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Materials Today: Proceedings 2 (2015) 849 – 857
12th European Conference on Thermoelectricity (ECT2014)
带温差电源的电子医用温度计
L.І. Аnatychuk, R.R. Kobylianskyi
Institute of Thermoelectricity of NAS and MES of Ukraine
1, Nauky Str., Chernivtsi, 58029, Ukraine
摘要
尽管化学电源被广泛应用，但它们仍然有一些基本的缺点，这些缺点刺激人们去寻找不需要定期更换和回收废旧元件的替代电源。而这项任务特别适用于电子医疗温度计。利用人体热能的热电微型发电机有望解决这一问题。
本文介绍了医用电子温度计用热电电源的研制结果。采用面向对象的计算机仿真方法来影响热电供电对人体温度的测量精度。该温度计的设计尽量减少了热电电源对温度传感器读数的影响。对温度计的技术经济特性进行的研究，证实了该温度计在医疗实践中的生态经济可行性。
copy; 2015 Published by Elsevier Ltd.
Selection and peer-review under responsibility of Conference Committee members of the 12th European Conference on Thermoelectrics.
Key words: computer simulation; thermoelectric power supply; electronic medical thermometer.
介绍
目前，医学中体温的测量是影响人体健康水平的首要和最常见的因素之一。 300多年来，人们一直用水银温度计测量人体温度。
直到最近，全世界每年生产近4 500万汞温度计，其中45吨用于生产汞。这样迟早会由于疏忽使用温度计而使它们被打破，导致水银被掩埋在住宅或医院的裂缝中，逐渐毒害那里的人们。因此，近几十年来，由于微电子技术的进步，电子医疗温度计逐渐取代了水银温度计。.
然而，它并没有充分解决环境问题。作为电子温度计的电源，化学电池含有有毒物质，如碱、铅、镉
2214-7853 copy; 2015 Published by Elsevier Ltd.
Selection and peer-review under responsibility of Conference Committee members of the 12th European Conference on Thermoelectrics. doi:10.1016/j.matpr.2015.05.109
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汞，锌和镍。 据统计，目前已经制造了近2亿台电子温度计，而为了保证人们使用这类温度计，所需的电子温度计数量约为这个数量的十亿分之一。也就是说，这种类型的化学电池必须每年更换在温度计中，因为它们的使用寿命不超过一年，而且在需要大量使用温度计的地方，例如在医院，它的寿命更低。而且，这类电池的回收和加工实际上是不存在的。
化学电池还有另一个缺点，即在其有效期内，电子温度计读数变得不可靠。这个问题很重要，因为温度计的读数决定了是否应该立即采取的行动。以上所述意味着更换化学电池和开发电子温度计的热电供电并在此基础上运行温度计是当今的一个问题[1-13]。然而，在这里，使用电子医疗温度计与热电供电的温度测量的准确性同样重要。
因此，本文的目的就是确定电子医疗温度计的热电供电对人体温度测量精度的影响。
1. 设备方面
该装置的概念是用电子医疗温度计中的热电电源取代传统电源（化学原电池）。热电电源依次由热电模块（2）、吸收人体热量的散热片（1）和散热片（3）组成，散热片（3）将模块冷侧的热量释放到环境中（图1）。为了使用热电模块（2）获得电子温度计所需的电压和电源，应在其两侧产生温差。 该装置的设计中使用了热电模块的电压稳定器（4），其最高电压为1.5 V。这种热电电源完全可以替代传统的医用电子温度计中的化学原电池。
图1带热电电源的电子医用温度计原理图：1-吸收人体热量的散热片，2-基于Bi-Te材料的热电模块，3-散热片，4-稳压器，5-电子温度计，q1-从人体到散热片的热流，q2-从散热片到热电模块的热流，q3-从散热片到环境的热流，q4-从散热片到E的热流环境，W-热电模块的电力。
众所周知，在人体表面存在的散热器，如热电电源，而这种情况就会导致温度测量区域的温度和热场发生变化。
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这反过来又降低了使用这种温度计进行温度测量的精度。因此，如何确定医用电子温度计的热电供电对人体体温测量精度的影响，是当前人们关注的问题。
2.对热电转换器的要求
根据医用电子温度计的技术要求，这种温度计的电源电压要求为U=1.5V。
图2.医用电子温度计运行中电流的时间依赖性
从电子医疗温度计的实验研究（图2）可以明显看出，在恒定电压u=1.5 V时，最大电流为 Imax = 36 mu;A, 对应于最大功率要求为Wmax = 54 mu;W.
因此，对热电转换器的要求如下：电压供给为 U = 1.5 V ，功率为 Wmax = 54 mu;W. 初步估算表明，尺寸为(5.7times;5.7times;5) mm3 的热电转换器为电子温度计的工作提供了必要的参数。 在这种情况下，我们可以使用两个尺寸为(4times;4times;5) mm3的热电转换器，它可以完全取代电子医疗温度计中的传统化学原电池[6]。
3. 基于温度传感器和热电微模块的生物组织物理模型
根据物理模型（图3），人体生物组织的一个区域是三层皮肤结构（表皮（1）、真皮（2）、皮下组织（3））和内部组织（4），其特征是导热系数 kappa;і,比热容 Сі, 密度 rho;і,血液灌输率 omega;bi , 血液密度 rho;b, 血液热容 Сb 和具体的热释放 qmeti取决于代谢过程 (表 1). 各生物组织层（1-4）被视为热的主要来源qi。有着:
|
qi = qmeti rho;b ·Сb · omega;bi · (Tb -T), і =1.4 . |
(Е1) |
每一层的几何尺寸是 ai, bi, and li.各生物组织层边界的温度分别为T1, T2, T3, and T4. 热物理性质 f人类生物组织见表1。
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表1
人体生物组织的热物理性质[14-18]
|
生物组织层 |
表皮 |
真皮 |
皮下组织 |
内部 |
|
|
组织 |
|||||
|
层, l (mm) |
0.08 |
2 |
10 |
30 |
|
|
比热, С (J·kg-1·K-1) |
3590 |
3300 |
2500 |
4000 |
|
|
导热性, kappa; (W·m-1·K-1) |
0.24 |
0.45 |
0.19 |
0.5 |
|
|
密度, U (kg m–3) |
1200 |
1200 |
1000 |
1000 |
|
|
新陈代谢, qmet (W·m–3) |
368.1 |
368.1 |
368.3 |
368.3 |
|
|
组织血流灌注率, Zb (m3·s–1·m–3) |
0 |
0.00125 |
0.00125 |
0.00125 |
|
|
血液密度, Ub (kg·m–3) |
1060 |
1060 |
1060 |
1060 |
|
|
血液比热容, Сb (J·kg–1·K–1) |
3770 |
3770 |
3770 |
3770 |
图3.基于温度传感器和热电微模块的生物组织物理模型：1-表皮、2-真皮、3-皮下、4-内组织、5-温度传感器（热敏电阻），6-热调平板，7-基于Ві-Те材料的热电微模块，8-散热片
温度Т5 的表皮（1）与几何尺寸为a6, b6, l6的高导热材料的热平衡板（6）处于
资料编号：[4082]
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