаемого чувствительного элемента волоконно-оптического термометра является то, что термометрическое вещество 1 расположено в полости 2 освобожденного от сердцевины 3 конца оптического волокна 4, что позволяет уменьшить диаметр чувствительного элемента до размера диаметра d защитного покрытия 9 оптического волокна 4, а освобожденный от сердцевины 3 конец оптического волокна 4 выполнен с возможностью, при повышении или понижении температуры Т внутренней среды организма человека, изменения отражательной и пропускательной способности границы раздела «сердцевина 3 оптического волокна 4 - термометрическое вещество 1» (на фиг. 1 граница раздела «сердцевина 3 оптического волокна 4 - термометрическое вещество 1» соответствует стороне АС, обозначенной геометрическими точками А, С), изменения отражательной способности границы раздела «термометрическое вещество 1 - оболочка 8 оптического волокна 4» (на фиг. 1 граница раздела «термометрическое вещество 1 - оболочка 8 оптического волокна 4» соответствует сторонам АВ и CD, обозначенным геометрическими точками А, В, С, D), к торцевой стенке полости 2 освобожденного от сердцевины 3 конца оптического волокна 4 прикрепляют отражательную пластинку 5 путем нанесения тонкого слоя нетоксичного прозрачного клея 6 на торцевую стенку конца оптического волокна 4, нетоксичный прозрачный клей 6 применяют с целью защиты отражательной пластинки 5 от механических деформаций, агрессивной химической внутренней среды организма человека, отражательную пластинку 5 используют для отражения оптического излучения, входящего в полость 2 освобожденного от сердцевины 3 конца оптического волокна 4, с целью направления оптического излучения обратно в сердцевину 3 оптического волокна 4 и далее к фотоприемнику, наружная поверхность чувствительного элемента волоконно-оптического термометра имеет нетоксичное черное светопоглощающее покрытие 7 для увеличения способности чувствительного элемента к поглощению теплового излучения биологических участков внутренней среды организма человека с целью уменьшения тепловой постоянной времени нагрева чувствительного элемента волоконно-оптического термометра и, соответственно, увеличения быстродействия волоконно-оптического термометра на основе предлагаемого чувствительного элемента.
c
об
об
с
об
В качестве отражательной пластинки 5 использована тонкая металлическая пленка, например, на основе серебра, алюминия или золота. В качестве нетоксичного прозрачного клея 6 использован нетоксичный прозрачный эпоксидный клей-компаунд марки ПЭО-10К-20/0. В качестве оптического волокна 4 использовано многомодовое ступенчатое кварцевое волокно с диаметром d сердцевины 3, равным 0,3 мм, диаметром d оболочки 8, равным 0,6 мм, диаметром d защитного покрытия 9, равным 0,8 мм, показателем преломления n сердцевины 3, равным 1,47, показателем преломления n оболочки 8, равным 1,45.
В качестве термометрического вещества 1 использована прозрачная циклоалифатическая эпоксидная смола марки «ERL 4221» [патент РФ №161461, МПК G01K 11/32, опубл. 20.04.2016, бюл. №11]. Химическое название прозрачной циклоалифатической эпоксидной смолы марки «ERL 4221» следующее:
«ERL 4221» = 3,4-epoxycyclohexylmethyl-3',4'-epoxycyclohexanecaloxyrate.
тв
всо
Показатель преломления n прозрачной циклоалифатической эпоксидной смолы марки «ERL 4221» связан с температурой T внутренней среды организма человека следующей зависимостью:
тв
всо
-4
n=1,5062-3,6576⋅10 Т.
тв
-1
В медицине для диагностирования температуры органов и тканей человека наибольшее значение имеет область температур в диапазоне +32…+44°С. При изменении температуры на 1°С значение показателя преломления n прозрачной циклоалифатической эпоксидной смолы марки «ERL 4221» изменяется приблизительно на 0,00037. Чувствительность волоконно-оптического термометра на основе предлагаемого чувствительного элемента составляет 0,00037°С.
Принцип действия предлагаемого чувствительного элемента (см. фиг. 1) в составе волоконно-оптического термометра следующий.
кр
об
с
кр
об
с
В оптическом волокне 4 оптическое излучение распространяется под критическим углом полного внутреннего отражения θ, определяемым арксинусом отношения показателя преломления n оболочки 8 оптического волокна 4 к показателю преломления n сердцевины 3 оптического волокна 4: θ=arcsin (n/n).
1
2
2
тв
При повышении или понижении температуры термометрического вещества 1, расположенного в полости 2 освобожденного от сердцевины 3 конца оптического волокна 4, происходит изменение отражательной и пропускательной способности границы раздела «сердцевина 3 оптического волокна 4 - термометрическое вещество 1» (на фиг. 1 граница раздела «сердцевина 3 оптического волокна 4 - термометрическое вещество 1» соответствует стороне АС, обозначенной геометрическими точками А, С), изменения отражательной способности границы раздела «термометрическое вещество 1 -оболочка 8 оптического волокна 4» (на фиг. 1 граница раздела «термометрическое вещество 1 - оболочка 8 оптического волокна 4» соответствует сторонам АВ и CD, обозначенным геометрическими точками А, В, С, D). Соответственно, мощность оптического излучения Р, входящего в полость 2 освобожденного от сердцевины 3 конца оптического волокна 4, и мощность излучения Р, выходящего из него, будут существенно отличаться друг от друга по значению. Это связано с тем, что мощность оптического излучения Р, выходящего из полости 2 освобожденного от сердцевины 3 конца оптического волокна 4, зависит от отражательной и пропускательной способности границы раздела «сердцевина 3 оптического волокна 4 - термометрическое вещество 1», изменения отражательной способности границы раздела «термометрическое вещество 1 - оболочка 8 оптического волокна 4», которые, в свою очередь, изменяются при повышении или понижении температуры T термометрического вещества 1.
c
об
об
с
об
Таким образом, использование освобожденного от сердцевины 3 конца оптического волокна 4, тонкой металлической пленки, например, на основе серебра, алюминия или золота в качестве отражательной пластинки 5 для направления оптического излучения обратно в сердцевину 3 оптического волокна 4 и далее к фотоприемнику, нетоксичного прозрачного эпоксидного клея-компаунда марки ПЭО-10К-20/0 для защиты отражательной пластинки 5 от механических деформаций, агрессивной химической внутренней среды организма человека, нетоксичного черного светопоглощающего покрытия для увеличения способности чувствительного элемента к поглощению теплового излучения биологических участков внутренней среды организма человека, многомодового ступенчатого кварцевого волокна с диаметром d сердцевины 3, равным 0,3 мм, диаметром d оболочки 8, равным 0,6 мм, диаметром d защитного покрытия 9, равным 0,8 мм, показателем преломления n сердцевины 3, равным 1,47, показателем преломления n оболочки 8, равным 1,45, в качестве оптического волокна 4 позволит, по сравнению с аналогом и прототипом, повысить быстродействие волоконно-оптического термометра на основе предлагаемого чувствительного элемента, безопасность измерения температуры внутренней среды организма человека с помощью волоконно-оптического термометра.