способ дистанционного измерения температуры в глубине объекта и акустический термометр для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ дистанционного измерения температуры в глубине объекта путем размещения акустического приемника на поверхности объекта исследования, регистрации акустических шумов акустическим приемником, сравнения полученного сигнала с референсным сигналом акустического приемника при одновременном измерении температуры акустического приемника и расчета по полученным данным температуры в глубине исследуемого объекта, отличающийся тем, что референсный сигнал регистрируют вне полосы пропускания акустического приемника.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру в глубине объекта определяют по соотношению

Т_А=К₁(V₁ аV₂) + Т_п в(Т_п - Т_O),

где Т_A-температура в глубине объекта;

V₁-величина сигнала, снимаемого в полосе пропускания акустического приемника;

V₂- величина сигнала, снимаемого вне полосы пропускания акустического приемника; Т_п температура акустического приемника;

К₁, а, в, Т₀ параметры, подобранные при калибровке акустического приемника.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что акустический шум регистрируют на 1, 3, 5, (2i-1) гармониках основной частоты акустического приемника, а референсный сигнал на частотах ниже полосы пропускания.

4. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что акустический шум регистрируют на 1, 3, 5, (2i-1) гармониках основной частоты акустического приемника, а референский сигнал на четных гармониках основной частоты.

5. Способ по пп.1,3 и 4, отличающийся тем, что акустический шум регистрируют одновременно на 1, 3, 5,(2i-1) гармониках, а температуры в глубине объекта определяют по соотношению Т_Ai=К_1i(V_1i-A_iV₂) +Т_п-в_i(Т_п-Т₀), где Т_Аi температура в глубине объекта;

V_1i величина сигнала, снимаемого в i-й полосе частот вблизи нечетных гармоник;

V₂ величина сигнала, снимаемого вне полосы пропускания акустического приемника;

Т_п-температура акустического приемника;

К_1i, а_i, в_i, Т₀-параметры, подобранные при калибровке акустического приемника.

6. Акустический термометр, содержащий приемник акустического излучения в виде заполненной иммерсионной жидкостью камеры с входным окном и размещенным в ней пьезоэлектрическим преобразователем, высокочастотный усилитель, блок выделения спектральных составляющих, включающий последовательно соединенные квадратичный детектор и фильтр низких частот, измеритель температуры камеры с датчиком температуры и блок регистрации и индикации, отличающийся тем, что дополнительно введены многочастотный полосовой фильтр, блок коррекции, сумматор, термостабилизатор камеры с задатчиком температуры и исполнительным элементом и измеритель температуры поверхности исследуемого объекта с датчиком, размещенным на поверхности объекта, при этом вход многочастотного полосового фильтра подключен к выходу пьезоэлектрического преобразователя, а его выход через высокочастотный усилитель к входу блока выделения спектральных составляющих, выполненного в виде параллельных цепей, каждая из которых содержит последовательно соединенные высокочастотный полосовой фильтр, квадратичный детектор и фильтр низких частот, число цепей равно числу полос многочастотного полосового фильтра, а выход каждой цепи подключен к соответствующему входу блока коррекции, выход которого соединен с одним из входов сумматора, к второму входу которого подключены выход измерителя температуры камеры и вход блока коррекции, выход сумматора подключен к блоку регистрации и индикации, при этом исполнительный элемент термостабилизатора камеры размещен в полости камеры с возможностью теплового контакта с иммерсионной жидкостью.

7. Термометр по п.6, отличающийся тем, что толщина пьезоэлектрического преобразователя равна нечетному числу длин полуволн основного сигнала.

8. Термометр по пп.6 и 7, отличающийся тем, что блок выделения спектральных составляющих дополнительно содержит перекидные управляемые ключи для перекрестного подсоединения цепей по схеме входной элемент первой цепи - выходной элемент второй цепи и входной элемент второй цепи выходной элемент первой цепи.

9. Термометр по пп.6-8, отличающийся тем, что многочастотный полосовой фильтр содержит первую, вторую и третью катушки индуктивности, резистор, конденсатор и трансформатор, при этом первая катушка индуктивности подключена параллельно входу фильтра и соединена выводом с общей шиной, параллельно с входом подключены резистор и вторая катушка индуктивности, к выводу которой и к общей шине подключены параллельно соединенные третья катушка индуктивности и конденсатор, при этом выходом высокочастотного полосового фильтра является выходная обмотка трансформатора, первичная обмотка которого присоединена к входу фильтра.

Описание изобретения к патенту

Заявляемое изобретение относится к медицинской и ветеринарной технике и может быть использовано для неинвазивного измерения глубинной температуры в теле человека и животных. Измерение глубинной температуры имеет существенное значение для медицинской диагностики. В частности, при онкологической гипертермии необходимо поддерживать температуру внутри подогреваемых участков тела человека в пределах 42-45^oС с точностью 0,5^oC [1] Выход из этого диапазона температур резко снижает эффективность лечения,однако эффективные неинвазивные методы измерения глубинной температуры в настоящее время отсутствуют. В настоящее время также практически невозможно измерить температуру в теле человека на глубине свыше 2-3 см неинвазивным образом, акустические термометры открывают возможности для проведения подобных измерений вообще и для решения задач гипертермии, в частности [2]

Известны контактные и бесконтактные устройства для неинвазивного измерения температуры тела человека и животных, использующие собственное электромагнитное излучение этих объектов. Так, например, метод инфракрасного тепловидения по собственному электромагнитному излучению в инфракрасном диапазоне длин волн позволяет бесконтактно измерять температуру тела человека с глубины порядка 100 мкм. Соответствующая измерительная система состоит из исследуемого тела, датчика, предусилителя и устройств регистрации и обработки [3] Недостатком этого метода является малая глубинность.

Большую глубинность обеспечивает СВЧ-радиометрия, использующая прием собственного электромагнитного излучения тела человека либо животного в диапазоне дециметровых волн [3-60 см (см.[1,2]). Можно регистрировать сигналы изменения температуры с глубины 2-3 см, применяя контактную антенну-аппликатор. Эта система также состоит из измеряемого тела, датчика, предусилителя и системы регистрации. Недостатком этого метода является невысокая пространственная разрешающая способность метода вследствие большого размера приемной антенны.

Преодолеть недостатки этих методов измерения глубинной температуры, связанные с малой глубинностью или низкой разрешающей способностью, можно, если использовать регистрацию другого типа собственного теплового излучения тела акустического, в мегагерцовом диапазоне частот [2] Из-за относительно слабого затухания ультразвука во многих биологических тканях, глубина, с которой можно принимать акустическое излучение также больше, чем для СВЧ-радиотермометров [2] По этим причинам предлагаемое изобретение для измерения глубинной температуры основано на пассивной регистрации теплового акустического излучения из тела человека и животных.

Известна система для пассивного дистанционного измерения температуры [4] использующая пассивную регистрацию теплового акустического излучения. Система включает в себя преобразователь датчик акустического излучения, который включен на вход анализатора спектра. Таких регистрирующих каналов может быть несколько. Устройство также содержит референсный источник шума, например, нагреваемое сопротивление, с которым может производиться сравнение принимаемого акустического сигнала и который позволяет тем самым производить абсолютную калибровку температуры.

К недостатку системы относится то, что она не позволяет исключить дрейфы параметров преобразователя и усилителя во времени, что делает невозможным с достаточной точностью измерение температуры тела.

Наиболее близким по технической сущности является акустический термометр [5] реализующий модуляционный принцип регистрации теплового акустического излучения. Он содержит приемник акустического излучения, подключенный к регистрирующей системе, включающей высокочастотный полосовой фильтр, квадратичный детектор, фильтр низких частот, а также измеритель температуры камеры модулятора, блок регистрации и индикации. Приемник акустического излучения содержит установленные на акустической оси входное акустически прозрачное окно и преобразователь. Камера заполнена иммерсионной жидкостью, выполняющей роль термостабилизатора.

Однако известный акустический термометр имеет ряд недостатков, поскольку

1 наличие механического модулятора значительно усложняет конструкцию акустического термометра и его эксплуатацию и, кроме этого, может вызывать механические наводки при движении обтюратора;

2 модуляционный принцип измерений заведомо в два раза уменьшает пороговую чувствительность акустического термометра при регистрации каждым преобразователем;

3 описанное устройство [5] не позволяет при однократном измерении рассчитать распределение температуры по глубине тела, так как оно снабжено лишь одним преобразователем акустического излучения, принимающим излучение только в одном диапазоне частот.

Как следует ив работ [2, 5] акустический термометр является неинвазивным пассивным средством регистрации внутренней температуры тела. Поскольку интенсивность акустического излучения очень мала (спектральная плотность среднеквадратичного звукового давления, которое необходимо зарегистрировать, составляет ) особое значение приобретает повышение чувствительности измерений.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков прототипа, а именно повышение чувствительности акустического термометра, упрощение конструкции приемника акустического излучения и возможность определения распределения температуры по глубине тела.

Поставленная цель достигается тем, что предложен способ дистанционного измерения температуры в глубине объекта путем размещения акустического приемника на поверхности объекта исследования, регистрации акустических шумов акустическим приемником, сравнения полученного сигнала с референсным сигналом акустического приемника при одновременном измерении температуры акустического приемника, и расчета по полученным данным температуры в глубине исследуемого объекта, отличающийся тем, что референсный сигнал регистрируют вне полосы пропускания акустического приемника. Предложен также способ дистанционного измерения температуры в глубине объектов, отличающийся тем, что температуру в глубине объекта определяют по соотношению:

Т=_а=К₁(V₁-V₂)+Т_п-В(Т_п-Т_о),

где Т_а-температура в глубине объекта, V₁ величина сигнала, снимаемого в полосе пропускания акустического приемника; V₂ величина сигнала, снимаемого вне полосы пропускания акустического приемника; Т₇ - температура акустического приемника; К₁, a, b, Т_о параметры, подбираемые при калибровке акустического приемника.

Также предложен способ дистанционного измерения температуры, отличающийся тем, что акустический шум регистрируют на 1, 3, 5. (2i-1) гармониках основной частоты, а референсный сигнал на частотах ниже полосы пропускания или на четных гармониках основной частоты.

Указанная задача выполняется тем, что предложен способ дистанционного измерения внутренней температуры, отличающийся тем, что акустический шум регистрируют одновременно на 1, 3, 5. (2i-1) гармониках, а температуры в глубине объекта определяют по отношению:

Т_Аi=К_1i(V_1i-a_iV₂) +Т_п-В_i(Т_п-Т_о),

где: Т_Аi температура в глубине объекта, V_1i величина сигнала, снимаемого в i-ой полосе частот вблизи нечетных гармоник, V₂ - величина сигнала, снимаемого вне полосы пропускания акустического приемника, Т_п температура акустического приемника, К_1i, a_i, В_i, Т_о параметры, подбираемые при калибровке акустического приемника.

Поставленная цель достигается также тем, что акустический термометр, содержащий приемник акустического изучения в виде заполненной иммерсионной жидкостью камеры с входным окном и размещенным в ней пьезоэлектрическим преобразователем, высокочастотный усилитель, блок выделения спектральных составляющих, включающий последовательно соединенные квадратичный детектор и фильтр низких частот, измеритель температуры камеры с датчиком температуры и блок регистрации и индикации, отличается тем, что дополнительно введены многочастотный полосовой фильтр, блок коррекции, сумматор, термостабилизатор камеры с задатчиком температуры и исполнительным элементом и измеритель темпемратуры поверхности исследуемого объекта с датчиком размещенным на поверхности объекта, при этом вход многочастотного полосового фильтра подключен к выходу пьезоэлектрического преобразователя, его выход, через высокочастотный усилитель ко входу блока выделения спектральных составляющих, выполненного в виде параллельных цепей, каждая из которых содержит последовательно соединенные высокочастотный полосовой фильтр, квадратичный детектор и фильтр низких частот, число цепей равно числу полос многочастотного полосового фильтра, а выход каждой цепи подключен к соответствующему входу блока коррекции, выход которого соединен с одним из входов сумматора, ко второму входу которого подключен выход измерителя температуры камеры и вход блока коррекции, выход сумматора подключен к блоку регистрации и индикации, при этом исполнительный элемент термостабилизатора камеры размещен в полости камеры с возможностью теплового контакта с иммерсионной жидкостью.

Предложенная цель достигается также тем, что акустический термометр отличается тем, что толщина пьезоэлектрического преобразователя равна нечетному числу длин полуволн основного сигнала.

Для достижения поставленной цели акустический термометр отличается тем, что блок выделения спектральных составляющих дополнительно содержит перекидные управляемые ключи для перекрестного подсоединения цепей по схеме "входной элемент первой цепи выходной элемент второй цепи" и "входной элемент второй цепи выходной элемент первой цепи".

Для достижения поставленной цели акустический термометр также отличается тем, что многочастотный полосовой фильтр содержит первую, вторую и третью катушки индуктивности, резистор, конденсатор и трансформатор, при этом первая катушка индуктивности подключена параллельно входу фильтра и соединена выводом с общей шиной, параллельно со входом подключены резистор и вторая катушка индуктивности, к выводу которой и к общей шине подключены параллельно соединенные третья катушка индуктивности и конденсатор, при этом выходом высокочастотного полосового фильтра является выходная обмотка трансформатора, первичная обмотка которого присоединена ко входу фильтра.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 приведена схема предлагаемого акустического термометра, на фиг. 2 частотная зависимость квадрата напряжения, снимаемого с выхода электрически нагруженного пьезопреобразователя акустического термометра в области высоких частот, на фиг.3 зависимость средних квадратов электрических напряжений V₁ и V₂ от емкости пьезопреобразователя С для варианта входного фильтра, приведенного на фиг. 8, на фиг. 4 принцип функционирования блока коррекции, позволяющей исключить изменения выходного сигнала за счет дрейфа емкости преобразователя, на фиг.5 принцип построения системы коммутации высокочастотных и низкочастотных фильтров с квадратичными детекторами, исключающий изменения выходного сигнала, обусловленные дрейфами их параметров, на фиг.6 схема варианта выполнения акустического термометра для мультиспектрального зондирования, на фиг.7 частотная зависимость квадрата напряжения, снимаемого с выхода электрически нагруженного пьезопреобразователя акустического термометра в области высоких частот, на фиг.8 показан вариант электрической схемы входного многочастотного полосового фильтра.

Пороговую чувствительность акустического термометра, а следовательно, достоверность контроля температуры объекта можно повысить, используя безмодуляционный принцип измерения. Как показали наши исследования, средний квадрат шумового напряжения, снимаемого с пьезопреобразователя, можно представить в виде:

И²=К(Т_п/С+(Т-Т_п)F/C), (1)

где К постоянная Больцмана, Т абсолютная температура исследуемого объекта, Т_п то же для пьезопреобразователя, С емкость последнего, F коэффициент преобразования акустического давления в электрическое напряжение.

Электрическое напряжение V, снимаемое на выходе акустического термометра после прохождения через усилитель, квадратичный детектор и фильтр низких частот, получается из (1) путем домножения на произведение крутизны преобразования квадратичного детектора и квадрата коэффициента усиления усилителя, которое мы назовем коэффициентом усиления и обозначим К_у:

V К_уК (Т_п/С+(Т-Т_п)F/C) (2)

Величина V прямо пропорциональна абсолютной температуре. Информацию об абсолютной температуре объекта несет второй член в выражении (2), очевидно, что изменение температуры преобразователя, его емкости, а также коэффициента усиления К_у также могут приводить к изменению V, и ошибочно интерпретироваться как изменения температуры объекта. Заметим, что первый член по величине гораздо больше второго (например, регистрируемые изменения температуры Т-Т_п составляет 0,1 К, а средняя температура преобразователя порядка 300 К, поэтому небольшие изменения параметров К_у,Т_п и С могут привести к большим погрешностям, ив этих трех параметров реально независимыми является только два, поскольку кратковременные изменения величины С (на временах порядка 1 часа) зависят от температуры преобразователя Т_п.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, чтобы учесть дрейфы электрического сигнала путем контроля величин К_у, Т_п и С, и введения соответствующих корректив в выражение (2). С этой целью электрическая нагрузка пьезопреобразователя выбирается таким образом, чтобы образовывался фильтр, имеющий частотную характеристику с двумя максимумами: один из них приходится на антирезонансную частоту f, на которой осуществляется прием шумового акустического сигнала, другой настроен на удвоенное значение антирезонансной частоты 2f. Поскольку пьезопреобразователь чувствителен к акустическому сигналу только вблизи нечетных гармоник антирезонансной частоты и нечувствителен вблизи четных, то регистрируемый на частоте 2f сигнал служит в качеcтве опорного (или референсного) и используется в качестве первого корректирующего сигнала, выходные напряжения, соответствующие частотам f и 2f, имеют вид:

V₁ К_у К[(Т_п/С)Ф₁(С)+(Т-Т_п)F/C] (3)

V₂ К_у К[(Т_п/С)Ф₂(С)] (4)

где величины Ф₁ и Ф₂ по-разному зависят от С(см. фиг.3).

Вторым корректирующим сигналом является сигнал, пропорциональный температуре преобразователя. Чтобы уменьшить дрейфы и тем самым облегчить процесс корректировки, применена система термостабилизации.

Средствами электроники можно вычесть из исследуемого сигнала корректирующие и таким образом получить результирующий сигнал, пропорциональный ровности температур исследуемого объекта и акустического приемника . При этом исключаются изменения выходного сигнала за счет дрейфа емкости преобразователя С и коэффициента усиления К_у усилительного тракта.Отметим,что частотная полоса опорного сигнала не обязательно должна находиться вблизи второй гармоники антирезонансной частоты. Опорный сигнал можно получать на частотах, меньших антирезонансной, или на любых других частотах, кроме резонансной, на которых чувствительность пьезопреобразователя меньше, чем на основной гармонике.

Акустический термометр (фиг.1) состоит ив приемника 1 акустического излучения с камерой 2, состоящей ив двух отсеков 3 и 4. Отсек 3 заполнен иммерсионной жидкостью 5. Приемник 1 акустического излучения содержит входное акустически прозрачное окно 6, выполненное, например из тонкой пленки высокомолекулярного полимера. На акустической оси в противоположной окну 6 стенке отсека 3 размещен преобразователь 7 акустического сигнала в электрическое напряжение. Преобразователь 7 может иметь согласующие и защитные слои 8. Преобразователь 7 соединен с многочастотным полосовым фильтром 9, выделяющим два частотных диапазона в соответствии с фиг. 2. Для изменения коэффициента передачи по напряжению фильтра 9 используется регулятор 10. Внутри отсека 3 размещен датчик 11 измерителя 12 температуры иммерсионной жидкости 5, а также исполнительный элемент 13 термостабилизатора 14. В иммерсионной жидкости 5 размещена мешалка 15.

На внешней поверхности камеры 2 в непосредственной близости от акустически прозрачного окна 6 размещен датчик 16 измерителя 17 температуры поверхности исследуемого объекта 18.

Фильтр 9 соединен с усилителем 19 высоких частот, выход которого, в свою очередь, подключен ко входу высокочастотного полосового фильтра 20, настроенного на частоту f. Выход фильтра соединен последовательно с квадратичным детектором 21 и фильтром низких частот 22 и первым входом блока 23 коррекции. Выход усилителя 19 высоких частот также подключен ко входу высокочастотного полосового фильтра 24, настроенного на частоту 2f. Выход его соединен последовательно с квадратичным детектором 25 и фильтром 26 низких частот. Выход низкочастотного фильтра 26 соединен с вторым входом блока коррекции 23. На третий вход блока коррекции 23 подается сигнал с выхода измерителя 12 температуры иммерсионной жидкости 5. Для изменения ширины полосы пропускания высокочастотных фильтров 20 и 24, а также низкочастотных фильтров 22 и 26 имеется блок 27 регулировки полосы пропускания. Выход блока коррекции 23 подключен к первому входу сумматора 28, ко второму входу которого подключен сигнал с выхода измерителя 12 температуры камеры. Выход сумматора 28 подсоединен к одному из входов блока 29 регистрации и индикации. На вход этого блока подаются также сигналы о температуре камеры 2 и поверхности объекта 18 с соответствующих измерителей 12 и 17.

На фиг. 2 представлена схематически частотная зависимость квадрата напряжения, снимаемого с выхода фильтра 9 в области высоких частот. В том случае, если в качестве преобразователя 7 используется пьезоэлектрический элемент, это напряжение отлично от нуля в двух частотных диапазонах вблизи частоты f, на которой преобразователь обладает чувствительностью к внешнему акустическому сигналу и вблизи частоты 2f, где подобная чувствительность отсутствует. На фиг. 3 приведена зависимость электрических напряжений V₁ и V₂, снимаемых с выходов фильтров низких частот 22 и 26 после сответствующих квадратичных детекторов 21 и 25, от емкости С пьезопреобразователя 7 (один из возможных вариантов такой схемы высокочастотного фильтра изображен ниже на фиг. 8). с ростом величины емкости С, что происходит при возрастании температуры Т_g пьезопреобразователя, указанные напряжения спадают, при этом наклоны кривых различаются. Поэтому, производя коррекцию напряжения V₁ на изменение емкости С (или температуры) пьезопреобразователя, необходимо учесть, что напряжение V₂, которое мы используем для этих целей, иным образом зависит от величины С, поэтому требуется дополнительный электрический сигнал для коррекции величины V₁ при равных температурах пьезопреобразователя.

На фиг. 4 представлен принцип функционирования блока 23 коррекции, он может быть выполнен в виде сумматора с тремя входами, на первый вход подается сигнал, пропорциональный напряжению V₁, на второй вход сигнал, пропорциональный напряжению V₂, умноженному на постоянный коэффициент а и взятый со знаком "-", на третий вход подается сигнал, пропорциональный разности текущей температуры Т_п преобразователя и опорного значения Т_о этой температуры, также взятый со знаком "-" (соответствующий коэффициент пропорциональности в).

На фиг. 5 представлен принцип построения системы коммутации высокочастотных и низкочастотных фильтров с квадратичными детекторами, исключающий изменения выходного сигнала, обусловленные дрейфами параметров этих устройств. Система содержит ключи 30, размещенные между высокочастотными полосовыми фильтрами 20, 24 и соответствующими квадратичными детекторами 21, 25, а также между последними и низкочастотными фильтрами 22, 26. Коммутатор 31 управляет ключами 30.

На фиг.6 представлена схема акустического термометра, реализующего мультиспектральное зондирование. Особенностью выполнения акустического термометра, отраженной на фиг. 6, является настройка многочастотного полосового фильтра 9 не на две, а на несколько составляющих сигнала, соответствующих разным частотам (фиг.7). Устройство включает в себя несколько (больше двух) измерительных каналов, образованных полосовыми фильтрами 20, настроенными на частоты f, 3f, 5f и т.д. входы каждого из которых подключены к выходу усилителя 19, а выходы включены на входы квадратичных детекторов 21. Кроме этого выход высокочастотного усилителя 19 соединен с опорным каналом, настроенным на частоту 2f, и включающим в себя последовательно соединенные высокочастотный фильтр 24, квадратичный детектор 25 и фильтр низких частот 26. Выходы всех измерительных и опорного каналов подключены ко входам блока коррекции 23.

Наличие сигналов разных частот из объема исследуемого объекта 18, соответствующих разным глубинам затухания волн в объекте, позволяет проводить одновременное мультиспектральное зондирование, используя единственный преобразователь 7.

На фиг. 7 представлена схематически частотная зависимость квадрата напряжения, снимаемого с выхода фильтра 9 в области высоких частот в случае мультиспектрального зондирования. В том случае, если в качестве преобразователя 7 используется пьезоэлектрический элемент, это напряжение отлично от нуля в нескольких частотных диапазонах вблизи частот f, 3f,5f и т.д. на которых преобразователь обладает чувствительностью к внешнему акустическому сигналу, и вблизи частоты 2f, где подобная чувствительность отсутствует. На фиг. 8 представлена одна ив возможных реализаций фильтра 9. Схема состоит ив индуктивности L₃, включенной параллельно пьезопреобразователю с емкостью С, параллельно включенных индуктивности L₁ и емкости C₁, а также включенных последовательно с той цепью индуктивности L₂ и резистора R. Последний другим концом подключен к пьезопреобразователю 7. Сигнал с выхода пьезопреобразователя через трансформатор Тр подается на вход высокочастотного усилителя 19.

Акустический термометр (фиг.1) работает следующим образом. Шумовой акустический сигнал, интенсивность которого пропорциональна абсолютной температуре Т, из глубины исследуемого объекта 18, например, от опухоли 32, через акустически прозрачное окно 6 поступает внутрь камеры 2 и распространяется по иммерсионной жидкости 5 в сторону преобразователя 7, который, действуя с фильтром 9 подобно резонансному усилителю, выделяет две составляющие сигнала, соответствующие равным частотам f и 2f (фиг.2).Эти составляющие сигнала усиливаются высокочастотным усилителем 19 и поступают на входы полосовых высокочастотных фильтров 20, настроенного на частоту f, и 24, настроенного на частоту 2f. После прохождения полосовых фильтров 20, 24 составляющие cигнала детектируются, соответственно, квадратичными детекторами 21 и 25 и поступают на фильтры низких частот, соответственно, 22 и 26. Регулятором 10, управляющим входным фильтром 9, и регулятором 27, управляющим фильтрами 20, 22, 24,26, можно изменять напряжения на выходах обоих квадратичных детекторов. Схемы регуляторов 10, 27 не являются предметом данного рассмотрения и не приводятся ввиду тривиальности. Такие решения хорошо известны [6]

Затем эти две составляющие подаются на два входа блока коррекции 23. В последнем происходит коррекция напряжения V₁1 на изменения коэффициента усиления К_у и изменение емкости С пьезопреобразователя. Для этого в этот блок также поступает сигнал, несущий информацию о температуре иммерсионной жидкости 5 (а значит, и пьезопреобразователя). Температуру иммерсионной жидкости 5 определяют с помощью датчика 11, сигнал с которого подается на вход измерителя 12 температуры, с выхода последнего напряжение п дается на третий вход блока коррекции 23.

Функционирование варианта схемы акустического термометра с блоком 23 обработки выходного сигнала (фиг.4) можно проиллюстрировать, используя показанную на фиг.3 зависимость напряжений исследуемого V₁ и опорного V₂ сигналов, регистрируемых на выходе фильтров низких частот 22 и, соответственно, 26, от изменений емкости пьезопреобразователя.

Изменение C емкости пьезопреобразователя зависит от изменения его температуры _п. Пусть при температуре иммерсионной жидкости 5 (а следовательно, и пьезопреобразователя) Т_о его емкость равна С_о. Параметр а (фиг.4) подбирается таким образом, чтобы при отсутствии контакта с исследуемым объектом величины V₁(C_о) и аV₂(С_о) были равны (на фиг.3 этому соответствует "подъем" кривой V₂ до пересечения с кривой V₁). При изменении температуры пьезопреобразователя на величину _п (для этого меняется температура иммерсионной жидкости при отсутствии контакта с исследуемой средой) меняется его емкость (как показали наши измерения, с ростом температуры пьезокерамического преобразователя относительное увеличение его емкости составляет около 10^-3 1/град), и как видно из фиг.3, появляется ненулевая ровность V₁(C)-aV₂2(C), пропорциональная изменению температуры _п,, которую можно контролировать измерителем 12 температуры. Подбором параметра в данную ровность можно занулить (V₁-aV₂-bT_п=0),, т.е. убрать изменения величины V₁, не связанные с изменениями температуры исследуемого объекта.

Блок 23 коррекции выполняет следующие функции:

1. при фиксированной температуре пьезопреобразователя, задаваемой при настройке акустического термометра, Т_п=Т_о, обеспечивается вычитание из сигнала V₁ сигнала aV₂, т.е. исключается постоянная составляющая сигнала V₁;

2. при отклонении температуры Т_п преобразователя от значения Т_о блок вычитает из сигнала V₁ величину b(Т_п-Т_о);

3. блок нормирует скорректированное выходное напряжение V₁ так, чтобы обеспечить заданную крутизну преобразования акустического термометра, т.е. определенное изменение электрического напряжения на выходе устройства при определенном изменении глубинной температуры среды.

Как следует ив выражения (3), предлагаемое устройство фактически измеряет разность температур исследуемой среды и преобразователя. Поэтому для получения абсолютной температуры измеряемого тела 18 вводится сумматор 28 скорректированного напряжения V₁ электрического напряжения, пропорционального температуре Т_п, на один вход которого подано выходное напряжение с блока 23 коррекции, а на другой сигнал с выхода измерителя 12 температуры камеры.

Описанные выше функции блока 23 коррекции можно реализовать с помощью ЭВМ, на вход которой поданы напряжения V₁ и V₂. При этом можно использовать и другие алгоритмы обработки сигналов, например, деление сигнала V₁ на V₂ (что обеспечивает коррекцию коэффициентов усиления и, частично, изменений температуры пьзопреобразователя) с последующим вычитанием на полученной величины соответствующей функции от температуры Т_п преобразователя и нормировкой полученного сигнала (что полностью скомпенсирует изменение емкости с температурой). Таким образом, на выходе сумматора 28 вырабатывается электрическое напряжение, пропорциональное глубинной температуре исследуемого объекта 18, которое поступает на вход блока 29 регистрации и индикации.

Для исключения дрейфов емкости преобразователя 7 необходима его термостабилизация вместе со всей камерой 2.

Постоянная температура отсека 3 поддерживается с помощью термостабилизатора 14. На его вход поступает напряжение с выхода измерителя 12 температуры отсека, которое представляет собой сигнал обратной связи, несущий информацию о температуре жидкости 5 в этом отсеке. В предлагаемом устройстве обеспечивается режим термостабилизации по температуре, задаваемой специальным задатчиком температуры (на фиг, не показан).

Диапазон рабочих температур камеры составляет 26-42^oC. Термостабилизатор 14 вырабатывает сигнал, подаваемый на исполнительный элемент 13. Если температура жидкости 5 ниже заданной, то через исполнительный элемент проходит электрический ток, и он по огревается сам и подогревает жидкость 5 до тех пор, пока не устанавливается заданное значение температуры. После этого подаваемое на исполнительный элемент напряжение убирается. Если же вследствие каких-либо причин температура жидкости 5 оказывается выше заданной, то ток через исполнительный элемент 19 падает до нуля, он перестает нагреваться и происходит остывание жидкости 5 за счет теплообмена с окружающей средой. Таким образом стабилизируется температура преобразователя. В качестве исполнительного элемента 13 может быть использовано устройство, позволяющее как нагревать, так и охлаждать жидкость 5, например элемент Пельтье. Мешалка 15 позволяет ускорить процесс термостабилизации и увеличить ее точность.

Температура поверхности объекта регистрируется с помощью датчика 16 температуры поверхности тела и измеряется измерителем 17 температуры тела, она и (или) температура отсека 3 также контролируется с помощью блока 29 регистрации и индикации.

Функционирование варианта акустического термометра (фиг.5) с переключением сигналов с выходов фильтров 20 и 24 высокой частоты происходит следующим образом. На вход каждого квадратичного детектора 21 и 25 подаются поочередно сигналы с выходов обоих фильтров 20 и 24, а выходы квадратичных детекторов 21 и 25 также поочередно соединяются с низкочастотными фильтрами 22 и 26, которые сглаживают сигналы, измеренные на частотах f и 2f. Все переключения осуществляются ключами 30, которые управляются коммутатором 31. Этот вариант схемы акустического термометра позволяет исключить влияние на выходной сигнал изменений исследуемого и опорного сигналов за счет различия в дрейфах коэффициентов преобразования обоих квадратичных детекторов 21 и 25.

Функционирование акустического термометра для мультиспектрального зондирования (фиг. 6) принципиально не отличается от описанного выше варианта. Фильтр 9 выделяет из полученного теплового акустического сигнала не две, а несколько составляющих, отвечавших различным частотам (см.фиг.7). Средний квадрат напряжения составляющих сигнала на нечетных гармониках антирезонансной частоты зависит от ровности температур между преобразователем и объектом. Точно так же, как описано выше, в блоке 23 коррекции происходит коррекция величин сигналов на нечетных гармониках сигналом на четной гармонике и сигналом, связанным с температурой преобразователя 7. Наличие показаний на равных частотах дает возможность определить температуру и границы нагретых областей в исследуемом теле 18 (например, опухоли 38) (см. [7,8]).

Схема фильтра 9 может быть реализована следующим образом (фиг.8). К пьезопреобразователю параллельно подсоединяют индуктивность L₃ и цепь, содержащую последовательно соединенные сопротивление R, параллельный резонансный контур С₁L₁ и индуктивность 2. Параллельный резонансный контур C₁L₁ настраивается на антирезонансную частоту, на нее же настраивается контур CL₃ при отсоединенной цепи из элементов R, L₂, C₁ и L₁. Индуктивность L₂L₃ выбирается таким образом, чтобы второй резонанс фильтра акустического термометра (см. фиг.2) приходился на частоту 2f.

Два резонанса на фиг.2 с разной полушириной получаются следующим образом: на антирезонансной частоте f резонанс возникает за счет контура CL₃, при этом ток через сопротивление R минимален за счет высокого сопротивления параллельного контура C₁L₁ на этой частоте, и это сопротивление практически не влияет на добротность этого контура, определяемую свойствами пьезопреобразователя. Вторая гармоника получается в первом приближении, за счет параллельно соединенных индуктивностей L₃ и L₂, а также емкости C пьезопреобразователя. При этом значительная часть тока в колебательном контуре протекает через индуктивность L₂, а следовательно сопротивление R может существенно уменьшать добротность контура на этой частоте и тем самым расширять частотную характеристику на частоте 2f.

Полосу пропускания сигнала на второй гармонике целесообразно расширять из следующих соображений. Как известно, пороговая чувствительность акустического термометра обратно пропорциональна корню квадратному из произведения полосы пропускания полосового высокочастотного фильтра Df времени интегрирования фильтра низких частот [9]



В коэффициент пропорциональности выражения (5) также входит фактор ,, определяемый способом проводимых измерений. В модуляционном акустическом приемнике прототипе [4] величина = 2,, т.к. происходит сравнение двух шумовых акустических сигналов один из которых идет от исследуемого объекта, а второй с модулятора. Если время приема обоих сигналов одинаково, то пороговая чувствительность акустического приемника равна квадратному корню из суммы среднеквадратичных погрешностей определения обоих сигналов, т.е. если эти погрешности равны, то пороговая чувствительность ухудшается в раза. Еще один множитель набегает за счет того, что полезный шумовой сигнал регистрируется только половину всего времени измерения, т.к. половину времени модулятор закрыт.

В предлагаемом акустическом термометре за счет того, что модулятор отсутствует, сразу получается выигрыш в пороговой чувствительности в раз. Если существенно расширить полосу пропускания высокочастотного фильтра вблизи второй гармоники f₂ по сравнению с таковой вблизи антирезонансной частоты f₁,, то среднеквадратичная погрешность определения опорного сигнала в соответствии с (5) уменьшится, и пороговая чувствительность акустического термометра возрастет. В пределе, если полоса пропускания опорного сигнала (вблизи второй гармоники) будет много больше, чем полоса пропускания измеряемого сигнала (вблизи антирезонансной частоты), то пороговая чувствительность акустического приемника улучшится еще в pas по сравнению с модуляционным акустическим термометром.

Расширение полосы пропускания порогового высокочастотного фильтра вблизи второй гармоники связано с определенными техническими трудностями, и полоса принципиально не может быть больше значения 2f. Чтобы еще больше уменьшить среднеквадратичную погрешность в определении опорного сигнала, надо использовать фильтры низких частот 22 и 26 для измеряемого и опорного сигналов с равными полосами пропускания и уменьшить полосу пропускания фильтра 26 низких частот (увеличить время интегрирования) для опорного сигнала на частоте 2f относительно таковой для фильтра 22 низких частот, настроенного на частоту f. Так как составляющая на четной гармонике не несет информации о температурных процессах в исследуемом объекте, это уменьшение не скажется на быстродействии акустического термометра. 2